土壤镉污染的来源和危害

土壤镉污染的来源和危害 NOV 2012 土壤镉污染的来源与危害 摘要:由于镉在工业上具有广泛的用途,因此人类的生产活动向环境中排放大量镉。含镉的污染物通过各种途径进入土壤, 使农作物产量和质量下降, 并且通过食物链危害人类的健康。本文概述了土壤镉污染的来源和对植物、人体的危害。 关键词:土壤镉污染,来源,危害 Sources and damage of Cadmium pollution in soil Abstract: As Cadmium has a wide range of uses in industry, the production activities of human beings emit large quantities of Cadmium to the environment. Cadmium pollutants enter the soil through a variety of ways, so the production and quality of crops decline, and Cadmium harm human health through the food chain. This article provides an overview of the sources and damage to plants and human bodies of cadmium pollution in soil. Key words: Cadmium pollution in soil; source; damage 20世纪初发现镉以来，镉的产量逐年增加。镉是一种稀有分散元素,未经污染的土壤镉广泛应用于电镀工业、化工业、电子业和核工中镉主要来源于成土的母质,一般在世界范围业等领域。相当数量的镉通过废气、废水、废渣内土壤中镉的含量为0.01 , 2.00 mg/ kg ,中排入环境，造成污染。在所有重金属污染中,以镉值含量为0.135 mg/ kg。土壤中镉的来源包括污染最为严重。我国有关农田土壤镉污染的调查自然来源和人为来源。前者来源于岩石和土壤工作是20世纪70 年代中期开始的, 但至今没有的本底值。后者主要是由于镉在电镀、颜料、人能够给出一个全面明确的结论。1980 年中国塑料稳定剂、镍镉电池、电视显象管制造中的 日益广泛应用。随着采矿、冶炼和电镀工业的农业环境报告, 我国农田土壤镉污染面积为9333 22hm , 随后有人提出镉污染面积为13333 hm ,最不断发展, 大量的含镉废水排入河流, 它可以近又有新的资料显示, 我国农田土壤镉污染面积污染大气、水体和土壤。土壤镉的污染主要分 42已超过20×10 hm , 每年生产镉含量超标的农布在重工业发达地区、公路铁路两侧, 农业发 8产品达146×10 kg 。镉是毒性最强的重金属元达的灌溉地区的污染也比较严重。土壤镉污染素之一，危害极其严重，土壤中过量的镉会抑制主要产生的途径有: 大气中镉的沉降, 农药、植物的正常生长，在可食部分的残留还会通过食化肥和塑料薄膜使用, 污水灌溉, 污泥施肥, 物链影响到人体的健康。 含重金属废弃物的堆积, 金属矿山酸性废水 污染等。 1 土壤中镉的来源 1.1 大气中镉的沉降 [1]大气中的镉经自然沉降和雨淋沉降进入土商业污水和工业废水。由于城市工业化的迅速壤。如瑞典中部Falun市区的镉污染, 它主要来自发展, 大量的工业废水涌入河道, 使城市污水于市区铜矿工业厂、硫酸厂、油漆厂、采矿和化中含有的许多重金属离子, 随着污水灌溉而进学工业产生的大量废物, 由于风的输送,这些细微入土壤。在分布上, 往往是靠近污染源头和城市颗粒中的镉, 从工业废物堆扩散至周围地区; 南工业区的土壤污染最严重, 远离污染源头和城京某生产镉的重工业厂镉污染叠加已超过当地背市工业区的土壤几乎不污染。近年污水灌溉已景值4. 4 倍, 污染以车间烟囱为中心, 范围达1. 5 成为农业灌溉用水的重要组成部分, 中国20 世 2km。 