开封市农田土壤重金属镉污染防控措施及修复技术浅析

袁巧丽，吕桂军，安凤秋，侯礼婷

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004； 2.河南省小流域生态水利工程技术研究中心，河南 开封 475004； 3.西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710048）

0 引言

镉（Cd）是一种人类食用过量，会导致中毒，引发癌症、关节炎、肺气肿等多种疾病的痕量元素［1］。2014 年《全国土壤污染状况调查公报》显示，中国土壤无机污染物Cd 的点位超标率为7.0%，Cd 重度污染点位比例为0.5%， 在八大超标重金属元素之中居首位。 被重金属Cd 污染的农田土壤如果不采取有效修复措施， 很可能导致作物可食部位Cd累积，一旦进入动物和人体内，会导致Cd 慢性中毒。

开封市位于黄河中下游平原， 地处河南省中东部，现有常住人口500 万。 受黄河冲积物的影响，该区土壤类型多为潮土、盐土、风沙、新积土，土壤质地多为沙壤土，偏粗，有机含量少，土壤pH 值平均为7.91。开封是我国重要粮食生产地，主要农作物有小麦、玉米、水稻、花生、西瓜、大豆、棉花等。 由于水资源匮乏， 该区利用河中污水进行农田灌溉的现象普遍存在， 特别是沿淮河支流——惠济河的城乡交错地带。城乡交错区与城市交界，不但是农业区的过渡区，同时也是工矿企业，城市交通要道，城乡垃圾放置的密集区，易受工厂“三废”、交通生活有害物和化肥农药残留物等污染。 本研究主要针对开封市城乡交错区农田土壤受Cd 污染严重超标情况， 探讨了农田土壤Cd 污染的防控措施修复技术， 以期为开封市被Cd 污染的农田选择有效修复措施， 改善农田土壤环境质量， 有效降低农产品Cd 的富集水平提供参考。

1 开封城乡交错区农田中重金属镉的主要来源

1.1 水污染

长期以来，开封化肥河沿岸包括炼锌厂、皮毛加工厂、农业化肥厂、药业公司、机械制造厂以及火电厂等工矿企业，通过灌渠将废水排入农田，或经化肥河流向惠济河，再通过惠济河灌溉农田。这导致惠济河周边农田长期遭受污染， 加重了重金属Cd 的不断富集。据王小莉等研究，开封市城乡交错区农田土壤主要受到Cd、汞（Hg）、铅（Pb）、砷（As）、铜（Cu）等重金属的污染，其中Cd、Hg 达到重度污染［2］。周振民、郑艺在对开封市污灌区土壤重金属的调查研究中也指出，污灌区农田土壤主要受Pb、Cd、Cr、Cu 4 种重金属污染， 而且耕作层表层土壤重金属污染最为严重［3］。 离化肥河、惠济河越近，农田土壤重金属污染越显著。 王盛奎、侯园园的研究表明，开封市东南部城乡交错区农田由于长期用污水灌溉，致使土壤中重金属含量超标，导致周边种植的蔬菜中有的重金属超标，不符合我国食品卫生安全标准，尤其是Cd 含量，甚至超标达100%［1］。 城乡交错区农田Cd 污染严重威胁到周边地区人们的身体健康。

1.2 交通排放，老城区燃煤污染

开封市东南部是开封市的重要交通要道，20 世纪30 年代，陇海铁路、开封货运站、客运东站就建立在此。 据李一蒙、马建华等研究推测，开封东南部城乡交错区土壤重金属高的另一个原因是交通运输繁忙，人流、车流、物流密集，重金属粉尘产生量较大，导致土壤重金属Cd 含量再次富集， 再加上老城区东南部旧房比较多，居民生活长期以燃煤为主，加快了空气中粉尘的沉降， 更进一步加重了重金属Cd对农用耕地的污染［4］。

1.3 化肥农药残留污染

肥料和农药的使用也是农田Cd 污染的一个重要来源。 长期使用含有Cd 的农药、杀虫剂、除草剂等会加重农田土壤中Cd 的累积。 不恰当的施用磷肥、 污泥和畜禽粪便， 可能会加速农作物对重金属Cd 的吸收。

