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生活的土壤学︱“阴影难散”的镉大米

来源:澎湃新闻 点击:   2017-12-01 10:32:27

近日,“镉大米”再度引发众多议论。一方面,媒体报道重新让大米的镉等重金属超标可能带来的人体健康问题引发关注。另一方面,人们更关心的是,国家那么大的资金投入,其产出真的像一些报道所说的那般“不堪”吗?土壤重金属污染的治理到底难在哪里?粮食安全能做到吗?大米镉超标风险如何?本文对这些疑问做一些分析和解答,期待全社会对土壤重金属污染治理工作给予更多理解和支持。

一、日本的案例

大米镉污染问题之所以得到那么多关注,是因为上世纪六十年代,稻田的镉污染曾在日本造成官方认定的“痛痛病”。该病的病患以50岁以上、生育过2至3胎、家境较差的女性为主,因为患者骨头中的钙为镉替代,奇痛无比,稍不小心,甚至咳嗽,都可能导致骨折。

事实上,该病早在1911年便有报道。一战、二战、朝鲜战争的爆发致钢铁需求猛增,推动一些河流上游的铅锌矿山的开采和冶炼规模不断扩大。该病从一开始被误认为是因家庭生活环境不洁而遭诅咒所致。到上世纪三十年代方被认为是“风土病”(地域病),直到六十年代,在科学家和当地医生的共同努力下,相关方面才发现,这种病主要是因为大米中的镉长期在体内积累所致。“痛痛病”自1968年被认定后,日本官方虽然采取了各种防治措施,但到2004年依然有发生,可见土壤污染严重带来的健康后果之惨重。

虽然日本在1968年便已认定痛痛病是因人食用了在受污染土地上收获的重金属超标大米所致,但真正治理土壤污染是从1980年开始的。

(一)相关法律的制定

痛痛病发生两年后的1970年,日本制定了农田土壤污染治理相关法律,确定镉、砷和铜为治理的目标污染物。镉影响到人体健康,后两个元素对植物生长有影响,基于这样的考量,土壤污染的认定标准得以提出,即所产糙米镉含量超过1毫克/千克。且认定遭到镉污染的农地仅限于水田。1971年,经详细调查和监测,5800公顷土地被认定为“Cd(镉)污染对策地”。

(二)污染源控制

开始几年,日本主要开展镉污染源的控制,如对神通川流域的矿山废水治理,其排出值在1972年为35公斤镉,到1992年下降到5公斤,为1972年的七分之一, 废水中的镉浓度从1972年的8微克/千克(ppb),下降到到1992年1.4微克/千克(ppb)的自然水体含镉量。在水质方面开展了镉污染机理和污染负荷的研究,水质和底泥浓度中的镉浓度下降为原来的十分之一,上游河水中的镉浓度只有0.1ppb。废气排放方面,从1972年的每天5公斤镉排放下降到1992年的每天1公斤,为1972年的五分之一。 1960年代,日本有600多座矿山,由于日元升值、石油危机,矿山不断倒闭,到1970年代下降到236座,1989年仅仅29座。到2001年,日本关闭了最后一座煤矿山。

(三)修复技术选择

在土壤重金属去除方面,官方开展了客土和植物修复的试验。在植物修复方面,相关方面评估了各种植物带出重金属的数量,来降低土壤镉含量的可能性。例如利用大豆、腺柳、加拿大一枝黄花等植物在福岛县、群马县、福冈县的镉污染地进行植物修复试验,结果表明,要将土壤镉含量从5-19毫克/千克下降到3毫克/千克,需要的时间是9至15年。(客土是指非当地原生、由别处移来用于置换原生土的外来土壤。——编注)

修复植物的效果的地域性差别很大。如在福岛县,加拿大一枝黄花生物量可达19万公斤/公顷,植物镉浓度为16毫克/千克,年可以除镉3000克/公顷,除去率为年11.7%。但在群马县,生物量可达4.3万公斤/公顷,植物镉浓度为5毫克/千克,年可以除镉200克/公顷,除去率为年2.6%;在福冈县,生物量可达5.7万公斤/公顷,植物镉浓度为4毫克/千克,年可以除镉220克/公顷,除去率为年2.2%。也就是说,在群马县和福冈县的试验难以达到像能够超量积累重金属的积累植物一样的团修复效果。因此日本开始时否定了植物修复,理由之一就是需要的时间太长。直到2000年后,日本发现了能够大量吸收镉的水稻品种长香谷和密阳23号,利用高吸收能力的水稻品种进行土壤修复方得到较多的研究和应用。

