镉污染农田土壤安全利用策略及其思考

孟龙，黄涂海，陈謇，钟福林，施加春*，徐建明

（1.浙江大学环境与资源学院土水资源与环境研究所，杭州 310058；2.温岭市农业林业局，浙江 温岭 317500；

3.温岭市泽国镇农业服务中心，浙江 温岭 317500）

土壤是人类赖以生存和发展的基础，是全球生态系统中不可或缺的自然资源之一，与农业生产、生态环境健康及人类可持续发展息息相关。镉（Cd）作为一种动植物体非必需元素，在成土母质发育过程中自然地存在于土壤中，往往不会对土壤生态环境造成危害[1]。然而，随着工业化和城市化进程的加快，污水灌溉、涉重金属企业“三废”的大量排放、农药化肥的不合理使用等导致土壤Cd污染问题日益严峻[2]。2014年4月17日，环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总的点位超标率为16.1%，耕地点位超标率为19.4%。污染类型以无机污染为主，其中Cd的点位超标率为7%，远高于其他污染物超标率。土壤Cd污染具有隐蔽性、滞后性及不可降解性等特征，外源Cd一旦进入土壤后会逐渐积累并长期危害土壤及农作物，并通过食物链的传递作用危及人体健康。20世纪50年代，日本出现了“痛痛病”事件，人们长期食用含Cd大米和饮用含Cd的水而得病[3]。近年来，我国湖南省和广东省等地也陆续出现了“Cd大米”事件，土壤Cd污染及食品安全问题已逐渐成为人们关注的焦点[4-6]。

近年来，党中央和国务院高度重视土壤重金属污染防治与粮食安全生产工作。2016年5月28日，国务院印发《土壤污染防治行动计划》（简称“土十条”），提出到2020年农用地环境安全得到基本保障，受污染耕地安全利用率达到90%左右；到2030年，受污染耕地安全利用率达到95%以上。党的十九大提出了“强化土壤污染管控与修复”“确保国家粮食安全”“实施乡村振兴战略”和“推进绿色发展”等战略。因此，如何管控和治理受重金属污染的农田土壤，保障粮食作物安全生产，已成为当前土壤及环境领域的研究热点。现阶段，我国农田土壤Cd污染防治工作以安全利用为主，在充分利用土地资源的同时保障农产品的安全生产，旨在探索并形成可大面积示范及推广的“边生产边修复”的技术模式。目前，部分地区已形成安全利用关键技术研究与应用的体系与模式，如中国科学院亚热带农业生态研究所等单位在湖南长株潭地区建立的“VIP+n”（品种-灌溉-酸度调节）稻米降Cd技术模式[7]。完整的农田土壤Cd污染安全利用工作应包括污染源解析与源头管控、污染过程拦截及末端治理等环节，然而，现有的研究工作多集中于末端治理环节，且大多处于实验室或田间小区研究尺度上，因此尚存在一定问题。鉴于此，本文通过检索国内外相关文献，并结合我们的研究与探索，总结了我国农田土壤Cd污染研究现状及其安全利用方面的关键技术与方法，分析了Cd污染农田土壤在安全利用过程中存在的问题，并提出了相应的防治对策，以期为Cd污染农田土壤的安全利用及粮食安全生产提供参考。

