土壤重金属Cd迁移规律概述

土壤重金属Cd迁移规律概述引言近年来，随着经济和生产的飞速发展，现代工农业的迅速成长，人口急剧增长，人们的生活水平不断提高，环境污染物的排放与日俱增，环境污染和生态破坏给土壤带来了严重的污染，土壤中重金属积累不断的加剧，而且重金属相对稳定并难降解。其次工矿企业的发展导致对矿产资源的过度开采使得重金属土壤污染日趋严重，一些地方生产的粮食，蔬菜，水果等食物中的重金属含量超标或接近临界值。这些农产品的重金属能够通过食物链在人或动物体内富集，成为人类生命健康的潜在威胁，清除土壤中的重金属污染，已经是社会一个十分关注的问题。2014年4月18日，环保部、国土部两部门联合发布土壤污染状况调查公报。公报显示，全国土壤总的超标率为16.1%，污染类型以无机型为主，其中排名前三的无机污染物依次为镉、汞、砷。其中镉的毒性较大，1817年，德国的F．Stromeyer从不纯的氧化锌中分离出褐色粉，使它与木炭共热，制得镉。由于发现的新金属存在于锌中，就以含锌的矿石菱锌矿的名称Calamine命名它为Cadmium，元素符号定为Cd【我国农田土壤镉污染现状及防治对策】。镉(Cd)是生物毒性最强的重金属元素，在环境中的化学活性强，移动性大，毒性持久，容易对人和周围环境造成极大的危害，会对呼吸道产生刺激，长期暴露会造成嗅觉丧失症、牙龈黄斑或渐成黄圈，对人体具有三致(致病、致癌、致突变)作用【1-2】，能诱发肾衰变、关节炎、癌症等病。长期食用遭到镉污染的食品，可能导致“痛痛病”。世界卫生组织(2003)和美国环保局(1994)规定人体Cd的最大允许摄人量(ADI值)均为1μg·kg-1·d-1【3】。20世纪初发现镉以来，镉的产量逐年增加。镉广泛应用于电镀工业、化工业、电子业和核工业等领域。镉是炼锌业的副产品，主要用在电池、染料或塑胶稳定剂，它比其它重金属更容易被农作物所吸附。相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境，造成污染。因此，找到合适的镉污染土壤防控技术是目前研究的热点。[1]MorenoCJ,MoralR，PerrezEA,eta1．Cadmiumaccumulationanddistributionincucumberplant[J]．PlantNutr，2000，23(2)：243—250．[2]MoriartyF．Ecotoxicology：thestudyofpollutantsinecosystems[M]．London，AcademicPress，1999：29—35．[3]宋波，陈同斌，郑袁明，等．北京市菜地土壤和蔬菜镉含量及其健康风险分析[J]．环境科学学报，2006，26(8)：1343—1353．2土壤中镉的主要来源2.1成土母质土壤母质本身含镉量较少，不同母质，母岩形成的土壤其含汞量存在着很大的差异。据估计，全球每年约1.0×1010t的各种岩石风化成土，在世界范围内一般土壤中镉的含量为0.01～2.00mg/kg，中值含量为0.35mg/kg[5],日本和英国土壤的镉背景值分别为0.413mg/kg和0.62mg/kg,我国土壤的镉背景值平均只有0.097mg/kg[6]。土壤中镉的来源主要归于自然和人为活动两种来源，来源于岩石和土壤本底值的镉会在土壤中发生一些变化，使其含量出现相对较大的差异【我国土壤镉污染及其修复研究】。【5】许嘉林,杨居荣.陆地生态系统中的重金属[M].北京:中国环境科学出版社,1995.[6]孟凡乔,史雅娟,吴文良.我国无污染农产品重金属元素土壤环境质量标准的制定与研究进展[J].农业环境保护,2000,19(6):356-359.2.2大气中镉的干湿沉降土壤中的镉有一部分是大气环境沉降下来的，多是周边环境离工厂较近。大气中镉的来源主要是工业生产，如有色金属的冶炼、煅烧，矿石的烧结，含镉废弃物的处理，包括废钢铁的熔炼，从汽车散热器回收铜，塑料制品的焚化等。