翻耕稻田真的有助于作物吸收重金属镉?
2015-04-15 13:34:00   来源:人民网
内容摘要
耕作会改变土壤的pH值,使得有机质以及养分出现分层现象。此外,耕作会影响微气候、根系分布和作物生长动态,这些都会影响作物对镉的吸收。

翻耕稻田真的有助于作物吸收重金属镉? 科技世界网


对于旱作,Grant和Bailey在1994年发表文章表明,耕作会改变土壤的pH值,使得有机质以及养分出现分层现象。此外,耕作会影响微气候、根系分布和作物生长动态,这些都会影响作物对镉的吸收。由于影响因素众多,一般耕作对于作物镉的吸收影响没有一致的结果。但对于深根系作物,耕作有助于根系向下生长,一般情况下上层土壤含镉量较高,因此倾向于减少吸收。对于羽扇豆一类泌酸作物,免耕由于容易形成不受干扰的酸性土层,其镉吸收量会高于翻耕土壤。但在加拿大有试验表明,生长于加拿大草原细沙壤土和黏壤土的durum wheat(制通心粉等用的硬质小麦)和加拿大油菜(Canola)的镉含量,则是免耕者比常规耕作管理者为低,这是因为前者的土壤压实层几乎没有镉的富集。

深耕可能有助于减少作物对镉的吸收,一方面是翻耕稀释了土壤中的镉,使其浓度降低,这对于浅根系且镉主要富集在表层的土壤,则有良好的效果。对于长期施用石灰的土壤,深耕可以将底层积累的碳酸钙带到表层,从而降低镉的有效性。但深耕往往会破坏土壤结构、降低表层土壤的有机质和养分状况,从而带来负面影响。

对于水田,水稻是亚洲的主要作物,水田也是亚洲特色的土壤。让我们来看看耕作对水稻吸收重金属的影响。

众所周知,土壤中的固相部分由大于2毫米的砾石、0.2~2毫米的粗砂、0.02~0.2毫米的细沙、0.002~0.02毫米的粉沙粒以及小于0.002毫米的黏粒所组成。这些不同的组合构成土壤不同的质地。大体上黏粒含量大于25%的土壤是黏土类、15%~25%的土壤是黏壤土类、而黏粒小于15%则是沙土或壤土类。

一般将土壤颗粒大于10微米(0.01毫米)的叫物理性沙粒,这类颗粒主要由石英和少量角闪石、长石组成,物理性沙粒的矿物成分在性质上并不活跃,主要作用是对小于10微米部分的黏粒起到分散作用,而小于10微米的颗粒叫物理性黏粒,主要由次生矿物如蒙脱石、伊利石、高岭石、铁锰氧化物和有机无机复合体等组成,正是这部分颗粒对重金属才具有很强的吸附能力,当然其性能随着土壤pH值而变化,土壤越酸,吸附性能越小。重金属的吸附性能和这些粒径的大小和矿物类型高度相关,只有黏粒部分才具有较高的吸附能力。也正是这个性能,在水稻耕作层中会产生奇妙的重金属含量的分层效应。

首先,水田翻耕是一个重金属活化过程、再分布过程和表面富集过程。

日本科学家伊藤等人将黏粒含量少、粒质粗和黏粒多且粒质细的两种土壤加10毫克/千克的镉进行老化风干后,各称取100克放在烧杯中加水搅拌,再次等风干后将土壤分为上层1.5厘米和下层4.5厘米两部分,用1M盐酸浸提重金属进行分析,结果发现对于黏粒含量少而粒质粗的土壤,上层的镉含量变为18.7毫克/千克,而下层只有5.6毫克/千克;而对于黏粒多且粒质细的土壤,上层的镉为9.8,下层的镉为9.4,上下层次几乎没有什么差别。造成这样差异的原因主要有两个,首先搅动过程让原先吸附在各种粒径上的镉重新分布并优先吸附在粒径最小的黏粒上;其次是搅拌后各种粒径沉降速度不同,粒径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层效应明显,而黏粒多的土壤分层效应则不明显了。

对于利用矿山或尾矿污水灌溉造成污染的稻田。矿砂容易随水侵入稻田,矿砂的粒径与重金属含量高度相关。日本将矿砂分为粗粒(74~120微米)和细粒(小于74微米)进行分析,结果粗粒部分镉为3.20毫克/千克,而细粒部分镉含量高达92.8毫克/千克。虽然这些物质的粒径其实都已经极小,但由于重金属浓度差异大,在翻耕过程中,其分层效应将更明显。

或许人们忘记了2005年湘江镉污染事件了。湘江霞湾港清淤工程,搅动了底泥,株洲霞湾港至长沙江段因此出现不同程度的镉超标。从以上的试验则容易理解了。搅动之后,黏粒随水流动,由于黏粒中重金属含量高,下游水体重金属超标就难以避免了。

虽然在未经扰动时大气沉降和随水流入的重金属或者含重金属的泥沙覆盖在土壤表面而导致上层重金属含量高于下层,但水田翻耕过程是一个重金属活化过程、再分布过程和表面富集过程。因此企图通过翻耕将富集在土壤表面的重金属压入土底的“美好愿望”是难以实现的。

其次,水田翻耕造成重金属镉的表面富集是稻米超标的主因。

日本科学家日暮等在1976年大田试验中发现一个有趣的现象,就是有些土壤中的镉含量其实不高,但生产出来的大米镉含量很高。于是对30厘米深的耕作层按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厘米分为7层进行土壤分析,结果发现,0~1厘米的土壤中的镉含量可以比第三层的3~5厘米的高出一倍,而在这个层次下的土壤镉含量则变化不大或略有降低。造成这样分层的主要原因是重金属主要吸附在黏粒上,进行翻耕时,小于0.002毫米这么细小的黏粒就会上浮并最终沉淀在土壤表面上。文章结果表明,如果0~1厘米的土壤的镉含量高,那生产出来的大米的镉含量一定高。

另外一个有趣的试验证明了表土层的镉积累对于稻米镉超标的重要性。伊藤等人用添加了10毫克/千克的含镉土壤进行水稻盆栽,到水稻分蘖期将水排干,让表面土壤变硬,在土壤表面覆盖一层0.4~1.8厘米厚的土层再淹水,结果糙米中的镉含量从对照的0.34毫克/千克下降到了0.1毫克/千克。证实了表面在淹水条件下糙米中的镉主要来自土壤表面细薄的氧化层。

对于中低度污染(稻米镉含量在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,避免土壤表面细薄的氧化层的出现,从而有效阻止这个时期根系吸收镉直接进入稻米中,收到了良好的效果。总体上稻米镉可以从0.50毫克/千克下降到0.08毫克/千克。且到2007年,实施面积39458公顷(近60万亩),占日本稻田面积的一大部分。

中国人多地少,目前稻米镉超标问题摆在世人面前,很多地方领导忧心忡忡,恨不得一口吃出一个胖子来。耕地土壤特别是水稻田中镉的环境行为其实很复杂,因为耕作过程、水分管理等等都会对重金属的分布和有效性产生很大的影响,难以用“常规出牌规则”来对应,可谓细微之处决定成败。不同地方的水稻田污染来源不同,土壤中固相的原生,次生矿物含量有异,土壤管理方式存在差别,在土壤重金属污染的治理方法以及实现稻米重金属安全措施的采用上需要慎之又慎。有些措施貌似正确,其实容易造成反效果,甚至破坏了农田,故在大规模推广改良或者治理措施之前,应该认真地进行科学论证和示范验证,投资用到刀刃上,治理达到对症下药之预期。