湖南耕地土壤和稻米重金属污染防控实践与思考

Prevention and control of heavy metal contamination in cropland and in commercial rice in Hunan Province: Current status and practical considerations

摘要

湖南省是我国主要产粮区之一。由于矿产经济活动及其他人类活动,大面积耕地土壤受到重金属污染,从而一些地方的稻米重金属含量超过国家食品卫生标准。本研究对湖南省耕地土壤与稻米重金属污染现状和成因进行剖析。结果表明:湖南耕地土壤重金属污染特征是复合污染为主,污染程度逐年上升,主要分布在湘江流域和工矿区,并逐渐蔓延至养殖区,稻米重金属污染主要以Cd为主,其次是As和Pb。针对湖南稻米重金属污染的各种防控措施,阐述其工作原理、应用实例和优缺点,然后对湖南省开展的土壤重金属污染修复措施和研究进行总结与思考,提出应当构建一种基于土壤组成的原味钝化材料耦合易操作农艺措施的经济、绿色、高效的综合性技术方案,以期来修复耕地土壤重金属污染和降低稻米重金属含量,保障粮食安全生产。

关键词

耕地土壤 / 稻米 / 重金属 / 修复技术 / 钝化剂 / 湖南

Key words

cultivated land / rice / heavy metals / remediation / passivators / Hunan

0 引言

湖南是我国重要的粮食生产基地之一,自古就有“鱼米之乡”和“湖广熟、天下足”之说,2022年种植水稻面积达396.77 ×10⁴ hm²(hm²为公顷的符号,有时也用ha表示),稻谷产量为2 639.88×10⁴ t,约占全国的12.66%^[1],是名副其实的粮食生产大省。湖南的粮食产量和安全生产对维持全国粮食安全和社会稳定起着重要的作用。与此同时,湖南矿产丰富,矿种齐全,是我国著名的“有色金属之乡”和“非金属矿之乡”。长期的矿业活动及其他人为活动在促进湖南经济发展的同时,也带来了环境污染和农产品重金属污染问题,尤其是水稻籽粒中重金属(如Cd、As等)含量超标问题,因食物链关系使得重金属在人体内蓄积而产生健康风险,从而受到社会的广泛关注^[2]。近年来,许多学者围绕湖南耕地土壤和稻米重金属污染问题开展了系列研究,成果颇丰,但是都很分散,不系统,且一些技术不适合大面积推广。本研究在广泛查阅国内外文献的基础上,系统地分析了湖南省耕地土壤与稻米的重金属污染现状和成因,对已在湖南省开展耕地土壤和稻米重金属污染防控或修复的研究进行分类与归纳,最后对湖南省开展的重金属防控研究进行了总结与思考,以期为湖南省乃至全国重金属超标耕地粮食安全生产提供参考。

1 湖南省耕地土壤重金属污染现状与成因分析

1.1 耕地土壤重金属污染现状

湖南是我国耕地和农产品重金属污染问题最为突出和典型的区域之一,据统计,2022年湖南省耕地面积365.42×10⁴ hm²,约占全国耕地总面积的3.1%^[1],其中被重金属污染的耕地面积约占全省耕地面积的25%^[3]。湖南省耕地土壤重金属污染现状呈现以下几个特点。

(1)以复合污染为主。湖南矿产资源丰富,但是伴生矿多,纯度不高,综合利用率低,导致“三废”含有较为复杂的重金属种类。黄道友等^[3]对湖南省15个工矿农区土壤长期定位监测表明,两种(及以上)元素复合污染的土壤占污染土壤的80%,复合污染的重金属组合主要有Cd-As、Cd-Pb、Cd-As-Pb和Cd-Ni-Cr等类型。

(2)污染程度逐年上升。以Cd为例,湖南省农田土壤Cd年输入通量达2 941 mg·hm^-2·a^-1,是全国均值的4.06倍^[4]。湖南省土壤Cd背景值含量从1990年至今,由0.08 mg·kg^-1增至0.5~0.6 mg·kg^-1,增加了6~8倍^[5]。湖南农田土壤中Cd含量的增加主要是由大气沉降和污水灌溉造成的,二者分别占Cd年输入通量的16.6%和69.9%^[3]。

