張佳森
(河北地質(zhì)大學(xué),河北 石家莊 050031)
土壤是生態(tài)系統(tǒng)中必不可少的一部分,無論是人類的生存還是發(fā)展,都需要以土壤為基礎(chǔ)。許多重金屬元素自然存在于土壤中,但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸和工業(yè)制造等人類活動(dòng)可能會(huì)加劇重金屬污染。Cd是一種人類非必要元素之一,是我國(guó)重金屬污染中最普通最常見的污染物,通常分布在巖石圈和土壤之中[1]。干濕沉降是土壤受到Cd污染的主要途徑,其它途徑還包括污泥使用、污水灌溉和農(nóng)化產(chǎn)品使用。目前國(guó)內(nèi)外土壤Cd污染狀況十分嚴(yán)峻,如美國(guó)一鉛鋅冶煉廠附近土壤中Cd濃度達(dá)到29mg·kg-1[3];在德國(guó)西部和比利時(shí)東部的弗萊貝格地區(qū),其表層土中Cd濃度高達(dá)71mg·kg-1[4,5];中國(guó)有8大土壤無機(jī)污染物,位于第1位的是Cd,點(diǎn)位超標(biāo)率更是達(dá)到了7%[6]。
為了防止土壤Cd污染對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生影響[7,8],眾多學(xué)者采用物理法、化學(xué)法、生物法、農(nóng)業(yè)治理法等途徑對(duì)Cd污染土壤進(jìn)行治理。
因某些危險(xiǎn)或傷害的暴露而對(duì)人們身體健康產(chǎn)生一些潛伏性的負(fù)面影響的某種描述,這種特征性的描述被稱為健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。目前土壤Cd污染的情況越來越嚴(yán)重,在農(nóng)田土壤污染方面體現(xiàn)十分顯著,并且與人們的飲食息息相關(guān)。對(duì)于Cd污染所帶來的健康問題,更多的人們開始重視起來,各位學(xué)者以及研究工作者開始對(duì)其進(jìn)行暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。我國(guó)農(nóng)業(yè)用田土壤Cd健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系尚不健全,所以了解Cd的暴露途徑尤為重要,同樣重要的還有認(rèn)識(shí)相應(yīng)的評(píng)估方法,這有利于我國(guó)農(nóng)田土壤Cd健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的建設(shè)。若想了解人體對(duì)環(huán)境中風(fēng)險(xiǎn)因子暴露情況,如Cd,最理想的方法是直接運(yùn)算出人體從出生到死亡過程中對(duì)Cd吸收的準(zhǔn)確數(shù)值[9]。
Cd在巖石圈中最低含量為0.1mg·kg-1,最高含量可達(dá)0.2mg·kg-1,而在一般的巖石中豐度最低為0.001mg·kg-1,最高可達(dá)到11mg·kg-1,在火成巖中豐度最低為0.001 mg·kg-1,最高為1.8mg·kg-1,而在沉積巖中低于0.3~11mg·kg-1,在變質(zhì)巖中最小含量為0.04 mg·kg-1,而最高含量為1.0mg·kg-1[10]。
Cd含量不僅在巖石圈變化顯著,在天然土壤中變化也非常明顯。本文分析了中國(guó)20多個(gè)省市的4000多個(gè)土樣,通過數(shù)據(jù)的整理分析以及總結(jié)可知,Cd在土壤中含量最小為0.001 mg·kg-1,最高為91.46mg·kg-1,所有數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定在最小值與最大值之間。其中,近70%的土壤Cd含量穩(wěn)定在0.03~0.17mg·kg-1;有90%的土壤Cd含量穩(wěn)定在0.02~0.30mg·kg-1,約有57%的土壤Cd含量穩(wěn)定在0.05~0.17mg·kg-1[11]。
在沒有受到污染的地方,村莊中Cd在大氣中濃度最小為0.001μg·m-3,而最高可達(dá)到0.005μg·m-3,城市中Cd在大氣中濃度最小為0.005μg·m-3,最大為0.05μg·m-3,海洋中低于0.1μg·L-1。世界水體Cd本底為0.05μg·L-1,沒有經(jīng)受污染的淡水體系中Cd濃度為1μg·L-1左右。植物中Cd的濃度最小0.2 mg·kg-1,最大0.8mg·kg-1,蕨類其葉部Cd濃度最高可達(dá)1200mg·kg-1,遠(yuǎn)超于其它植物,是所有植物中在土壤中吸收Cd能力最強(qiáng)的[12]。