2 农田镉污染的防控修复

目前，农田土壤修复方法主要有物理、化学、生物、联合调控等，包括工程修复、农艺调控、化学钝化、化学淋洗、有机钝化、植物吸取修复、替代种植等技术。从技术上考虑，这些措施都是要减少土壤中重金属的含量、降低重金属的活性，降低重金属在食物链中传递所带来的风险。 开封市人多地少， 农田珍贵，耕地的安全利用迫在眉睫，如何因地制宜地采取措施来防控与修复被重金属Cd 污染的农田， 是亟待解决的技术问题。作者认为，可以针对开封市被污染土壤中Cd 的来源、现状以及对环境的影响，从以下几方面考虑主要防控点。

2.1 农田镉污染源防控措施

2.1.1 水源头预防

周振民、郑艺等人的研究认为，离污水河越近，农田土壤Cd 的环境风险也越高［3］。 因此，阻断污水源是防治农田土壤Cd 污染的有效方法之一。 开封东区城乡交错地带农田污水源主要是化肥河沿岸的工矿企业，阻断污水源的主要措施为：（1）持续加强开封城乡交错区国土、工业、农业、水利、环保部门之间的协作，建立农田污水准入制度，从源头杜绝企业废水不经处理或处理不达标超标排放现象。 在实施的过程中， 关键是要确定重金属Cd 排放的工矿企业，有的放矢地进行污染源Cd 的防控。 不但要督促企业自行监测， 环保部门更要定期不定期地对这些企业进行严格监测。同时，环保部门还要加大对惠济河、化肥河等农用水源地水质的管理，定期实施农用水源地水质监测。 （2）市政府要加大投入，统筹安排专项建设资金，激励并带动“涉重”企业参与土壤污染治理与修复，同时支持鼓励他们发展清洁工艺，建立更好、更先进、更前沿的废水、废渣处理设施，将“三废”中的重金属回收起来，以便综合利用，避免对农田土壤的二次污染。（3）加强远离污灌河无污染农田的保护力度。 开封农业部门，政府机构，可效仿国外通过补贴和成本分摊等措施激励农户优化农艺措施，建立污染阻隔设备，积极主动隔绝外来污染。

2.1.2 继续加速老城区改造，提倡生态环保新能源

由于开封市尤其是东郊老城区居民生活长期以燃煤为主，再加上工业发展，人口、汽车数量逐年增加，均加重了城乡交错区农田土壤中Cd 的含量。 近几年来，为改善开封市生态环境，开封东郊老城区也在持续进行改造，如改燃煤做饭、取暖为燃气做饭取暖等。 即使如此，也不能放松警惕，仍要继续加大加快对老城区进一步的改造。除此之外，还要大力提倡实施汽车上路单双号限行以及积极使用各类新能源交通工具，提倡公交出行、绿色出行、低碳出行，加大共享单车、电动车、共享汽车等的推广使用，以减少Cd 气溶胶的排放量。

2.1.3 改变农民意识，指导他们合理施用化肥农药，做到减肥减药、不减产

很多农民在对农作物进行施肥打药时， 只注重化肥农药的有效性，而忽略了化肥农药的有害性，特别是忽略了化肥农药中含有的对土壤有严重污染并对人体有害的重金属元素。 据报道，一些磷肥、复合肥、水溶性肥均有As、Cd 超标现象，特别是微量元素水溶性肥超标最为严重， 所以有关部门应该加强肥料监管， 从源头上预防重金属污染。 另有研究表明， 施用不同品种化肥对土壤重金属的数量和有效性会产生影响。 磷肥会加重土壤中Cd 的含量，因此要少施磷肥［5］。 铵态氮肥可能会使根际土壤酸化，从而导致根际土壤重金属活性的提高， 使重金属更易被作物所吸收，因此也要少施铵态氮肥。硝态氮肥与铵态氮肥性能相反，所以可多施硝态氮肥［6］。 目前，我国提倡对农作物进行减肥减药， 以便减轻化肥农药对农作物、土壤以及周边环境的污染。 市、乡镇各相关部门应加大对农民进行减肥减药宣传教育的力度。 另外，还应积极推广测土配方施肥技术，推行农作物以预防为主、生物防控的绿色防治措施，推广行之有效的低残留低毒农药和现代植保新技术并在不减产的情况下少用农药化肥， 以达到对土壤资源的保护。

