镉污染农田土壤修复技术研究进展
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摘 要：镉是农田土壤污染最为广泛和农产品超标最为突出的重金属元素，对镉污染农田土壤的修复一直是重金属污染治理的重点和难点。近年来，国内外就镉污染农田土壤的修复技术进行了大量的研究和广泛的探索，尝试了各类钝化剂及农业措施等在减控农产品镉积累的效果，提出了诸如推行低吸收作物品种、工程措施、化学修复、生物修复和农艺调控等技术。该文分析了镉污染农田土壤修复中各类技术的应用效果、作用机理及其限制因素，认为分类治理和推行联合修复技术是今后我国镉污染农田土壤修复技术发展的方向。
关键词：镉污染；农田；修复技术；农产品安全；发展趋势
中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）06-0115-06
Research Progress on Remediation Technology of Cadmium-contaminated Agricultural Soils
Ni Zhongying1 et al.
（1Agricultural and Forestry Technology Promotion Center of Tonglu County，Tonglu311500，China）
Abstract：Cadmium is one of heavy metals most widely found in the polluted agricultural soils and agricultural products in China.Remediation of cadmium contaminated farmland soils is always the key and difficult point in the treatment of heavy metal pollution of China.In recent years，a great deal of research and exploration on the remediation technologies of cadmium contaminated farmland soils have been done at both home and abroad，and the effects of various kinds of passivation agent and agricultural measures on reducing cadmium accumulation in agricultural products were studied.Several measures，such as the implementation of low absorption crop varieties，engineering measures，chemical remediation，bioremediation and agronomic regulation，had been put forward.In this paper，the application effects，mechanism and limiting factors of various techniques in remediation of cadmium contaminated soil were reviewed.It is suggested that the classification management and the implementation of joint remediation technologies are the future development of the remediation of cadmium contaminated farmland soils in China.
