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可怕的土壤不单是重金属含量高

来源:澎湃新闻 点击:   2017-10-09 09:37:11

土壤重金属污染和粮食安全与人体健康的关系非常复杂,随着土壤立法、标准、各种管理办法的出台,土壤重金属污染修复即将逐步展开,但污染修复的目的在于人体健康。客观看待修复后土壤的安全性、粮食的安全性及其与人体健康的关系有助于我们判断重金属超标土壤修复的必要性,认识土壤健康在土壤修复中的重要性,了解营养在人体抗重金属吸收的作用。

而要理解这一些,我们必须从整体性出发来认识,从重金属在粮食作物的生产体系中的影响因素,从食物加工过程的营养和污染物的变化、膳食结构及其营养的人体重金属吸收的影响、人体的营养状况对重金属吸收、代谢的影响等入手全方位地认识重金属对人体的风险性。

因此“土壤重金属和粮食安全”这个系列旨在从以上几个方面入手,解说重金属对人体的风险性,从而促进科学家、公众和政府能从整体性的角度来考虑土壤重金属污染和超标及其后续修复的问题。

随着《全国土壤污染状况调查公报》(2014年)、土壤污染治理行动计划(2016年)、土壤污染防治法征求意见稿(2017)等的陆续公布、农用地土壤环境管理办法(试行)草案审议通过(2017),土壤污染问题得到全社会的重视,而且土壤污染调查和修复也根据土壤污染治理行动计划得到有条不紊地陆续开展。但在基层,很多市县对安全利用等依然缺乏理解,一些地方版的土壤污染治理行动计划大都委托公司或者当地环保事业单位编制,对于土壤污染行动的开展缺乏头绪。我们认为,土壤重金属污染和粮食安全,有必要从整体性来看其安全性。

单从“土壤中的重金属含量”看安全性

1995年,在“六五”的土壤重金属背景值调查和“七五”的土壤容量研究(这句话没看明白)的基础上,制定出了目前仍在使用的《土壤环境质量标准》,我们在“《全国土壤污染状况公报》探析”一文中对土壤镉含量从时空、标准、镉的特性进行了深刻的分析,指出,1)土壤重金属的点位超标率是个标准判断的结果,由于我国是世界耕地标准最为严格的国家之一,因此不能单从点位超标率来看其严重性,如果用我们的标准去衡量日本、英国甚至美国、荷兰、新西兰等一些国家的土壤,则这些国家的耕地土壤也超标“严重”,甚至是全部超标。2)我国土壤重金属污染问题不在土壤镉总量的问题上,而在于数十年快速、大量进入土壤且因为土壤被酸化导致的外源镉的植物有效性很高的问题上。单从土壤重金属的含量难以解释目前我国稻米镉样品超标率偏高的原因。

从“重金属含量+土壤性质”看安全性

笔者曾在两个矿区周边的土壤(A和B)开展土壤污染调查和修复活动,有趣的是其污染结局会颠覆普通人的思维。

A的周边就是铅锌矿区,尾渣尾矿就堆积在田边,土壤镉超标十几倍,其他元素如砷、汞、铅也1到数倍不等超标。我们对整个村庄进行44个稻米镉含量调查,平均值为0.11毫克/千克,扣除4个超标之外,平均值则为0.046毫克/千克,开展了不同镉吸收能力的品种试验,则都表现出低吸收能力(0.06毫克/千克);且在溃坝下的稻田所开展的以硅钙镁的碱性肥为主要成分的土壤调理剂改良试验,稻米中的镉都很低且没有差别(都是0.03毫克/千克),只有在修复试验中,被认为有高吸收能力(地上部可达70毫克/千克)用来进行土壤镉去除的水稻品种表现出微微的超标(0.23毫克/千克)。)

B离矿区有16公里,矿以铁硫矿为主,土壤镉平均值为0.34毫克/千克,最高值也仅仅0.73毫克/千克,但在这样情况下,其早稻米镉超标一半、晚稻米镉几近100%超标,随之带来的镉摄取和人体的健康影响非常显著,在中年人中的比例非常高,肾结石发生率也非常高。我们也曾用以硅钙镁的碱性肥为主要成分的土壤调理剂改良试验,但在水稻生长后期缺水时,调理剂完全失效。

A、B两地最大的差别在于影响A的矿是碱性铅锌矿,而影响B的矿是铁硫矿,这导致两地的pH相差极大,前者高达7.5,而后者低至4.0,两地的pH相差大使得土壤中的重金属活性也出现了很大的差别,后者有效性高达85%,因此土壤重金属含量虽然含量很低(平均0.34毫克/千克),但却可对人体健康造成显著影响,而A区虽然重金属含量虽高,从食物链角度看却很安全。

我们对两地采取了不同的策略,对于重金属高的A区我们开展了农民培训,保护土壤,减少粉尘等污染的人体和作物的影响,而对重金属含量低的B区,以控酸为主的土壤修复亟待开展。

从以上案例来看,其实土壤重金属含量本身并不那么可怕,可怕的土壤性质变坏(如变酸)了。

事实上,我们在很多貌似很干净的土壤(镉不超标)检测到稻米镉超标的案例,其主要原因之一就是土壤过酸。

从“重金属含量+土壤性质+水稻的生产体系”看安全性

不同水稻品种存在着不同的重金属能力,但这种差别在水稻不同亚种以及杂交水稻品种间差别较为明显和表现稳定。日本有个在镉污染严重的地块同时开展种植粳稻、籼稻和籼粳杂交稻的试验,其结果是粳稻米镉含量为0.66毫克/千克,籼稻米镉含量为1.67毫克/千克,而籼粳杂交稻米镉含量则为4.31毫克/千克。事实上,大陆和台湾也有很多类似结果,也因此台湾鼓励在有镉污染疑虑的地块不种植籼稻以减少镉的吸收。

