鎘汙染農田土壤修複技術及安全利用方法研究進展

作者: 伊人影院科技集團 / 時間: 2019-05-22 03:11:02
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北極星環境修複網訊:摘要:作物鎘(Cd)超量累積是人體中鎘的主要來源。研究鎘汙染農田土壤修複技術及安全利用方法對保護生態環境及保障食品安全具有重大意義。鎘對植物的毒性效應與其生物有效性密切相關,且土壤鎘的生物有效性決定其植物根係吸收量,因而基於土壤鎘生物有效性調控原理的修複技術是農業環境領域近年來的研究熱點。此外,植物鎘含量也與植物自身特性密切有關,故篩選不同鎘累積特性的植物可為鎘汙染土壤修複和安全利用提供重要生物質資源。文章綜合評述了鎘生物有效性的物理和化學調控方法,並分別就超累積植物和低累積作物介紹鎘汙染農田土壤的植物修複技術和安全利用方法。物理方法如水分管理主要通過改變土壤環境的Eh等理化性質從而影響土壤鎘的形態轉化過程,進而影響植物鎘的吸收量;化學方法如施用鈍化劑主要通過改變土壤的pH及土壤鎘吸附特性,從而改變土壤鎘的生物有效性。低鎘累積作物通過減少根係鎘吸收或降低地上部鎘轉運的方式減少可食部鎘累積量;鎘超累積植物的修複效率主要取決於其鎘富集係數的高低及生物量的大小。化學和生物聯合調控方法主要通過降低土壤鎘含量或阻止鎘進入作物可食部,實現“邊生產邊修複”。農田土壤鎘汙染修複技術及安全利用方法存在效率低、體係不穩定等問題,探究土壤鎘生物有效性關鍵調控因子及其作用機製、充分挖掘特殊鎘累積特性的植物資源並探尋改造植物鎘耐性的方法以提高鎘汙染農田土壤修複效率將是今後該領域的研究熱點。

鎘(Cadmium,Cd)是對植物和動物毒性最強的痕量重金屬元素之一,位於聯合國環境規劃署1984年提出的12種具有全球意義的危害物質之首。自然狀態下,土壤環境中鎘的質量分數在0.1~1.0mg˙kg-1  之間。人類工農業活動如采礦、冶煉、肥料施用、汙泥農用及汙水灌溉等導致世界許多區域農田土壤出現不同程度的鎘汙染。2014年《全國土壤調查公報》顯示中國土壤鎘的點位超標率為7.0%,位於八大超標金屬元素之首。農田土壤鎘汙染導致作物可食部鎘累積,人體的鎘90%來源於日常飲食,鎘在人體的半衰期長達15~20a,因而長期食用輕微鎘超標的食品會導致人體鎘累積並產生慢性毒性,引發如癌症、關節炎、肺氣腫、腎小管壞死、痛痛病等疾病。國際食品法典委員會規定人體每天攝入鎘的耐受量為1μg˙kg-1,即70kg  的成年人每天鎘攝入量不得超過70μg。

與其他痕量元素相比,土壤中鎘的移動性較強,因而鎘更易被作物根係吸收,進而轉移到作物的可食部,通過食物鏈進入人體。土壤鎘對動植物的毒性效應取決於其生物有效性,鎘的生物有效性不僅與土壤鎘總量有關,其賦存形態更是影響鎘植物吸收的重要參數。進入到土壤中的鎘,經過溶解-沉澱、氧化-還原、吸附-解吸、絡合-離解等一係列物理化學反應後,形成具有不同活性的各種形態的鎘。一般而言,能被生物吸收或可對生物產生毒害的形態稱為有效態鎘,土壤鎘的生物有效性決定土壤鎘的生物毒性,而不同形態的鎘可發生轉化,如淹水還原條件下,土壤中部分有效鎘與硫化物反應形成CdS沉澱(Ksp為10-27),降低了有效態鎘濃度,增大殘渣態鎘濃度。鎘的生物有效性是其環境毒性效應的重要參數,因而通過物理、化學和生物等方法調控農田土壤的形態轉化過程,降低鎘的生物有效性,減少作物鎘吸收,實現鎘汙染農田土壤“邊生產邊修複”是當前土壤汙染控製與修複領域的研究熱點之一。

本文依據國內外有關參考文獻,分類評述不同類型農田鎘汙染修複與安全利用方法,並分析其應用的限製因素,為鎘汙染農田土壤的安全生產技術體係的建立提供理論和方法依據。

1 物理和化學方法  

1.1 水分管理

土壤中重金屬的移動性受pH、溫度、氧化還原電位(Eh)、有機質、陽離子交換量等土壤理化性質的影響,而其中Eh是影響重金屬溶解性的重要因子,因而可通過土壤水分管理調節土壤pH和Eh,從而調控土壤重金屬的生物有效性。控製土壤的Eh及土壤的水分狀況,使土壤作物形成一個較穩定的滯水期,可以減少鎘進入植株內的含量。與傳統灌溉模式相比,持續淹水條件下,土壤可交換態鎘降低,水稻糙米中Cd  含量降低37.9%,淹水還原條件可有效降低水稻鎘的累積量,而好氧條件下水稻鎘累積量增大,水稻抽穗期到成熟期,減少落幹,保持淹水,可明顯減少水稻籽粒中鎘含量。油菜(Brassica  napus)在淹水條件下,植株內的鎘含量最低,油菜  的生長發育最好。淹水處理的空心菜根際土壤DTPA提取態鎘顯著低於非淹水處理組,空心菜可食部鎘累積量降低。在鎘汙染土壤中,水作能顯著提高空心菜地上部和地下部根係生物量,而地上部和根係Cd含量則顯著低於旱作處理組。田間持水量為55%~85%時,玉米地上部Cd含量隨著土壤水分的增加而降低。

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