客土的研究包括需要换土的土层厚度、肥力变化和去除效果及效果稳定性等。

在降低稻米重金属含量方面,日本开展了石灰施用和淹水降镉试验。1970至1972年间,日本全国有20个都县、28个区域展开了施用石灰等降镉的大田示范试验,每1000平方米施用石灰15至200公斤不等,其效果是:糙米镉浓度降低达到60%以上只有2处,降低40%到60%的有6处,降低20%到40%的有8处,降低不足20%的有8处,反而增加的有4处。因效果不稳定且降低幅度有限,因此石灰降镉效果被认为不稳定,不能作为主要治理措施,而只能作为辅助手段。

淹水降镉试验得出了有关水稻后期的水分管理对控镉重要性的结论。

最终日本农田污染的治理选定客土法和淹水降镉法,规定糙米镉含量高于1.0毫克/千克的污染土壤必须进行客土修复,但糙米镉含量在0.4-1.0毫克/千克的稻田,主要通过水分管理加以控镉。

(四)大规模修复实验

从1980年开始,日本才决定对曾经带来震惊世界的环境公害痛痛病的神通川流域土壤开展客土修复,进行污染土地治理,分三期进行。截至2007年,已完成90%。修复工作将地块分为三个等级,一是所产大米镉含量在1毫克/千克的地块(1号地),二是所产大米镉含量在0.4-1.0毫克/千克的地块(2号地),三是所产大米镉含量低于0.4毫克/千克的地块。这项工作历时33年,耗资407亿日元,对863公顷的受污染稻田进行了换土,效果很好。1号地、2号地的稻米镉含量都在0.08到0.09毫克/千克,接近稻米中镉含量的自然背景值。

对所产大米镉含量在0.4-1.0毫克/千克的地块土壤,主要采用水分管理措施,到2007年通过水分管理来控制植物镉含量的水田面积近4万公顷(日本水田总面积在2014年是133.7万公顷)。

在1997至1998年,日本进行了一次样品量达到37250个的大型稻米调查,稻米镉含量超过日本大米镉标准(0.4毫克/千克大米)的超标率为0.3%,总体上控制了镉大米。

(五)治理责任的明确

早期日本大米在收割后进行抽样检测,镉含量0.4-1.0毫克/千克的稻米被当成工业浆糊的原料,对镉含量大于1.0毫克/千克的大米进行焚烧销毁,只有达标(镉含量小于0.4毫克/千克)的大米才能入市流通。

从1970年到2003年,对镉含量超过1.0毫克/千克的大米,由县等进行焚烧销毁,造成污染的企业要付一部分费用;对镉含量在0.4-1.0毫克/千克的大米,由农林水产省买入进行非食用处理,达标(小于0.4毫克/千克)后进入市场。从2004年开始,大米镉含量超过1.0毫克/千克的,按老办法处理;镉含量0.4-1.0毫克/千克的大米政府不再购买,由全国米麦改良协会购买进行废弃处理,国家给予补助。需要销毁的镉含量1.0毫克/千克的大米在2004为2130吨,2005年为1311吨,2006年为1201吨。进行非食用处理的大米2005年为1803吨,2006年为1634吨,2006年为1196吨。

到2011年,日本修改了相关法律,将大米镉标准更换为0.4毫克/千克,所有镉含量超过0.4 毫克/千克的大米一律销毁。所有实施水分管理的农户必须在抽穗前后三周确保稻田有水分,否则后果自负。

在费用方面,土壤污染修复费由国家、地方(县、市镇)和企业负担,国家负担40.41%,县负责18.18%,市镇负责2.02%, 企业承担39.39%。对关联事业费,国家负责45%,县负责27.5%,市村负责11.0%,土地权人负责16.5%。