1 我国农田土壤Cd污染现状

1.1 农田土壤Cd污染来源

在陆地生态系统中，土壤是各类污染物循环的最终归宿。进入土壤中的Cd主要分为自然来源及人为来源两部分。在陆地表面天然存在的矿物中含有不同含量的Cd，这些矿物在风化过程中不可避免地会将Cd带入土壤中[8]。据统计，我国土壤的自然含Cd量平均为0.163 mg/kg（0.01～1.80 mg/kg），低于世界多数土壤的平均含Cd量（0.35 mg/kg）[9]。全国“七五”土壤背景值调查结果表明，我国土壤表层含Cd量为0.001～13.430 mg/kg，贵州、广西、云南等南方省（自治区）的土壤背景值超过全国均值（0.074 mg/kg），可见不同地区的土壤因其成土母质不同导致Cd含量差异较大[10]。我国大部分农田土壤Cd污染主要由以下人为因素造成：一是重工矿业的发展。在早期的矿物开采及金属冶炼过程中，高浓度的镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）等元素通过大气沉降、直接排放等途径进入农田中，造成农田重金属污染[11-15]。二是农药化肥的施用。已有的研究表明，磷肥中往往含有较高的Cd等重金属，其长期施用难免会引起土壤中Cd含量超标[16-17]。三是污水灌溉。由于我国水资源短缺，含有重金属的污水常被用于农田灌溉，从而造成部分地区的土壤Cd污染[18-19]。四是畜禽粪便的不合理施用。在畜禽养殖过程中所使用的动物饲料往往含有较高的重金属，导致畜禽粪便中的重金属含量也较高，而这些未经处理过的畜禽粪便常常被当作“绿肥”施用到农田中[20-21]。

1.2 农田土壤Cd污染现状

过去30年来，随着工业化和城市化的快速发展，大量的重金属被排放到土壤环境中。自20世纪90年代以来，国家和地方政府陆续开展了针对不同区域的土壤重金属污染调查监测工作，但大多数集中在工矿企业周边、污灌地区及城郊农用地等，关于我国系统性的农田重金属污染情况尚未见报道[22]。尽管如此，根据不同尺度或地区的研究报道，我国大部分地区普遍存在不同程度的土壤Cd污染问题，其中以西南、中南、长江三角洲及珠江三角洲等地区污染最为突出[23]。据估计，我国约有2 000万hm2的耕地受到重金属Cd和Pb的污染，其中Cd污染耕地面积达1 300万hm2[24-25]。也有研究指出，我国农田土壤中的Cd平均以0.004 mg/（kg·a）的速度增长，远高于欧洲地区土壤中Cd的增长速度[0.000 33 mg/（kg·a）]，在Cd输入与输出比例维持不变的情况下，到21世纪中期土壤中Cd浓度将增加1倍[12]。宋伟等[26]对我国138个典型区域的耕地土壤重金属数据库进行了收集分析，结果表明，有16.66%的耕地受到了重金属污染，耕地土壤Cd污染概率为25.20%，远高于其余几种重金属元素。ZHANG等[27]收集了486篇关于我国耕地土壤Cd含量的研究，分析表明，我国耕地土壤平均含Cd量为0.27 mg/kg，南方地区耕地Cd含量高于北方，且Cd含量较高的区域多集中于受矿山、冶炼及污灌等影响的区域。LIU等[28]通过文献检索方式收集了我国22个省份187个水稻土重金属数据，分析表明：水稻土中Cd平均值为0.45 mg/kg，其中湖南省水稻土平均含Cd量最高（1.12 mg/kg），其次为广东（0.92 mg/kg）、四川（0.86 mg/kg）等地。尽管这些研究结果具有点位特异性，且研究区域往往集中于受重金属污染区域，不能代表我国整体的农田土壤Cd分布范围，但总体来看，我国农田土壤Cd污染的形势较为严峻。

2 Cd污染农田土壤安全利用现状

鉴于我国人均耕地资源较少，为了满足粮食生产的需要，污染耕地不可能像工业污染场地一样来全面进行修复治理，且我国目前针对大面积农田污染治理的技术储备相对薄弱，因此，基于技术储备和资金投入的考虑，针对大面积中轻度Cd污染农田土壤的防治工作主要从安全利用的角度出发，采用Cd低积累作物品种筛选、原位钝化技术、农艺措施调控及综合防控-安全利用模式等技术措施，既充分利用耕地资源，又可避免农产品可食部分Cd超标的风险。

