1區(qū)域差異顯著

1.1農(nóng)田土壤重金屬空間異質(zhì)性強(qiáng)

我國(guó)幅員遼闊，不同區(qū)域土壤重金屬背景值和累積量差異較大，需要大量物力和人力來把握土壤整體污染狀況。以土壤Cd含量為例，各省份中貴州土壤Cd背景值最高（0.659mgkg-1），約為內(nèi)蒙古土壤Cd背景值（0.053mgkg-1）的12.4倍。Liu等對(duì)我國(guó)22個(gè)水稻種植省份土壤Cd累積量進(jìn)行調(diào)查，顯示全國(guó)水稻土Cd平均含量為0.45mgkg-1，其中湖南水稻土Cd平均含量（1.12mgkg-1）為河南水稻土Cd平均含量（0.06mgkg-1）的18.7倍。

縣域尺度內(nèi)土壤重金屬背景值和累積情況也存在較大差異。我們對(duì)湖南某地農(nóng)田的調(diào)查顯示不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤Cd背景值范圍在0.08~1.2mgkg-1，相差達(dá)15倍。我們對(duì)該地區(qū)兩個(gè)典型農(nóng)業(yè)化鄉(xiāng)鎮(zhèn)Cd輸入通量進(jìn)行估算，結(jié)果顯示TS鄉(xiāng)鎮(zhèn)通過灌溉水和大氣沉降輸入農(nóng)田的Cd通量分別為WL鎮(zhèn)通過相同途徑輸入農(nóng)田Cd通量的2.2倍和2.5倍。

農(nóng)田土壤重金屬累積量還受到距工業(yè)區(qū)、礦區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)的距離，不同種類農(nóng)產(chǎn)品的投入及氣候條件等多種因素影響，這進(jìn)一步促進(jìn)了農(nóng)田土壤重金屬累積的空間變異。

1.2農(nóng)田土壤類型差異明顯

我國(guó)農(nóng)田土壤類型多樣，由于土壤條件、氣候條件和耕作管理水平的不同，不同類型土壤理化性質(zhì)差異較大，這進(jìn)一步加劇了農(nóng)田土壤重金屬污染的多樣化格局。

王金貴對(duì)我國(guó)22種典型農(nóng)田土壤Cd的吸附解吸特性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示不同溫度下紅壤、赤紅壤和黃壤等酸性土壤類別Cd解析率均在15%以上，顯著高于灰漠土和栗鈣土等堿性土壤類別的Cd解析率（＜10%）。同一土壤類別中重金屬活性差異也較大。Rafiq等對(duì)我國(guó)7種典型農(nóng)田土壤Cd活性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示酸性土壤類別中，富鋁土中交換態(tài)Cd含量約為黃壤中交換態(tài)Cd含量的近4倍。土壤類型對(duì)農(nóng)作物重金屬累積量影響也較大。Ding等通過盆栽實(shí)驗(yàn)研究了同一農(nóng)作物品種（胡蘿卜）在我國(guó)21種典型農(nóng)田土壤中的生長(zhǎng)情況，發(fā)現(xiàn)不同土壤收獲的胡蘿卜對(duì)Cd和Pb的累積差異近180倍和360倍。Rafiq等指出我國(guó)7種典型水稻土收獲的同品種稻米中，Cd含量差異達(dá)到125倍。

1.3農(nóng)作物品種差異明顯

不同農(nóng)作物對(duì)土壤重金屬累積量差異較大。我們對(duì)湖南省某地農(nóng)田Cd含量的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)表明，水稻田Cd固液分配系數(shù)（Kd，平均值為29.5Lkg-1）略低于菜田土壤Kd（平均值為38.4Lkg-1），然而稻米Cd富集因子（PUF，平均值為1.52）卻高出蔬菜PUFCd（平均值為0.15）近10倍。同一農(nóng)作物內(nèi)不同品種對(duì)重金屬富集能力差異也較大。