上述日本的相关实践,是值得中国借鉴的。

二、对当下中国镉米阴影难散的一些反思

(一)试点治理匆忙上马,准备不足

2011年相关媒体刊发封面报道《镉米杀机》,2013年3月媒体曝出“湖南万吨镉超标大米流向广东”的新闻,2013年4月广州食药监局公布18批次检测,镉大米超标率达44%。经由媒体报道和监管机构跟进,我国土壤的重金属含量问题终于得到政府高度重视,同时我国稻米和矿产主要产区的湖南也成了关注的重点。

在开展技术治理方面,日本从问题发现到开始治理用了12年的时间,是很谨慎的,也是很有效的。反观中国,从镉大米新闻发布到相关机构跟进,用了两年时间,显得仓促。而且治理范围一下子开展到两百多万亩,面积庞大,在对污染源的分析、土壤性质的了解、治理技术的评估等方面都显得不足。

(二)治理技术还没切合病症

土壤重金属污染治理其实是个瓷器活,这是因为:

首先,污染粮食仅需要微量的镉,而修复土壤则需要很长时间。从以上分析清楚地看出,治理受污染农田和祛除镉大米阴霾,在短时间内是不可能的事情。以0.2毫克/千克为标准来计算,一造大米(1000公斤计)带走的镉也只有200毫克,和每亩地高达4500毫克以上的镉含量相比,带走的量极为有限。一位日本学者曾经利用日本各地的污染土壤进行渗透性试验,进行土壤镉收支平衡计算。他发现,即使用镉含量很低的灌溉水进行水稻栽培,如果要净化土壤,需要的时间也在百年以上。

其次,实施降镉技术需要对土壤-水稻系统有详细了解。以降低稻米中镉含量为目的的技术需要对土壤性质和水稻吸收特性有详细了解,才能达到预期效果。

如,在水分管理中,水稻淹水两周以上才能让稻田的氧化还原电位降低到-200毫伏或更低,此时镉才能大量以硫化镉的形式存在,大大降低镉的植物有效性,而稻田排干4天后,硫化镉几乎就被氧化成硫酸根和植物有效性很高的镉离子。水稻后期的水分管理才最重要,特别是抽穗前10天的稻田水分状况,理想条件是抽穗前后三周稻田田面有2-3公分的水。

在施用石灰降镉时,不仅要了解各种石灰性材料释放对酸碱度的调节特性,也需要通过对土壤的石灰需要量进行室内实验计算,才能做到最佳效果。这是因为钙离子与镉离子的价态相同,都是正二价的离子,且离子半径相近,同时在土壤颗粒上的吸附能力相近,当施用石灰过多,钙离子占据大量的吸附位,反而是土壤溶液中的镉浓度提高,会增加水稻对镉的吸收,从而导致施用石灰治理镉的效果不明显甚至反效果,当然最终的情况取决于两者交互作用的净效果。

水稻具有喜铵特性,在淹水条件下,除了在根系表面水稻因为泌氧让根际以氧化条件存在,施入的铵态氮可以被氧化为硝酸根离子外,难以被硝化。氮素是植物吸收的最大量的元素,而植物养分大都以带电荷的离子态被植物根系吸收,同时植物本身不能带电(即保持电中性),因此以铵态氮为主要氮素形式被水稻吸收后,根系表面的土壤在数毫米内会被排出的氢离子(H+)酸化。水稻要高产,氮肥用量大,根系吸收的铵态氮越多,根际环境的酸化程度越高。虽然根系有不同的泌氧能力以及泌氧有让根系表面形成铁锰氧化物包膜的能力,但由于水稻具有酸化根际环境的特征,因此通常情况下,低镉品种选拔存在困难。

第三,关于VIP+n技术。

出于粮食安全考虑,土壤污染治理能采取的方法无非是品种筛选、土壤酸度条件、灌水等,即所谓的VIP。土壤污染威胁粮食安全,但至于每一季的稻米是不是会超标,则有赖于技术对土壤中的镉行为进行精准调控。