(3)污染区域主要分布在湘江流域。据估计,采矿、冶炼等行业每年向湘江中排放的Pb、Cd、Cr和Hg分别为610、31、136和4 t^[6]。Zou等的研究^[7]表明,湘江流域如郴州、湘潭、衡阳、株洲、长沙和湘阴等地农田土壤Cd平均浓度分别为3.01、1.93、1.73、0.50、0.39和0.66 mg·kg^-1,均超过农用地土壤污染风险管控标准。雷鸣等^[8]报道湘江流域内的水体、土壤和农作物受到不同程度的重金属严重污染,其中Cd和As的污染较为突出。

(4)工矿区周围土壤重金属污染严重。2022年,湖南省已发现矿种147种,探明资源储量矿种113种。其中,能源矿产7种,金属矿产39种,非金属矿产65种,水气矿产2种^[1]。长期不规范的矿山开采、冶炼活动,导致湖南省矿区和冶炼区周边耕地土壤重金属污染严重。雷鸣等^[9]调查表明湖南省9个县市采矿区和冶炼区周围的水稻土受到不同程度的重金属复合污染,特别是衡阳水口山铅锌矿区和株洲清水塘冶炼区的耕地土壤重金属污染非常严重。

(5)养殖区受到重金属和抗生素复合污染。湖南是生猪养殖大省,随着养殖业标准化和规模化的发展,为了促进畜禽的生长和预防畜禽的疾病,重金属(Cu、Zn、As和Cr 等)和抗生素(四环素类、磺胺类等)被普遍添加到饲料中,但畜禽对重金属及抗生素的利用率较低。研究表明,饲料中85%以上的重金属都以粪污的形式进入水体和土壤^[10]。湖南每年排放的畜禽粪便和尿液分别达2 000×10⁴和3 300×10⁴ t,畜禽粪便已成为农业环境中重金属As、Cu、Zn和Cd等的重要来源^[11]。

1.2 耕地土壤重金属污染的成因

一般认为,造成湖南省耕地土壤重金属污染的主要原因是自然源和人为源。

(1)自然源主要是湖南土壤成土母质中重金属含量较高。湖南是“有色金属之乡”,境内矿产资源丰富,在矿物岩石风化成土过程中,重金属从矿物晶格中释放分离并被重新分配到地表环境中,造成湖南省土壤的重金属背景值含量较高,如湖南耕作层土壤As、Cd、Cr、Pb和Hg的背景值分别为13.6、0.08、64.9、27.3和0.09 mg·kg^-1,在全国范围内均排前列^[12]。

(2)人为源主要是矿产开采和冶炼、污水灌溉和农药化肥等。采矿和冶炼过程中产生的重金属颗粒物在大气中的沉降被普遍认为是导致耕地土壤中重金属含量增加的重要原因^[13]。Gelly等^[14]发现,某冶炼厂的富Pb颗粒向下风方向传播到7 km外的土壤。Qiu等^[15]发现,冶炼厂附近场地As、Cd和Pb的平均沉积通量分别是距离冶炼厂23 km清洁背景场地的22.6、29.2和29.4倍。由于水稻种植需要大量的水,含重金属的水体(如湘江流域)常被农民当作低成本的灌溉水源。刘耀驰等^[16]报道湘江部分河段Cd、As和Pb的浓度分别高达430、500和138 μg·L^-1。Zhao等的研究^[6]表明长期污灌导致湘江流域农田重金属含量超标严重。另一方面,大量施用农药和化肥也导致耕地土壤重金属(Pb、Cd、Cu和Hg等)积累,据统计,我国每年随农药进入土壤的Cu和Zn约有5 000和1 200 t^[17]。由于磷肥中Cd含量较高,而氮肥中Pb含量较高,化肥施用易导致部分地区土壤重金属含量不同程度地升高^[18]。