Duan等通過大田實(shí)驗(yàn)調(diào)查湖南省常見的471個(gè)水稻品種對(duì)As和Cd的累積差異，結(jié)果顯示不同品種對(duì)As和Cd累積差異分別為2.5倍~4倍和10倍~32倍。該研究還指出有8個(gè)品種表現(xiàn)出明顯的低Cd富集特性，有6個(gè)品種表現(xiàn)出明顯的低As富集特性。

Liu等研究了河北省常見的30個(gè)小麥品種對(duì)土壤Cd和Pb的累積差異，結(jié)果顯示小麥中Cd和Pb的含量范圍分別為0.87~6.74和18.3~94.0mgkg-1，有3個(gè)品種表現(xiàn)出低Cd富集特性，4個(gè)品種表現(xiàn)出低Pb富集特性。

不同農(nóng)作物種類及相同農(nóng)作物種類不同品種對(duì)土壤重金屬富集能力的差異造成系統(tǒng)管理農(nóng)田土壤污染風(fēng)險(xiǎn)的不便，但也為污染農(nóng)田的再利用和耕作方式調(diào)整提供了新的契機(jī)和方向。

2污染危害加劇

2.1農(nóng)田土壤酸化嚴(yán)重

農(nóng)田土壤酸化增強(qiáng)了土壤重金屬活性及其遷移和擴(kuò)散能力，減弱了土壤—植物系統(tǒng)重金屬遷移屏障，加劇了重金屬污染的危害。Blake和Goulding在英國(guó)洛桑試驗(yàn)站的研究指出，強(qiáng)酸性土壤（pH=4）在100年中活化了近60%~90%的土壤總鎘。R?mkens等對(duì)臺(tái)灣土壤—水稻系統(tǒng)3198個(gè)樣品重金屬含量的調(diào)查顯示，大部分Cd含量超標(biāo)稻米產(chǎn)自土壤Cd含量不高卻嚴(yán)重酸化區(qū)域。我們對(duì)湖南省某地的調(diào)查也顯示在土壤pH＜5.5的菜地和水稻田中，蔬菜和稻米Cd含量超標(biāo)率分別為7.8%和89.4%；而在土壤pH＞6的菜地和水稻田中，蔬菜和稻米Cd含量顯著降低至1.3%和32%。

我國(guó)土壤酸化面積近200萬hm2，近年來糧田、菜園和果園酸化趨勢(shì)均有增加。Guo等指出1980―2000年我國(guó)5種典型土壤pH降低范圍為0.13~0.8unit。其中水稻土酸化最為嚴(yán)重，1980―2000年水稻土pH年均下降速率為0.012unit。而1988―2013年，水稻土pH年均下降速率上升至0.023unit。這也是導(dǎo)致我國(guó)近年來稻米Cd含量超標(biāo)問題多發(fā)，而同樣以水稻為主要農(nóng)作物的其他亞洲國(guó)家（泰國(guó)、韓國(guó)、日本等）稻米Cd含量超標(biāo)問題不突出的主要原因之一。

氮肥施用不當(dāng)、連作種植致酸作物及酸沉降是造成我國(guó)農(nóng)田土壤酸化的主要原因。近30年來我國(guó)氮肥施用總量增長(zhǎng)了近200%，年氮肥消費(fèi)量占到全世界氮肥總量的34%。而每增施100kghm-2的氮肥，水稻土pH就下降0.65unit。我國(guó)每年通過各種途經(jīng)損失的氮量占到總氮量的52%，據(jù)估算因氮損失每年向土壤釋放2×104~2.2×105molhm-2的H＋，為酸沉降的10倍~100倍。連年重茬種植單一致酸農(nóng)作物進(jìn)一步加速了農(nóng)田土壤酸化。據(jù)估算我國(guó)每年有超過20thm-2的干物質(zhì)生物量被收獲，導(dǎo)致大量鹽基離子被從土壤中移除，并產(chǎn)生1.5×103~2×103molhm-2的H＋。酸雨是酸沉降的主要形式。作為世界第三大酸雨區(qū)，酸雨覆蓋面積占到我國(guó)國(guó)土的40%。華中酸雨區(qū)（以長(zhǎng)沙、株洲，贛州和南昌為中心）酸雨頻率高達(dá)90%以上，這些地區(qū)也是近年來稻米Cd含量超標(biāo)問題多發(fā)的主要區(qū)域之一。

