土壤中镉污染的危害及其防治对策_曾咏梅

第20卷　第3期　　　　　　　　　　　　　　云南农业大学学报　　　　　　　2005年　6月　　　　　　　　　　Journal

Vol.20　No.3

Jun.2005

ofYunnanAgriculturalUniversity　　　　　

土壤中镉污染的危害及其防治对策

曾咏梅,毛昆明,李永梅

(云南农业大学资源与环境学院,云南昆明650201)

摘要:针对目前的土壤镉污染的问题,总结了土壤中镉污染的来源及其对人体和植物体产生的危害,并在此基础上介绍了目前土壤镉污染的整治方法。关键词:土壤镉污染;危害;防治对策

中图分类号:S151.9　　文献标识码:A　　文章编号:1004-390X(2005)03-0360-06

＊

DamageoftheCadmium(Cd)PollutioninSoilandItsControl

ZENGYong-mei,MAOKun-ming,LIYong-mei

(CollegeofResourceandEnvironment,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China)

Abstract:ThispaperhassummarizedthesourcesofCdpollutioninsoilanditsinfluencetohumanbeing'

sbodiesandplants,meanwhile,introducedthepresentmethodsofitstreatment.Keywords:soilCdpollution;influence;treatment　　目前,我国受镉、砷、铅等重金属污染的耕地面积近2.0×107hm2,约占总耕地面积的1/5;其中工业“三废”污染耕地1.0×107hm2,污水灌溉的农田面积3.3×106hm2[1]。我国每年因重金属污染而减产粮食超过1.0×107t,另外被重金属污染的粮食每年也多达1.2×107t,由此造成的经济损失合计至少为200亿元[2]。在所有重金属污染中,以镉污染最为严重。尤其是近年来伴随着采矿、冶金以及镉处理等工业的发展,我国农业土壤受镉污染也日趋严重。我国有关农田镉污染的调查工作是20世纪70年代中、后期开始的,但至今未见镉污染总体状况的资料报道。但有报道表明污灌区土壤中镉的含量很高,比如广州郊区老污灌区镉的含量最高达228mg/kg,平均为6.68mg/kg[3];而沈阳张士灌区一闸严重的土壤的含镉量达5～76.68mg/kg[4]。镉是毒性最强的重金属元素之一,危害极其严重,土壤中过量的镉会抑制植物的正常生长,在可食部分的残留还会通过食物链影响到人体的健

康[5],因此对镉污染土壤的治理已经引起国内外的广泛重视。1　土壤中镉的来源

镉是一种稀有分散元素,未经污染的土壤中镉主要来源于成土的母质,一般在世界范围内土壤中镉的含量为0.01～2.00mg/kg,中值含量为0.35mg/kg

[6]

,在土壤中的镉的来源主要归于自然

和人为活动两种来源,前者来源于岩石和土壤的本底值,而后者则来源于工业“三废”和含镉肥料大量的施用。1.1　工业“三废”

工业废气是造成空气镉污染的主要来源,在偏远地区的空气中镉的含量一般低于1.0pg/mL,但在工业区周围的大气中镉的浓度较高[7]。较高浓度的镉可以通过降雨或沉降从而进入土壤,一部分被植物体吸收造成污染,另一部分在土壤中大量积累。再者,利用工业污水进行灌溉也是镉进入土壤

　收稿日期:2004-11-22　　　　　＊通讯作者

　作者简介:曾咏梅(1979-),女,安徽省阜阳市人,在读硕士,主要从事环境污染方面的研究。

第3期　　　　　　　　　　曾咏梅,等:土壤中镉污染的危害及其防治对策的重要途径,在矿区开发,镀锌厂以及与染料、塑料稳定剂、油漆及轮胎生产有关的工厂是含镉污水的主要来源,许多污水未经过任何处理即被引入农田,造成大面积的污灌区土壤镉污染。此外,由于大量的工业固体废弃物的大量堆积,农田施用污染的污泥,在增加植物所需的营养元素的同时也增加镉等重金属的含量,造成土壤的镉污染。