工厂工作是，使其中的含镉废气进入空气中，进入大气的镉的化学形态有硫酸镉、硒硫化镉、硫化镉和氧化镉等，主要存在于固体颗粒物中，也有少量的氯化镉能以细微的气溶胶状态在大气中长期悬浮。形成的固体颗粒在适宜的环境条件下，就会沉降在周围的土地中，有时会飘散到较远距离沉降【10，11】。[1O]LindstromM．Urbanlanduseinfluencesonheavymetalfluxesandsurfacesedimentconcentrationsofsmalllakes[J]．Water，AirandSoilPollution，2001，126：363—383．[11]NicholsonFA，SmithSR，AllowayBJ，eta1．AninventoryofheavymetalsinputstoagriculturalsoilsinEnglandandWales[J]．TheScienceoftheTotalEnvironment，2003，311(123)：205—219．2.3水体污染源从近年来发表的有关调查研究报告看，我国农田镉污染很多是由于引用工业污水灌溉造成的，在工矿和城郊区，污灌农田无一例外都存在土壤镉污染问题。【我国土壤镉污染及其修复研究】。据估计，过去50年中全球排放到环境中的Cd达到2.20×104t．我国农田土壤镉污染多数是由于引用工业污水灌溉造成的．据1993年中国环境状况公报，全国工业废水的排放量为219.5亿t，污水灌溉农田的面积3.3万km，平均污灌农田年接纳工业污水6645t/hm。根据有关部门的调查统计，目前我国工业企业年排放的未经处理的污水达300～400亿t，用这些工业污水灌溉农田的面积占污灌总面积的45％，造成严重的重金属污染【14】。何电源等在1987-1990年间对湖南省的农田污染状况进行了调查，结果发现：农田镉污染主要来源于工矿企业排放的废气和废水，在各类镉污染农田中，5％～10％的面积减产严重。值得注意的是，我国镉污染多数是由于灌溉用水不当造成的，如引用工业污水。20世纪90年代初，我国污灌农田已扩大到1．4×106hm2，由于引污灌溉，致使6.3×105hm2农田遭受不同程度的污染，而镉污染耕地达1．3×104hm2，土壤镉含量为2.5～23.0mg/kg，其中沈阳张士灌区有1067hm2的土壤平均含镉3～7mg/kg，最高达9.38mg/kg，在重污染区表层土壤镉含量高出底层土壤几十甚至一千多倍【15】．14]彭星辉，谢晓阳．稻田镉(Cd)污染的土壤修复技术研究进展[J]．湖南农业科学，2007(2)：67—69．[15]王凯荣，张格丽．农田土壤镉污染及其治理研究进展[J]．作物研究，2006(4)：359—374．2.4农业污染源现代的农业生产中，农药和化肥的使用必不可少，这不仅容易造成土地板结，土质下降等问题，也使得土壤的组成成分发生了变化。有研究表明，施用磷肥会使土壤中的镉含量大大增加[5]。含镉的肥料主要是磷肥和一些含镉生活垃圾,生活垃圾中镉污染物可以通过人为控制加以解决,而磷肥的生产以磷矿石为原料,磷矿石除含有营养元素磷、钾、钙、锰、锌和硼等以外,同时也含有砷、镉、铬和氟等元素,其中又以镉含量最高。这里需要指出的是,在湿法磷肥加工过程中,磷矿石中大约70%～80%的镉最终会被转移至磷肥中。从技术上虽然可以将其中的镉除去,但从生产成本上考虑，包括发达国家在内，目前还没有任何生产厂商采用这些工艺。我国磷肥生产所需磷矿石以四川、云南和贵州三大磷矿为主,这三大磷矿镉元素的含量,平均分别为0.7～4.0mg/kg。我国磷矿石中镉元素的含量在世界上属于较低水平,但由于我国磷矿石普遍含磷量不高,品位较低,因此每年要从国外大量进口磷肥。据西方国家估计，人类活动对土壤的贡献中磷肥占54%～58%,全球磷肥平均含镉量7mg/kg，给全球土壤带来66000kg的镉[7]，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。