通常來說,Cd的暴露途徑大致有3種,分別為通過呼吸從氣管進(jìn)入、通過食物和飲水從胃部攝入,以及外部經(jīng)皮膚表面滲入。工作場(chǎng)所中粉塵和熏煙中的Cd經(jīng)呼吸從器官進(jìn)入從而吸入肺部,其中通過肺部吸收的Cd近25%~50%,吸入的量主要取決于其工作環(huán)境中化學(xué)組成,同時(shí)環(huán)境中粉塵顆粒大小也與吸入量關(guān)系緊密。由于Cd的低揮發(fā)性,土壤中存在的Cd很難造成環(huán)境中的空氣污染,所以對(duì)于住在污染區(qū)的人來說,土壤中的Cd不容易進(jìn)入到人體,除非是附近的工廠大量排放Cd造成了空氣污染。對(duì)于非職業(yè)性暴露的人群而言,可以忽略這條途徑[13]。相比于經(jīng)呼吸吸入Cd的高占比,經(jīng)食物攝入Cd的攝入占比僅5%,但這卻是非職業(yè)性暴露的普通人群攝入Cd的主要途徑,根據(jù)1992年WHO出版的環(huán)境基準(zhǔn)表明,生活在非污染區(qū)的人群每天通過食物攝入10~40μg的Cd,而通過飲水?dāng)z入的量則相當(dāng)少,但是對(duì)于生活在污染地區(qū)的人群而言,如果其食用所在地生產(chǎn)的食物,會(huì)導(dǎo)致其每天最高可攝入Cd量數(shù)百微克。若是每天通過食物攝入140~260μg的Cd并且連續(xù)達(dá)到50d以上可能會(huì)造成腎小管功能失調(diào)。在飲水?dāng)z入方面,由于地層中滲透水的作用,可能會(huì)造成Cd污染地區(qū)Cd含量提高,但是匯集的地下水水量的增加可以使水中的Cd濃度變低,再加上地下水本身的流動(dòng)性能會(huì)使Cd含量降低,可能會(huì)使喝水?dāng)z入Cd的含量遠(yuǎn)低于通過食品進(jìn)入人體的Cd含量,因此生活在受到污染區(qū)域的人們主要是通過食品來攝入Cd。通常飲用水含Cd在1mg·L-1以下,假設(shè)污染區(qū)地下水含Cd量為8μg·L-1,一個(gè)成年人每日飲水量為3L,則其每日從飲水中吸收進(jìn)入人體的Cd量:
污染區(qū)地下水含Cd量(8μg·L-1)×一個(gè)成年人每日飲水量(3L)×5%=1.2μg[11]
對(duì)于經(jīng)皮膚吸收Cd而言,Cd并不能很好地穿過皮膚,占比僅為0.2%~1%,在一般情況下幾乎可以忽略通過皮膚吸收Cd的途徑,除非是皮膚大面積并且長(zhǎng)時(shí)間與Cd接觸,才可能會(huì)通過皮膚吸收Cd。
目前可以有效解決土壤Cd污染的途徑主要有2種。將Cd在土壤中的賦存狀態(tài)由活化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài),間接減少Cd對(duì)動(dòng)植物等的危害;將土壤中的Cd直接去除,使其達(dá)到本底含量。目前,對(duì)土壤Cd污染治理采用的方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法和農(nóng)業(yè)治理法。
使用物理手段去除土壤中Cd的方法有客土法、去表土法、電修復(fù)技術(shù)法和熱處理技術(shù)法。其中,客土法是指將未污染的新土蓋在已經(jīng)污染了的土壤上;電修復(fù)技術(shù)法是指對(duì)污染土壤外加直流電場(chǎng),使得重金屬元素向電極處聚集,再經(jīng)后序處理以去除Cd;熱處理技術(shù)法是指對(duì)污染土壤高溫加熱,將污染組分從土壤中脫離。Li等[14]提出了一種電動(dòng)土壤修復(fù)技術(shù),即在電極和被處理的土壤之間設(shè)置導(dǎo)電溶液槽,使重金屬從土壤中遷移出并沉淀在導(dǎo)電溶液中。結(jié)果表明,土壤中重金屬鉛、Cd、鉻的去除效率可達(dá)到90%以上,但是使用該方法會(huì)存在一定缺點(diǎn),即容易導(dǎo)致土壤表面電位產(chǎn)生紊亂。
化學(xué)法是指通過添加淋洗劑來改變土壤中Cd的化學(xué)形態(tài),從而減少其對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害。常用的化學(xué)方法有原位鈍化法[15]和淋洗法[16]。原位鈍化法是通過將石灰性物質(zhì)、碳材料、黏土礦物等鈍化劑添加到污染土壤中,經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)來降低Cd的物化性能,從而達(dá)到減少土壤Cd污染對(duì)生態(tài)環(huán)境危害的目的;淋洗法是通過淋洗劑反復(fù)淋洗土壤,改變Cd在土壤中存在的位置,從而去除耕作土壤中的Cd。有些研究通過使用石灰鈍化法原位修復(fù)酸性(pH=5.47±0.64)Cd污染菜地,結(jié)果表明,施加4500kg·hm-2CaCO3使得土壤pH值升高了1.48,土壤中有效態(tài)Cd含量降低了87.8%[17];還有學(xué)者評(píng)估了多種淋洗試劑對(duì)Cd和鉛污染土壤的修復(fù)效果,結(jié)果表明,檸檬酸(CA)、鹽酸(HCI)和EDTA作為淋洗劑時(shí),CA與植物修復(fù)技術(shù)相結(jié)合對(duì)土壤肥力和植物生長(zhǎng)干擾最小,土壤中Cd和鋅的淋洗率達(dá)到了70%~80%[18]。
