从土壤污染到农作物安全

从土壤污染到农作物安全

粮食安全关系到我国国民经济发展、社会稳定和国家自立的全局性重大战略问题。

粮食安全不能单单关注污染物含量一个方面。作为食物,其营养含量及其在超标条件下的营养含量变化也应该是关注的焦点,此外污染物在食物中的分布、结合形态以及在加工工程中的含量和形态变化也是安全的重要方面。

先有土壤,再有人类。自古以来,人类都将土壤视同空气、水体、树木、昆虫一样的天然存在并变得熟视无睹。同时,人类文明大多发源在河流两岸、河口地带,是土壤最为肥沃的地方,土壤为人类的生育、繁衍乃至文明的发展默默地贡献。

重金属解析

在人类居住的地方都有土壤。土壤形成的平均速率为0.01毫米/年,而头发直径为0.06毫米,也就是说要形成发丝直径厚度的土壤需要6年。同时按照我国糙米镉卫生标准0.2毫克/千克计算以及袁隆平目前最高产的产量“双季晚稻小区折合亩产可达到1000千克,一季中稻可达到1200千克”,所生产的糙米(按0.68克折算)为816千克,要让这个量的稻米超标所需要的镉仅仅163.2毫克, 也就是0.16克,是我们日常标准盐分摄取(6克/天)的2.7%,而换算成每亩的稻田(15万千克),仅占土壤镉的0.001毫克/千克的量(这里计算不包括茎秆),也就是袁隆平院士最高产的1200稻谷超标的镉对土壤来说仅能造成0.001毫克/千克的变化。重金属辨析

报刊常常出现 “重金属污染”“重金属超标”的话语,如果没有上下文,这是令人摸不着头脑的词汇。重金属是54种密度大于4.5g/cm3的金属的总称。对于重金属的人体健康影响,常常有“重金属致癌”等同样令人摸不着头脑,因为每个金属在土壤、粮食和人体中都有其不同的行为。

在54种重金属中,要能够对人体产生较大的健康效应和对生态产生较大的环境效应主要有五种,即镉、汞、铅、砷、铬。这五个元素通常也被称为“五毒”。

在这“五毒”中,如果考虑元素在生态系统和食物链中的迁移能力, 则镉的重要性就排在第一位了,因此现实生活中常常有“镉大米”“镉小麦”的说法,而很少听到砷大米、汞大米、铅大米、铬大米了。镉称为土壤中最应该关注的元素还有以下一些理由,镉是个分散元素,几乎难以独立成矿;镉和汞、铅、锌等一样是一个亲硫元素,因此在含有硫矿床包括铁硫矿都含有微量的镉;在周期表中,镉与锌、汞同族元素,很多性质与锌相似;镉的离子半径与钙离子相似,虽然在矿物质并不发生镉对钙的同晶替代,但在土壤化学行为中镉钙有大致的吸附能力;在体内有大量的镉存在特别是肾功能受损后镉容易取代骨头中的钙,而造成“痛痛病”,痛痛病也是土壤起始的食物链中因为土壤遭受镉污染而在日本给人体带来唯一环境公害(其他环境公害如水俣病是食用汞污染鱼类所引起),此外镉的沸点是673℃,因此在冶炼、燃煤、垃圾焚烧过程中如果没有回收装置,镉容易散发到大气中,从而造成广域性的土壤污染。

以上几种元素的人体摄取途径方面,汞主要来自海产品(局部土壤汞污染区域也来自大米)、砷出来谷物外,还来自饮用水、铅除了食物外,还来自大气的铅污染,而镉对于吸烟者来说,相当一部分来自香烟,对于非吸烟者来说,镉几乎来自饮食。此外镉具有高积累性的特点,在体内的半衰期视情况可达17〜38年,因此在54种重金属中,对人体健康而言,镉似乎最应受到关注。

包括镉在内,重金属在土壤中是天然存在。因此作物生长于土壤,体内多多少少有含有重金属。美国在无污染区曾进行农作物的镉含量调查。从表中可以看出样品的中间值都很低,但从最大值看,也有超标的情况(见下表)。

因此,即使在无条件下,作物多少都含有微量的重金属,有时还存在着超标的现象。

受污染土壤条件影响的粮食超标数据

大量研究表明,土壤pH值是影响土壤中镉有效性的最主要因素。土壤的酸化能促进土壤中镉的活化。由于中国耕地在近四十年中施肥量大大增加,土壤普遍酸化。在不超标的土壤中检测到超标的大米是件很普遍是事情。例如,在对广东省内某地的土壤和稻米检测时,我们曾检测到土壤总镉为0.17毫克/千克,而糙米中的镉可达0.40毫克/千克。

很多人知道,叶片能吸收大气中的重金属。但大气污染对作物中的重金属含量的影响由于研究上的困难而较难估算。利用铅同位素等可以较好地分析其来源。有研究表明,在铅锌矿区附近辣椒中来自大气的铅可占根的 30%〜77%,茎43%〜71%,叶片72%〜85%,果实90%,整株植物中10%〜70%的铅来自于土壤。而一项利用同位素铅来研究野生植物钻形紫菀的铅来源显示,在总悬浮颗粒含铅96.5±63.5 纳克/立方米的条件下,虽然植物铅根>叶>茎,但叶片中的铅72.2%来自于大气。

