中國部分城市農(nóng)田土壤重金屬污染狀況及來源分析

中國部分城市農(nóng)田土壤重金屬污染狀況及來源分析

隨著現(xiàn)代工業(yè)和城市的快速發(fā)展，特別是市政企業(yè)的快速發(fā)展，以及農(nóng)業(yè)、化肥和農(nóng)藥的廣泛使用，土壤污泥問題日益突出。重金屬污染是土壤污染的重要形式和內(nèi)容,它嚴(yán)重影響了農(nóng)作物產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)以及人們的身體健康和生命安全。重金屬污染來源廣泛,包括采礦、冶煉、金屬加工、化工、廢電池處理、電子、制革和染料等工業(yè)排放的三廢及汽車尾氣排放、農(nóng)藥和化肥的施用等。據(jù)報(bào)道,目前中國受鎘、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近2000萬hm2,約占總耕地面積的1/5,其中工業(yè)“三廢”污染耕地1000萬hm2,污水灌溉的農(nóng)田面積已達(dá)330多萬hm2。重金屬在植物根、莖、葉及子粒中的大量累積,不僅嚴(yán)重地影響植物的生長和發(fā)育,而且會(huì)進(jìn)入食物鏈,危及人類的健康(游秀花等,2005)。在環(huán)境污染領(lǐng)域重金屬元素一般是指對(duì)生物有顯著毒性的金屬元素,如Hg、Cd、Pb、Cr、Zn、Cu、Co、Ni、Sn、Sb等,通常也把As、Be、Li、Se、B、Al等非金屬和低原子量元素包括在內(nèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界每年平均排放Hg約1.5萬t、Pb約500萬t、Cu約340萬t、Ni約100萬t、Mn約1500萬t,這些物質(zhì)均由人類的生活、生產(chǎn)活動(dòng)排放于自然界中,最后絕大多數(shù)通過各種各樣的途徑進(jìn)入土壤。因此,世界各國的土壤都存在不同程度的重金屬污染。土壤中的重金屬對(duì)農(nóng)作物、農(nóng)產(chǎn)品及地下水都會(huì)產(chǎn)生不良影響,并通過食物鏈的傳遞危及人類健康。近年來世界各國都非常重視土壤污染和修復(fù)技術(shù)的研究,有關(guān)生物修復(fù)技術(shù)的研究引起眾多研究者的關(guān)注(李法云等,2003)。一、重金屬污染狀況據(jù)統(tǒng)計(jì),1980年中國工業(yè)“三廢”污染耕地面積266.7萬hm2,1988年增加到666.7萬hm2,1992年增加到1000萬hm2以上。目前,全國遭受不同程度污染的耕地面積已接近2000萬hm2,約占耕地面積的1/5。農(nóng)業(yè)部的一項(xiàng)調(diào)查表明:中國各大污灌區(qū)面積約140萬hm2,但遭受重金屬污染的土地面積占污染總面積的64.8%,其中輕度污染占46.7%,中度污染占9.7%,嚴(yán)重污染占8.4%,其中以Hg和Cd的污染面積最大也最嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì),目前中國污灌區(qū)所生產(chǎn)大米幾乎所有都遭受不同程度的重金屬污染,其中還有11處生產(chǎn)的大米中Cd含量嚴(yán)重超標(biāo),中國每年因重金屬污染導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)超過1000萬t,被重金屬污染的糧食多達(dá)1200萬t,合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失超過200億元人民幣(韋朝陽等,2001)。自2002年起,國家環(huán)?？偩珠_展了題為“典型區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量狀況探查研究”的調(diào)查,結(jié)果顯示:珠三角部分城市采樣點(diǎn)中有近40%的農(nóng)田菜地土壤重金屬污染超標(biāo),其中10%屬嚴(yán)重超標(biāo)。同是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)的長三角也有類似程度的污染,但污染種類有所不同,珠三角土壤汞超標(biāo)最嚴(yán)重,而長三角土壤是鎘鉻污染較為普遍。表1、表2分別列出了中國部分地區(qū)耕地重金屬含量和中國部分地區(qū)農(nóng)作物重金屬含量。從表1可見,各大城市的耕地土壤都存在不同程度的重金屬污染,其中Hg、Cd、Pb等常見物質(zhì)污染尤為明顯,如沈陽市郊區(qū)與西安污灌區(qū)土壤的Hg、Cd污染。同時(shí)北方地區(qū)的土壤受重金屬污染程度普遍高于南方,主要污染物是Hg、Cd、Pb等。