Key words：Cadmium pollution；Farmland；Remediation technology；Agricultural product safety；Development trend
k是土壤等环境中活性较强的一种重金属，因毒性大、易被作物根系吸收而向籽实迁移并积累在农产品中，其对生态环境的影响远高于其他重金属，是我国农田土壤污染最为广泛和农产品中超标最为突出的重金属元素。根据《全国土壤污染状况调查公报》（环境保护部和国土资源部，2014），我国耕地土壤重金属的总超标率为19.4%，其中镉的点位超标率为7.0%，居我国土壤污染物首位[1]。同时，相关研究调查也证实，稻米等农产品中普遍存在镉的污染，在南方酸性红壤地区尤为突出[2-4]。环境中镉主要通过土壤-作物-食品链进入人体，有关镉污染土壤的修复一直是农业与环境科学领域研究的热点[5]，已初步形成了种植低吸收作物品种、工程措施、化学修复、生物修复和农艺调控等镉污染土壤修复技术[6]。这些技术主要通过以下3种途径达到农产品质量安全：一是减少作物对土壤中镉的吸收；二是改变镉在土壤中的存在形态，使其由活化态转变为稳定态；三是从土壤中去除镉，使镉接近或达到土壤本底水平。但目前这些技术多局限于室内模拟研究，尚处于试验阶段，在实际应用中还存在较大的局限性。本文分类评述了这些修复技术的效果、作用机理及限制因素，目的是为完善与发展镉污染农田土壤的修复技术提供借鉴。
1 低吸收镉作物品种的筛选
研究表明，不同农作物对镉的吸收和积累存在很大的差别，同类作物的不同品种之间对镉的吸收和积累也有所不同。因此，在实际生产中，可利用可食部位镉积累较低的农作物来避免或减控镉进入食物链，这被认为是镉污染土壤持续安全生产的一条有效途径。
1.1 低吸收镉作物品种 水稻、小麦和玉米等禾谷类作物的产品（籽实）中易积累镉，容易丧失食用价值。水稻对镉有较强的生理耐受能力和富集能力，因而水稻籽粒中的镉积累常常较高。国内已在小麦、水稻、大白菜、油菜、玉米、花生、番茄等农作物上开展了镉低积累品种的筛选研究[7-9]，并以水稻品种的筛选研究最多，不同水稻品种的镉积累可以有1倍以上的差异[10]。例如，蒋彬等采用大田试验对239份稻米中镉含量进行了分析发现[11]，不同水稻品种籽粒中镉含量可在0.01～1.99mg/kg变化，不同基因型稻米中镉含量差异极显著。研究表明[12-14]：晚稻对镉的富集性显著大于早稻，籼稻品种糙米镉含量高于粳稻，生育期较长的高产品种的糙米中镉含量高于生育期较短的中、低产品种，杂交稻的镉含量高于常规稻，普通稻镉含量高于优质稻，超级稻吸收积累镉的能力显著高于普通杂交稻。
不同蔬菜种类对镉的富集能力也有明显差异[15]，镉在蔬菜中迁移累积：苋菜>叶用莴苣>菜苔>蕹菜>芥菜；蔬菜对镉的吸收整体表现为：叶菜类>花果类>块根类[16]。成都地区的研究表明[17]，不同蔬菜对镉的吸收：菠菜>芹菜>大白菜>韭菜>黄瓜>油菜>花菜>蕃茄>甘蓝；对长沙地区的比较研究发现[18]，不同蔬菜对镉的吸收能力：叶菜类>茄果类>豆类>根菜类>甘蓝类>瓜类。这些研究为利用镉低积累农作物减免镉污染农田对农产品的危害奠定了基础。
目前还没有明确的镉低积累作物标准，但一般认为种植镉低积累作物能降低农作物的镉吸收和积累，其食用部位镉含量低于国家食品卫生标准，能满足农产品安全食用的要求[19]。镉低积累农作物中镉的富集系数和转运系数常低于1；另外，镉低积累农作物对镉具有较强的耐受性，可正常生长在镉污染的土壤中。