1.2　含镉肥料的施用

为了农作物的增产增效,大量的化肥必然要投入使用,长期施用一些含镉的农用化肥也必然会造成镉在土壤中的大量沉积。在目前的化肥使用中,含镉磷肥的施用影响最为严重。据西方国家估计人类活动对土壤的贡献中磷肥占54%～58%,全球磷肥中平均含镉量为7mg/kg,这样给全球土壤带来66000kg的镉,可见长期施用含镉磷肥会给土壤带来极为严重的污染问题。2　土壤镉污染的危害

镉污染的危害与镉在土壤中的形态和浓度有关,并不是所有的镉都对人或植物体有危害。对植物来说自然界有不少种类的植物可在高浓度的镉环境中生长,表明在长期的进化中植物亦相应的产生了多种抵抗重金属镉毒害的防御机制,尤其是当镉的浓度较低时可增加植物的产量,说明低浓度的镉对某些植物的生长发育可能有一定的“促进”作用。2.1　土壤中镉的形态

土壤中的镉分为可溶性和非水溶性两大类。二者可随环境条件的变化相互转化。例如,在酸性环境中,镉的溶解度增加,与其它重金属元素相比,土壤中的镉相对容易被植物吸收[10,11],镉的活性还与土壤的氧化还原环境有关。例如,在淹水条件下,由于水的遮蔽而形成了还原环境,镉污染土壤中的镉的活性就比较低[12]。有机物在微生物嫌气条件下产生的H2S,使镉形成难溶的CdS。相反,在非淹水条件下,硫被氧化成H2SO4,使酸度增加,镉易变为可溶态。除此之外,镉在土壤中的状态还与土壤的其它理化性质有关。如粘土吸附性强,可吸附镉进而影响其活性[13]。

2.2　对人体的危害

镉是一种容易以危险的含量水平进入人体的高毒性重金属元素,镉被人体吸收后主要分布在肝,[9]

[8]

361

主要表现为肾脏功能的损害和肺部的损伤,导致肾

皮质坏死、肾小管损害、肺气肿、肺水肿,还可以引起心脏扩张和高血压,长期摄入镉将会导致骨质疏松、脆化、腰病、脊柱畸形。此外,镉还可以导致男性生殖系统损害,雄性激素增高的发生率,随接触水平的升高而增加,前列腺特殊抗体的发生率也同时增加[15]。土壤中的镉主要是以交换态镉、专性吸附态镉、铁锰氧化结合态镉和残余态镉的形态存在[16],虽然土壤镉污染对人体没有造成直接性的接触危害,但污染土壤中的镉可以通过食物链进入人体以对人体造成严重的危害。2.3　对植物体的危害

2.3.1　镉在植物体内的积累、分布和形态

不同植物对镉的吸收积累效应是不同的,通常用富集系数来说明某种植物对镉的吸收、累积能力[6]。木本植物对土壤中的镉的生物积累效应较高,但不同的树种之间差异明显[17],有些蕨类叶部镉的含量可以高达1200mg/kg,是富集镉最强的植物之一。小麦、大豆等一些大田作物也易吸收土壤中的镉。此外,像胡麻、苎麻、江麻、棉花、芦苇等非食用作物也具有较强的镉积累作用[18～20]。从宏观角度说,镉从土壤中被植物吸收后大部分富集在根部,迁移到上部很少[21]。如景天可作物中镉在植株体内分布为叶片>茎>根系[22]。在细胞中的分布,近年来也有些学者进行了研究。NISHIZONO等在1987年就报道Athyriumyokoscense的根所吸收的重金属有70%～90%累积在根尖细胞壁上。

镉在土壤中的化学形态多以交换态镉、专性吸附态镉、铁锰氧化物结合态和残余态镉为主。而镉在植物体中的化学形态与镉在植物体内迁移能力大小有关联,其中以乙醇可提取态和水溶态镉迁徙活性最强,氯化钠提取态次之,醋酸和盐酸提取态迁移活性最弱[24]。

2.3.2　镉对植物物理性状的影响

镉是植物生长的非必需元素,当镉进入植物体内并积累达到一定程度时,植物就会表现出毒害症状,通常会出现生长迟缓、植株矮小、退绿、产量下降、质量下降等。

(1)镉影响植物的生长发育。试验结果表明,镉浓度增大时(≥25mg/kg),开始对草莓的

[25]