2 湖南省稻米重金属污染现状与成因分析

2.1 稻米重金属污染现状

湖南省稻米重金属污染现状有以下几个特征。

(1)以Cd为主要污染物。2013年爆发了“Cd大米”事件后,湖南省的粮食产业受到重创,稻米重金属污染问题成为了民众关注的焦点。Chen等的研究^[19]显示,湖南湘潭稻米平均Cd含量超标率高达88%。Zhu等^[20]的调查表明,长株潭地区稻米中Cd含量范围为0.005~4.80 mg·kg^-1,其中76%的水稻籽粒Cd含量超标。

(2)存在复合污染。Williams等^[21]在湖南省矿区和市场进行了调查研究,发现86%的大米样品中重金属(As、Pb和Cd)含量高于国家食品卫生标准,存在潜在健康风险。Tang等^[22]报道环洞庭湖产粮区水稻籽粒中Cd、Cr、Pb和As的含量范围分别为0.039~3.81,0.27~6.43、0.29~6.03和0.11~1.26 mg·kg^-1,与国家食品卫生标准值相比,超标率分别为88.7%、47.19%、58.42%和3.33%。

(3)部分地区存在Sb、W和其他重金属含量超标问题。湖南“世界锑都”冷水江锡矿山周边稻田土壤Sb平均含量达145 mg·kg^-1,稻米中Sb平均含量达15.86 mg·kg^-1,对矿区居民健康造成严重威胁^[23-24]。杜辉辉等^[25]在湖南某钨矿区周围采集土壤和大米样品,发现土壤中W含量达到3 000 mg·kg^-1,大米中W含量达到7.54 mg·kg^-1,是市场所售大米中W含量的6.7倍。

2.2 稻米重金属污染成因分析

(1)湖南省耕地土壤重金属含量逐年上升。湖南耕作层土壤As、Cd、Cr、Pb和Hg的背景值分别为13.6、0.08、64.9、27.3和0.09 mg·kg^{-1 [12]},矿山开采、金属冶炼、污水灌溉、施用农药和化肥等人为活动导致耕地土壤中重金属含量远远高于其背景值^[4-5],尤其是矿区和冶炼区^[9],这是造成湖南稻米重金属含量超标的重要原因。

(2)耕地土壤pH值偏酸性且持续酸化。低pH会增加重金属在土壤中的溶解度,促进土壤吸附的重金属解吸,从而提高重金属的生物有效性^[26]。湖南省耕地土壤大多数为偏酸性的红壤,作为酸雨和二氧化硫控制区,长期降水pH整体上偏酸性,使得土壤中重金属生物有效态较高,从而造成湖南稻米中重金属含量远高于我国其他省份。此外,由于农业生产的加速和氮肥使用量逐年增加,我国稻田土壤出现了人为酸化现象。20世纪80年代以来,我国农业土壤平均pH值下降了0.13~0.80^[27]。湖南典型的双季稻耕作方式更是加剧了稻田土壤pH值下降,土壤pH值在过去30年中降低了近1个单位^[5]。土壤酸化显著增加土壤中Cd的溶解度,土壤pH降低1个单位可使Cd溶解度增加4~5倍^[28]。

(3)水稻品种积累重金属的能力存在差异。水稻不同品种参与重金属转运的功能基因表达存在差异,使得不同水稻品种积累重金属含量差异较大。Duan等^[29]在湖南某污染地区连续两年种植了417个水稻品种,结果表明,这些品种的糙米中Cd和As含量分别存在10~32和2.5~4倍的差异。湖南主要是种植籼稻,相对粳稻而言,多数籼稻蓄积Cd的能力更强^[30],这就加剧了稻米中Cd污染的风险。近年来,由于基因组编辑技术的发展,促进低Cd积累品种的筛选研究,但是关于转基因的安全问题是无法回避的。

(4)农业管理措施影响了土壤中重金属的有效性。土壤淹水后,由于生成CdS,降低了Cd的溶解度^[31];然而由于铁氧化物的还原溶解,大量的As会被释放到土壤孔隙水中^[32],排水后则相反。由于持续淹水会降低水稻产量且不便于收割,农民通常会在水稻收获前2~3周进行排水晒田,此时水稻正处于乳熟期。而乳熟期是水稻吸收富集Cd的关键生育期^[33],因此,常规水分管理措施容易导致稻米中Cd含量增加。