2.1 Cd低积累作物品种筛选

不同作物及同一作物的不同品种对Cd的吸收、富集能力存在很大差异。以水稻为例，尽管水稻基因型不是唯一的影响因素，气候、降雨等因素也会影响水稻对Cd的吸收、富集能力[29]，但就目前的研究结果来看，籼稻对Cd的富集能力一般高于粳稻，杂交稻比常规稻（非杂交稻）更容易富集Cd[30-31]。根据PINSON等[32]对田间采集的1 763种不同基因型水稻的调查结果，在淹水与非淹水情况下水稻籽粒Cd含量呈现41倍及154倍的差异。CAO等[33]对浙江省12个地区的158个水稻样品的分析结果表明，不同品种水稻Cd含量存在显著性差异，其中秀水817及嘉优08-1具有Cd低积累特征。DUAN等[34]在湖南省和浙江省开展的2年定位监测试验表明，471份常规水稻品种对Cd富集量呈现10～32倍的差异，并筛选出8种低Cd积累品种。

现有研究表明，通过筛选Cd低积累水稻品种可以实现轻中度Cd污染农田土壤的安全利用，但品种筛选从实验室到田间小区尺度再到大田应用的过程耗时较长，且不同地区筛选出的低Cd品种具有一定的地域种植限制，是否可以全面持续推广还有待验证。

2.2 原位钝化技术

原位钝化技术是指向土壤中加入一种或多种钝化剂，促进土壤中的重金属发生吸附、沉淀、络合、离子交换及氧化还原等一系列反应，通过改变土壤中重金属形态及降低重金属在土壤中的有效性，从而减少作物对重金属的吸收，以达到污染土壤安全利用的目的[35]。影响土壤中Cd有效性的因素包括土壤pH、氧化还原电位、有机质、土壤质地及共存离子等[36-40]，基于这些影响因素，目前已研发并应用的钝化剂主要包括无机类钝化剂、有机类钝化剂及新型钝化剂等。无机类钝化剂主要包括硅钙材料（石灰、赤泥、硅酸盐类矿物等）、含磷材料（磷灰石、磷酸二氢钙等）及黏土矿物（海泡石、膨润土等），主要通过调节土壤酸碱度及与Cd发生拮抗、吸附、络合、共沉淀等作用降低重金属离子的活性。有机类钝化剂，如秸秆、城市污泥、动物粪肥等，施用于土壤后可以增加土壤有机质及阳离子交换量（cation exchange capacity,CEC），进而增强土壤对Cd的吸附作用，同时有机物料对Cd也有一定的络合作用。此外，还有一些新型钝化剂，如生物炭、纳米材料等，这类钝化剂由于具有极为丰富的比表面积及孔隙结构，同时含有植物生长所需的大量及微量元素，对Cd污染土壤有较好的修复效果。然而，这类钝化剂生产成本过高，用量较大，可能存在二次污染的风险，因此其实际应用受到限制。

原位钝化技术相对于其他技术具有操作简便、见效快等特点，然而，目前对钝化技术的研究多集中于实验室研究阶段，尽管已有部分大田试验研究，但仍缺乏大田应用的长期效果评估研究，且针对不同钝化剂的使用规范和规程还有待进一步研究。

2.3 农艺措施调控

农艺调控是指利用农艺措施对土壤中的重金属有效性进行调控，减少重金属向作物可食部分的转移，从而保障农产品安全生产，实现受污染耕地安全利用，主要包括调节土壤理化性状、科学管理水分及施用功能性肥料等措施。土壤淹水与排水会改变土壤氧化还原电位，进而影响土壤Cd的形态及有效性。与常规灌溉相比，在全生育期淹水条件下土壤氧化还原电位大幅降低，土壤中硫酸盐被还原为硫化物，进而与Cd结合形成CdS沉淀[41]。研究表明，在轻中度及部分重度Cd污染农田土壤中，全生育期淹水处理可以使水稻糙米含Cd量降至0.2 mg/kg以下[42-44]。施肥对作物吸收Cd的影响也不容忽视。目前，我国农业生产存在施肥结构单一且过量施用的问题，尤其是铵态氮肥的长期过量施用导致农田土壤加速酸化，使得作物对重金属的吸收量增加。以硝态氮肥替代铵态氮肥可提高作物根系土壤pH，降低根际土壤Cd的有效性，减少作物对Cd的吸收[45]。此外，含钾、硅、钙、锰、铁等元素的功能性肥料对作物吸收Cd也有一定的抑制作用。近年的研究结果表明，在轻中度Cd污染酸性水稻土中，施用螯合态铁肥可以将水稻糙米中的含Cd量显著降低至0.2 mg/kg以下，且可以增加稻米中的Fe含量，达到稻米安全生产与品质提升的“双赢”目标[46]。土壤锰（Mn）与水稻吸收转运Cd也密切相关。研究指出，土壤中无定形Mn含量过低会引起稻米Cd富集风险升高，提升无定形Mn含量可显著降低稻米Cd富集风险，大田试验也表明，增施Mn肥可以有效降低稻米Cd超标率[47]。