[23]

[14]

根生长产生抑制作用,根由长变短,由白变褐直至、

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丙二醛(MDA)的含量是反映脂质过氧化作用强弱的一个重要指标[35]。当植物处于各种逆境胁迫或衰老时植物体内活性氧产生和消除的平衡受到破坏,而有利于体内活性氧的产生,所累积的活性氧引发的质膜过氧化,使植物生长异常[36,37]。洪仁远[38]在镉对小麦幼苗超氧化物歧化酶和脂质过氧化作用的影响的研究中指出植物受到镉污染后MDA高度积累。

(3)对植物可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响。可溶性蛋白和可溶性糖是维持细胞代谢的重要物质,可溶性蛋白质含量的提高,还会增加细胞渗透浓度和功能蛋白质的数量,有助于维持正常的细胞代谢。对于可溶性蛋白质,秦天才等[39]研究得,当镉的浓度大于0.1mg/L时,小白菜根中可溶性蛋白质含量开始随镉的浓度的增大而降低,说明高浓度镉对蛋白质的合成起破坏作用。对于水稻等大田作物,白嵩等[40]研究得镉污染明显的抑制水稻种苗的初期生长,还明显地降低了水稻种苗的叶绿素的含量和干物质的积累,根系活力下降、可溶性糖与可溶性蛋白质的含量减少,因而影响到水稻种苗的正常代谢。而对于可溶性糖通过对耐性较强的小麦、凤眼莲,耐性较弱的大豆、黄瓜、背紫萍以及蚕豆种子中的可溶性糖随镉的浓度变化而变化的情况分析,镉对植物体内可溶性糖的数量有影响,但影响没有一致的结论。3　镉污染土壤的治理与修复方法3.1　工程修复法

工程修复法是指用物理、物理化学原理治理土壤的一种方法,对于镉污染土壤常用排土客地法、清洗法、电泳法等。3.1.1　排土客地法

排土客地法也称客土法,就是向污染土壤加入大量的干净土壤,覆盖在表层或混匀,使污染物浓度下降到临界危害浓度以下或减少污染物与根系的接触从而达到减轻危害的目的。这种方法被认为是改良土壤的根本措施,吴燕玉[3]等在张士灌区调查土壤中镉的含量,发现77%～86.6%土壤镉累积在30cm以上的土层,尤其在0～5cm,5～10cm内含量很高,去表层土15～30cm可使米镉下降50%左右。但是这种方法耗费大量的资金、人力、物力,排出的污染土壤又很容易引起污染,而,[42]

[34]

[41]

衰老,受镉污染后的草莓植株矮小、长势弱。KEL-LY等[21]研究表明,白皮松、火炬松、杨树、桦树、樱桃等树苗在镉污染胁迫下,高生长、根、茎和叶的生长均都受到抑制。大麦受镉污染后,种子的萌芽

率、根生长率下降、且随处理浓度的增加和时间的延长而加剧,当镉的浓度为0.01mol/L时,种子的萌芽率小于45%,根部停止生长[26]。

(2)镉影响植物的产量和品质。镉还影响草莓的结果数和果实品质。SCHLEGEL等在试验中表明[25],镉处理后,草莓的结果数减少,当镉达到一定浓度时(>5mg/kg),总果重随镉处理浓度增大而降低;镉处理后,果实的维生素C降低,在镉的浓度高时,果实中的K,Ca,Zn,Mn,Fe等矿物质元素的含量均降低,使得草莓的营养品质降低,同时草莓的果实中也会积累镉,果实中的镉的含量随着镉浓度的增加而增大。张国平等[27]试验得,高浓度镉条件下,小麦的干物质积累和分蘖受到显著的影响,其程度因品种与器官而异。2.3.3　土壤镉污染对植物的化学指标的影响

国内外有关于镉对植物毒害的研究大多是集中在研究对植物地上部分的影响方面,如:抑制植物的光合作用和蒸腾作用、干扰植物的正常代谢过程、降低植物产品的产量和质量以及加速植物衰老等方面[28～31]。

