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《全国土壤污染状况调查公报》探析

来源:《农业环境科学学报》 点击:   2017-09-29 17:14:04

2014 年4 月17 日环保部联合国土部公布了《全国土壤污染状况调查公报》(以下简称《公报》),为便于公众理解《公报》内容,新华社记者秦迎编制了“从数字看我国土壤污染现状”概要图(图 1)。但时至今日,仍有很多人对这张图充满困惑,有些人将点位超标率误当超标面积,很多人对镉的点位超标率高达7.0%甚为不解。就此,作者从镉的特性、标准和时间、空间、粮食超标率等角度做一些解读。

1 从标准角度解读《公报》的土壤镉点位超标率

超标率的计算基础是土壤环境质量标准(或者特定的评价参比值),标准的高低影响超标率的数值。自从20 世纪中叶日本发生因为长期食用镉超标稻米而导致痛痛病的事件之后,很多国家先后对土壤镉含量制定了标准。目前,在全球所有的土壤标准中,镉的标准值有400 个,最低的是2005 年拉脱维亚制定的0.08 mg˙kg-1,最高值为美国俄亥俄州环保局规定的83000 mg˙kg-1,相差6 个数量级(百万倍),这些标准值的90%都在100 mg˙kg-1 以内。

对于农田,各个国家的标准也很不一致,我国农地镉标准为镉总量0.3 mg˙kg-1(pH>7.5 为 0.6 mg˙kg-1),而我国台湾制定的镉标准高达5.0 mg˙kg-1,相差15.7 倍,英国2002 年制定的标准为2.0 mg˙kg -1 也是我国标准的6.7 倍。除了丹麦和芬兰由于实施总量控制法管理土壤重金属,所定的标准也是0.3 mg˙kg-1 之外,其他所有国家的耕地镉含量均高于我国,如捷克为0.4 mg˙kg-1,加拿大为0.5 mg˙kg-1,瑞士和荷兰为0.8 mg˙kg-1,爱尔兰为1.0 mg˙kg-1,东欧(俄罗斯、乌克兰、摩尔达维亚和白俄罗斯)为2.0 mg˙kg-1,德国沙土设定0.4 mg˙kg-1,黏土设定1.5 mg˙kg-1。大多数国家以土壤镉全量为标准设定依据,韩国例外,以0.1 mol˙L-1 盐酸提取态镉设置管制标准1.5 mg˙kg-1、整治标准4.0 mg˙kg-1 ,而日本考虑镉在土壤-水稻之间关系的复杂性,不设定土壤的镉标准,而设定糙米镉含量1.0 mg˙kg-1 为标准。不论以何种形式设定标准,我国和丹麦、芬兰的耕地镉标准是最低的,因此我国耕地土壤的镉超标率高达7.0%,其实是与我国实行最低的标准有关,以其他国家的土壤镉标准来计算,则我国耕地土壤的镉超标率会显著降低。

2 从空间角度解读《公报》的镉点位超标率

1990 年《中华人民共和国土壤环境背景值图集》公布的全国范围内调查的4095 个分析样点,其镉算术平均值为0.097 mg˙kg-1,几何平均值为0.074 mg˙kg -1,中位数为0.079 mg˙kg-1, 95%置信限为0.017~0.333 mg˙kg-1 , 而在美国1986 年发表的36 个州偏远地区的作物生产区农业土壤(刻意避开污染)的3305 个点的镉中位数为0.2 mg˙kg-1,算数平均值为0.27mg˙kg-1,95%置信限为0.005~2.4 mg˙kg-1 。可以看出同在这个时期,美国作物生产区的土壤镉的含量比我国要高得多,平均值接近我国土壤镉环境质量标准0.3 mg˙kg-1。

很多国家都对土壤进行了详细调查,如英国以5 km×5 km 尺度调查全英土壤5692 个点,镉的平均值高达0.7 mg˙kg-1 ,荷兰调查708 个点镉平均值为0.5 mg˙kg-1,中位数为0.4 mg˙kg-1 ,瑞典调查5138 个点,镉平均值为0.24 mg˙kg-1,中位数为0.19 mg˙kg-1(2010 年数据),日本稻田土壤的镉平均值为0.45 mg˙kg-1,可以看出这些国家的土壤镉含量都相当高,如果用我国的土壤镉标准来评价以上国家的土壤镉含量,则这些国家的土壤都已经超标。从空间角度来看,以上这些发达国家“土壤污染”相当严重,而相比之下我国的7%的点位超标率(其中轻微5.2%,轻度0.8%,中度0.5%,重度0.5%)并不严重。

3 从时间角度解读《公报》的镉点位超标率

从时间角度来看,我国与发达国家土壤污染存在着时间跨度的差异:发达国家的“土壤污染”发生在两百多年来的工业革命进程中,限于当初科学水平没有进行检测,而我国则发生在近30 多年改革开放过程中。我国土壤镉含量从1990 年算术平均值0.097 mg˙kg-1 上升到2014 年的点位超标(0.3 mg˙kg-1)7%,表明有大量的镉进入土壤。