农艺措施调控对土壤环境的破坏及潜在风险较小，更适宜进行大面积推广应用，但其长期可持续应用效果还有待进一步的大田试验验证。

2.4 综合防控-安全利用模式

在部分土壤污染成因复杂、土壤Cd浓度较高的情况下，单一的阻控措施难以保障粮食安全生产，采用多种措施综合防控更为有效。根据LIANG等[48]和CHEN等[49]在湖南的田间试验结果，原位钝化技术结合Cd低积累水稻可以保障Cd污染土壤安全利用及水稻的安全生产。LI等[42]研究表明，单一施用坡缕石难以将糙米含Cd量降至0.2 mg/kg以下，结合水分管理（持续灌溉）可以保障稻米安全生产。近年来，在湖南长株潭Cd污染稻田开展的“VIP+n”模式对我国农田Cd污染修复治理提供了经验和借鉴。

3 Cd污染农田土壤在安全利用过程中存在的问题

3.1 区域差异显著

由于土壤类型、土壤Cd背景值、Cd污染成因及积累过程等多种因素的差异，从田块尺度到区域尺度的农田土壤Cd污染均存在较强的空间异质性[50]。此外，不同地方的土地利用类型及农作物品种不尽一致，现有的污染防治技术及模式在实际应用时也因地而异。因此，我国农田土壤Cd污染及安全利用技术的应用效果均呈现显著的区域差异。

3.2 源头管控不足

源头管控是遏制土壤污染趋势及开展土壤污染防治的前提。由于农田土壤Cd污染成因复杂，往往受到多个因素的影响，如大气沉降、污水灌溉、固废应用等，且土壤污染是一个时空变化的过程，因此，如何精确地找出污染来源并进行源头管控尚有一定难度。此外，现阶段有关农田土壤Cd污染的研究工作多集中于末端治理环节，缺乏在源头管控方面的研究及应用。

3.3 过程拦截不到位

3.3.1 农业投入品的安全与二次污染问题

目前，市场上的农业投入品类型繁多，包括化肥农药、钝化剂和土壤调理剂等，而人们很少关注农业投入品本身含有的无机、有机及抗生素等污染物。已有报道指出，矿物磷肥、有机肥（尤其是畜禽粪便）等本身的重金属含量过高，较为突出的是重金属元素Cd，长期施用含Cd的肥料会导致土壤中的Cd含量升高[50]。此外，部分钝化剂来自于城市污泥、畜禽粪便、工业废弃物等原料的二次加工，用于Cd污染农田土壤修复尚存在二次污染的风险。

3.3.2 化肥过量施用问题

我国农业生产长期面临着化肥使用过量和养分利用效率低等问题。研究表明，我国主要粮食作物（水稻、玉米和小麦）对氮肥的利用率仅为27.5%[51]。此外，由于化学氮肥的长期过量施用导致我国农田土壤加速酸化，从而使土壤中Cd等重金属的活性增加，农作物对Cd的吸收量增加，因此，由化肥过量施用引起的土壤酸化问题也是导致我国南方地区Cd大米产生的原因之一[52]。

