农业生态系统中的土壤风险

冯　伟，马铭泽，蔡海燕，刘忠宽，杜晓东*（.河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北　石家庄　05005；.河北省农林科学院，河北　石家庄　05005；.河北省农林科学院农业信息与经济研究所，河北　石家庄　05005）



农业生态系统中的土壤风险

冯伟1，马铭泽2，蔡海燕3，刘忠宽1，杜晓东3*
（1.河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北石家庄050051；2.河北省农林科学院，河北石家庄050053；3.河北省农林科学院农业信息与经济研究所，河北石家庄050051）

摘要：土壤风险是工农业快速发展下资源和环境等问题的集中体现之一。通过分析和评价化肥、农药、畜禽废弃物、污灌和其他因素（污泥、大气沉降、高速公路、工业三废等）在农业生产中的双面性，尤其是负面效应，以警醒生产经营者在农业生产中经济效益和生态效益同等重要。

关键词：土壤风险；双面性；土壤污染；农业生态系统

农业风险多以自然风险和市场风险（或经济风险），或以Baquet等（1997）和Hardaker等（1997）对农业风险的分类来进行研究探讨[1，2]。随着农业现代化的发展和推进，农业风险中资源和环境所涉及的土地风险越来越受到人们的关注。这里所说的土地风险主要指人类活动产生的污染物质进入土壤并积累到一定程度，引起土壤环境质量恶化，对生物、水体、空气或/和人体健康产生危害的现象，即土壤污染。

土壤是人类赖以生存的重要自然资源，也是人类生态环境的重要组成部分。建国以来，我国的土壤环境变化主要经历了普遍贫瘠、有机肥培肥、重化肥轻有机肥、有机-无机混施4个阶段，但不同阶段的土壤环境承载能力不同，一般来说，经历阶段越靠后的土壤，其环境承载力越弱。尤其是进入20世纪90年代末以来，工农业发展和推进较快，使得粮食产量快速增长，与之相联系的农业生产活动对土壤环境的潜在危害也日益凸显。化肥、农药生产充足，使用量迅速增长；养殖业快速发展，导致畜禽粪便量猛增；污灌在节约水资源的同时，也带来了土壤污染的后果。而与农业生产间接相关的其他活动如工业废渣、大气沉降、高速公路等，也对土壤环境污染造成了潜在的风险。作者着重从5个方面分析了农业生产过程中土壤所面临的风险或潜在风险，希望今后农业生产在注重产量的同时，更要重视土壤环境，避免土壤受到污染，从而使农业生产者能持续不断地从土地上获得稳定收益。

1　化肥与土壤风险

2　农药与土壤风险

我国是农业大国，粮食产量有1/3是靠施用农药减少或消灭病虫灾害来保证的[15]。2011年我国农药使用量达到178.70万t，其中化学农药占93.3%，而生物农药仅占6.7%。化学农药中，高毒、高残留农药占30%以上[16]，且单位面积平均使用量较世界发达国家高2.5～5.0倍，而农药施用有效率只有30%～40%。残留农药大部分进入了水体、土壤及农产品中。遭受残留农药污染的作物面积达到0.67亿hm2以上[17]，并且各流域的农药污染与该区域的农作物种类有重要关系[18]。同时过量使用农药，还会对粮食产量造成约1%的损失[19]。资料也显示，农药污染点可以作为开发新型抗生素产生菌的重要来源，成了农药污染后鲜有的好处[20]。

目前，我国使用的农药主要包括有机氯农药、有机磷农药、氨基甲酸酯类农药、拟除虫菊酯类农药、酰胺类及三嗪类农药五大类。其中，有机氯农药主要作为杀虫剂用于农林业害虫的防治，该类农药具有持久性、脂溶性、生物积累性和生物毒性等特征，是一类重要的持久性有机污染物，如曾经广泛使用的滴滴涕（DDTs）和六六六（HCHs）；相对于有机氯农药，有机磷农药药效较高、使用方便、易分解且一般不会在人畜体内积累，除敌敌畏、马拉硫磷等本身或降解产物对生物体具有三致性（致癌、致畸、致突变）外，大部分有机磷农药可以在环境中通过吸附催化水解、光催化降解、生物降解等作用消除，因此应用广泛，目前我国农药市场上的杀虫剂有75%以上为有机磷类[21]；氨基甲酸酯类农药具有残效短、选择性强等特点，但此类农药水溶性较高，易进入环境水体并大量累积，其降解产物具有的毒性和持久性常比母体更强；拟除虫菊酯类农药是当前最高效的农药和中等毒性最常见的品种之一，具有高效、广谱、击倒快、残留少等特点，进入人体内后经代谢转化成为水溶性产物随尿和粪便排出[22]；酰胺类及三嗪类农药属于除草剂，具有抵抗自然递降分解和扰乱内分泌的作用，是人类潜在的致癌物[23]。