在公路、铁路两侧土壤中的镉污染, 主要来纪60 年代至今, 污灌面积迅速扩大, 以北方旱自含镉汽油的燃烧, 汽车轮胎磨损产生的含镉粉作地区污灌最为普遍, 约占全国污灌面积的尘等, 成条带状分布, 以公路、铁路为轴向两侧镉90%以上, 南方地区的污灌面积仅占6% , 其余污染强度逐渐减弱。例如在宁——连一级公路淮在西北和青藏。污灌导致土壤镉含量的增加, 淮阴段两侧的土壤镉含量较高, 向两侧含量逐渐降阳污灌区自污灌以来, 镉的含量就逐渐增高, 低。由城市——郊区——农区, 随着离城市的距离太原污灌区的镉含量远远超过其当地背景值, 加大，大气中的镉沉降降低。大气中镉的沉降还且积累量逐年增高。 与城市的人口密度、城市土地利用率、机动车密1.4 污泥施肥 度成正相关; 重工业越发达, 污染相对越严重。此污泥中含有大量的有机质和氮、磷、钾等外, 大气镉的干湿沉降也可以引起土壤中镉的含营养元素, 同时也含有大量的镉。随着大量的市量增高。大气镉通过干湿沉降进入土壤后, 被土壤政污泥进入农田, 使农田中镉的含量不断增高，中的粘土矿物和有机物吸附或固定, 富集于土壤且污泥施用越多, 污染就越严重。每千克城市污表层, 或为植物吸收而转入土壤, 造成土壤镉浓泥含镉可高达上千毫克。 据估计, 西方国家土度的升高。 壤镉污染中污泥就占了2%,5%。 用城市污水、1.2 农药、化肥和塑料薄膜的使用 污泥改良土壤的同时，镉的含量也明显增加。 施用含有镉的农药和不合理施用化肥, 都可1.5 含重金属废弃物的堆积 以导致土壤镉的污染。一般过磷酸盐中含较多的含重金属废弃物种类繁多, 不同种类的危镉, 磷肥次之, 氮肥和钾肥含镉量较低。据统计, 害方式和污染程度都不一样。污染的范围一般磷肥的平均含镉量是7 mg/ kg，给全球带入约66 以废弃堆为中心向四周扩散。通过对武汉市垃万公斤镉。美国西部海相沉积磷矿石生产的磷肥圾堆放场、城市生活垃圾场及车辆废弃场附近平均含镉174 mg/ kg, 施用36 年磷肥后, 小区土土壤中镉污染的研究, 这些区域的镉的含量高壤含镉量从原来的0.07 mg/ kg 增高到1.0 mg/ kg。于当地土壤背景值。镉在土壤中的含量和形态澳大利亚磷肥含镉为25,50 mg/ kg，我国广西的分布特征受其在垃圾中的释放率影响, 随距离磷矿含镉量很高, 平均达174 mg/ kg。据估计, 西的加大镉的含量降低。由于废弃物种类不同, 各方国家的人类活动对土壤镉的贡献, 磷肥就占了重金属污染程度也不尽相同, 如镉渣堆存区的 [ 2]54% , 58%。农用塑料薄膜生产应用的热稳定剂镉 为重度污染, 其它重金属次之。 中含有镉, 在大量使用塑料大棚和地膜过程中都1.6 金属矿山酸性废水污染 可以造成土壤镉污染。 正在开采的金属矿山、重金属尾矿、冶炼1.3 污水灌溉 废渣和矿渣等, 可以被酸溶出含镉离子的矿山 污水灌溉是使用经过一定处理的城市污水灌酸性废水, 随着矿山排水和降雨带入水环境(如溉农田、森林和草地。城市污水包括生活污水、 河流等) 或直接进入土壤, 都可以间接或直接 地造成土壤镉污染。矿山酸性废水镉污染的范围一质有关，如粘土吸附性强，可吸附镉，进而影响般在矿山的周围或河流的下游, 在河流中不同河段其活性。 的镉污染往往受污染源( 矿山) 控制。河流下段自2.2 对植物体的危害 上游到下游, 由于镉迁移能力减弱和水体自净化能2.2.1 镉在植物体内的积累、分布和形态 力的适度恢复, 镉污染强度逐渐降低。美国科罗拉不同植物对镉的吸收积累效应是不同的,通多州罗拉多河流域受采矿的影响, 镉的浓度以污染常用富集系数来说明某种植物对镉的吸收、累积源为最高, 之后随着与污染源距离延长而逐渐降能力。木本植物对土壤中的镉的生物积累效应较低。流域镉污染随季节变化而异, 枯水期镉的含量高，但不同的树种之间差异明显，有些蕨类叶部明显高于丰水期, 并且河流流速减缓可以导致该流镉的含量可以高达1200 mg/ kg ，是富集镉最强段镉含量增加。 的植物之一。小麦、大豆等一些大田作物也易吸 同一区域土壤中镉污染物的来源途径可以是单收土壤中的镉。此外，像胡麻、苎麻、江麻、棉一的, 也可以是多途径的。徐州荆马河区域土壤镉花、芦苇等非食用作物也具有较强的镉积累作用。 污染是由农灌和垃圾施用引起的。