1.2 低积累机理 农作物籽粒中镉的积累量与作物根系的形态、根对镉的吸收能力和生理活性、根表氧化膜以及镉在体内运输的不同有关[10]。水稻根系具有向根际释放氧气和氧化物质的能力，根际氧化还原电位高于土体，可使水稻土中大量的亚铁和亚锰等还原物质在水稻根表氧化形成铁锰胶膜，后者可减少土壤镉离子进入水稻体内[20，21]。不同水稻品种形成氧化铁锰胶膜的能力不同，因此它们对降控镉离子进入水稻体内的能力也有差异。研究还表明，金属转运蛋白在水稻对镉的耐性和积累中也起着重要作用[20]。不同水稻品种的这些转运蛋白基因有所差别，导致了镉在不同水稻品种体内运转的差异。根系是镉等重金属进入植物的门户，根系的形态和生理活性以及根与土壤环境的相互作用都会影响植物对镉的吸收。单位产量耗水量、根冠比高的水稻品种其糙米中镉含量相对也较高[10]。
1.3 实际应用中的限制因素 镉低积累农作物在控制镉吸收的潜力有限，因此，这一技术一般只适用于轻中度镉污染土壤的镉污染控制。另有研究表明[22]，因不同土壤的pH值、Eh、有机质等性状的差异，镉低积累作物在不同性状的土壤中其低积累效果也会有很大的差别。但至今有关镉低积累作物在不同土壤、气候条件下的适应性还不清楚，从而影响了镉低积累作物的推广应用，这也是这些作物在控制镉吸收效果不稳定的主要原因。
2 镉污染土壤的化学修复技术
对土壤本身直接进行处理修复污染土壤的技术包括工程措施和化学修复。工程措施包括客土法、去表土法、电修复技术、淋滤法和洗土法等。客土法是在污染的土壤上加入未污染的新土来控制污染土壤对植物的危害；去表土法是将污染的表土移去来减少对植物的影响；电修复技术是通过在土壤外加一直流电场，在电解、电迁移、扩散、电渗、电泳的作用下促使重金属向阴极运动，通^工程化进行收集处理；淋滤法和洗土法是运用化学试剂与土壤重金属离子作用来降低土壤中重金属的浓度。目前，这些方法虽然短期内效果显著，但成本高、容易形成二次污染，主要用于场地重金属治理，在农田土壤镉污染修复的成功案例不多。而化学钝化治理方法就是向土壤中投入钝化剂（抑制剂，改良剂），通过增加土壤有机质、氧化物及粘粒的含量，改变土壤阳离子代换量、氧化还原电位（Eh）、pH值和电导等物理化学性质，来降低土壤镉等重金属生物有效性的方法，它是当前农田土壤镉污染治理的重要方法。与以上工程措施比较，化学修复方法对土壤结构影响不大，符合农业生产的需要。
2.1 化学钝化剂的种类 常用的钝化剂包括无机钝化剂和有机钝化剂两大类，无机钝化剂主要有工业废弃物（钢渣、炉渣）、石灰、赤泥、硅肥、钙镁磷肥、粉煤灰、白云石、粘土矿物（沸石、海泡石、膨润土、凹凸棒石）、拮抗物质等；有机钝化剂主要来源于有禽畜粪便、作物秸秆、泥炭、豆科绿肥和堆肥及天然提取高分子化合物等。其中，使用石灰是目前试验研究中应用较多的钝化剂。
2.2 钝化机理 化学钝化的机理主要是通过改变土壤性状来降低土壤中镉的活性，涉及沉淀固定、吸附及离子交换、离子拮抗、螯合等作用。但对多数钝化剂而言其作用机理往往不是单一的，常常是由多种机理共同作用。
2.2.1 沉淀/固定作用 多数钝化剂通过该作用来降低土壤中镉的有效性。施用石灰等碱性物质（包括石灰、生物质炭、白云石等）可明显提高土壤pH，降低土壤中镉的溶解度和活性。另外，当土壤中施入含碳酸根离子、硅酸根离子、氢氧根离子等的钝化剂时，镉离子可与这些阴离子发生作用生成难溶的碳酸镉、硅酸镉、氢氧化镉等沉淀，降低土壤镉的有效性，从而抑制作物对其的吸收。例如，钙镁磷肥中磷酸根离子可与镉离子结合，生成磷酸盐沉淀[23]。
2.2.2 吸附及离子交换作用 沸石等粘土矿物具有很强的离子交换能力，可通过离子交换和专性吸附吸持镉离子降低土壤中镉的有效性。另外，施用石灰可通过提高土壤pH，增加土壤胶体表面的负电荷，增强对镉离子的吸附，降低土壤中镉的生物有效性[24]。因有机质具有较高的比表面积和交换能力，因此，施用有机物料也能增加对镉的吸附[25]。
2.2.3 离子拮抗作用 有研究表明，镉能与许多营养元素包括锌、硒、铜、锰、铁、钙、钾、磷、氮等产生交互作用，它们之间的作用可以是协同、拮抗或无直接相关。镉离子与锌离子有相似的外层电子结构，两者可以互相竞争进入生物细胞上的结合位点，因此，施用锌可抑制玉米幼苗吸收镉。常用镉的拮抗物质有硫酸锌、稀土镧等。石灰中的Ca2+也能与Cd2+发生拮抗，降低土壤Cd2+的有效性[26]。