在农业生产中，农药污染相对严重的是菜田[24]、果园[25，26]和茶园[27]等，包括对农产品、土壤、植株、水体、空气以及通过食物链对人畜的影响。其中，对人类威胁最严重的是农产品农药残留超标，这主要是由于对农药危害性认识不足、超量违规使用、施药方法落后、防治时期不准等造成的[28]。

杨兰等[29]对水生蔬菜26项主要污染物进行分析，结果显示，六六六、氯氟氰菊酯、联苯菊酯、砷、铅、镉、汞等项目均有检出。叶雪珠等[24]对浙江省目前蔬菜生产中主要使用的78种农药进行残留检测发现，其中以非禁用农药、中低毒农药为主的28种农药被检出，而且甲胺磷、氧乐果、对硫磷等高毒农药在蔬菜中也有检出，并且有13种农药（占检出农药数量的46.4%）在调查中未发现使用，说明在蔬菜生产源头存在农药使用风险，其中农药标识和成分不明是蔬菜生产源头风险的关键控制点。

我国是世界苹果第一生产大国，但我国的苹果出口占世界贸易量的比例不足10%，调查发现主要制约因素是安全性，其中农药残留是主要原因之一[26]。同样，我国茶叶也饱受国外绿色壁垒的限制，其中有机氯农药污染是一个重要因素。张家泉等[27]测定了福建闽南及闽东北茶树叶中的有机氯农药残留，结果显示，按照我国绿色食品—茶叶标准（NY/T 288—2002，六六六含量臆50 ng/g、滴滴涕含量臆50 ng/g）和有机茶标准（NY 5196—2002，六六六含量约LOD、滴滴涕含量约LOD），该区新鲜茶树叶中的六六六和滴滴涕含量均达到我国绿色茶叶的生产要求，但是未达到有机茶的标准。环境中的六六六主要来源于工业六六六和林丹2种，而DDT农药残留量未达标准则是由于该农药使用时间相对较长所致。

3　畜禽废弃物与土壤风险

养殖业的快速发展导致了畜禽废弃物成为农业生产中重要的有机肥来源之一。据2010年发布的《第一次全国污染源普查公报》，2007年我国畜禽养殖业粪便产生量为2.43亿t，尿液产生量为1.63亿t。畜禽粪便除了供给养分外，其施用到土壤后对培肥地力、改善土壤物理指标（孔隙度、容重等）、提高作物产量和品质以及化肥利用率等也具有重要意义。然而，由于畜禽粪便处理不力，以及养殖过程中超量使用饲料添加剂（微量重金属）和抗生素，导致畜禽粪便施入土壤后对土地产生污染、重金属残留、高浓度抗生素等问题，使其作为有机肥的重要来源备受争议。2007年我国农业面源污染排放的氨氮量为22.4×104t，总氮量为187.2×104t，总磷量为21.6×104t，其中，规模化畜禽养殖业污染物排放量占农业面源污染污染物排放量的84.9%，是主要的农业面源污染源[30]。《中国农村经济形势分析与预测（2013）》指出，2012年我国现代农业环境问题主要表现为农业投入品对环境的污染和对农产品质量安全的威胁，以及畜禽养殖业的环境污染。其中，畜禽养殖污染是农业生产中最大的污染源[31]。

在畜禽废弃物污染中，重金属的污染相对比较突出。以华北地区为例[32]，以畜禽粪便为原料的商品有机肥中，Pb超过中国有机肥行业标准率高达80.56%，而按照德国腐熟堆肥标准，Cr、Cu、Pb、Zn、Ni和Hg均有不同程度的超标；通过溯源分析发现，重金属污染主要来源为高Pb、高Hg饲料添加剂的使用，其次是磷肥的添加，以及高Cu、高Zn饲料添加剂的使用。以鸡粪为有机肥的设施菜田土壤的Cu、Zn、Pb、Cr和Cd含量均高于秸秆还田农田，且土壤重金属含量随着鸡粪施用年限和种植年限的增加呈明显的累积增加趋势[33]。养殖业中常用的抗生素是四环素类抗生素，其具有预防疾病和促进动物生长等作用。其中，有30%～90%的兽用抗生素以原药的形式随着畜禽粪便排泄出来，对环境和人体健康构成了巨大的潜在危害[34～36]。夏训峰等[37]对北京郊区6个规模化养猪场猪粪中的四环素类抗生素残留量进行了检测，结果显示，6个猪场的猪粪样品中均有四环素类抗生素检出，土霉素、四环素、金霉素的残留量最高值分别为25.15、24.13和17.66 mg/kg。李艳霞等[38]对辽宁省部分规模化养殖场的猪粪、牛粪和鸡粪样品进行了14种兽药抗生素检测，结果显示，四环素、磺胺、氟喹诺酮和大环内酯类均有检出，浓度范围分别为0.75～22.34、0.10～1.71、0.38～4.46和0.23～0.35 mg/kg。

