——治理外源污染調(diào)節(jié)土壤酸堿度優(yōu)化稻田水分管理

    編者按：

    近日，中國農(nóng)業(yè)科學院在湖南省長沙市啟動“南方地區(qū)稻米重金屬污染綜合防控協(xié)同創(chuàng)新行動”，160余名相關學科專家組成的“全國最大科研團隊”參與其中，該行動將稻米鎘污染作為首要項目。2013年，“湖南鎘大米”事件發(fā)生后，公眾談鎘色變，人人都說，卻又似是而非。農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所研究員劉仲齊認為，稻米鎘污染的“問題復雜超乎想象”，不能一概而論。廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所研究員陳能場博士對鎘大米產(chǎn)生機理有深入的研究，并針對性提出治理措施。本刊特發(fā)此文，供有關各方參考。

    隨著我國“南方地區(qū)稻米重金屬污染綜合防控協(xié)同創(chuàng)新行動”的啟動，鎘大米問題再度成為熱點。公眾關于鎘大米的認知大多停留在鎘對人體的危害上，而對“大米中的鎘是如何產(chǎn)生的，到底有沒有消除的辦法？”的認識存在著一些偏差。有人單純地認為鎘大米就是因為稻田澆灌了含鎘的工業(yè)廢水，有人甚至認為將產(chǎn)生鎘大米的稻田采用“新土換舊土”的客土方法一換了之。筆者試圖通過本文對鎘大米的相關問題作出一些盡可能客觀全面的解答。

    陳能場

    1

    鎘是農(nóng)田重金屬污染之首

    在地球化學中，鎘是一個分散元素，難以獨立成礦，同時在礦石中含量很低，不容易回收。因此在采礦過程中容易隨著尾砂等排放到環(huán)境中，特別在酸性礦水存在的條件下，鎘很容易隨著酸性礦水進入河流和農(nóng)田。鎘的熔點為321℃，而沸點為767℃，因此在沒有有效的除鎘設備的條件下，有色金屬冶煉、鋼鐵廠、垃圾焚燒廠、火電廠都很容易將鎘釋放到大氣中，從而造成以廠為中心、下風向污染最重的較為廣域的土壤鎘污染。

    土壤酸堿度（pH）對鎘等重金屬在土壤有機質(zhì)、鐵錳氧化物、黏土礦物中的吸附能力有著極為重要的影響。當土壤酸化時，這些物質(zhì)吸附鎘的能力很弱。相比于其他重金屬如鋅、銅、鉛和汞等，鎘在土壤中天然的在能被植物吸收的部分（水溶態(tài)和交換態(tài)）比其他重金屬要高一些，鎘在土壤-植物這個系統(tǒng)中就比較容易遷移。盡管我國土壤鎘的本底值僅為0.097mg/kg，而外來的鎘土壤中不容易被土壤的膠體固定，特別是在土壤酸性的條件下，因此很多耕地土壤中的總鎘量其實并不高，但它對植物的有效性卻很高。

    2

    為何容易產(chǎn)生鎘大米

    很多人認為鎘大米的產(chǎn)生是因為水稻是吸鎘最強的作物。其實不然，有科學家將植物對鎘的耐性分為三類，水稻的耐性只是中等。水稻之所以容易吸收鎘，其生長環(huán)境以及鎘在土壤中的化學變化過程起著關鍵的作用。

    土壤中的鎘主要吸附在黏粒的部分上面，在稻田耕作過程中，由于翻耕黏粒部分容易沉淀在土壤的表面，導致表面1～3厘米的鎘含量很高。在污染區(qū)，存在大氣沉降的鎘沉降，同時灌水也會帶入鎘，鎘也將沉積在稻田土壤表面。水稻是須根系作物，大部分的根系在表層5厘米以內(nèi)。鎘的含量與根系的重疊布局為水稻吸收更多鎘創(chuàng)造了條件。雖然在淹水條件下，水稻根系表面會形成鐵膜，有助于阻止根系對鎘的吸收。但水稻是喜銨作物，根系吸收銨態(tài)氮會讓根系表面酸化，從而有助于對鎘的吸收。