2.2.4 螯合作用 有机改良剂含有大量的氨基、亚氨基、酮基、羟基及硫醚等有机配位体，能与镉等重金属离子螯合形成难溶的螯合物，从而减轻重金属离子的生物有效性。
2.3 应用效果 众多试验都表明钝化效果随钝化剂添加量和钝化时间的增加而增加。据报道，在赤红壤中适当加入石灰后，可使土壤有效态镉含量大幅度降低；调节土壤pH值至7时能显著降低胡萝卜和菠菜中的镉含量[27]。南方酸性土壤中按0.7%比例添加石灰30d后土壤中有效态镉降低了28.17%[28]。向土壤中添加石灰和过磷酸钙可使大米镉含量下降45.1%[29]。生物炭是一种含碳量高、孔隙密度大、吸附能力强的多用途材料[30]，能明显减少土壤中有效态镉的含量，减少作物对重金属镉的吸收[31]。但生物炭的实际钝化效果因生物炭类型、土壤类型、作物种类等条件的不同而不同。在酸性土壤中投放钙镁磷肥能显著提高土壤pH，降低交换态和有效态镉含量，显著减少水稻对镉吸的吸收，且其后效持久[32]。据试验[54]，将300kg/hm2硅肥和1 800kg/hm2钙镁磷肥混合施用，可使水稻增产33.3%～36.2%，同时糙米镉含量下降72.1%～84.2%。施用粉煤灰也可提高土壤pH，降低镉的迁移能力。基施5g/kg碱性煤渣，可使早稻糙米镉含量降低75.4%，晚稻糙米镉含量降低87.9%[33]。
赤泥是在铝土矿提炼氧化铝的过程中产生的废弃物，其对镉的吸附容量高达22.25g/kg[34]，其对土壤中的重金属离子有较好的固定能力，使其从可交换状态转变为键合氧化物状态，从而降低土壤中重金属离子的活动性。赤泥可明显提高酸性土壤的pH值，赤泥处理后有效镉的含量可比对照处理下降31%[35]，10%用量时可使牛毛草含镉量降低87%[36]，且其改良效果具有持续性。
用于修复土壤重金属污染的粘土矿物主要有沸石、海泡石、凹凸棒石、伊利石、高岭石、蒙脱石等。据试验，沸石可吸附土壤中镉等重金属，降低其生物有效性[37]，使盆栽莴苣叶片镉浓度降低86%。与普通沸石相比，纳米沸石不仅能显著提高大白菜生物量，也能显著降低土壤可交换态镉含量和大白菜镉含量及镉积累[38]。施用海泡石能显著促进空心菜的生长，降低空心菜中镉的含量[39]，减少水稻和萝卜对镉的吸收[40]，但其效果取决于土壤类型[41]。在镉污染土壤中施用少量凹凸棒石，可减少镉对玉米生长的毒害[42]。
叶面喷施锌、硒，在富积锌、硒的同时可使镉的吸收降低37.01%和31.63%[43]。稀土镧对小白菜、大豆吸收镉有抑制作用[44]，也可抑制玉米幼苗对镉的吸收。经过稀土处理的大白菜，与对照相比镉含量下降89.4%～98.08%[45]。
施用有机肥料可促使交换态镉向有机结合态和氧化锰结合态镉转化[46]，从而降低土壤有效镉含量。据报道，在小麦盆栽试验土壤中施加猪厩肥，能有效减少了土壤中有效态和铁锰氧化物结合态镉含量[47]；施用牛粪、猪粪等有机肥降低了土壤中DTPA提取的镉含量[48]。稻草和紫云英可显著降低红壤和潮土中可交换态镉的含量[49]。泥炭能吸附土壤中镉等重金属，降低其生物有效性[50]。但也有研究表明，长期施用有机肥可增加稻田土壤重金属污染风险，这主要与有机肥对金属离子的激活效应有关。另外，在有机肥施用时需充分考虑到肥源中镉等重金属的含量。
2.4 存在问题 由于钝化机理的特殊性，多数钝化剂只是通过各种作用暂时性地降低了镉的有效形态，随着土壤环境的改变或其他因素的变化，土壤中镉的形态可能随之又恢复到之前的不稳定状态，因此，钝化修复容易在后期给土壤带来二次污染的威胁。目前大部分重金属钝化研究都基于短期室内试验，缺乏长期观测研究，对其最合适用量和施用方法的研究相对较少，寻找钝化剂的最佳┝亢妥罴咽檬逼谟写进一步研究。此外，长期大量使用可能会造成土壤中某些微量元素的缺乏，不利于作物的生长。
3 镉污染农田土壤的生物修复
镉污染农田土壤的生物修复是指利用生物的某些习性来适应、抑制和改良镉污染，包括动物修复、植物修复和微生物修复。
