導(dǎo) 讀

耕地土壤特別是水稻田中鎘的環(huán)境行為其實(shí)很復(fù)雜，因?yàn)楦鬟^程、水分管理等等都會(huì)對(duì)重金屬的分布和有效性產(chǎn)生很大的影響，難以用“常規(guī)出牌規(guī)則”來(lái)對(duì)應(yīng)，可謂細(xì)微之處決定成敗。

不同地方的水稻田污染來(lái)源不同，土壤中固相的原生，次生礦物含量有異，土壤管理方式存在差別，在土壤重金屬污染的治理方法以及實(shí)現(xiàn)稻米重金屬安全措施的采用上需要慎之又慎。

時(shí)下，不少土壤污染項(xiàng)目采用翻耕或者深耕來(lái)治理，以為翻耕能將富集在土壤表面的重金屬壓入土底，從而達(dá)到稀釋和降低重金屬的目的。

刊登于3月18日《中國(guó)科學(xué)報(bào)》5版的文章說(shuō)到了臺(tái)灣的深耕做法及其實(shí)施條件，也指出了對(duì)于鎘、鉛等污染的農(nóng)地利用這一做法帶來(lái)的種種風(fēng)險(xiǎn)，本文擬對(duì)翻土或者深耕過程帶來(lái)之重金屬的種種變化，從土壤學(xué)的角度進(jìn)一步解析，努力回答“翻耕稻田能治理重金屬鎘嗎？”這一頗具爭(zhēng)論性的問題。由于旱作和水田的環(huán)境相差很大，有必要分開進(jìn)行討論。

對(duì)于旱作，Grant和Bailey在1994年發(fā)表文章表明，耕作會(huì)改變土壤的pH值，使得有機(jī)質(zhì)以及養(yǎng)分出現(xiàn)分層現(xiàn)象。此外，耕作會(huì)影響微氣候、根系分布和作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，這些都會(huì)影響作物對(duì)鎘的吸收。由于影響因素眾多，一般耕作對(duì)于作物鎘的吸收影響沒有一致的結(jié)果。

但對(duì)于深根系作物，耕作有助于根系向下生長(zhǎng)，一般情況下上層土壤含鎘量較高，因此傾向于減少吸收。對(duì)于羽扇豆一類泌酸作物，免耕由于容易形成不受干擾的酸性土層，其鎘吸收量會(huì)高于翻耕土壤。

但在加拿大有試驗(yàn)表明，生長(zhǎng)于加拿大草原細(xì)沙壤土和黏壤土的durum wheat（制通心粉等用的硬質(zhì)小麥）和加拿大油菜（Canola）的鎘含量，則是免耕者比常規(guī)耕作管理者為低，這是因?yàn)榍罢叩耐寥缐簩?shí)層幾乎沒有鎘的富集。

深耕可能有助于減少作物對(duì)鎘的吸收，一方面是翻耕稀釋了土壤中的鎘，使其濃度降低，這對(duì)于淺根系且鎘主要富集在表層的土壤，則有良好的效果。

對(duì)于長(zhǎng)期施用石灰的土壤，深耕可以將底層積累的碳酸鈣帶到表層，從而降低鎘的有效性。但深耕往往會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)、降低表層土壤的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分狀況，從而帶來(lái)負(fù)面影響。

對(duì)于水田，水稻是亞洲的主要作物，水田也是亞洲特色的土壤。讓我們來(lái)看看耕作對(duì)水稻吸收重金屬的影響。

眾所周知，土壤中的固相部分由大于2毫米的礫石、0.2~2毫米的粗砂、0.02~0.2毫米的細(xì)沙、0.002~0.02毫米的粉沙粒以及小于0.002毫米的黏粒所組成。

這些不同的組合構(gòu)成土壤不同的質(zhì)地。大體上黏粒含量大于25%的土壤是黏土類、15%~25%的土壤是黏壤土類、而黏粒小于15%則是沙土或壤土類。

一般將土壤顆粒大于10微米（0.01毫米）的叫物理性沙粒，這類顆粒主要由石英和少量角閃石、長(zhǎng)石組成，物理性沙粒的礦物成分在性質(zhì)上并不活躍，主要作用是對(duì)小于10微米部分的黏粒起到分散作用，而小于10微米的顆粒叫物理性黏粒，主要由次生礦物如蒙脫石、伊利石、高嶺石、鐵錳氧化物和有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體等組成，正是這部分顆粒對(duì)重金屬才具有很強(qiáng)的吸附能力，當(dāng)然其性能隨著土壤pH值而變化，土壤越酸，吸附性能越小。

重金屬的吸附性能和這些粒徑的大小和礦物類型高度相關(guān)，只有黏粒部分才具有較高的吸附能力。也正是這個(gè)性能，在水稻耕作層中會(huì)產(chǎn)生奇妙的重金屬含量的分層效應(yīng)。

首先，水田翻耕是一個(gè)重金屬活化過程、再分布過程和表面富集過程。

日本科學(xué)家伊藤等人將黏粒含量少、粒質(zhì)粗和黏粒多且粒質(zhì)細(xì)的兩種土壤加10毫克/千克的鎘進(jìn)行老化風(fēng)干后，各稱取100克放在燒杯中加水?dāng)嚢?，再次等風(fēng)干后將土壤分為上層1.5厘米和下層4.5厘米兩部分，用1M鹽酸浸提重金屬進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于黏粒含量少而粒質(zhì)粗的土壤，上層的鎘含量變?yōu)?8.7毫克/千克，而下層只有5.6毫克/千克；而對(duì)于黏粒多且粒質(zhì)細(xì)的土壤，上層的鎘為9.8，下層的鎘為9.4，上下層次幾乎沒有什么差別。