提高氮肥利用率，科學(xué)施用土壤改良劑，加強(qiáng)作物致酸研究和控制氮、硫污染物排放可助于緩解我國(guó)農(nóng)田土壤酸化問題。

2.2土壤元素失衡

土壤生態(tài)系統(tǒng)中一些鹽基離子與重金屬元素在農(nóng)作物吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)中存在密切的消長(zhǎng)關(guān)系。長(zhǎng)期不合理的耕作制度會(huì)造成農(nóng)田土壤鹽基離子大量流失，進(jìn)一步增加了農(nóng)作物對(duì)重金屬的累積風(fēng)險(xiǎn)。劉春生等指出經(jīng)酸雨淋溶的土壤在10年中淋失K+、Na+、Ca2+和Mg2+總量分別為530、567、5071和781mgkg-1。Wang等指出長(zhǎng)江三角洲地區(qū)60.7%的農(nóng)田Ca2+流失嚴(yán)重，這些土壤中收獲的小麥對(duì)Cd和Ni的累積量分別是富Ca2+土壤中收獲的小麥對(duì)Cd和Ni累積量的2倍和3倍。

Yang等于近年發(fā)現(xiàn)了調(diào)控水稻根部吸收Mn2＋和Cd2＋的關(guān)鍵抗性蛋白基因（OsNRAmp5），從分子層面揭示了土壤Mn與水稻吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)Cd過程密切相關(guān)。我們?cè)诤鲜∧车氐恼{(diào)查也發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤無定形錳（Mnox）低于82mgkg-1時(shí)，稻米Cd富集因子（PUF）大于1的概率高達(dá)83.8%，而當(dāng)Mnox提升至132mgkg-1時(shí)，該風(fēng)險(xiǎn)概率降為29.3%。當(dāng)前該地區(qū)土壤Mn平均含量只有248mgkg-1，顯著低于湖南省土壤Mn背景值（459mgkg-1）。我們通過大田實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了增施Mn肥（MnSO4）可有效降低稻米Cd超標(biāo)（從100%降至33.3%）。因此土壤Mn的嚴(yán)重流失是造成該地區(qū)稻米Cd含量大范圍超標(biāo)的主要原因之一。

土壤鹽基離子的流失也是造成很多修復(fù)措施在實(shí)際應(yīng)用時(shí)效果不佳的主要原因之一。重建土壤元素平衡有助于提升土壤修復(fù)效率和保障土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3不科學(xué)的發(fā)展方式

近年來由于勞動(dòng)力成本增加和稻米Cd含量超標(biāo)事件的發(fā)生，我國(guó)部分地區(qū)出現(xiàn)了超量施用化肥、改用進(jìn)口磷肥、水稻田改菜地、雙季稻改單季稻等現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇了土壤重金屬污染的危害。