【5】任顺荣，邵玉翠，高宝岩，王德芳.长期定位施肥对土壤重金属含量的影响[J].水土保学报.2005,19:96-99【7】高志岭,刘建玲,廖文华.磷肥使用与镉污染的研究现状及防治对策[J].河北农业大学学报,2001,24(3):90-99.随着我国工业的发展，由于化肥、农药和污泥的大量施用，工业废水的排放和重金属的大气沉降的日益增加，农田重金属的含量明显增加，土壤镉污染状况越来越严重．我国镉污染的土壤面积已达20万km，占总耕地面积的1/6【13】．在大田作物中，农产品的主要污染物为重金属类，其中以镉最为突出。土壤镉污染造成我国水稻、蔬菜等农产品的质量下降，严重威胁人体健康，影响农业可持续发展【3】。2000年农业部环境监测系统对l4个省会城市2110个样品的检测表明，蔬菜中重金属镉等污染超标率高达23.5％；南京郊区18个检测点青菜叶样分析表明，镉含量全部超过食品卫生标准，最多超过17倍。土壤作物受镉污染的地区还有：上海、广东、广西、湖南等地部分地区【18-19】。因此，如何降低土壤环境中镉含量，减少其对农作物产品的污染，保障生态系统尤其是人类健康已成为土壤植物营养与环境生态交叉领域的国际研究前沿热点和难点．3]宋波，陈同斌，郑袁明，等．北京市菜地土壤和蔬菜镉含量及其健康风险分析[J]．环境科学学报，2006，26(8)：1343—1353．[13]李玉浸．集约化农业的环境问题与对策[M]．北京：中国农业出版社，2001：57—82．【18]利锋．镉污染土壤的植物修复[J]．广东微量元素科学，2004，11(8)：22—26．[19]曾咏梅,毛昆明,李永梅.土壤中镉污染的危害及其防治对策[J]．云南农业大学学报,2005,20(3):360—365．3重金属元素镉对生态的危害镉是一个相当稀少且分布十分分散的元素，它在陨石中的平均含量是2.4mg/kg，地壳中平均含量是0.2mg/kg，土壤和水体中都有微量镉。据有关资料湖南省土壤镉的背景值是0.06~0.12mg/kg，但有镉的成矿作用发生及被工业污染的地方，土壤中的镉会高出背景值100余倍到数千倍[5]。土壤和水体中镉的可溶部分，一般称可溶态或可交换态，它能被植物吸收，且可通过食物链进入人体。当其超过一定限量时，会对生态环境和人体造成危害。3.1对植物（农作物）的影响对植物的影响包括两个方面：其一影响其生长发育和产量，如使水稻在生理生化过程中的光合强度降低，叶绿素含量下降导致失绿，返青分蘖推迟，根系短少［2，3］。据研究，当土壤镉可溶态含量为0.43mg/kg时，水稻减产10%；当含量为8.1mg/kg时，水稻减产达25%。其二影响品质，表现在作物中的镉含量与土壤可溶态镉含量成极显著正相关，如稻米镉和土壤可溶态镉的相关系数达0.997，这不仅使稻米的有害成分增加成为“镉米”，而且还影响稻米的氨基酸及淀粉中的支链淀粉和直链淀粉比例改变，使其品质变差。2］刘以礼.都匀城市发展的环境制约与对策[J].贵州师范大学学报（自科版）,2001,19(4):35-38.3］陈安泽，卢云亭.旅游地学概论[M].北京：北京大学出版社,1991.73-76.对植物而言，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［9］，蕨类是富集镉最强的植物之一［2］。小麦、大豆等一些大田作物也易吸收土壤中的镉，此外胡麻、江麻、棉花、芦苇等非食用作物也具有较强积累作用［10-12］。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［13］。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。其原因是镉的毒性高，它在化学性质上接近于锌。镉在多种生化过程中可能扮演锌的角色，破坏与呼吸及其它生理过程有关的碳酸酶、各种脱氢酶和磷酸酶，以及参与蛋白质和核酸代谢的蛋白酶、肽酶和其它有关酶的功能，镉作为锌的化学相似物在葡萄糖磷酸化及碳水化合物