2.3 稻米重金属污染异常现象

一般而言,土壤重金属含量超标,稻米重金属含量也超标,反之亦然。然而,调查发现:土壤Cd含量不超过筛选值的地区生产的稻米Cd含量却超过国家食品卫生标准值;而土壤Cd含量超过筛选值的地区生产的稻米Cd含量也有不超过国家食品卫生标准值的现象。陈世宝等^[4]对我国南方某省早、晚稻69对籽粒和土壤样品测定后发现类似情况。因此,在耕地重金属污染防控中要充分认识到土壤重金属含量与稻米质量之间并非简单直接的对应关系,需要探析土壤中重金属形态与水稻吸收的耦合机理,明确水稻吸收土壤重金属的关键因子和驱动机制,并以此为基础研发重金属污染耕地防控技术,为我国重金属污染耕地的安全利用提供参考依据。

3 湖南省稻米重金属污染防控的理论与实践

3.1 稻米重金属污染防控的理论依据

水稻是一种生长在渍水条件下的禾本科植物,长期的淹水栽培和强度耕作方式使得水稻土壤成为一个具有复杂的土壤化学和微生物群落的独特农业生态系统。研究表明,水稻籽粒中重金属的含量与土壤中重金属总量之间的关系并不显著,而与土壤中重金属生物有效态含量呈显著正相关^[4]。因此,降低土壤重金属生物有效态含量是实现重金属污染稻田安全利用的有力手段,但是水稻在生长过程中受到水、肥、农药和大气沉降等因素的影响,单纯地通过降低土壤重金属的生物有效性来阻控重金属的迁移难以实现粮食安全生产,需要将土壤重金属的生物有效性、水分管理和农药化肥等结合,甚至大气污染防控都考虑进来。

3.2 湖南省稻米重金属污染控制的实践

3.2.1 管理措施

2014年农财两部实施了“湖南重金属污染耕地修复及农作物种植结构调整试点”工作,在长株潭地区开展农产品产地土壤重金属普查工作后,根据土壤污染程度,将污染试点区划分为3类:达标生产区、管控专产区和替代种植区。《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)根据土壤pH和土壤中重金属含量不同,将农田土壤划分为3类:优先保护类、安全利用类和严格管控类。如果土壤中的污染物含量不超过风险筛选值,一般认为风险可以忽略不计;如果土壤污染物浓度介于风险筛选值和管制值之间,则需要采取一些措施(农艺措施和替代种植)来保证食品安全;如果土壤污染物超过管制值,且农产品中污染物浓度超过食品限量,则必须采取更加严格的措施(如禁止种植农产品、退耕还林等)防范风险。

3.2.2 农艺调控措施

农艺调控措施是指利用农艺措施减少重金属从土壤向作物特别是可食用部位的转移,从而保障农产品安全生产,实现受污染耕地的安全利用。目前,轻、中度重金属污染耕地土壤安全利用与修复技术主要是农艺调控类技术,包括土壤改良、筛选低积累品种、水肥调控、叶面阻控、微生物修复和联合修复技术等^[34]。考虑到实际适用性、处理时间、降低风险和修复成本等几个因素,重金属污染耕地修复技术的选择和比较成为一项艰巨的任务,表1^{[29,35⇓⇓⇓⇓⇓⇓-42]}概括了轻、中度重金属污染耕地安全利用与治理修复技术。

3.2.2.1 单一修复措施

(1)土壤钝化修复措施。向重金属污染土壤施加钝化剂和改良剂,如石灰、生物炭和铁/锰氧化物等^[32],通过沉淀、络合、吸附或离子交换等作用机制降低重金属在土壤中的迁移和生物有效性,阻控作物对土壤重金属的吸收^[35]。Chen等^[36]指出将石灰一次性施入稻田后显著降低土壤有效态Cd含量,连续3年降低了稻米中Cd的含量。Huang等^[37]开展了连续4年施用石灰的田间试验,结果表明4年间稻田土壤pH值平均上升0.75个单位,早稻和晚稻中Cd含量分别降低了55%和63%。研究表明,生物炭可以提升土壤pH、阳离子交换量(CEC)和溶解性有机物(SOM)含量,改善土壤团聚体稳定性、持水能力和养分,降低重金属的有效态^[43]。

