——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(xué)院在湖南省長沙市啟動(dòng)“南方地區(qū)稻米重金屬污染綜合防控協(xié)同創(chuàng)新行動(dòng)”，160余名相關(guān)學(xué)科專家組成的“全國最大科研團(tuán)隊(duì)”參與其中，該行動(dòng)將稻米鎘污染作為首要項(xiàng)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(hù)科研監(jiān)測所研究員劉仲齊認(rèn)為，稻米鎘污染的“問題復(fù)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(jī)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(guān)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(dòng)”的啟動(dòng)，鎘大米問題再度成為熱點(diǎn)。公眾關(guān)于鎘大米的認(rèn)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(rèn)識存在著一些偏差。有人單純地認(rèn)為鎘大米就是因?yàn)榈咎餄补嗔撕k的工業(yè)廢水，有人甚至認(rèn)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(guān)問題作出一些盡可能客觀全面的解答。
陳能場
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鎘是農(nóng)田重金屬污染之首
在地球化學(xué)中，鎘是一個(gè)分散元素，難以獨(dú)立成礦，同時(shí)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(jìn)入河流和農(nóng)田。鎘的熔點(diǎn)為321℃，而沸點(diǎn)為767℃，因此在沒有有效的除鎘設(shè)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(fēng)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(jī)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(dāng)土壤酸化時(shí)，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(gè)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(shí)并不高，但它對植物的有效性卻很高。
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為何容易產(chǎn)生鎘大米
很多人認(rèn)為鎘大米的產(chǎn)生是因?yàn)?a href="http://www.rongk.cn/seed/shuidao/" target="_blank">水稻是吸鎘最強(qiáng)的作物。其實(shí)不然，有科學(xué)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(xué)變化過程起著關(guān)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(dǎo)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(shí)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(xué)家利用同位素標(biāo)記發(fā)現(xiàn)稻米中的鎘有70%左右來自水稻生殖時(shí)期根系吸收進(jìn)入的，其他部分來自莖葉中積累的鎘。這是因?yàn)樵谘退畻l件下，鎘與還原條件下形成的負(fù)二價(jià)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(gè)化學(xué)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(jié)果表明秈稻總體上比粳稻有更強(qiáng)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(jìn)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。
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大米鎘與土壤鎘沒有密切關(guān)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(xué)性肥料和灌溉水等。但通常人們想到稻米的鎘超標(biāo)就是因?yàn)橥寥辣绘k污染了，土壤中鎘越多，大米中的鎘越多，這種結(jié)果在盆栽控制各種條件下是可以得到的，科學(xué)家努力尋找這種關(guān)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(guān)關(guān)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(diǎn)的重金屬，那怕低到濃度為百分之零點(diǎn)零幾，進(jìn)來的重金屬也容易在進(jìn)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(shí)進(jìn)水口的土壤比較干，出水口的土壤比較濕。這兩個(gè)因素整體上會讓進(jìn)水口的稻谷含有多一點(diǎn)的重金屬。如果在污染的條件下，灌溉進(jìn)來的鎘濃度高些，這個(gè)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(guān)系，因此日本制定農(nóng)田的鎘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)是以糙米中的鎘含量來替代。
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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(jìn)入大米中。因此必須加強(qiáng)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(guān)鍵。
土壤酸化是造成稻米鎘超標(biāo)的一大原因。我國人多地少，土壤復(fù)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(dǎo)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(yán)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(gè)重要措施，當(dāng)然石灰需要量需要科學(xué)計(jì)算，土壤pH的調(diào)節(jié)要達(dá)到6.5以上才行。
稻田的水分管理是控制稻米鎘的另一個(gè)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(shí)，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(jī)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。