一些地區(qū)誤認(rèn)為超量施用化肥有助于農(nóng)作物吸收營(yíng)養(yǎng)元素，緩解重金屬危害。雖然我國(guó)常用的化肥中（以氮肥、鉀肥及復(fù)合肥為主）重金屬含量并不高，但眾多實(shí)驗(yàn)指出長(zhǎng)期大量施用化肥會(huì)破壞土壤農(nóng)業(yè)生態(tài)服務(wù)功能，顯著增加農(nóng)作物對(duì)重金屬的富集。一些地區(qū)爭(zhēng)相購(gòu)買國(guó)外進(jìn)口磷肥，而我國(guó)磷肥中重金屬含量顯著低于世界主要農(nóng)業(yè)大國(guó)。以Cd為例，我國(guó)磷肥中Cd含量在0.08~3.6mgkg-1，而摩洛哥和美國(guó)磷肥中Cd含量范圍分別為10~24和4~100mgkg-1。此外，雖然磷肥中重金屬含量高于其他肥料，但我國(guó)由磷肥帶入農(nóng)田土壤重金屬的通量只占輸入總量的1.2%~5.9%。

近30年來我國(guó)菜地面積增加了411%，而水稻種植面積減少了20.4%。由于耕作方式差異，菜地對(duì)土壤的擾動(dòng)更強(qiáng)，菜地肥料施用量為水稻田施肥量的近3倍，這進(jìn)一步加劇了土壤環(huán)境質(zhì)量的下降。Zeng等指出近30年來，我國(guó)菜地重金屬污染趨勢(shì)增加明顯，24.1%、10.3%和9.2%的菜地Cd、Hg和As含量超出國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。Zhang等指出水田改菜地后，土壤pH、有機(jī)質(zhì)、微生物活性均顯著下降，而土壤重金屬活性上升。我們?cè)诤鲜∧车氐谋O(jiān)測(cè)也表明水田改菜地后，土壤pH，有機(jī)質(zhì)含量，C/N比及無定形Fe、Mn含量均顯著降低。

1998―2006年，我國(guó)南方有1.7×106hm2雙季稻改為單季稻，產(chǎn)量損失達(dá)1.6×107t。這不僅給我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來嚴(yán)重?fù)p失，也并未解決稻米Cd含量超標(biāo)問題。我們對(duì)湖南某地的長(zhǎng)期觀測(cè)顯示中稻或單季晚稻Cd含量顯著高于雙季稻Cd含量（數(shù)據(jù)未刊出）。由于該地民眾食用自產(chǎn)中稻或單季晚稻的比例高達(dá)89.7%，雙季稻改單季稻反而增加了民眾經(jīng)大米攝入Cd的健康風(fēng)險(xiǎn)。因此政府應(yīng)加強(qiáng)對(duì)進(jìn)口磷肥產(chǎn)品的檢測(cè)，對(duì)農(nóng)用地耕種模式的監(jiān)督，對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)合理施肥知識(shí)的普及和對(duì)國(guó)家相關(guān)政策的宣傳。

3風(fēng)險(xiǎn)管控困難

3.1農(nóng)田土壤重金屬累積趨勢(shì)難以逆轉(zhuǎn)

農(nóng)田土壤重金屬來源廣泛，大氣沉降、污水灌溉和化肥應(yīng)用均會(huì)對(duì)農(nóng)田土壤重金屬的累積產(chǎn)生顯著影響。

Luo等對(duì)我國(guó)土壤重金屬輸入/輸出通量進(jìn)行估算，結(jié)果顯示大部分農(nóng)田土壤重金屬輸入通量約為輸出通量的3倍~140倍。其中農(nóng)田土壤Cd年輸入通量高達(dá)1417t。以我國(guó)土壤Cd平均背景值（0.097mgkg-1）為基礎(chǔ)，在當(dāng)前土壤Cd年均增量情況下（0.004mgkg-1），即使不考慮外源污染物，農(nóng)田土壤Cd累積量也會(huì)在50年內(nèi)超過現(xiàn)行土壤Cd含量標(biāo)準(zhǔn)（0.3mgkg-1）。區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)Cd累積趨勢(shì)也在逐步增加。以廣泛關(guān)注的水稻田Cd污染為例，當(dāng)前南方雙季稻年均產(chǎn)量約為13.5thm-2，在符合我國(guó)稻米Cd安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（0.2mgkg-1）的情況下，種植水稻產(chǎn)生的Cd年輸出通量為2.7ghm-2，顯著低于年均Cd沉降通量（4.0ghm-2）。即使不考慮肥料和灌溉水等重金屬輸入途徑，水稻田Cd含量也將持續(xù)增加。