铁/锰矿物具有零点电荷低、比表面积大等特性,对重金属离子有较好的吸附性能,常被用作钝化剂固定土壤中的重金属^[44]。

(2)低重金属积累水稻品种措施。从重金属的低积累和强耐性两个方面,筛选并确定一批适用于湖南不同重金属污染类型和污染程度稻田种植的水稻主栽品种,是在重金属污染稻田实现农业安全生产最基本最可靠的源头控制技术保障。2014年起,湖南省农委陆续推出应急性低Cd积累品种,目前已经筛选出110多个水稻低Cd积累品种,如湘早籼42号、湘早籼45号、两优7号、金优284、两优386C和两优651等品种^[3]。2022年,湖南省农科院选育的低Cd新品种韶香100和莲两优1号稻米中Cd含量为0.01~0.04 mg·kg^-1,远远低于国家标准(0.2 mg·kg^-1),这些品种有力支撑轻、中度Cd污染农田的粮食安全生产。

(3)水肥调控修复措施。在淹水条件下,土壤呈还原状态,pH值升高,Cd容易形成硫化物沉淀,溶解度迅速降低。一些研究采取长期淹水措施来降低土壤中Cd生物有效态,从而降低稻米中的Cd含量。黄道友等的研究^[38]表明水稻全生育期浅淹水可分别使早稻和晚稻稻米中Cd含量降低16.8%~29.6%和14.1%~23.2%。然而持续淹水会导致铁氧化物发生还原溶解,增加土壤中As的活性。研究者指出,保持土壤湿润或干湿交替是一种减少稻米As含量的有效措施^[45]。在面对单一污染时,水分管理是一种安全利用的有效措施,而在Cd-As复合污染土壤中,应当谨慎使用水分调控措施。

施肥是满足作物生长过程中的养分需求的重要途径。研究表明,有机肥可以降低土壤中Cd的有效态,减少水稻对Cd的富集^[20],但施肥可能会导致土壤出现盐化、酸化和养分不平衡等问题,如过量施用铵态氮能导致土壤酸化^[46]。优化铵态氮和硝态氮的施用比例,可以提高稻田土壤的pH,降低重金属活性^[47]。

(4)叶面阻控修复措施。叶片是水稻最重要的根外营养器官,研究表明,叶片中Cd含量与籽粒中Cd含量呈显著正相关^[48]。通过向水稻叶片喷施微量有益元素提高作物抗逆性,可抑制作物根系重金属向可食部位转运重金属,降低可食部位重金属含量。当前市场上叶面肥种类较多,其成分主要是Si、Zn、Se、Mn、Fe和壳聚糖等,这些叶面肥都能有效降低稻米中的Cd含量^[49]。Li等研究^[39]表明,叶面喷施Si肥主要通过抑制Cd从茎秆向糙米的转运来降低稻米中的Cd含量。周一敏等^[40]发现,叶面喷施纳米MnO₂可降低水稻各部位中的Cd积累,减少氧化损伤,增强水稻叶片光合作用和增加水稻根表铁锰胶膜。

(5)微生物修复措施。微生物可以通过自身吸附、矿化重金属直接降低土壤中重金属的活性,如Qian等^[50]发现,Penicillium chrysogenum T.CS1可以将土壤中的Pb和Cr转化为方解石、钒钙、碳酸钙和氧化铬等碳酸盐矿物。微生物还可以通过分泌胞外聚合物、促进土壤有机质分解等方式间接钝化重金属,如Li等^[41]发现白腐真菌(Phanerochaete chrysosporium B.)分泌的EPS对低浓度Pb的钝化起着十分重要的作用。此外微生物还可以促进植物对营养元素的吸收,改善植物生长状况,从而降低重金属对植物的胁迫。