4　污灌与土壤风险

我国81%的水资源集中在长江流域及其以南地区，该区耕地面积仅占全国的36%；而淮河流域及其以北地区，耕地面积占全国的64%，但水资源量仅占全国的19%，其中黄、淮、海、辽河流域内耕地面积占全国的42%，而水资源量仅占全国的9%[39]。受此状况的影响，我国北方农田存在着大面积的污灌区，且主要分布在黄、淮、海及辽河流域[40]，约占全国污水灌溉面积的85%。据不完全调查，目前因污灌污染的耕地面积达216.7万hm2，约占污灌总面积的54.94%[41]。

污灌在解决农业用水、增加粮食产量的同时，也造成了重金属污染[40]。对典型污灌区的研究结果显示，土壤和植物中的重金属主要来自于工业或城市生活污水、金属矿产资源开采、污泥利用以及工业区的粉尘大气沉降等[42]。污灌还可能造成有机污染物污染，这主要与污水所含的成分有关，王洪涛等[43]对辽宁8个大型污灌区监测显示，多环芳烃检出率达89.1%，平均值为0.396mg/kg；苯并［a］芘平均值为0.010mg/kg；在河北省的3个典型污灌区土壤中还检测到了9种内分泌干扰素的污染[44]。除了上述污染外，污灌还可引起土壤微生物种群发生变化[45]，增加农田温室气体排放量[46]，导致地下水污染[47]等，最终通过生态系统和食物链影响作物生长和人类健康。

5　其他因素与土壤风险

土壤风险或潜在风险除受上述4种因素影响外，还受其他因素如污泥、大气沉降、高速公路、工业“三废”等的影响。

污泥作为一种土壤改良剂是有效的[48]，如应用污泥有利于铜的吸附[49]。但目前污泥，尤其是城市污泥所含成分复杂，若直接堆放、施用、填埋或倾倒，会对土壤、植物、地下水或海洋造成潜在危害。按照其对农业生态系统的潜在危险性，可以将组成城市污泥成分的金属元素分为3组：毒性的，如Cd、Ni、Pb、Zn、Cb、Cr；中等毒性的，如Ag、Sn、Sr、Zr、Se；无毒的，如B、Co、Mo、Mn[50]。同时，污泥中有机污染也比较严重。余忆玄等[51]对我国13个城市污水处理厂的污泥进行有机污染物检测发现，与《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918原2012）和《城镇污水处理厂污泥处置农用泥质》（CJ/T 309原2009）相关限值比较，我国城市污泥污染以石油类为特征要素，其平均含量为我国污泥农用限制的9倍之多，仅8%的样品石油类含量符合农用标准；对比2001～2011年数据，当前我国城市污泥中六六六和DDT的含量分别增加了3倍和4倍。除此之外，城市污泥中还含有大肠菌、大肠埃希菌、嗜水气单胞菌等许多传染性病原体，能引起肠胃炎及生物中毒等疾病[52]。

排除自然因素，大气沉降受工业快速发展影响较大，因此，不同区域大气沉降的主要污染物不同。人为源大气污染物主要来自化石燃料燃烧、工业废气和机动车尾气。其中，对土壤产生不良影响的重要污染物有SO2、NOx、重金属、POPs、农药、石油等，尤其是大量化石燃料燃烧排放的酸性气体带来的酸沉降和微量金属沉降较为严重。目前我国酸雨区主要分布在东北地区东南部、华北大部、西南和华南沿海地区以及新疆北部地区，大体呈东北原西南走向。近年来，京津地区的降水pH值呈现出了较快的下降趋势[53]；东亚酸沉降监测网（EANET）显示，我国西南工业欠发达地区的酸雨类型仍为硫酸型，而其他地区的酸雨类型均为硫酸-硝酸混合型。目前在我国SO2总排放量不断增加的同时，NOx的贡献会使得降水酸化进一步加剧[54]。酸沉降可导致土壤酸化、退化，有毒重金属活化，森林植被退化，城市建筑和古建筑腐蚀，农作物减产等一系列为害；但在个别领域却是有益的，如酸沉降可以促进土壤矿物分化的速率，长期抑制泥炭地甲烷的排放和产生等。在有毒金属方面的资料[55]显示，大气干湿沉降对农田土壤有毒金属元素的输入贡献率均跃90%，其中农田系统中Cd、Pb、As和Hg的输入通量均跃输出通量；而进入农田中的各金属元素，80%以上的Cd累积在植物体中，近50%的Pb以地表径流形式进入地表水环境，残留在土壤和进入地表水环境的As超过80%，近60%的Hg残留在土壤中。