    有科學家利用同位素標記發(fā)現(xiàn)稻米中的鎘有70%左右來自水稻生殖時期根系吸收進入的，其他部分來自莖葉中積累的鎘。這是因為在淹水條件下，鎘與還原條件下形成的負二價的硫離子形成非常難溶且非常難被根系吸收的硫化鎘。但在水稻后期為了收割方便，農(nóng)戶有意排干田面的水，硫化鎘就被滲入到土壤表層的氧氣氧化成鎘離子和硫酸根離子，鎘就容易被根系所吸收，這個化學過程通常在水分排干內(nèi)4天就可以完成。所以根系和鎘的表層分布再加上缺水的情況下，造成水稻鎘的大量吸收。

    溫度和品種對水稻吸收鎘有一定的影響。日本、我國臺灣地區(qū)的研究結果表明秈稻總體上比粳稻有更強的鎘富集能力。大陸對不同品種也做了大量分析，可能是由于品種過多或者雜交水稻沒有得到很好的溯源和區(qū)分，不同類型的水稻鎘吸收能力存在矛盾，沒能做明顯的區(qū)分。通常溫度高，植物葉片蒸發(fā)量大，土壤中的鎘離子容易隨著水分進入根系。但我國南方早稻雨水多，田面不缺水，縱然高溫，早稻稻米中的鎘一般比晚稻要低。

    3

    大米鎘與土壤鎘沒有密切關系

    農(nóng)地中的鎘主要來源是工業(yè)廢水、大氣沉降、畜禽糞便、化學性肥料和灌溉水等。但通常人們想到稻米的鎘超標就是因為土壤被鎘污染了，土壤中鎘越多，大米中的鎘越多，這種結果在盆栽控制各種條件下是可以得到的，科學家努力尋找這種關系以便能從土壤的重金屬含量來推測稻米中的重金屬含量。

    但在大田生產(chǎn)條件下，大米鎘含量與土壤的鎘含量并沒有這種相關關系。一塊稻田內(nèi)水頭水尾的稻株的鎘含量都可能不同。一方面灌溉水中很難沒有一丁點的重金屬，那怕低到濃度為百分之零點零幾，進來的重金屬也容易在進水口附近被土壤吸附而使得其重金屬含量稍稍偏高。另一方面收割前為了便于收割，田間停止灌水，收割時進水口的土壤比較干，出水口的土壤比較濕。這兩個因素整體上會讓進水口的稻谷含有多一點的重金屬。如果在污染的條件下，灌溉進來的鎘濃度高些，這個差別就更明顯。

    在大田生產(chǎn)條件下，日本、泰國、韓國、中國大陸及臺灣地區(qū)的調(diào)查中都發(fā)現(xiàn)了大米鎘與土壤鎘沒有密切關系，因此日本制定農(nóng)田的鎘標準時是以糙米中的鎘含量來替代。

    4

    鎘大米如何“消除”

    鎘的種種特性使土壤容易遭受廣域性的污染，且一旦污染，鎘容易進入大米中。因此必須加強源頭控制，包括大氣污染和工業(yè)廢水排放的控制、采用含鎘低的磷肥、合理適量使用畜禽糞便等，降低甚至消除外源鎘對稻田土壤的污染，這是消除外源污染造成鎘大米的關鍵。

    土壤酸化是造成稻米鎘超標的一大原因。我國人多地少，土壤復種指數(shù)高，施肥量大，造成土壤酸化，再加上來自大氣的酸雨，含硫礦區(qū)的酸性礦水，導致土壤特別是酸雨區(qū)和含硫礦區(qū)周邊的土壤酸性現(xiàn)象嚴重。因此通過石灰等堿性物質(zhì)改良土壤是消除鎘大米的一個重要措施，當然石灰需要量需要科學計算，土壤pH的調(diào)節(jié)要達到6.5以上才行。

    稻田的水分管理是控制稻米鎘的另一個重要措施。理想的條件是全過程淹水，有助于將稻米中的鎘降到最低。但全過程淹水在大田生產(chǎn)中不現(xiàn)實，一是耗水量大，慣常的水稻生長管理需要中干排水來控制水稻分蘗和改變土壤環(huán)境，通過中干排水過程釋放養(yǎng)分。日本對中低度鎘污染的土壤通過水稻在抽穗前后三周保持田面2~3厘米的水層，防止土壤表層處于氧化狀態(tài)，從而能大幅度地降低稻米的鎘含量。對于土性很軟的稻田，這樣的水分管理會帶來機械耕作困難，對水稻在抽穗后10天保持2~3厘米的水層也能收到較好的降鎘效果。