3.2.2.2 联合修复措施

当单一措施难以保障农作物可食部位重金属含量达标时,需要结合土壤污染类型和污染程度,耦合不同修复技术,建立适合当地实际情况的“边生产边修复”的耕地土壤重金属污染联合修复技术。联合修复技术主要有以下几种:土壤改良+水稻品种、土壤改良+微生物+水稻品种、土壤改良+水分管理+水稻品种、土壤改良+水分管理+水稻品种+叶面阻控、土壤改良+水分管理+水稻品种+叶面阻控+灌溉水水质净化。

针对湖南省稻米Cd含量超标的现状,2013年湖南省将Cd低积累水稻品种(Variety,V)、全生育期淹水灌溉(Irrigation,I)、调节土壤酸碱度(pH,P)和叶面阻控等多种单项农艺调控技术进行组合,形成了“VIP”和“VIP+n”综合降Cd技术,在长株潭污染稻田进行推广与示范。沈欣等的研究^[51]表明,与单一农艺或两两组合处理相比,“VIP”处理水稻降Cd效果最佳,水稻糙米中Cd含量降低了52.6%~61.5%。

3.2.3 种植非食用农作物修复措施

对于土壤重金属污染高风险地区,常规的土壤治理修复措施已经无法达到农产品安全生产,必须采用管控措施,进行种植结构调整和替代种植,开展限制性生产。替代种植非食用的农作物尤其是经济作物,是重度污染耕地实现“边生产、边修复”,确保其农用地性质最经济、最有效的方法。重度污染耕地替代种植模式包括种桑养蚕^[52]和发展麻类^[53]、棉花^[54]、能源作物^[42]等。

4 湖南省耕地土壤和水稻重金属污染防治的思考

4.1 正确认识国内外耕地土壤重金属污染

随着社会经济的高速发展和农业高强度集约化生产,我国耕地土壤重金属污染趋势加剧,已经成为一个普遍环境问题。据2014年全国土壤污染状况调查公报显示,我国耕地土壤点位超标率为19.4%,其中重金属污染占被污染土壤的82.4%^[55]。我国每年因土壤重金属污染而造成粮食减产达千万吨,造成难以估量的经济损失^[3],我们应当面对耕地重金属污染的现实。但耕地土壤重金属污染并非我国独有,世界上有很多国家都存在耕地土壤重金属污染问题。Baldantoni等^[56]指出在西欧发达国家中,大量耕地土壤受到混合污染,其中受到重金属污染的农田土壤面积占到一半以上。Jinadasa等的研究结果^[57]表明,澳洲耕地土壤Cd、Pb、As等重金属污染最为严重,其中Cd含量范围为0.11~6.37 mg·kg^-1。Awasthi等的研究结果^[58]表明,印度、巴基斯坦、菲律宾等国家的耕地土壤受到重金属污染问题日趋严重。

4.2 积极开展土壤和水稻重金属污染源解析

了解土壤重金属的污染来源,从而制定和采取相应的源头消减与阻控措施,是保护农田土壤质量和农产品安全的根本措施。湖南省矿冶活动发达,“三废”无序排放导致大量重金属进入周边农田和水体,造成农田土壤严重污染。因此在开展农田重金属治理修复时,一方面需要通过严格监控和严格执行土壤、环境保护的法律法规阻止土壤重金属污染态势进一步恶化;另一方面,需要开展水稻富集重金属的源解析研究,尤其是在异常区域,稻米中的重金属可能不仅来源于土壤,还可能来自灌溉水和大气沉降。Zhou等的研究^[59]表明,在相同Cd暴露水平下,不同来源Cd对水稻籽粒富集Cd的贡献顺序为:叶面源>灌溉水源>土壤源。

4.3 进一步加强耕地土壤和稻米重金属污染防控的交叉多学科研究

研发耕地土壤重金属污染修复技术、防控稻米重金属污染涉及土壤、农学、生态、环境、生物学、物理学、化学、微生物学和毒理学等学科,这增加了耕地土壤和稻米重金属污染防治的难度。因此,开展耕地土壤和稻米重金属污染防治需要整合高校、科研院所和企业等各方有效力量,形成技术研发有高校和科研机构、示范推广有公司和种植大户相融合的产学研用的防控体系,选择有代表性的土壤污染区域,开展不同防控模式的试验工作,探索不同技术模式的原理、适用区域、适用作物和适用方法。