原因在于,南方地區(qū)土壤受重金屬污染的主要原因與北方相似,但由于雨水相對(duì)充足,污灌面積相對(duì)較小,加上降水稀釋,污染程度相對(duì)較低。城市為人類生產(chǎn)和生活活動(dòng)的主要場所,重金屬的使用和排放理應(yīng)比遠(yuǎn)離城市的鄉(xiāng)村嚴(yán)重,所以城市周圍農(nóng)田受到的重金屬污染相對(duì)來說就更甚。但是,諸多事實(shí)說明,遠(yuǎn)離城市的鄉(xiāng)村重金屬污染在某些方面并不亞于城市,這是由于重金屬通過粉塵、風(fēng)和地下水等途徑在自然界中傳播,這更加重了治理重金屬污染的難度。對(duì)比表1與表2可見,蔬菜與土壤中的重金屬濃度一般呈正相關(guān)關(guān)系,但又顯得相當(dāng)復(fù)雜。如西安、沈陽市郊耕地土壤中Pb含量并未超標(biāo),但農(nóng)作物卻已嚴(yán)重污染。而表1中南寧市耕地土壤里Pb含量遠(yuǎn)低于國家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)含量“(二級(jí))GB15618—1995”,但當(dāng)?shù)厥卟说腜b含量卻已超標(biāo),其污染指數(shù)為1.23。西安市耕地土壤中Cd含量嚴(yán)重超標(biāo),污染指數(shù)為2.06,但其蔬菜的Cd含量卻低。這表明重金屬的復(fù)合污染存在拮抗和協(xié)同作用,拮抗作用降低了污染元素毒性的臨界值。吳燕玉等(1998)研究發(fā)現(xiàn),Cd、Pb、Cu、Zn、As等元素間交互作用表現(xiàn)為Pb、Zn、As存在有利于土壤Cd的解吸與植物的吸收,并在某些情況下起到了一種催化劑的作用。另有文獻(xiàn)報(bào)道,在Cd、As協(xié)調(diào)作用下,Cd3(AsO4)2可透過植物細(xì)胞膜,說明復(fù)合污染會(huì)提高Cd的吸收系數(shù),增強(qiáng)聯(lián)合毒性。因此,在研究土壤與農(nóng)作物的重金屬污染時(shí),不能僅考慮單一的重金屬污染。多元素的重金屬復(fù)合污染是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程,其生態(tài)效應(yīng)受多種因素的影響,有待進(jìn)一步研究。二、農(nóng)業(yè)土壤中重金屬污染的來源1.農(nóng)田重金屬污染與自然因素重金屬以氣溶膠的形態(tài)進(jìn)入大氣,經(jīng)過自然沉降和降水進(jìn)入土壤(崔德杰等,2004)。安徽省繁昌縣處于長江中下游地區(qū),是一個(gè)農(nóng)業(yè)大縣,本身并無多少能夠產(chǎn)生重金屬污染的工礦企業(yè)。但是由于該縣地處于蕪湖與銅陵兩個(gè)工業(yè)城市之間,且蕪銅鐵路、蕪銅公路貫穿全境,交通運(yùn)輸繁忙,同時(shí)由于兩市所排放的粉塵經(jīng)過大氣沉降進(jìn)入該縣,因此也導(dǎo)致其農(nóng)田受重金屬污染也相當(dāng)嚴(yán)重。Hg、As、Pb、Cr、Cd6+和Zn的檢出率均為100%(閻伍玖,1998),同時(shí)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于該地區(qū)自然土壤中重金屬自然含量平均值,由此可斷定該縣農(nóng)田受重金屬污染相當(dāng)嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查,公路附近的土壤和水體要比遠(yuǎn)離公路地區(qū)污染嚴(yán)重,這是因?yàn)槠嚭湍ν熊囕喬ゼ叭加椭泻兄亟饘俚木壒省＠畈ǖ?2005)對(duì)寧連高速公路兩側(cè)土壤和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬污染進(jìn)行了研究并得到證實(shí),高速公路兩側(cè)的農(nóng)田土壤和農(nóng)產(chǎn)品均遭受了不同程度的重金屬污染,其污染程度隨與高速公路距離的增加而遞減。2.礦山重金屬廢水污染狀況大量的工業(yè)廢水未經(jīng)處理直接進(jìn)入水體并隨灌溉進(jìn)入農(nóng)田,使重金屬以不同形態(tài)在土壤中吸附和轉(zhuǎn)化。宋書巧等(2003)對(duì)廣西刁江沿岸農(nóng)田受礦山重金屬廢水污染的狀況進(jìn)行了較詳細(xì)的研究。研究指出,由于一些選礦場的選礦廢水和尾砂未經(jīng)任何處理而直接排放入刁江,導(dǎo)致了刁江河床淤泥、河水及沿河兩岸的Cu、Pb、Zn、Cd、As、Sb、Sn、Hg、Cr和Fe2O3等主要污染物指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo),并嚴(yán)重污染沿江兩岸農(nóng)田,導(dǎo)致了水稻等主要農(nóng)作物的減產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品的嚴(yán)重污染及品質(zhì)的下降。