2.2 农田镉污染修复技术

2.2.1 钝化剂修复技术

钝化剂修复技术因具有成本低、操作简单、修复速度快，且又不影响农业生产等特点，而被广泛应用在重金属污染农田修复治理之中。就目前而言，针对重金属污染的酸性土壤，钝化剂研究应用比较广泛；而针对重金属污染的中碱性土壤， 钝化剂研究相对较少。 开封土壤多沙土、潮土、呈碱性，有机质含量低，不适合运用碱性煤渣、膨润土、磷灰石、蒙脱石含碱土壤改良剂和沸石等无机钝化剂。目前，关于修复重金属污染的中碱性土壤钝化剂主要以钙镁磷肥、椰壳生物炭、油菜秸秆生物炭、腐殖酸形成的有机-无机复合材料为主。据解晓露等研究报道，钙镁磷肥作为一种无机修复材料，应用于潮土中，可抑制二价Cd 离子向植物体内迁移［7］。 生物炭、秸秆、腐殖酸等有机修复材料因比表面积大， 含有大量多种基团如酚羟基、内脂基、羧基、氨基等，能与土壤中重金属Cd 产生拮抗，或吸附重金属Cd 形成螯合物，从而可以降低重金属Cd 在土壤中的生物有效性和迁移性。 根据开封种植作物的特点，除主要种植玉米、小麦秸秆作物外，还种植油菜。 另外，开封市政府一直倡导鼓励秸秆还田。因此，笔者认为，可以在小麦、油菜、玉米秸秆还田的同时，施以适量的赤泥，或加入腐殖酸、粉煤灰、过磷酸钙，形成有机-无机复合钝化剂，以降低土壤中重金属Cd 的生物有效性。

2.2.2 深耕翻土，降低土壤重金属Cd 污染度

深耕翻土就是对污染的耕地进行深翻和混匀，它不仅能改善土壤结构，调节土壤的水分，加快土壤有机质的形成，促进作物的生长，而且能减轻重金属Cd 对作物的危害。此法是通过对污染的耕地进行深翻，将深翻出的底层土壤与表层土壤混匀，使表层中一部分具有高污染浓度的重金属进入到更深的底层土壤中， 从而降低土壤重金属Cd 在耕作层中的污染浓度。此法适用于远离污染源惠济河、化肥河且土壤底层重金属Cd 污染浓度较低的耕地。

2.2.3 继续加强秸秆还田措施，鼓励増施有机肥

多年来，开封市一直紧跟生态建设的步伐，积极推行秸秆还田，鼓励农民增施有机肥，转变了以往焚烧秸秆的局面，不仅还天空一片蓝色，还大大改善了空气的质量。秸秆还田不仅可以增加土壤的团粒体，改善土壤的理化性质，增加土壤的肥力，还可以提高土壤中微生物的数量和活性，从而加快养分的循环。一方面，秸秆腐熟可产生多种有机酸，这些有机酸能与土壤中重金属发生络合反应， 从而降低其生物有效性。有机肥中的有机质具有很强的吸附作用，能吸附和螯合土壤中的重金属离子， 从而阻止作物吸收更多的重金属离子。另一方面，根际微生物也会通过植物促生机制、解毒机制及其转运机制等，提高植物修复重金属土壤的效率［6］。贾乐等人研究发现，秸秆还田可以改变土壤重金属Cd 的形态， 增加土壤对Cd 固定［8］。 国外Tiwari 研究发现，香蒲的根际微生物中有11 种好气细菌菌株，它们均能钝化Cd［9］。 Janou sková 等研究发现，植物菌根能促进土壤中Cd 的钝化，而菌丝体能富集大量Cd［10］。

2.2.4 水分管理

水分管理也是对农田土壤Cd 进行生物有效性调控的重要手段。 它的原理是通过土壤水分管理调节氧化还原电位（EH），以便使土壤重金属的生物有效性得到调控。有研究表明，高硫土壤溶液比低硫土壤溶液对Cd 的2 价离子的去除率更高， 去除速度更快［11］。 造成这一结果的原因是，在淹水条件下，土壤SO42-被还原为S2-，Cd2+与S2-形成CdS， 大大降低了Cd2+的生物有效性。水分管理与硫肥管理相结合，对开封受重金属Cd 污染的水田土壤耕作区的土壤修复具有重要意义。