4.4 深入研究土壤钝化剂的安全性、稳定性及时效性

原位钝化技术相较于其他修复技术具有见效快、操作简便、成本相对较低等优点。然而,关于原位钝化技术的研究多集中于钝化材料对重金属污染土壤的钝化效果方面,在实际应用时还应着重考虑钝化材料的安全性,长期施用钝化剂是否会给土壤带来二次污染,以及是否会造成土壤理化性质的变化,不利于土壤的生态健康,还应考虑经济成本及用量等问题。

4.5 全方位研究农作物秸秆处理方式对土壤重金属积累的影响

当前许多地方禁止焚烧农作物秸秆,将农作物秸秆还田是种地养地相结合的耕作方式,有利于改变土壤理化性质,实现了农田生态良性循环。研究表明,我国秸秆年均产量达5.2×10⁹ t,其中直接还田量占30%左右^[60]。但由于受重金属污染农田土壤中生产的作物秸秆重金属含量远远高于其籽粒中的含量,部分作物可以高达10倍以上,因此作物秸秆直接还田会将作物秸秆中的重金属重新带入土壤中,导致修复效率大大降低^[61]。研究表明,长期实施秸秆还田尤其是污染秸秆还田将会增加土壤Cd等重金属的积累风险^[62]。为期3年的稻草离(还)田长期定位监测试验研究结果初步表明,稻草离田后,土壤全Cd量可年均降低1%左右,稻米Cd含量较稻草还田的降低10%以上^[3]。因此,对于含重金属的农作物秸秆处理方式是还田还是离田还需慎重考虑。

4.6 继续研发耕地土壤重金属复合污染修复技术

目前国内的土壤重金属修复以单一重金属修复的形式较多,多种重金属修复的案例较为稀少。但是耕地土壤重金属污染常以复合形式出现,在湖南、湖北、广东、甘肃等省份出现Cd和As含量超标的耕地土壤^[63]。Cd和As复合污染修复技术不同于其他重金属复合污染的修复技术,这主要是稻田土壤Cd和As存在明显的拮抗性,其化学行为与生物有效性的变化相反,对修复技术的选择也存在极大差异,甚至相反,加上水稻对Cd和As的吸收积累也存在较大差异^[63],这也直接导致选择Cd和As复合污染土壤修复技术更为困难。

4.7 大力推广低成本的重金属污染土壤修复模式

耕地土壤重金属污染修复对于国家和农民固然重要,但由于每亩稻田的收入偏低,使得农民虽然想开展重金属污染土壤的修复,但是又不愿意投入太多的钱。目前从科研的角度来看,一些重金属污染土壤修复模式的成本较高,不太适用大面积的推广与应用。表2^[64]列举了部分常用耕地土壤重金属污染修复技术及土壤修复成本,对受重金属污染的耕地而言,即便选择修复成本最低的植物修复法,单位治理成本为1 500~7 500元·hm^-2,对于农户来说仍然过高。我们曾经做过市场调研,种植大户可以接受的修复成本是1 500~2 250元·hm^-2;对于非种植大户来说,修复成本是越少越好,甚至很多人认为这些重金属污染土壤应该由政府花钱来修复。因此,可大面积推广与运用的耕地重金属污染修复技术或模式的前提是成本低、可操作性强,且需要与农业生产本身相结合。

5 结语

面对土壤和稻米受到重金属胁迫的现实,湖南连续多年开展“边生产边修复”的VIP+n组合技术模式已经取得较为理想的成果,这对于保障粮食安全生产具有重要意义,但是由于该模式的技术指标严、工作量大,实施难度大,尤其是需要大量资金和技术人员,对于农民来说难以单独开展。在众多修复技术中,土壤原位钝化是一种容易推广的修复措施,其核心内容就是钝化剂材料成本较高,且用量大,不易于操作难以被农民接受。因此,在不造成土壤二次危害的前提下,考虑土壤的组成成分,研发绿色、低碳、高效的钝化材料,耦合其他易操作的农艺管理措施,阻断重金属向水稻的运移,保障粮食安全生产。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFD1700101)

湖南省自然科学基金项目(2022JJ30306)