造成這樣差異的原因主要有兩個(gè)，首先攪動(dòng)過程讓原先吸附在各種粒徑上的鎘重新分布并優(yōu)先吸附在粒徑最小的黏粒上；其次是攪拌后各種粒徑沉降速度不同，粒徑最小的黏粒主要富集在土壤表面。

因此沙多黏粒少的土壤分層效應(yīng)明顯，而黏粒多的土壤分層效應(yīng)則不明顯了。

對(duì)于利用礦山或尾礦污水灌溉造成污染的稻田。礦砂容易隨水侵入稻田，礦砂的粒徑與重金屬含量高度相關(guān)。日本將礦砂分為粗粒（74~120微米）和細(xì)粒（小于74微米）進(jìn)行分析，結(jié)果粗粒部分鎘為3.20毫克/千克，而細(xì)粒部分鎘含量高達(dá)92.8毫克/千克。

雖然這些物質(zhì)的粒徑其實(shí)都已經(jīng)極小，但由于重金屬濃度差異大，在翻耕過程中，其分層效應(yīng)將更明顯。

或許人們忘記了2005年湘江鎘污染事件了。湘江霞灣港清淤工程，攪動(dòng)了底泥，株洲霞灣港至長(zhǎng)沙江段因此出現(xiàn)不同程度的鎘超標(biāo)。從以上的試驗(yàn)則容易理解了。攪動(dòng)之后，黏粒隨水流動(dòng)，由于黏粒中重金屬含量高，下游水體重金屬超標(biāo)就難以避免了。

雖然在未經(jīng)擾動(dòng)時(shí)大氣沉降和隨水流入的重金屬或者含重金屬的泥沙覆蓋在土壤表面而導(dǎo)致上層重金屬含量高于下層，但水田翻耕過程是一個(gè)重金屬活化過程、再分布過程和表面富集過程。因此企圖通過翻耕將富集在土壤表面的重金屬壓入土底的“美好愿望”是難以實(shí)現(xiàn)的。

其次，水田翻耕造成重金屬鎘的表面富集是稻米超標(biāo)的主因。

日本科學(xué)家日暮等在1976年大田試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，就是有些土壤中的鎘含量其實(shí)不高，但生產(chǎn)出來(lái)的大米鎘含量很高。于是對(duì)30厘米深的耕作層按0~1厘米、 1~3厘米、3~5厘米、5~10厘米、10~15厘米、15~20厘米、20~30厘米分為7層進(jìn)行土壤分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0~1厘米的土壤中的鎘含量可以比第三層的3~5厘米的高出一倍，而在這個(gè)層次下的土壤鎘含量則變化不大或略有降低。

造成這樣分層的主要原因是重金屬主要吸附在黏粒上，進(jìn)行翻耕時(shí)，小于0.002毫米這么細(xì)小的黏粒就會(huì)上浮并最終沉淀在土壤表面上。文章結(jié)果表明，如果0~1厘米的土壤的鎘含量高，那生產(chǎn)出來(lái)的大米的鎘含量一定高。

另外一個(gè)有趣的試驗(yàn)證明了表土層的鎘積累對(duì)于稻米鎘超標(biāo)的重要性。伊藤等人用添加了10毫克/千克的含鎘土壤進(jìn)行水稻盆栽，到水稻分蘗期將水排干，讓表面土壤變硬，在土壤表面覆蓋一層0.4~1.8厘米厚的土層再淹水，結(jié)果糙米中的鎘含量從對(duì)照的0.34毫克/千克下降到了0.1毫克/千克。證實(shí)了表面在淹水條件下糙米中的鎘主要來(lái)自土壤表面細(xì)薄的氧化層。

對(duì)于中低度污染（稻米鎘含量在0.4~1.0毫克/千克）的稻田土壤，日本采用的方法是抽穗期前后灌水2~3厘米，避免土壤表面細(xì)薄的氧化層的出現(xiàn)，從而有效阻止這個(gè)時(shí)期根系吸收鎘直接進(jìn)入稻米中，收到了良好的效果。

總體上稻米鎘可以從0.50毫克/千克下降到0.08毫克/千克。且到2007年，實(shí)施面積39458公頃（近60萬(wàn)畝），占日本稻田面積的一大部分。

中國(guó)人多地少，目前稻米鎘超標(biāo)問題擺在世人面前，很多地方領(lǐng)導(dǎo)憂心忡忡，恨不得一口吃出一個(gè)胖子來(lái)。耕地土壤特別是水稻田中鎘的環(huán)境行為其實(shí)很復(fù)雜，因?yàn)楦鬟^程、水分管理等等都會(huì)對(duì)重金屬的分布和有效性產(chǎn)生很大的影響，難以用“常規(guī)出牌規(guī)則”來(lái)對(duì)應(yīng)，可謂細(xì)微之處決定成敗。

不同地方的水稻田污染來(lái)源不同，土壤中固相的原生，次生礦物含量有異，土壤管理方式存在差別，在土壤重金屬污染的治理方法以及實(shí)現(xiàn)稻米重金屬安全措施的采用上需要慎之又慎。

有些措施貌似正確，其實(shí)容易造成反效果，甚至破壞了農(nóng)田，故在大規(guī)模推廣改良或者治理措施之前，應(yīng)該認(rèn)真地進(jìn)行科學(xué)論證和示范驗(yàn)證，投資用到刀刃上，治理達(dá)到對(duì)癥下藥之預(yù)期。

文章來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)

作者陳能場(chǎng)系廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所研究員

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