比如在一季水稻期间,镉在土壤中的移动范围有限,能影响稻米镉含量的土壤镉主要是根土界面(根际环境)的镉,采取土壤调理剂(石灰)施用的方式能否影响到根际环境中的镉的有效性就成了关键。在水分管理过中,能否在稻米吸收积累镉最敏感时期确保水田有水,也就成了关键。现实中采取的VIP+n(VIP+其他辅助技术)技术虽然不断得到优化,但n的数量似乎不断在增加,乃至种植绿肥来治理镉,都被纳入n的范围。我们曾呼吁要做技术瘦身,行内学者也指出,技术叠加存在“内耗”,治理技术的叠加并不会带来治理效果的相应提高。

(三)土壤治理是个社会系统工程

受污染农田的治理,特别是以粮食安全为主要目的的农田治理,不单是个技术问题、多学科的问题,更是个系统工程,不仅涉及的利益相关者众多,需要各种利益相关者的配合和有效衔接。

笔者曾参与某一污染矿区的治理。在开展土壤污染修复田间试验前,多学科的研究人员,包括心理学、人类学、社会学的学者,就对该村庄开展了一系列调研,对当地农民对污染的认识、矿业开采所获收入占家庭总收入比重、关闭矿业带来的家庭生计的变化、数十年来农户土地利用变化等事宜,事先进行了详细的分析。这个治理可以说是谋定而后动。

可喜的是,多种途径都证明,这个村庄虽然土壤重金属含量高,但因为土壤呈碱性、有机质含量很高,除了个别农户外,绝大多数农户所产稻米的铅、镉、汞和砷等重金属含量都很安全。土壤治理虽然没有效果,但这确实是我们期待的效果。

经过种种评估后,我们认为,当地粮食基本上很安全,我们的工作也由土壤修复转为土壤保护。为此,我们印制了以土壤保护、粮食安全和人体健康为主题的挂历分发给村民,做到每个家庭一本,并现场进行培训,并在将近一年后再去现场开展培训效果评估。可以说这个项目非常成功。

三、从镉大米的风险说开去

去年,我国已经出台了《土壤污染防治行动计划》,明确在耕地土壤污染详查和监测基础上,将耕地环境质量划分为优先保护、安全利用和严格管控三个类别,实施耕地土壤环境质量分类管理。在《农用地土壤环境管理办法》(试行)中明确了农业部对全国农用地土壤安全利用、严格管控、治理与修复等工作实施监督管理。严格管控类农田将不再生产粮食,而对于安全利用类的农田可以通过一些农艺措施来降低粮食中的镉含量。分类管理和措施到位将大大提高了对于粮食的镉安全的保证,大米的镉风险将大大降低。

其次,我们期待政府加强对入库稻谷的监管,甄别出超标的稻谷并加以处置,

此外,公众应该充分认识到食物中的营养对抵抗重金属污染的重要性。

在日本的痛痛病患者中,几乎所有的患者都发生在食物结构比较单一、家境比较贫穷的家庭,且患者中有98%是女性。这是因为,贫穷家庭的人员,其营养特别是铁钙锌等的摄入较少。再就是,女性因为生理上的特殊性,比较容易造成体内缺少这些营养元素。

另外,对比同样高镉摄取的新西兰居民和日本痛痛病居民,研究者发现,新西兰人很健康,而日本人则发生痛痛病。造成这些差别的主要原因是,前者摄入的镉主要来自生蚝,而后者来自稻米。生蚝含锌、铁、硒等微量元素较高,且较容易吸收,当地居民还配以牛奶,长期食用。这样,膳食和体内的这些营养元素较为充足,有助于降低镉从肠道吸收到血液中去。

土壤重金属污染造成粮食重金属超标,的确会威胁人体健康,需要全社会的关注和治理。但有效的土壤治理是个技术性很强的工作,无法一蹴而就,需要专业科学家的深度参与。土壤污染治理更是个社会系统工程,需要全社会的参与和理解。出现镉大米,公众无需惊慌。有了有意识的规避和政府的高度重视,加上改善营养,民众的基本健康是有保证的。

总之,土壤重金属污染事关国民健康,但土壤重金属污染治理是个庞大的系统工程,需要时间、技术和资金的投入。期待国民能客观看待相关事态,并对我国的土壤重金属污染治理少些抱怨,多些支持。

文章来源:澎湃新闻
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