在一个精密设计的试验中,在土壤含镉量为其背景值0.16-0.29毫克/千克,大气镉降尘率为1.6〜2.1 克/公顷/年的条件下,测得大麦籽粒中的镉有41%〜58%来自大气。文章认为,如果镉降尘率为10克/公顷/年,则大气源的镉可能成为当地作物镉的一个主要来源。国内研究发现,中国的降尘率变幅在0.4〜25克/公顷/年,可见,在高镉降尘率的区域,粮食的安全将直接受到威胁,因为水稻叶片气孔可达: 634个/mm2,而气孔长×宽度为: 22.11×17.26μm,对于PM2.5雾霾中的重金属则轻而易举地在水稻叶片气孔中进出。

此外,还有研究表明,如果酸雨同步存在时,作物吸收的镉将更多。可见粮食安全不单因为土壤污染,灌溉水中盐分、大气中的重金属、酸雨环境都直接带来影响。

除了土壤的重金属、水体和大气环境外,耕作管理措施也是影响农作物重金属安全的一个重要因素。近几十年,澳大利亚南部谷物种植区的轮作和耕作系统发生了显着变化,通过实施谷物、豆类与小麦作物轮作可以减少作物病害、有效控制杂草,同时能改善土壤结构和固氮,被认为是一项良好的管理实践。但研究发现,在羽扇豆后轮作种植的春小麦籽粒的镉含量比麦麦轮作得要高,其原因在于羽扇豆在固氮过程中造成根际土壤酸化,且羽扇豆根释放的柠檬酸使得后作作物镉含量增加。在加拿大马尼托巴省,一项为期进行4年的田间试验表明中,油菜的后作亚麻小麦的镉含量要比小麦后作的亚麻小麦镉含量高,由于油菜属于十字花科,根系能较多积累镉,其原因被认为是油菜有更多的菌根定植或到油菜残留物(根系)的分解所造成。

土壤污染及粮食安全概述

在伊朗中部的Qom省,土壤存在盐害,正如以上所述,盐分高的区域作物容易造成镉超标,因此在这区域种植的小麦的安全性受到威胁。利用向日葵—小麦和棉花—小麦两种轮作方式在镉含量分别是1.5毫克/千克和3.2毫克/千克的地块进行试验,在种植后作的小麦前,收割并移除前作(棉花和向日葵)的残留,结果发现收割并移除残留后,种植向日葵的地块的镉有效性比棉花的要低得多,自然而然地,向日葵茎中含镉要比棉花高得多,棉花后作的小麦的茎镉含量要比向日葵的高2〜4倍,而向日葵后作的小麦籽粒中的镉含量比棉花的低7倍以上。因此, 向日葵—小麦的轮作制度可以大大降低伊朗中部盐害地域土壤的镉向小麦迁移的风险。

在土壤没有污染的地域可能因为灌溉水的盐分、大气污染、大量施用含氯肥料,或土壤酸化,甚至种植制度的原因带来粮食的镉含量的提高甚至超标,反过来,在镉严重超标的区域也有可能粮食的镉含量不超标。一个典型的案例是在湘西某碱性铅锌矿区,当地的土壤pH值高达7.3且含有丰富的有机质,虽然土壤的镉总量超过土壤环境质量标准的5〜8倍,但不管是开展市场调查、田块稻米采样等都证明了该区域的稻米的镉含量不超过0.10毫克/千克。于是我们原先开展的土壤修复工作转为面向农民培训的土壤保护工作。

通常在外来的镉污染的条件下,粮食容易造成超标。且随着土壤镉含量的增加、土壤酸化程度的提高,粮食超标的程度越发严重。在这种情况下,视污染的程度可采用水分管理控镉、低吸收品种种植减镉、土壤调理改变土壤的性质降低镉的生物有效性,或者改变种植结构,乃至植物修复进行土壤治理。目前我国已经颁布了《土壤污染防治法》《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)、《农用地土壤环境管理办法》(试行)等多项法律来规范污染农用地,确保粮食的安全。

值得指出的是,粮食安全不能单单关注污染物含量一个方面。作为食物,其营养含量及其在超标条件下的营养含量变化也应该是关注的焦点,此外污染物在食物中的分布、结合形态以及在加工工程中的含量和形态变化也是安全的重要方面。

大量研究表明,农产品、膳食乃至体内的营养特别是钙、铁、锌、硒的状况对于抵抗重金属的人体吸收有着极为重要的作用。遗憾的是,稻米中的铁、锌含量很低,远远低于大豆,也低于玉米、小麦等作物,此外大米中的植酸(主要在糠层部分)对铁、锌等的吸收又起着阻碍作用。另外,当大米镉超标时,镉对籽粒中磷、 镁、 锌含量显著的影响。 如研究表明镉含量增加降低粮食钾、 磷、 镁、 锌、 铁、 锰的含量。有人在温室条件下的盆栽种植三十五个旱稻至成熟,发现镉和微量营养素浓度范围广,但与粮食产量密切相关。虽然粮食Cd浓度随粮食产量的增加而增加,但发现粮食微量营养素浓度存在相反的关系,随粮食产量增加而下降。

稻米的低微量元素含量对汞、镉、砷等超标是大米致命伤。有现实案例表明,在与日本痛痛病区摄取的镉都达600微克/天的新西兰的小岛居民则很健康,原因就在于该小岛的居民摄取的镉来自生蚝,虽然生蚝含镉高达5毫克/千克,比日本痛痛病区的稻米平均镉含量(0.99毫克/千克)要高得多,但生蚝富含锌、硒、铁等营养元素,且饮用的牛奶富含钙。富足的营养保护了小岛居民免遭痛痛病之苦。


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