3.土壤cd含量大量的工業(yè)廢棄物在堆放和處理過程中,由于日曬雨淋水洗,使重金屬向周圍土壤、水體擴(kuò)散,隨著污泥進(jìn)入土壤。劉翠華等(2003)對(duì)遼寧葫蘆島鋅廠周圍土壤Cd污染現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。由于在中國鉛鋅礦多為伴生礦,所以在對(duì)鉛鋅進(jìn)行冶煉加工的同時(shí)將一部分微量礦產(chǎn)大量拋棄,這些被拋棄的微量元素存在于冶煉礦渣和工業(yè)廢棄物中,在工業(yè)生產(chǎn)中被大量地堆放在曠野,由于風(fēng)蝕作用和雨水沖刷等原因,這些微量元素大量進(jìn)入堆場附近的土壤和地下水,并對(duì)周圍的環(huán)境造成了相當(dāng)大的污染。研究表明,鋅廠南部和西部5km、北部10km范圍內(nèi)的表層土壤(0～20cm)達(dá)到了重度污染,北部15km處為中度或重度污染,北部20km處受到輕度污染。鋅廠南部土壤Cd的含量最高,其次是北部的土壤,含Cd量分別超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的19.23～109.23倍和4.13～11.63倍,而西部土壤Cd含量相對(duì)較低。下層土壤(20～40cm)也受到了不同程度的污染,大部分剖面點(diǎn)達(dá)到了中度到重度的污染。4.復(fù)混肥與cd的含量化肥引起的重金屬污染主要來自磷肥,由于磷礦中含有痕量的Cd,從而導(dǎo)致成品肥料Cd污染。這些隨磷肥進(jìn)入土壤的Cd與土壤中自然存在的Cd相比具有較大的可溶性。許多研究表明,隨著磷肥及復(fù)合肥的大量施用,土壤有效Cd的含量不斷增加,作物吸收Cd的量也相應(yīng)增加。陳海燕等(2004)對(duì)貴州省常用三元復(fù)混肥、普通過磷酸鈣、鈣鎂磷肥、有機(jī)—無機(jī)復(fù)混肥料、有機(jī)肥料進(jìn)行市場抽樣并化驗(yàn)分析。結(jié)果表明,5類化肥含有一定量的Cd、Hg、As、Pb、Cr等重金屬,但其含量均未超過國家限定標(biāo)準(zhǔn)。研究雖然表明檢驗(yàn)化肥中的重金屬并沒有超標(biāo),但是重金屬在土壤中會(huì)存在一個(gè)傳遞和富集的作用,所以化肥中的重金屬污染問題會(huì)隨著農(nóng)田化肥的使用范圍和量的增大而加重,是一個(gè)絕不可小視的問題。三、自然生長或遺傳基因工程植物修復(fù)是以植物對(duì)重金屬的忍耐以及其超量積累某種或某些污染物的理論為基礎(chǔ),利用自然生長或遺傳基因工程培育的植物與其共存微生物體系來清除環(huán)境中污染物的環(huán)境污染治理技術(shù)。植物修復(fù)為從根本上解決土壤重金屬污染提供了一條重要的修復(fù)和治理途徑。根據(jù)修復(fù)作用過程與機(jī)理,重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)可分為3種類型。1.植物對(duì)土壤重金屬的生物活性通過耐重金屬植物及其根際微生物的分泌作用螯合、沉淀土壤中的重金屬,使處于游離或者半游離狀態(tài)的重金屬離子或者其化合物變成有機(jī)大分子而沉淀固定下來,以降低其生物有效性和移動(dòng)性,同時(shí)防止其進(jìn)入地下水和食物鏈,減少對(duì)環(huán)境和人類健康危害的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)土壤環(huán)境中Pb的固定研究表明,一些植物可降低Pb的生物有效性,緩解Pb對(duì)環(huán)境中生物的毒害。此外,植物可以通過根際微生物改變根際環(huán)境的pH和Eh來改變重金屬的化學(xué)形態(tài),固定土壤中的重金屬。王友保等(2006)對(duì)安徽省銅陵市銅官山銅尾礦庫、獅子山銅尾礦庫及獅子山銅尾礦庫周邊農(nóng)田3處生長的節(jié)節(jié)草根際與非根際土壤中重金屬(Cu、Cd、Pb、Zn)的形態(tài)、含量和分布進(jìn)行了研究表明,節(jié)節(jié)草根際與非根際土壤重金屬的主要形態(tài)分布基本一致,均表現(xiàn)為礦物態(tài)含量占據(jù)了重金屬全量的大部分,而交換態(tài)含量偏低。與非根際土壤相比較,根際土壤中交換態(tài)、有機(jī)態(tài)重金屬所占比例顯著增加,其中Cu的有機(jī)結(jié)合態(tài)所占比例增加了53.25%,Cd、Pb的有機(jī)結(jié)合態(tài)所占比例增加超過17%,Zn則增加了5.67%。與此同時(shí),碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)含量有所下降。