——治理外源污染调节土壤酸碱度优化稻田水分管理
编者按：
近日，中国农业科学院在湖南省长沙市启动“南方地区稻米重金属污染综合防控协同创新行动”，160余名相关学科专家组成的“全国最大科研团队”参与其中，该行动将稻米镉污染作为首要项目。2013年，“湖南镉大米”事件发生后，公众谈镉色变，人人都说，却又似是而非。农业部环境保护科研监测所研究员刘仲齐认为，稻米镉污染的“问题复杂超乎想象”，不能一概而论。广东省生态环境与土壤研究所研究员陈能场博士对镉大米产生机理有深入的研究，并针对性提出治理措施。本刊特发此文，供有关各方参考。
随着我国“南方地区稻米重金属污染综合防控协同创新行动”的启动，镉大米问题再度成为热点。公众关于镉大米的认知大多停留在镉对人体的危害上，而对“大米中的镉是如何产生的，到底有没有消除的办法？”的认识存在着一些偏差。有人单纯地认为镉大米就是因为稻田浇灌了含镉的工业废水，有人甚至认为将产生镉大米的稻田采用“新土换旧土”的客土方法一换了之。笔者试图通过本文对镉大米的相关问题作出一些尽可能客观全面的解答。
陈能场
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镉是农田重金属污染之首
在地球化学中，镉是一个分散元素，难以独立成矿，同时在矿石中含量很低，不容易回收。因此在采矿过程中容易随着尾砂等排放到环境中，特别在酸性矿水存在的条件下，镉很容易随着酸性矿水进入河流和农田。镉的熔点为321℃，而沸点为767℃，因此在没有有效的除镉设备的条件下，有色金属冶炼、钢铁厂、垃圾焚烧厂、火电厂都很容易将镉释放到大气中，从而造成以厂为中心、下风向污染最重的较为广域的土壤镉污染。
土壤酸碱度（pH）对镉等重金属在土壤有机质、铁锰氧化物、黏土矿物中的吸附能力有着极为重要的影响。当土壤酸化时，这些物质吸附镉的能力很弱。相比于其他重金属如锌、铜、铅和汞等，镉在土壤中天然的在能被植物吸收的部分（水溶态和交换态）比其他重金属要高一些，镉在土壤-植物这个系统中就比较容易迁移。尽管我国土壤镉的本底值仅为0.097mg/kg，而外来的镉土壤中不容易被土壤的胶体固定，特别是在土壤酸性的条件下，因此很多耕地土壤中的总镉量其实并不高，但它对植物的有效性却很高。
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为何容易产生镉大米
很多人认为镉大米的产生是因为水稻是吸镉最强的作物。其实不然，有科学家将植物对镉的耐性分为三类，水稻的耐性只是中等。水稻之所以容易吸收镉，其生长环境以及镉在土壤中的化学变化过程起着关键的作用。
土壤中的镉主要吸附在黏粒的部分上面，在稻田耕作过程中，由于翻耕黏粒部分容易沉淀在土壤的表面，导致表面1～3厘米的镉含量很高。在污染区，存在大气沉降的镉沉降，同时灌水也会带入镉，镉也将沉积在稻田土壤表面。水稻是须根系作物，大部分的根系在表层5厘米以内。镉的含量与根系的重叠布局为水稻吸收更多镉创造了条件。虽然在淹水条件下，水稻根系表面会形成铁膜，有助于阻止根系对镉的吸收。但水稻是喜铵作物，根系吸收铵态氮会让根系表面酸化，从而有助于对镉的吸收。
有科学家利用同位素标记发现稻米中的镉有70%左右来自水稻生殖时期根系吸收进入的，其他部分来自茎叶中积累的镉。这是因为在淹水条件下，镉与还原条件下形成的负二价的硫离子形成非常难溶且非常难被根系吸收的硫化镉。但在水稻后期为了收割方便，农户有意排干田面的水，硫化镉就被渗入到土壤表层的氧气氧化成镉离子和硫酸根离子，镉就容易被根系所吸收，这个化学过程通常在水分排干内4天就可以完成。所以根系和镉的表层分布再加上缺水的情况下，造成水稻镉的大量吸收。
温度和品种对水稻吸收镉有一定的影响。日本、我国台湾地区的研究结果表明籼稻总体上比粳稻有更强的镉富集能力。大陆对不同品种也做了大量分析，可能是由于品种过多或者杂交水稻没有得到很好的溯源和区分，不同类型的水稻镉吸收能力存在矛盾，没能做明显的区分。通常温度高，植物叶片蒸发量大，土壤中的镉离子容易随着水分进入根系。但我国南方早稻雨水多，田面不缺水，纵然高温，早稻稻米中的镉一般比晚稻要低。
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大米镉与土壤镉没有密切关系
农地中的镉主要来源是工业废水、大气沉降、畜禽粪便、化学性肥料和灌溉水等。但通常人们想到稻米的镉超标就是因为土壤被镉污染了，土壤中镉越多，大米中的镉越多，这种结果在盆栽控制各种条件下是可以得到的，科学家努力寻找这种关系以便能从土壤的重金属含量来推测稻米中的重金属含量。
但在大田生产条件下，大米镉含量与土壤的镉含量并没有这种相关关系。一块稻田内水头水尾的稻株的镉含量都可能不同。一方面灌溉水中很难没有一丁点的重金属，那怕低到浓度为百分之零点零几，进来的重金属也容易在进水口附近被土壤吸附而使得其重金属含量稍稍偏高。另一方面收割前为了便于收割，田间停止灌水，收割时进水口的土壤比较干，出水口的土壤比较湿。这两个因素整体上会让进水口的稻谷含有多一点的重金属。如果在污染的条件下，灌溉进来的镉浓度高些，这个差别就更明显。
在大田生产条件下，日本、泰国、韩国、中国大陆及台湾地区的调查中都发现了大米镉与土壤镉没有密切关系，因此日本制定农田的镉标准时是以糙米中的镉含量来替代。
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镉大米如何“消除”
镉的种种特性使土壤容易遭受广域性的污染，且一旦污染，镉容易进入大米中。因此必须加强源头控制，包括大气污染和工业废水排放的控制、采用含镉低的磷肥、合理适量使用畜禽粪便等，降低甚至消除外源镉对稻田土壤的污染，这是消除外源污染造成镉大米的关键。
土壤酸化是造成稻米镉超标的一大原因。我国人多地少，土壤复种指数高，施肥量大，造成土壤酸化，再加上来自大气的酸雨，含硫矿区的酸性矿水，导致土壤特别是酸雨区和含硫矿区周边的土壤酸性现象严重。因此通过石灰等碱性物质改良土壤是消除镉大米的一个重要措施，当然石灰需要量需要科学计算，土壤pH的调节要达到6.5以上才行。
稻田的水分管理是控制稻米镉的另一个重要措施。理想的条件是全过程淹水，有助于将稻米中的镉降到最低。但全过程淹水在大田生产中不现实，一是耗水量大，惯常的水稻生长管理需要中干排水来控制水稻分蘖和改变土壤环境，通过中干排水过程释放养分。日本对中低度镉污染的土壤通过水稻在抽穗前后三周保持田面2~3厘米的水层，防止土壤表层处于氧化状态，从而能大幅度地降低稻米的镉含量。对于土性很软的稻田，这样的水分管理会带来机械耕作困难，对水稻在抽穗后10天保持2~3厘米的水层也能收到较好的降镉效果。