3.3.3 农田灌溉水的有效保障问题

土壤含水量变化会影响农作物生长及其对Cd的吸收，且淹水可以有效降低水稻对Cd的富集量。研究指出，气候干旱、降雨减少时，土壤含水量不足导致水稻Cd超标严重[29,53]，而降雨充沛时水稻Cd含量有较为明显的下降[49,54]。我们在浙江省某镇的大田试验结果表明，夏季降雨量不足时，保障充足的灌溉水可以有效地降低糙米Cd含量（数据未发表）。因此，农田灌溉水的有效保障也是确保农产品安全的关键因素。

3.4 末端治理技术的局限性

3.4.1 低Cd作物品种筛选的局限性

目前，关于Cd低积累水稻品种的筛选已有较多研究，从实验室到田间尺度下的研究表明，通过筛选并种植Cd低积累水稻可以保障水稻安全生产。我们在浙江省某镇开展的大田研究结果表明，在中度Cd污染水稻土上种植Cd低积累水稻品种（甬优538）后，稻米含Cd量可由超标降至0.2 mg/kg以下，能够满足稻米安全生产的要求（数据未发表）。然而，由于我国农田土壤Cd污染区域差异显著，不同地方的土壤类型、气候特征、作物品种等差异明显，且存在农作物品种更新换代较快等问题，有时筛选出的低Cd品种不具有推广性及稳定性。

3.4.2 钝化剂的安全性、稳定性及时效性

目前，原位钝化技术应用最多的材料主要是无机类钝化剂。相较于有机类、微生物类及新型钝化剂，无机类钝化剂具有见效快、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Cd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，成本较高且用量大的钝化剂不易于操作且难以被农民接受；同时，还应重视钝化材料的稳定性及时效性。

3.4.3 农作物秸秆还田问题

在我国农田生态系统中，作物秸秆还田是秸秆综合利用和增加土壤有机质及CEC的主要措施。研究表明，我国秸秆年均产量达4.5亿t，其中直接还田量占30%左右[55]。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吸收的重金属重新带入土壤中，导致修复效率大大降低。

3.5 修复治理评价机制缺失

目前，我国农田土壤Cd污染防治工作侧重于相关理论与技术的研究，缺乏针对不同技术实际应用的效果评估机制，且现有技术多是从保障农产品安全生产的角度出发，并未兼顾农产品及土壤质量的整体变化。例如，化学钝化是目前轻中度Cd污染农田土壤安全利用采用的主要技术，在保障农产品可食部分安全的同时也会引起钙（Ca）、镁（Mg）和锰（Mn）等中微量营养元素的缺失，造成农产品品质下降[56]。此外，从长远角度考虑，钝化剂的施用势必会引起土壤理化性质发生改变，从而影响土壤环境及肥力质量等。

4 农田土壤Cd污染防治对策

当前，我国农田土壤重金属污染问题已经制约了经济、社会和环境的可持续发展及生态文明建设。自2015年以来，党中央和国务院陆续出台了《全国农业可持续发展规划（2015—2030年）》《土壤污染防治行动计划》和《中华人民共和国土壤污染防治法》等文件。可见，土壤污染防治工作逐步受到了国家的高度重视。同时，我国在农田土壤Cd污染防治方面的研究已取得一定成效，但尚存在技术零散、集成度低、难以推广等问题。因此，结合我国国情、农田土壤Cd污染现状和安全利用过程中存在的问题，建议对农田土壤Cd污染防治应重视并加强以下几方面的工作，从而全面推进我国农田土壤Cd污染防治工作。

4.1 建立分区分类污染防治体系

鉴于我国农田土壤Cd污染区域差异显著，应当鼓励并支持地方政府建立区域土壤污染防治体系，在全国土壤污染防治工作的标准和基础上，结合地方土壤污染特征，因地制宜地制定地方土壤污染防治法律法规及相关土壤环境质量标准[50]。在建立分区修复治理策略的基础上，进一步实行分类管控。在制定具体的土壤安全利用策略时，充分考虑土壤类型、耕作制度、土壤Cd与农作物吸收的耦合机制，结合不同技术的优缺点，筛选并制定最佳的Cd污染农田土壤安全利用模式，充分体现“一区一策”及“一土一策”的防治理念。