(1)对光合作用的影响。蒋文智[32]在镉对烟草光合特性影响的研究中表明镉是光合作用的有效抑制剂,使叶绿素和ch1a/b比例下降;另据SCHLEGEL等[33]报道,当镉的浓度为112μg/L时云杉的光合速率、CO2的吸收量及老叶中的叶绿素含量均显著下降,但当镉的浓度增加到560μg/L时蒸腾速率也会减少。

(2)对植物体中酶的影响。土壤镉污染还可以引起植物体内超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等酶的活性下降,但对于耐性植物,在一定镉的浓度范围内,3种酶的活性得以维持或提高,超过这个范围它们的活性则仍要下降,下降的幅度要比耐性弱的植物小[34]。镉除对SOD,POD,CAT等酶的活性有影响以外,还会抑制固氮酶、根系脱氢酶、淀粉酶、脱氧核酸酶、核糖核酸酶、硝酸还原酶、蛋白酶、多酚氧化酶、抗坏血酸过氧化酶、乳酸脱氢酶等的活性也有抑制作用[6]。以上结果表明,镉对氮代谢、呼吸作用、碳水

第3期　　　　　　　　　　曾咏梅,等:土壤中镉污染的危害及其防治对策处理,同时还应对土壤多施肥以补充土壤肥力[42,43]。3.1.2　清洗法

清洗法就是用清水或含有能增加金属水溶性的某些化学物质的水把污染物冲至根部外层,再用含有一定配位体化合物或阴离子与金属形成比较稳定的络合物或生成沉淀以防止污染地下水。日本用稀盐酸或EDTA(450kg/hm)撒在稻田或旱地(土壤含镉量分别为10.4,27.98mg/kg)淹水或小雨淋洗,清洗1～2次,水量以能到达根层以外而未达到地下水为宜。试验表明清洗1次可使耕层镉降低50%,2次使米镉减少80%,但蒋先军等[44]研究得,EDTA加入土壤仅1周,水溶态的镉增加数百倍,交换态的镉增加了数十倍,可能由于EDTA提高了土壤镉的移动性,增加了对植物的毒害,而且还会由于水溶态和交换态镉剧增带来了地下水污染的风险,因此,使用EDTA或其它络合剂时要慎重。3.1.3　电泳法

电泳法是目前新兴的重金属处理方法,即在土壤中插入两个石墨电极,在稳定的电流作用下,金属离子在电压的驱动下向两极移动积聚,然后再进行处理[45]。3.2　生物修复法

生物修复是利用某些特定的动、植物和微生物较快的吸走或降解土壤中的污染物质以达到净化土壤的目的。对于土壤镉污染,也同样可以应用动植物和微生物体系进行生物修复治理。

经研究蚯蚓及某些鼠类可以降解土壤中的一些农药、吸收走土壤或污染物中的重金属[42]。KU-MAR等[46]发现不同的土壤中某些柳属的无性系客隆对镉离子具有较强的吸收能力。目前的生物修复的研究中以植物修复研究的较为广泛。比如:羊齿类铁角蕨属植物及富镉苋科植物(特别是野生苋)等对土壤镉的吸收能力很强[47]。苏德纯[48]在油菜对土壤镉污染的修复能力的研究得油菜溪口花籽有较强的耐镉特性和吸收镉的能力,是可以用于修复镉污染土壤的超积累物种资源。此外,刘云国[49]研究表明,象月季等花卉作物对重金属镉具有很强的富集作用,在试验观测期间,植物平均每天吸收1.7576mg/L且生长发育良好,也可以作为镉污染生物整治的植物,而且不进入食物链不会对2

363

对土壤镉污染进行生物修复具有良好的生态

和经济价值,结合现代分子生物学、分子遗传学和基因工程等新兴理论,培育对污染土壤镉具有很强吸收能力的动物、植物和微生物是目前研究土壤镉污染治理的一个重要方向。3.3　化学法