高速公路两侧也是土壤污染的重灾区。截止到2012年底，全国高速公路通车总里程达9.6万km，高速公路已成为保证工农业生产顺利进行和促进国民经济快速发展的必备条件之一。同时，我国汽车保有量也在快速增长，如2000年我国汽车保有量为1 609万辆，至2011年底增长到1.06亿辆。汽车在推动国民经济快速发展和改善人民群众交通出行的同时，也不可避免地对高速公路路域生态环境造成了一定影响，尤其是土壤重金属的污染。主要受到汽车尾气排放以及轮胎、刹车磨损等影响，高速公路路域土壤重金属以及小麦、水稻和蔬菜等农产品均受到不同程度的重金属污染[56]，且研究对象的重金属含量随着与高速公路距离的增大呈逐渐降低趋势[57]。高速公路大气颗粒物中锌、铅、锰、铜、镉和锑的浓度随着车流量的增加而增加[58]，说明交通活动是这几种金属的一个主要来源。

随着工业的快速发展和可持续发展的深入，工业“三废”的研究和使用也成为了热点。多年来，工业“三废”大多承担着环境污染的帽子，尤其是以冶金、机械、化工、电力工业为主的包括钢铁、稀土、有色金属、机械制造、重型汽车、煤炭等门类比较齐全的新兴工业基地。以包头市为例[59]，表层污染土壤的元素主要是Mn、Pb、Zn、Cd、S、As、Hg和La、Ce、Pr、Nd、Sm，这些元素的来源主要是冶金、矿业和化工等工业活动。内梅罗综合污染指数评价结果显示，市区221个表层土壤已有110个综合污染指数跃2，达到了中度污染水平，其中有69个已跃3，达到了重度污染水平。然而，通过技术手段，科学合理利用，就可以变废为宝。以工业废渣为例[60]，在采用生态涂料和纳米技术的基础上，可以将工业废渣制成低成本、高效的功能复合材料，应用于核试验工程、国防工事以及工业和民用建筑工程中。

5　结束语

在工农业快速发展的背景下，人们为了追求更高的经济效益，肆意地使用化肥、农药；养殖业膨胀带来的畜禽废弃物污染；水资源短缺引起的大面积农田污灌；其他因素如污泥、大气沉降、“工业三废”和高速公路等带来的有毒有害成分，均对农业生态系统中的根基——土壤造成多方面的（潜在）风险。因此，维持和保护健康的土地资源已经到了关键时刻。

当前人类对物质要求越来越高，但其食材仍严重依赖于土地生产，因此，生产经营者不应只看重事物的经济效益，更应注重其生态价值；在尽情享用工农业发展带来好处的同时，也应对生产中不合理的操作和使用的方式或方法极力回避；在生产实践活动中，应将对新技术、新方法、新思路的掌握和把控与工农业的发展保持同步进行。只有这样，我们才能真正拥有一片健康的土地。

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Soil Risk in Agricultural Ecological System

FENG Wei1，MA Ming-ze2，CAI Hai-yan3，LIU Zhong-kuan1，DU Xiao-dong3*
（1.Institute of Agricultural Resources and Environment，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijiazhuang 050051，China；2.Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijiazhuang 050053，China；3.Institute of Agricultural Information and Economy，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijiazhuang 050051，China）

Abstract：Due to rapid industrial and agriculture development，soil risk was one of the concentrated ex-pression of problems caused by resources and environment. The two-sided of mineral fertilizers，pesti-cides，animal wastes，sewage irrigation and other factors（sewage sludge，air settlement，expressway，in-dustry three wastes，etc.）was analyzed and evaluated，especially negative effects，which alerted producers that economic benefits and ecological benefits were equally important in the agricultural production.

Key words：Soil risk；Two-sided；Soil pollution；Agricultural ecological system

中图分类号：X825

文献标识码：A

文章编号：1008-1631（2016）01-0087-06

收稿日期：2015-06-11

基金项目：河北省科技计划项目（14227505D）；河北省渤海粮仓科技示范工程项目

作者简介：冯伟（1977-），男，河北井陉人，副研究员，硕士，主要从事土壤改良与培肥研究。E-mail：fwnpw@163.com。

通讯作者：杜晓东（1967-），女，河北赵县人，副研究员，主要从事农业信息研究。Te l：0311-87652163；E-mail：1220591829@qq.com。