我國(guó)部分地區(qū)有機(jī)肥（尤其是畜禽糞便）和污灌污水中重金屬含量過高。據(jù)測(cè)算僅從養(yǎng)豬場(chǎng)的豬糞中每年帶入農(nóng)田的就有As230t，Cu240t和Zn900t。王美和李書田調(diào)查了我國(guó)近20年來土壤重金屬含量在施用不同肥料后的變化，結(jié)果顯示82.4%、76.5%、61.1%和50%的農(nóng)田在施用有機(jī)肥后，土壤Cu、Zn、Cd和Pb含量較對(duì)照分別增加了0.08~13.98、0~26.5、0~0.34和1.63~5.31mgkg-1。辛術(shù)貞等指出我國(guó)污灌區(qū)農(nóng)田重金屬污染面積占到了污灌總面積的65%，86%的污灌區(qū)水質(zhì)不符合灌溉要求，近30年來污灌污水中Cd含量有升高的趨勢(shì)。

可見在整體環(huán)境質(zhì)量得以改善之前，我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染持續(xù)累積趨勢(shì)難以改變。從源頭上控制主要污染元素在農(nóng)田土壤中的積累有助于降低農(nóng)產(chǎn)品重金屬富集風(fēng)險(xiǎn)。

3.2土壤—農(nóng)作物重金屬累積線性關(guān)系不顯著

重金屬在土壤—農(nóng)作物系統(tǒng)中的遷移和轉(zhuǎn)運(yùn)受到土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量和氧化還原電位等多種因素影響，因而土壤與農(nóng)作物重金屬富集水平無明顯定量關(guān)聯(lián)。張紅振等對(duì)我國(guó)近30年來土壤—農(nóng)作物系統(tǒng)Cd累積研究進(jìn)行整理，結(jié)果顯示土壤與稻米、小麥和蔬菜Cd含量之間線性關(guān)系較差，污染土壤生產(chǎn)Cd含量不超標(biāo)水稻、小麥和蔬菜，不污染土壤生產(chǎn)Cd超標(biāo)水稻、小麥和蔬菜的現(xiàn)象廣泛存在。我們對(duì)湖南省某地水稻田和菜地重金屬含量的長(zhǎng)期檢測(cè)也證明了這一現(xiàn)象。

土壤與農(nóng)作物重金屬含量線性關(guān)系的不顯著增加了糧食質(zhì)量保障的復(fù)雜性，也給農(nóng)田土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)控制與管理帶來了極大挑戰(zhàn)。

3.3修復(fù)技術(shù)不完善

我國(guó)土壤污染修復(fù)基礎(chǔ)研究與技術(shù)研究銜接不夠，尚未形成針對(duì)農(nóng)田重金屬污染土壤修復(fù)的完備體系。

當(dāng)前我國(guó)常用的農(nóng)田污染修復(fù)技術(shù)主要集中在物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)和農(nóng)藝修復(fù)措施等4方面。其中物理修復(fù)技術(shù)（如客土）見效快、適用性廣，但是工程量大，費(fèi)用高，且我國(guó)尚未制定滿足不同工程要求的客土法規(guī)程；化學(xué)修復(fù)技術(shù)（如淋洗、固化）成本低、修復(fù)材料來源廣泛，但技術(shù)要求多，且缺乏針對(duì)修復(fù)副產(chǎn)物和修復(fù)材料的回收及處理技術(shù)規(guī)范，容易造成二次污染；生物修復(fù)技術(shù)（如超富集植物）成本低，對(duì)土壤擾動(dòng)小，但大部分重金屬超富集植物受區(qū)域氣候條件影響較大，生物量小、生長(zhǎng)緩慢；農(nóng)藝修復(fù)措施（如水分管理、輪作等）操作簡(jiǎn)單，但修復(fù)周期長(zhǎng)，相關(guān)技術(shù)多停留在實(shí)驗(yàn)研究階段。