3.1 动物修复技术 动物修复是利用土壤中的某些低等动物如蚯蚓、鼠类等能吸收重金属的特性，在一定程度上降低了污染土壤中重金属含量，达到了动物修复重金属污染土壤的目的。目前利用低等生物进行镉污染修复的研究仍局限在实验室阶段。敬佩等的研究发现[51]，蚯蚓对镉具有较强的富集能力，富集量随着蚯蚓培养时间的延长而逐渐增加。但因受低等动物生长环境等因素制约，动物修复效率一般，并不是一种理想的修复技术。
3.2 植物修复技术 植物修复是指利用植物吸收、吸取、分解、转化或固定土壤中有毒有害污染物的技术的总称[52]，包括植物提取、植物挥发、植物降解、植物根滤和根际微生物降解，其中植物提取修复即利用超积累植物的特性来修复镉等重金属污染土壤应用最为广泛。超积累植物的概念最早由Brooks等于1977年提出，目前已发现400多种，涉及近20科、500种，其中十字花科较多，主要集中于芸薹属、庭芥属及遏蓝菜属。对镉污染土壤修复效果较好的超积累植物包括十字花科、禾本科在内的10余科植物[53-54]；我国已筛选出的镉超高富集植物主要有东南景天、宝山堇菜、中油杂I号、蒲公英、龙葵、小白酒花、园锥南芥等。除此之外，一些观赏性植物、农田杂草、木本植物也是镉污染土壤修复超积累植物来源[55-56]。某些超积累植物积累镉的含量可在0.1%以上。
镉超积累植物耐性机理主要有区隔化作用、抗氧化作用和螯合作用等。区隔化作用作为重金属进入植物体的第一道屏障，主要利用植物细胞壁中大量配体残基通过包括离子交换、吸附、配位络合等作用结合重金属，影响重金属离子向细胞内扩散，以达到解毒的作用。抗氧化系统是植物受逆境胁迫时抵抗不良影响的重要机制，保护细胞免受氧化胁迫的损伤。植物体内存在有机酸、氨基酸、植物螯合肽（PCs）和金属硫蛋白（MTs）等多种金属配位体，可与重金属元素发生螯合作用，将离子态的重金属转变成低毒或无毒的螯合态形式，从而降低了原生质体中游离态重金属浓度，减轻或解除了其毒害作用。
植物修复技术的优点是实施较简便、投资较少和对环境破坏小，但其也存在着一些不足，主要是这类植物往往生长缓慢、生物量低，修复周期长而难以广泛应用。但也有试验表明，通过向土壤中引入有益微生物、施用化学物质及肥料和采取农艺强化措施，促进超积累植物对养分的吸收，提高超积累植物修复镉污染土壤的效率[57]。
3.3 微生物修复技术 某些微生物可对土壤中重金属进行固定、迁移或转化，从而达到降毒和解毒的目的。微生物修复重金属污染土壤的原理主要包括微生物沉淀、微生物吸附和微生物摄取。一些微生物的代谢产物，如S2-、PO43-能与Cd2+反应生成沉淀，降低镉的毒性[58]。微生物细胞壁和其分泌的胞外聚合物（EPS）含有大量的化学基团，能直接吸附重金属[59]，减轻或解除镉的毒害作用。目前用于镉污染土壤修复的微生物涵盖了细菌（柠檬酸杆菌、芽孢杆菌、假单胞菌等）、真菌（根霉菌、青霉菌、木霉菌等）和某些小型藻类（小球藻、马尾藻等）[53，60]。微生物镉污染土壤修复方法作为一种绿色环保的修复技术，已引起国内外相关研究机构的极大重视，具有广阔的应用前景。但该类方法修复见效速度慢、修复效果不稳定，使得大部分微生物修复技术还局限在科研和实验室水平，实例研究少。
生物修复技术因具有资金投入少、操作成本低、对环境无二次污染等优势，在处理重金属污染土壤方面有着广阔的应用前景，随着现代分析科学和技术的发展，生物钝化技术有望在镉污染土壤的实地修复中发挥有效作用。但某些生物修复也不能将重金属从土壤中永久去除，一旦土壤环境理化特性发生变化，被钝化的重金属离子会被重新活化。
4 镉污染的农艺调控技术
作物对镉的吸收受土壤质地、pH值、Eh值、阳离子交换量（CEC）、根际环境、养分含量、有机质组分等多种环境因子的影响，农艺控制措施一般是通过多种植物组合间作、轮作以及改变土壤水分状况和养分状况等，从而达到有效降低植物对镉的吸收的目的。