4.2 重视污染源解析与源头管控

定性识别污染源并量化各源类对土壤Cd的贡献是开展土壤污染防治的前提。因此，应根据农田土壤Cd污染特征，结合Pb、Cd等重金属同位素指纹特征分析、多元统计分析、源解析受体模型和贝叶斯不确定分析等技术定性识别污染物来源和定量解析污染来源贡献。只有在摸清污染源的基础上开展源头管控，严格切断污染来源，减少农田污染物的输入，才能保障后续的治理修复措施有效的发挥作用[57]。

4.3 规范农业生产过程管理

现阶段，我国陆续出台和发布了《农用地土壤环境管理办法（试行）》《中华人民共和国土壤污染防治法》等文件，强调农业生产应科学、合理的使用农业投入品。然而，关于农业投入品的安全标准及使用规范尚未成文。因此，应当尽快制定农业投入品及农田灌溉用水等相关标准及规程，以适应土壤污染防治的要求，保障土壤生态健康，实现土壤的可持续利用。

鉴于铵态氮肥的长期过量施用导致土壤酸化，应逐步减少铵态氮肥的施用量，增加有机肥的施用量。此外，肥料合理施用应根据土壤地力状况、元素丰缺情况和作物需肥规律，通过基肥加多次追肥方式合理配置施肥方案，合理减量施用氮肥，平衡施用有机-无机复混肥，合理补充作物所需中微量元素，全面提高作物肥料利用效率。

作物生产应当重视农田灌溉水的有效保障问题，尤其是在水资源缺乏或灌溉不方便的地区，这是实现Cd污染农田土壤安全利用的前提。

4.4 技术完善、集成与应用

针对Cd低积累作物筛选的局限性，徐建明等[22]提出，应建立不同作物的重金属低积累品种资源库，并分类制定其栽培调控措施及田间应用规范。因此，针对粮食作物的Cd低积累品种筛选工作应当考虑品种的区域特色及稳定性，从当地主推品种中进行筛选更符合实际的生产情况，也易于被农民接受及推广。

建立钝化剂产品建议使用名录，加快钝化剂的机械化应用。首先，从钝化剂的安全性、经济性等方面考量各类钝化剂的实用性，选择安全、经济、易于推广应用的钝化剂；其次，结合不同区域的土壤污染特征，明确与其相适用的钝化剂种类、施用时间及施用量，并关注钝化剂的时效性。在此基础上建立钝化剂产品建议使用名录。此外，目前钝化剂的施用主要以人力为主，成本高且施用过程中易对人体安全造成一定的影响，因此，应当加强钝化剂施用机械设备的研发与应用。

在对Cd污染农田土壤进行安全利用的同时，应当对农作物秸秆进行移除并适当处理，以实现资源化利用。例如，可将秸秆进行炭化处理后还田，既可以改良我国南方土壤酸化问题，同时又提高了土壤有机质及CEC，进而提升土壤肥力。

此外，现阶段的各种防治技术较为单一，且较多集中在实验室或田间小区尺度上，存在技术耦合集成度低、实际应用及推广难度大等问题。因此，应当加强农田土壤Cd污染防治技术的研发，创建高效、低成本、环境友好的修复治理技术，同时应注重对现有技术的系统化集成研发，对尚处于研究阶段的措施进行工程化改造，鼓励企业加强重大集成技术与设备研发的力度，推动修复治理技术的产业化与工程化。

4.5 建立健全的防治效果评估机制

不同的防治技术侧重点不同，其应用效果也不尽一致。在对各类技术的应用效果进行评估时，应当兼顾土壤及农产品两者的协同关系，建立健全的防治效果评估机制。从土壤理化性质变化、土壤微生物健康及土壤肥力等方面评估土壤环境质量的变化，从农产品安全、品质及产量等方面评估农产品质量的变化，例如可以引入良好农业规范认证（good agricultural practices,GAP），从农业可持续发展的环境保护要求及食品安全危害管理等方面评估各类防治技术的应用效果，以实现土壤-作物-人体完整生态体系的良性发展。