我國(guó)于近年設(shè)立專項(xiàng)資金在典型污染區(qū)域開展了一定規(guī)模的重金屬污染農(nóng)田修復(fù)試點(diǎn)工程，其中超富集植物蜈蚣草在廣西環(huán)江As污染農(nóng)田土壤中的選培和應(yīng)用，物理、化學(xué)、生物和農(nóng)藝聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在江西貴溪Cu污染農(nóng)田中的應(yīng)用，VIP技術(shù)模式（品種-灌溉-酸度調(diào)節(jié)模式）在湖南長(zhǎng)株潭Cd污染水稻田中的應(yīng)用，為污染農(nóng)田的修復(fù)提供了技術(shù)模式和管理經(jīng)驗(yàn)。但由于缺乏系統(tǒng)性、集成性的農(nóng)田土壤重金屬污染防治和資源化利用技術(shù)體系，我國(guó)自主研發(fā)的技術(shù)成果尚不成熟，難以完全滿足當(dāng)前農(nóng)田土壤污染防治的現(xiàn)實(shí)需求，在技術(shù)儲(chǔ)備及規(guī)?；瘧?yīng)用上與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大差距。

3.4修復(fù)措施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制缺失

近年來各種外來材料在我國(guó)污染農(nóng)田的應(yīng)用增加趨勢(shì)明顯。但仍缺乏針對(duì)大面積修復(fù)措施長(zhǎng)期應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制。

秸稈還田是常用的農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)措施之一。相關(guān)研究指出秸稈還田有助于緩解土壤酸化、增加土壤有機(jī)質(zhì)和陽(yáng)離子交換量，進(jìn)而提高土壤對(duì)重金屬的吸附量并降低農(nóng)作物對(duì)重金屬的富集。據(jù)Lu等估算，我國(guó)秸稈年均產(chǎn)量達(dá)4.5×108t，通過各種方式還田量占總量的近30%。而我們對(duì)湖南某地長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)表明，該地區(qū)水稻秸稈Cd含量顯著高于稻米Cd含量。減少該地區(qū)中等污染稻田秸稈還田量可提升稻田Cd年凈輸出通量至768ghm-2，即使Cd年沉降通量不變，50年內(nèi)區(qū)域稻田土壤Cd含量也可降到國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)（0.3mgkg-1）。

石灰作為來源廣、價(jià)格經(jīng)濟(jì)，并有效提升土壤pH和降低土壤重金屬活性的改良劑在我國(guó)南方水稻田大量應(yīng)用。然而，Lombi等指出施用石灰后土壤復(fù)酸化現(xiàn)象會(huì)顯著增加。我們?cè)诤线M(jìn)行的多尺度石灰（溫室—小區(qū)—大田）實(shí)驗(yàn)也觀察到這一現(xiàn)象，可見石灰必須在間隔一定時(shí)間后再次施用（數(shù)據(jù)未刊出）。此外大量的石灰應(yīng)用會(huì)引起土壤板結(jié)，影響農(nóng)作物生長(zhǎng)。我們的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)高石灰用量可造成土壤元素流失，反而增加了稻米Cd富集水平（數(shù)據(jù)未刊出）。

因此應(yīng)建立針對(duì)秸稈、石灰、鈍化劑、調(diào)理劑、改良劑等修復(fù)措施長(zhǎng)期施用的安全性和可持續(xù)性定量評(píng)估機(jī)制，并因地制宜地加以調(diào)控，避免加劇農(nóng)田土壤重金屬污染的危害。

 來源:土壤學(xué)報(bào)  作者:陳衛(wèi)平 楊陽(yáng)等

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