土壤_植物系统重金属污染研究现状与展望

第7卷第4期1999年8月

环境科学进展

ADVANCES I N E NVIRONME NT A L SCIE NCE

V ol.7,N o.4

Aug.,1999土壤———植物系统重金属

污染研究现状与展望

张乃明

(山西省农业环保监测站,太原030001)

摘　要

土壤植物系统与人类生产生活密切相关,本文对土壤———植物系统重金属背景值、环境

容量、迁移转化及污染的生态效应等方面的研究现状进行了论述,并结合国情提出了今后这

一领域研究工作重点。

关键词:土壤———植物系统　背景值　环境容量　重金属

陆地生态系统是与人类生产和生活关系最为密切的生态系统类型,土壤植物系统是陆地生态系统最基本的结构单元。实际上土壤植物系统处在地球“四大圈”的交接地带,构成陆生生态系统物能循环的枢纽,是联接有机界与无机界的桥梁,它既是地球表面最活跃的环境要素,又是珍贵的可更新资源(高拯民,1986)。土壤圈物质循环研究是当今土壤学和环境科学的重要课题,土壤—植物系统中重金属污染物迁移转化则是这一领域的重要内容(赵其国,1996)。国际生物圈计划(I BP)、人与生物圈(MAB)以及目前正在组织的国际地圈—生物圈计划(IG BP)都把土壤植物系统这个土壤圈和生物圈的基本结构单元列为主要研究对象。由于该系统具有转化贮存太阳能为生物化学能的功能,在该系统中发生重金属污染,不但影响植物产量与品质,而且也影响大气和水环境质量,并可通过食物链危害人类的生命和健康。更为严重的是这种由重金属在土—植物系统中所产生的污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点,因此对土壤植物系统重金属污染问题进行深入的研究就显得尤为重要。

一、土壤—植物系统重金属污染研究进展

土壤—植物系统遭受重金属污染的典型事例最早可追朔到一个世纪前发生在日本的足尾铜山公害事件进入本世纪50至60年代,相继发生了举世瞩目的“八大公害事件”,其中发生在日本的“骨痛病”和“水俣病”公害事件就是土壤植物系统受到重金属镉和汞污染的两个典型。公害事件的痛苦经历有力地推动了人们对土壤—植物系统重金属污染问题的认识与研究,研究的视角从最初的重金属来源调查,含量分析、形态转化、对农作物生长发育的障碍等扩展到重金属在土壤—植物系统的迁移转化,食物链中累积和对人体的小

剂量累积慢性毒害方面,该领域已成为当代土壤科学和环境科学研究的前沿,随着污水灌溉面积的不断扩大,污灌区土壤—植物系统重金属污染问题更成为人们关注的焦点之一。

土壤—植物系统重金属污染研究实际上涉及到工业、农业、人类的生产与生活许多方面。重金属是对土壤—植物系统影响比较大的重要污染物类型,一方面重金属从其矿石采掘开始,各个阶段都可能在环境中扩散进入土壤—植物系统:另一方面农业利用污水灌溉,施用化学肥料、污泥和农药等生产活动也增加了土壤—植物系统中重金属的负荷,土壤—植物系统重金属研究内容十分广泛,本文就其主要的几个问题进行综述。

1.关于土壤—植物系统元素背景值的研究

背景值调查是环境科学研究的一项基础工作,我国从70年代开展这方面的工作,研究区域限于几个重点城市和主要农业区,“六五”期间被列入国家攻关项目,特别对湘江谷地和松辽平原地区土壤重金属背景值进行系统调查,到“七五”背景值研究区域扩展到全国除台湾以外的三十个省市区,分析元素从最初的几个主要的有毒重金属元素增加到包括营养和稀土元素在内的60多种。进入90年代(张毓庄等,1992)克服过去背景值研究仅限于土壤单要素的不足,从生态学角度对五台山草地自然保护区土壤—水—植物系统的背景值进行了综合调查研究,张乃明(1991)则首次以大的地貌为统计单元,对土壤元素背景值进行分区探索。总之,以上研究成果的取得为土壤—植物系统重金属污染研究提供了基本的资料。

2.关于污水灌溉对土壤—植物系统重金属污染的影响

利用污水灌溉历史悠久,最初只是把污水作为灌溉水源利用,到16世纪以后,德、英、美等国相继在污灌的基础上研究发展成了利用土地处理污水,运行时间较长的污灌系统首推澳大利亚的威里比牧场,从1893年开始利用污水灌溉至今已有100多年。早期的污灌目的是取得农业收益,很少考虑污水中污染物对土壤、作物及地下水可能带来的危害和不利影响。进入本世纪,前苏联的污灌面发展较快,在城市下水道排水系统设计中就首先考虑污水经处理后用于农业灌溉的可能性和合理性。我国污灌历史也较长,污灌的发展从50年开始经历了由自发灌溉、迅速发展、稳定增加三个时期,在污灌面积迅速扩大的同时,污灌对土壤—植物系统造成的重金属污染问题开始出现,如沈阳张士灌区出现大面积的镉污染土壤,含镉量达0.2～9.25mgΠkg,并产出“镉米”(米中Cd>0.6mgΠkg),天津发现汞污染,保定污灌区铅污染,西安、太原等地污水灌区粮食品质下降明显等,为此,1976年农业部组织二百多个单位经7年时间对全国污水灌区环境质量进行普查评价,调查范围包括20个省市的37个污灌区,面积达37.99万顷,获得10万多个数据,为合理利用城市污水,减轻污灌对土壤环境危害,以及研究污灌对土壤—植物系统的影响奠定了基础。