4.1 水分管理 土壤的Eh值可影响土壤镉的有效态而影响作物对镉的吸收，随着Eh值的降低，土壤中水溶性镉含量、水稻吸收镉的总量及地上部镉含量随之下降。由于Eh值主要受土壤淹水状况影响，故可通过控制土壤水分来调节Eh值，达到降低作物镉吸收的目的[61]。水稻全生育期淹水管理可促进土壤中产生H2S，后者可与Cd形成CdS沉淀，降低镉的生物有效性[61]。张雪霞等的土壤水分管理试验表明，水稻籽粒中镉积累：80%的最大田间持水量>最大田间持水量>前期淹水+抽穗扬花期烤田>全生育期淹水，全生育期淹水管理在能保证水稻产量的同时，可有效降低水稻茎叶、糙米中的镉含量。
4.2 科学施肥 施肥对植物吸收镉也有一定的影响。不同形态的氮肥可造成土壤-作物根际环境状况的变化，从而影响镉在根际土壤的化学行为，导致镉有效性的差异，也会影响作物对镉的吸收。硝态氮能提高根际土壤的pH值，降低土壤镉等重金属的活性，促进水稻等作物对镉等重金属的吸收，而铵态氮的作用则刚好相反。徐明岗等研究发现[62]，施用（NH4）2SO4、NH4Cl这2种氮肥至镉污染土壤会促进植物对镉的吸收。由于磷肥对土壤pH值的影响，当加入钙镁磷、磷酸氢钙和磷酸二氢钾等碱性磷肥时，pH值升高，镉的生物有效性降低。因此，在施用磷肥时，应考虑不同磷肥的化学性质及土壤性质的差异。钾肥对土壤中镉有效性的影响同样表现在影响土壤pH值和理化性质，在镉污染的水稻土中采用含硫钾肥较为适宜。贾倩等的研究表明[63]，钾硅肥施用可显著降低水稻茎叶和籽粒中镉含量。胡坤等[64]采用盆栽试验发现，镁和硫能通过抑制镉从秸秆向水稻籽粒的转移来降低籽粒的镉积累；铁、铜、锰、硼等处理都能有效地抑制镉从茎秆向籽粒的转移，从而减少水稻籽粒的镉含量；硒能改变镉在根亚细胞的分布，增强镉在根细胞壁上的吸附，从而降低水稻对镉的吸收。
4.3 改变耕作制度 耕作管理制度也可控制农作物中重金属的积累。在土壤镉污染严重的农田可通过选择抗污染的植物或不种植进入食物链的植物（例如，苎麻、桑树等）来防止农产品中镉的积累。
5 研究展望
以上分析表明，通过近30年的试验研究国内外已形成了多种技术用于农田土壤镉污染修复。但由于土壤镉污染产生的广泛性及土壤生态系统的复杂性、多样性，现阶段普遍推广的土壤镉污染修复技术尚存在一些不足。其中较为突出的是现有技术耦合集成度低、标准化不足，难以大面积异地复制推广。因此，今后还需加强农田土壤镉污染修复技术的研究，逐步形成农田镉污染分区、分类、分级阻隔与钝化阻控治理方法，创建高效、低成本、环境友好的阻隔与钝化材料与产品，创建轻简化、可复制的农田重金属污染阻隔与钝化技术体系，实现农田镉污染“边修复边生产”，保证农产品质量安全和人体健康，维护农业可持续发展。为此，笔者建议从以下几个方面加强研究：
（1）做好源头控制：由于污染土壤的治理与修复需要花费大量的人力与资金，因此农田土壤镉污染控制应从源头抓起，以防为主，在阻禁一切镉污染渠道的基础上，发展清洁工艺，减少污染或不污染土壤。
（2）加强各类技术的适用性研究：应根据镉污染物性质（浓度、形态）、土壤条件、气候条件，确定相应的治理措施。在具体研究时，应重视研发高效、低成本的农田镉污染阻隔、钝化产品及标准化技术构建。
（3）加强联合修复技术研究：单一的修复方法常难以适应多种重金属复合污染土壤的修复，有必要采用化学、生物学联合修复的方法，并加以优化。化学修复可以与其他修复方式（如植物修复、微生物修复等）相结合，使对重金属污染的土壤从“减”、“控”、“阻”多方面同时进行，保证有一个健康稳定的土壤环境。此外，还需注重钝化剂与肥料配合施用的技术研究，开发钝化修复专用肥，使其既能钝化镉，又能保证粮食安全和节s劳力成本。
（4）加强开展各类技术的稳定性和长期性研究：对于钝化剂的选择，要保证其对重金属的钝化效果明显且简单易行，同时，从长远角度出发，钝化剂的施入不能对土壤环境造成剧烈变化，不能对土壤的基本理化性质产生相对较大的影响。
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（责编：张宏民）