2.2.5 重金属镉污染土壤植物吸取修复技术

植物吸取修复是治理受重金属污染土壤的一种理想的、经济的、安全的、具有潜力的措施，也是目前国内外研究重金属修复的一个热门方向。 我国学者在这方面也做了大量的研究， 甚至有些研究成果已应用到了重金属污染治理工程项目中。 如重庆开县井喷事故后， 利用植物吸取修复技术使受污染土壤中的Zn 和Cd 含量降低了70%［12］。

据研究， 中轻度Cd 污染农田土壤可以通过植物吸取技术在相对较短的时间内实现修复［13］。目前，关于Cd 的超积累植物的研究有很多。 表1 列举了部分不同种类植物对Cd 富集的研究及相关结论。

根据开封气候及环境等特点， 表1 中很多植物均能在开封生长，如桑树、油菜、菊花、龙葵等。 龙葵喜温，对土壤要求不严，以透水性良好的沙质壤土为宜，抗逆比较强，田边、荒地、村庄附近等区域都能生长。早在2015 年就有学者报道，龙葵与低Cd 累积白菜套种两轮后，白菜可达到可食用标准［14］，龙葵与低Cd 累积大葱套种后，土壤Cd 的去除率为7%［15］。 龙葵的适生性强， 可以考虑在开封中轻度Cd 污染的土壤中种植龙葵，与其他低Cd 农作物套种，以实行边生产边修复的双重目标。

桑树对土壤Cd 同样具有较强的耐性，是土壤Cd的超累积植物。 桑树在开封也有种植，主要以食用为主。 若在开封城乡交错区受Cd 污染的中轻度土壤中种植桑树， 可以考虑改变种植桑树的结构和种植目的。 以桑—蚕—丝的模式进行桑树种植，这样既可以获得经济价值，又可以降低安全风险，还治理了Cd 污染土壤。

油菜也是开封的一种主要农作物， 鉴于油菜是Cd 的超累积植物，也可以考虑在惠济河、化肥河沿岸等受Cd 污染轻的农田中实行轮作。 据报道，油菜与低累积作物水稻轮作在增加油菜Cd 累积量的同时，还可减少大米中Cd 含量，使其成为符合食品安全标准的产品［16］。

表1 部分不同种类植物对镉富集相关研究Tab.1 Research of Cadmium enrichment of different plants

“黄花遍中国，汴菊最为名”。 开封自古就有菊，开封市民也酷爱菊花，家家有养菊、赏菊的传统。 菊花不仅能食用、能入药，还是观赏花卉。 万寿菊作为一种观赏花卉， 是Cd 的超累积植物， 其地上部分的累积量大，可达100 ug／g［17］。 对于开封Cd 污染严重的土壤和无法进行安全生产利用的农田，可以考虑种植观赏花卉万寿菊、野菊花［17］。 种植此类高Cd 超累积花卉，既能获得经济效益，也能修复土壤。 根据开封人喜菊的特点， 此法可以进行广泛的推广应用。 除此之外，Cd污染严重的土壤也可以试种像苎麻、 鼠耳芥等超Cd累积纤维类植物来去除土壤中的Cd。

3 结语

农田土壤重金属污染问题是一个关系到各国农业发展、农业生产安全的热门问题。农田土壤重金属Cd 位于污染土壤八大重金属元素之首，也是污染开封耕地土壤的主要重金属。 开封市政府、环保部门、农业部门也很重视受污染耕地的安全利用。 要保障开封受Cd 污染轻度或中度农田土壤的安全利用，就要从源头抓起，综合采取阻隔有污染的水源，深耕翻土、秸秆还田、增施有机肥等措施，改善土壤地力，降低土壤中Cd 的含量。

开封土壤呈碱性， 适合中碱性土壤的钝化剂研究报道较少。《土十条》出台后，国家支持高校等具有科研能力的单位参与到土壤修复方面的研究上来，所以建议开封有条件的科研单位、高校，可针对开封土壤环境条件研究开发适合开封本土修复Cd 污染的钝化剂。

在土壤污染治理中， 植物修复是目前最具前景的一种修复方式。 从近十年有关开封市土壤污染研究的相关资料看， 研究的主要方向集中在开封受污染土壤中各种重金属含量测定、 污染状况及潜在生态风险评价方面，而植物修复鲜有报道。根据开封种植农作物、花卉和果树等植物特点，深入探究超Cd富集植物， 低Cd 累积植物以及与其他生态修复方式综合利用在修复Cd 污染农田土壤中的应用及前景，是十分有必要的。