生物法是指通過植物、動(dòng)物和微生物的習(xí)性來修復(fù)Cd污染土壤。植物修復(fù)是指利用某些植株超積累重金屬的能力,將土壤中Cd富集于植物的某一部分并定期收割、統(tǒng)一處理,如蘇丹草、狼尾草對(duì)Cd離子有很好的耐受能力,可用于Cd污染土壤修復(fù)[19];He等[20]采用盆栽試驗(yàn)研究了黑麥草植物修復(fù)Cd污染土壤的效果,結(jié)果表明,黑麥草植物的種植在適宜條件下可以作為修復(fù)Cd污染土壤的方法。動(dòng)物修復(fù)是指利用動(dòng)物天然的生活習(xí)慣去吸收泥土中重金屬Cd,如無脊椎動(dòng)物蚯蚓可以利用消化道的泡囊固定重金屬,并且通過將重金屬與自身體內(nèi)有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)相結(jié)合,降低重金屬的毒性[21]。微生物修復(fù)是指利用微生物的生活習(xí)性吸收土壤中的Cd使其含量降低,或利用微生物改善土壤環(huán)境,促進(jìn)超積累植物對(duì)土壤中Cd的吸收[22]。
農(nóng)業(yè)治理法是指通過改變農(nóng)業(yè)制度,以減少土壤中Cd的輸入,從而減輕土壤中Cd的危害。農(nóng)藝修復(fù)和生態(tài)修復(fù)是農(nóng)業(yè)治理法中最常見的2種方法。農(nóng)藝修復(fù)是一種強(qiáng)化的植物修復(fù)技術(shù),是指通過改變農(nóng)業(yè)行為來降低進(jìn)入到土壤中的Cd含量。如,可以在耕作時(shí)選擇使用低土壤Cd污染的有機(jī)肥或者施加符合標(biāo)準(zhǔn)鉻含量的化肥等[23];生態(tài)修復(fù)是指通過調(diào)節(jié)土壤所處環(huán)境如控制土壤含水率、調(diào)節(jié)土壤電位等,從而改變土壤中Cd的活性[24]。
聯(lián)合調(diào)控方法不再是單一的某一種手段,而是多種方法相配合。如,將鈍化劑與低累積作物相聯(lián)合,從而實(shí)現(xiàn)中低濃度Cd污染土壤的安全使用。使用鈍化劑處理和種植低Cd水稻都可以達(dá)到減少稻米Cd含量的目的,其中使用鈍化劑對(duì)低Cd含量水稻處理后,Cd含量降低的幅度高于對(duì)高Cd含量水稻的處理,同時(shí)使用鈍化劑處理以及種植低Cd含量水稻,稻米Cd含量可降低69%~80%,從而達(dá)到減少Cd污染對(duì)人類危害的目的[25]。此外,低累積植物與超累積作物套種的方法也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)控的目的。
我國(guó)人口眾多,食品安全問題對(duì)于我國(guó)來說是重中之重,尤其是Cd污染農(nóng)作物的安全問題,雖然我國(guó)土地面積廣大,但是農(nóng)業(yè)耕地資源比較稀缺,安全合理地利用中等濃度和低濃度的Cd污染農(nóng)田是一個(gè)迫切需要解決的問題,為此很多科研人員和學(xué)者投入研究。雖然對(duì)于Cd污染農(nóng)田土壤有很多治理方法,并取得一系列研究成果,部分還在生產(chǎn)上得以運(yùn)用,但由于土地本身不受控制的因素很多以及不同的農(nóng)作物對(duì)生長(zhǎng)所需的條件不同等一系列問題,導(dǎo)致很多研究成果無法在現(xiàn)實(shí)生活中或者大規(guī)模的在實(shí)踐中體現(xiàn)。
結(jié)合實(shí)際情況,筆者認(rèn)為今后的研究工作應(yīng)該主要集中在以下方面。單方面的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)基本成熟,應(yīng)該將研究重點(diǎn)放到聯(lián)合調(diào)控方法。目前聯(lián)合調(diào)控大多只是處理低濃度Cd污染土壤,這些方法是否適用于高濃度Cd污染土壤還需進(jìn)一步研究。固化穩(wěn)定化技術(shù)也很成熟,現(xiàn)在能查到各種各樣的鈍化劑,但是Cd仍然存在于土壤,生物有效性多久會(huì)恢復(fù),什么條件下會(huì)恢復(fù),以及各種鈍化劑的老化以及老化后的效果如何還需進(jìn)一步研究。應(yīng)從農(nóng)業(yè)生態(tài)工程的角度出發(fā),結(jié)合污染的特征、作物的種類、耕作模式,以及施加鈍化劑類型和水肥管理切實(shí)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。