有研究表明,我国年排放到大气中的镉高达2186 t,燃煤排放镉强度最高可大于0.20 kg˙km-2 。估算每年进入农田的镉高达1417 t,其中来自于大气沉降的镉高达493 t,占总量的35%;家畜粪便 778 t,占总量的 55%;很多人误以为化肥是镉的主要污染源,但来自化肥的镉为113 t,占总量的 8%,其中来自复合肥6%,磷肥2%;由于灌水进入农田的镉为30 t,占总量的2%。在进入农田的总量为1417 t 的镉中,每年通过各种途径带走的镉为178 t,也就是每年只有13%的镉被输出,而87%滞留在农田中。以耕层20cm、土壤容重为1.15 g˙cm-3 进行计算,则土壤镉含量年增0.004 mg˙kg-1,按照这个速度,从1990 年的土壤背景值起算,50 年内所有耕地土壤都将超过目前的标准(0.3 mg˙kg-1)。

以上数据不仅表明了土壤污染源,而且也表明在这数十年中有大量的镉进入土壤,造成《公报》中耕地重金属污染点位超标率达19.4%,而镉的点位超标率为7.0%。

4 从镉的特性角度解读《公报》的镉点位超标率

镉在元素地球化学中是一种分散元素,难以独立成矿。镉同铜、锌、汞、铅一样属于亲硫元素,因此镉容易与这些元素的硫化物通过同晶替代存在于这些矿产中,镉与钙的离子半径相近,因此在方解石和羟基磷灰石等矿物中镉可替代钙,因此磷矿含镉量较高。此外镉的沸点为767 益,金属冶炼、燃煤发电、露天垃圾焚烧乃至吸烟都可以将镉排放到大气中。数十年来,我国作为世界工厂,金属冶炼的地区广泛、数量庞大,煤为主要能源,加之污染防控的法律和措施执行不力,也就不难理解为什么镉在整个土壤污染的超标率变得突出了。

5 从粮食超标率看我国土壤重金属问题的核心

上述表明,我国土壤的镉含量和其他发达国家相比并不很高。但为什么我国的粮食镉超标率在近些年变得很突出,以至于2013 年“镉大米”新闻频出,而其他国家包括日本、韩国等以水稻为主要作物的国家的大米相对较为安全?这与我国在数十年来施肥结构发生变化有很大的关系。数十年来我国化肥特别是氮肥施用量不断攀升,很多学者指出,化肥施用量超过了世界225 kg˙hm-2 的警戒线近1 倍,其后果是造成了土壤的酸化,加上以燃煤为主要能源导致的酸雨,使我国土壤酸化加剧。有研究表明,我国土壤在1980 年到 2010 年整体pH 值下降0.13~0.81 个单位,这就意味着土壤酸度最高增加了6 倍多,如果是自然界慢慢变化,到这个酸化程度需要好几万年的时间。在长三角有些土壤 20 年间土壤酸度增加了10 倍,而在珠三角,30 年间耕地土壤pH 值从5.7 下降到5.4。

土壤本身对污染物具有缓冲性,土壤胶体对重金属具有很强的吸附能力。通常进入土壤中的重金属迅速被土壤胶体固定而“老化”,从而降低其对植物的有效性。但在酸性环境中,镉很难被“老化”。有研究者开展了818 d 的试验,证明除非土壤pH>6.5,否则外源(污染的)镉的有效性降低不到20%。因此可以看出我国土壤的重金属问题不在于重金属含量本身,而在于污染速度快,且土壤被酸化,导致进入土壤的重金属对作物的有效性很高。

欧美、日本等国家及我国台湾地区的大量试验表明,当土壤的酸碱度处于4.5~5.5 区间时,最容易产生镉大米。本文作者的很多试验结果也证实了这一结论,如在pH 为5.33,土壤全镉量为0.22 mg˙kg-1,品种筛选试验中的33 个品种的大米镉含量均超过我国规定的食品卫生标准(0.20 mg˙kg-1),也就是在酸性条件下,镉不超标的土壤一样产生镉大米。

6 结语

综上所述,我国土壤重金属污染问题不在于土壤镉总量,而在于数十年来大量镉快速进入土壤,且因土壤酸化导致的外源镉植物有效性很高,因而很有必要客观看待土壤污染,高度重视粮食安全。认识到这一问题有助于我国对土壤重金属污染修复的方法选择,也期待目前在向全社会征求意见的《土壤污染防治法》能在污染源削减问题上得到加强,整个土壤污染防治,不仅需要注意土壤重金属量的减少或者固定,更应该重视土壤环境质量的概念,以土壤健康为目标,构建土壤污染的防治体系。

文章来源:《农业环境科学学报》
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