3.关于重金属在土壤—植物系统迁移、转化和生态效应的研究

土壤—植物系统重金属的迁移转化和生态效应的问题,直接关系到食物链中重金属的数量,因此一直是土壤环境科学工作者研究的热点。张学询在1982年对张士灌区镉、铅等重金属的迁移分布规律进行了探索,同年,许嘉林研究了污灌区土壤重金属污染与自然地理条件的关系,李书鼎则用Cd115+115m示踪模拟实验的方法研究了土壤Cd向水稻转移的路径及转移的数学模型,影响重金属迁移转化因素的研究国内外均有报道(Adriano,

1989;吴启堂1993),研究因素包括土壤理化性质、土壤中重金属含量形态及植物特性,不同植物对重金属的吸收累积有很大差别,同一作物对不同重金属元素的吸收富集和忍能能力不同(Bingham,1979;杨居荣,1995;张乃明,1996)。王新、吴燕玉(1998)研究了不同作物对重金属复合污染的吸收迁移累积特性,研究元素包括Ca、Pb、Cu、Zn、As,这为进一步揭示重金属在土壤—植物系统的运移规律提供了帮助。

在对土壤—植物系统重金属元素迁移转化过程进行定量化描述方面近年来也有进展,Barber-Cushman模型(Barber,1984)就是这方面的典型,但因模型所需参数较多,测定工作量大,计算也较复杂,1992年吴启堂从土壤缓冲容量的角度提出建立了简单的机理模型,用于评价土壤中重金属元素向植物迁移的能力。总体看,研究工作仍比较零散,定量化研究不足且只限于模拟条件,与实际应用结合方面还存在差距。

4.关于土壤环境容量与重金属负载容量

土壤环境容量研究是一项富有实际意义的应用基础研究,发达国家在60年代末就开展这方面研究工作,起步早的有日本、英国、荷兰、瑞典和美国。这些国家在土壤环境容量研究的基础上制订出土壤重金属相应的控制标准。我国这方面研究开始于70年代后期,“六五”和“七五”期间土壤环境容量研究列入了国家科技攻关项目,先后对草甸褐土、草甸棕壤、红壤、黄棕壤、砖红壤等在几种主要土壤类型的重金属环境容量进行试验研究,郑春荣、陈怀满等(1995)在土壤环境容量研究的基础上提出了重金属土壤负载容量的概念、研究内容和方法,张乃明(1994)运用地球化学与生态效应相结合的方法研究制订了山西农田土壤重金属的控制标准,国家环保局南京环科所在土壤背景值和土壤环境容量研究工作的基础上,于1995年起草制订我国的土壤环境质量标准(G B15618-1995),这为土壤重金属污染提供了判别尺度。土壤环境容量研究方面迄今为止已取得不少成果,但仍存在以下几方面的不足:(1)是对影响土壤重金属负载含量的因子考虑不系统;(2)缺乏长期定点试验结果;(3)重金属污染物种类局限性大,容量值均是根据单个重金属元素污染的试验结果确定的,没有考虑两种或两种以上重金属元素同时存在的复合污染问题。

二、土壤—植物系统重金属污染今后研究的任务与展望

当代社会人类正面临环境污染、土地减少、能源危机、人口膨胀等重大问题的严峻挑战,走可持续发展之路已成为全世界的共识。农业的可持续发展是经济社会可持续发展的基础,而未来农业能否持续发展主要取决于土壤环境资源可否持续利用,换言之也就是取决于土壤环境能否得到保护与改善,土壤肥力能否得到维持与提高。土壤—植物系统的重金属问题正与上述问题解决密切相关。展望未来,世界土壤科学的研究前沿将很大程度偏重于土壤—植物系统的污染生态研究,而重金属污染问题将是其中最活跃的研究领域,结合我国实际,以下几个方面的主是应是今后研究工作的重点。

(1)重视生物技术与土壤—植物系统重金属污染研究工作的结合。如能利用基因重组培育出可有效降解土壤中重金属的微生物或具有极强吸收富集重金属的作物品种,将为土壤重金属污染治理开辟生物修复的新途经;(2)把GIS、RS、G PS等计算机信息技术应用于土壤—植物系统重金属污染研究领域,研究区域土壤重金属含量的空间变异与分布