化学法即在土壤中施用改良剂、抑制剂等化学药剂以降低土壤污染物的水溶性、扩散性和生物有效性,以降低他们进入植物体内和微生物体内的能力,减轻其对生物的危害。

对于土壤镉污染,目前用的比较广泛的方法是向土壤添加改良剂、表面活性剂、金属拮抗剂等,如磷酸盐、石灰、硅酸盐被认为是处理土壤镉污染的常用试剂。杨景辉[50]研究表明,施用磷酸盐类物质可使重金属形成难溶性的磷酸盐。BARBAMGWOREK[51]用膨润土合成沸石等硅铝酸盐作为添加剂钝化土壤中重金属,显著的降低了受镉污染土壤中的镉的作用浓度。土壤镉浓度49.5mg/kg时,加入量为土重的1%～2%中,莴苣叶中镉的浓度降低量达60%～80%。通过离子之间的拮抗作用来降低植物对镉污染土壤中镉的吸收,根据法国农科院波尔多试验站的研究结果表明在污染土壤上施加铁丰富的物资,铁渣、废铁矿等,能明显降低植物中镉、锌的含量。

对于目前化学法处理土壤镉污染再结合一些生物修复措施以及农业措施将会达到更好的效果。3.4　农业生态修复法

农业生态法是通过改变耕作制度、调整作物品种以及改变土壤的水肥条件等方法来解决土壤污染的问题。

3.4.1　控制土壤水分

控制土壤的Eh及土壤的水分状况,使土壤作物有一个较为稳定的滞水期,可以减少镉进入植物体内的含量,即减少进入果实和茎实中的含量。据研究,在水稻抽穗期到成熟期,减少落干,保持淹水,可明显减少稻籽实中的镉、锌等金属的含量。3.4.2　施用有机肥

通过施用有机肥(堆肥、厩肥、植物秸杆等有机肥),增加土壤有机质有利于改良土壤结构,可增加土壤胶体对重金属的吸附能力,为土壤提供络合、螯合剂,而且有机质也是良好的还原剂,可以促进土壤中镉形成硫化镉。张亚丽等[5]研究表明,有机,

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部门通力合作。强化环境管理,控制或减少镉向土壤中的排放量,切断镉污染源,才能有效地控制和治理镉在土壤中的污染问题。

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其中猪粪的效果优于秸杆类。与此同时还应控制

-+

常用化肥的施用,因为化肥中的Cl-,SO24,H可以活化土壤中的镉,提高土壤中的交换态镉的含量。3.4.3　选种抗污染的农作物

由于作物种间和种内对镉吸收的差异,在土壤镉污染地区选种一些抗镉污染性强的作物,以降低镉污染的危害。研究表明,菠菜、小麦、大豆对镉的吸收量较高,不宜种植;而玉米、水稻等较低,可以种植。在中轻度重金属污染的土壤上,不宜种植叶菜、块根类蔬菜而改种瓜果类蔬菜或果树,能有效地降低农产品中镉的浓度[42]:以及选育一些早育和抗镉污染作物品种,以减少污染物在作物中的积累期和积累量。同时还可以筛选出在可食用部分累积污染物少的品种,以用于进一步选育抗镉污染的品种。

3.4.4　改变耕作制度

为了尽可能的减少镉污染,尽可量减少受镉污染的产品进入食物链,可以在中、重度污染地区改种非食用植物,改种一些观赏性作物或经济作物。如:花卉、苗木、棉花、桑麻等。王凯荣等[19]研究表明,污染农田种桑树后土壤镉的含量普遍下降,下降幅度在8.1%～83.9%,平均为37.1%,同时通过农田桑蚕生产模式取得了良好的经济、生态、和社会效益。此外,还可以在镉污染区作为良种繁育基地,张士灌区污染严重地块改做水稻、玉米良种基地,收获的稻米不作为直接食用的商品粮,做种子,秋后糙米中含镉量小于0.1mg/kg,每公顷产量达5000kg以上,效益显著。3.4.5　改变土地的利用类型

由于土壤镉污染对人体没有直接接触性的影响,因此对于一些土壤镉污染严重的,而且在治理比较困难的情况下,结合实际的经济发展需求,将其改为建筑用地,绿化用地等非农用地。

农业措施投资少,且无副作用,但处理效果较差,且周期较长,适合中轻度镉污染土壤。如果配合生物修复法和化学法等措施,可以取得更快、更好的综合效果。4　结束语

镉与土壤环境密切相关,直接影响到大自然和生态环境以及人体健康。对于镉污染的防治不仅[42]

[45]