因此目前我国稻米镉样品超标率偏高的现象与目前普遍种植的品种有很大的关系。目前,我国稻米镉样品超标率偏高的现象与普遍种植的品种有很大的关系。如我们开展的市场稻米调查中发现在不超标的情况下,粳稻米镉含量普遍较低,而籼米多多少少含有一些微量的镉。此外,早在2011年有科学家撰文指出超级稻具有较大的镉风险。笔者在日本关于水稻对氮素的吸收研究表明,籼稻具有较强的氮吸收能力,而水稻主要吸收的铵态氮,水稻吸收铵态氮越多,其根-土界面酸性越强,重金属镉活性越强,也就越容易进入水稻植株内,同理,超级稻为了达到高产,其吸收的氮素比一般水稻要多。

从“重金属含量+土壤性质+水稻+大气的生产体系”看安全性

稻米中的重金属有一部分来自于重金属污染的大气,特别是铅、砷。汞等重金属,因为重金属在土壤-植物系统中的迁移能力较弱,这方面的结论从很多的同位素示踪试验得到了证实。

笔者曾从基层农艺师听到这样一个故事,在一条天天载着矿石经过的路边,土壤铅虽然只超标2倍(我国土壤铅标准较高),但稻米铅竟然会超标20多倍,而当这条路封堵之后,土壤未经任何整治,但稻米铅含量在次季稻米中下降到只超标5倍。笔者也亲身经历一个案例,在某矿区,土壤中汞含量虽然超标严重,但稻米中汞含量很安全,在44个样品中仅为4个微微超标,但在冬季开始离村庄3公里外出现了一个练汞小厂,次年的调查发现,稻米样品的超标率提高了,超标的数值也提高了3倍。

证明重金属来自叶片的试验实际上困难不小。在上个世纪70-90年代有很多国外学者力图证明,但大都被指试验不严密。90年代一个靠谱的试验表明,在土壤含镉量为0.16-0.29毫克/千克,降尘中镉的沉降率为1.6-2.1克/公顷/年的条件下,大麦籽粒中的镉有41%-58%来自于大气中的镉,进一步试验发现,当镉的沉降率大于10克/公顷/年,则会对所在区域的作物体内的镉会有相当一部分来自大气中。。在一个大气重污染区,印度的一个试验甚至表明一天的早晚甜菜叶中的重金属都有很大差异,如早上测定值为2.49毫克/千克,晚上测定值则为3.03毫克/千克了,可见大气重金属污染对作物体内的含量有相当大的影响。

除了大气中的重金属含量,作物叶片性质和叶孔数量对吸收量有很大的影响。有些植物叶孔很少如散尾葵,每平方毫米只有5-7个,而有研究表明,水稻叶片上的叶孔可以多达634个,且大小为22.11x17.26微米,在这样的孔径下,当叶孔开张时,理论上PM2.5的颗粒就可以自由进入了。

此外,我国是世界上三大酸雨区之一,北美和北欧的酸雨区在过去的几十年的治理中已经逐步解决,近年来,我国开始实施“气十条”,取得了一定的效果,但较上个世纪80年代,我国的酸雨问题不容忽视,

长期的酸雨会带来土壤重金属的活化,而且有试验表明,在含重金属的大气条件下,酸雨的存在对于叶片的重金属吸收起到了加重的效应。模拟含镉的酸雨来喷在苗期、开花期、结荚期和成果期的花生的叶片上,喷施连续3天,每天喷施6次,每次喷施50毫升,含镉0.5毫克/升,结果发现对镉敏感的品种Yuhua-15的籽实镉含量分别增加了84%,26%,23%和1%,而普通品种Huayu-23则分布增加了229%,116%,126%和90%。但不管喷施时期,在酸雨环境中普通品种花生的镉增加率显著高于敏感品种,但敏感品种的花生含镉量总显著高于普通品种。

粮食安全性需要从整体性来看

显然,我们对于土壤重金属污染带来的粮食安全性不能单从土壤超标的角度来看,土壤的性质、水稻的品种、大气污染甚至酸雨等都会对其产生影响,甚至颠覆整个结果和健康效应。粮食安全性需要从整体性来看。

要实现土壤污染行动计划的“安全利用”,似乎除了充分考虑土壤重金属的污染程度外,退化的土壤向土壤健康调整、水稻品种的合理使用、大气甚至水体环境的净化都应纳入行动框架之中。

最后需要指出的是,虽然土壤重金属污染会带来长久的粮食的不安全或隐患,但需要考虑土壤重金属在土壤中主要吸附在颗粒最小的黏粒上,在土壤-植物系统中的迁移能力很弱,实际上,能够影响到当季粮食重金属含量的只存在于根系表面数毫米范围内的重金属,可以说根际外的土壤重金属和当季作物的超不超标无关,因此在治理土壤重金属、实现粮食安全的措施中,如果措施不能影响到根际环境的重金属行为、降低其有效性,则这些措施难以凑效。

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