統(tǒng)計(jì)分析表明,Cu、Cd、Pb、Zn在根際土壤中的形態(tài)分布與土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、植物生長等因素密切相關(guān)。2.織物上細(xì)菌對(duì)土壤中se的吸收利用植物去除環(huán)境中的一些揮發(fā)性污染物的方法,即植物將污染物吸收到體內(nèi)后,又將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì),釋放到大氣環(huán)境中,從而減輕土壤污染。在這方面,已有的研究主要針對(duì)易于形成生物毒性低的揮發(fā)性有機(jī)物的元素Se和揮發(fā)性重金屬Hg。許多植物可從污染土壤中吸收Se并將其轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)態(tài)。如硒積累植物黃芪屬可將Se轉(zhuǎn)化為揮發(fā)態(tài)的二甲基二硒,而硒的非積累植物苜蓿釋放二甲基硒。田間實(shí)驗(yàn)表明,種植大麥的土壤中Se的揮發(fā)速率是不種植大麥土壤的19.6倍。研究還發(fā)現(xiàn)根際細(xì)菌可以增強(qiáng)對(duì)Se的揮發(fā)作用,對(duì)滅菌的植株接種根際細(xì)菌后,植株對(duì)硒的揮發(fā)作用增強(qiáng)了4倍。雖然現(xiàn)在還未發(fā)現(xiàn)能直接揮發(fā)Hg的自然生長的植物,但有研究利用轉(zhuǎn)基因植物揮發(fā)Hg,即將耐汞毒的細(xì)菌體內(nèi)的Hg還原酶基因轉(zhuǎn)移到擬南芥屬中,獲得的轉(zhuǎn)基因植物能耐受并吸收土壤中的Hg,并將Hg還原成零價(jià)態(tài)后揮發(fā)進(jìn)入大氣?？梢哉f,植物揮發(fā)為土壤中Se和Hg等元素的去除提供了一種潛在的可能性。3.超積累能力的植物目前研究最多并且最有前景的方法。利用超積累植物的根系從土壤中吸取重金屬,并將其轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存到植物的地上部分,然后收割地上部分,連續(xù)種植超積累植物即可將土壤中的重金屬降到可接受水平。能用于污染土壤植物修復(fù)的超積累植物應(yīng)具備以下幾個(gè)特性:即使在污染物濃度較低時(shí)也有較高的積累效率,能在體內(nèi)積累高濃度的污染物,能同時(shí)積累多種重金屬。生長快,生物量大,抗蟲抗病能力強(qiáng)。目前發(fā)現(xiàn)的對(duì)重金屬具有超積累能力的植物有45科約400多種,其中73%為Ni的超積累植物(沈振國等,1998)。水培實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),十字花科遏藍(lán)菜屬是一種Zn和Cd的超積累植物,遏藍(lán)菜地上部分Zn和Cd含量可分別達(dá)36000mg/kg和1140mg/kg(干重),且地上部分Zn含量高達(dá)26000mg/kg(干重)時(shí)植物尚未表現(xiàn)中毒癥狀(龍新憲等,2002)。在Cd濃度為19mg/kg的工業(yè)污染土壤種植收割天然遏藍(lán)菜6次,即可將土壤中的Cd下降至3mg/kg。四、植物的復(fù)合修復(fù)對(duì)土壤的特殊保護(hù)植物修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)與其他物理的、化學(xué)的和工程方面的治理土壤污染的技術(shù)相比,利用植物修復(fù)的方法來治理重金屬污染土壤有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。(1)成本低。據(jù)估計(jì),把土壤鉛含量從1.4g/kg降到0.4g/kg,每年可種植植物3季、每季收獲干物質(zhì)約為40t/hm2,一共種植10年,植物收獲物再填埋場進(jìn)行處理,在美國當(dāng)代實(shí)驗(yàn)的條件下所需費(fèi)用為27.9萬美元/hm2,而用挖掘和填埋方法處理的費(fèi)用為162萬美元/hm2,用土壤淋洗法處理的費(fèi)用為79萬美元/hm2。費(fèi)用較高,但是相對(duì)于化學(xué)物理方法的成本和非選擇性處理來說,不管是從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益還是技術(shù)可行性分析都是占有很大的優(yōu)勢的。(2)不破壞土壤生態(tài)環(huán)境,能使土壤保持好的結(jié)構(gòu)和肥力狀態(tài),無需進(jìn)行二次處理,即可種植其他植物,且前期種植方式簡單易行,適合大面積推廣,并不需要增加多少額外的設(shè)備的裝置。(3)通過對(duì)植物的