在山东省，乡镇从宏观角度说,镉从土壤中被植物吸收后大企业技术、设备落后, 原材料利用率低, 造成其周边部分富集在根部,迁移到上部很少。如景天科的作 土壤镉污染相当严重。据贵州1986 年的统计, 全省物中镉在植株体内分布为叶片< 茎< 根系。镉在乡镇排放镉14.7 万公斤, 土壤中有的地方达56.64 细胞中的分布,近年来也有些学者进行了研究。在mg/ kg, 超过未污染土壤的84.5 倍。 1987 年就报道Athyriumyokoscense 的根所吸收 的重金属有70 %,90 %累积在根尖细胞壁上。 2 土壤镉污染的危害 镉在土壤中的化学形态多以交换态镉、专性 吸附态镉、铁锰氧化物结合态和残余态镉为主。 土壤镉污染的危害与镉在土壤中的形态和浓度而镉在植物体中的化学形态与镉在植物体内迁移有关,并不是所有的镉都对人或植物体有危害。对植能力大小有关联，其中以乙醇可提取态和水溶态物来说自然界有不少种类的植物可在高浓度的镉环镉迁徙活性最强,氯化钠提取态次之,醋酸和盐酸境中生长，表明在长期的进化中植物亦相应地产生提取态迁移活性最弱。 了多种抵抗重金属镉毒害的防御机制，尤其是当镉2.2.2 镉对植物的危害 的浓度较低时可增加植物的产量,说明低浓度的镉镉是植物生长的非必需元素,当镉进入植物 对某些植物的生长发育可能有一定的“促进”作用。 体内并积累达到一定程度时,植物就会表现出毒2.1 土壤中镉的形态 害症状,通常会出现生长迟缓、植株矮小、退绿、 土壤中的镉分为可溶性和非水溶性两大类。二产量下降、质量下降等。 者可随环境条件的变化相互转化。在酸性环境中, (1) 镉影响植物的生长发育。试验结果表明,镉的溶解度增加,与其它重金属元素相比,土壤中的镉浓度增大时( ?25 mg/ kg) ,开始对草莓的根生长镉相对容易被植物吸收。镉的活性还与土壤的氧化产生抑制作用,根由长变短,由白变褐直至变黑;镉还原环境有关。在淹水条件下,由于水的遮蔽而形成对草莓叶的影响表现在叶褪绿、黄化、提前衰老,了还原环境，镉污染土壤中的镉的活性就比较低受镉污染后的草莓植株矮小、长势弱。研究表明,[3] 。有机物在微生物嫌气条件下产生的HS ，使2白皮松、火炬松、杨树、桦树、樱桃等树苗在镉镉形成难溶的CdS。相反，在非淹水条件下，硫被污染胁迫下,根、茎和叶的生长均都受到抑制。大氧化成HSO ，使酸度增加，镉易变为可溶态。除24麦受镉污染后,种子的萌芽率、根生长率下降,且随此之外，镉在土壤中的状态还与土壤的其它理化性 处理浓度的增加和时间的延长而加剧,当镉的浓 稻种苗的正常代谢。而通过对耐性较强的小麦、度为0.01 mol/ L 时,种子的萌芽率小于45 % ,根部 [5] 。 凤眼莲，耐性较弱的大豆、黄瓜、背紫萍以及蚕停止生长 (2) 镉影响植物的光合作用。镉对烟草光合特豆种子中的可溶性糖随镉的浓度变化而变化的情性影响的研究表明镉是光合作用的有效抑制剂，使况分析表明，镉对植物体内可溶性糖的数量有影叶绿素和叶绿素a/ b 比例下降; 另据报道,当镉的响,但影响没有一致的结论。 浓度为112μg/ L 时云杉的光合速率、CO2的吸收量(5) 镉影响植物的产量和品质。镉影响草莓的及老叶中的叶绿素含量均显著下降,但当镉的浓度结果数和果实品质。试验表明,镉处理后,草莓的结增加到560μg/ L 时蒸腾速率也会减少。 果数减少,当镉达到一定浓度时( > 5 mg/ kg) ，总 (3) 镉影响植物体中的酶。土壤镉污染还可以果重随镉处理浓度增大而降低;镉处理后，果实引起植物体内超氧化物歧化酶(SOD) 、过氧化物 的维生素C降低,在镉的浓度高时,果实中的酶(POD) 和过氧化氢酶(CAT) 等酶的活性下降,但 K,Ca ,Zn ,Mn ,Fe 等矿物质元素的含量均降低,使对于耐性植物,在一定镉的浓度范围内，3 种酶的 得草莓的营养品质降低,同时草莓的果实中也会积活性得以维持或提高,超过这个范围它们的活性则 累镉,果实中的镉的含量随着镉浓度的增加而增仍要下降，下降的幅度要比耐性弱的植物小。镉除大。由试验得,高浓度镉条件下,小麦的干物质积累对SOD ,POD ,CAT 等酶的活性有影响以外,还会抑和分蘖受到显著的影响,其程度因品种与器官而制固氮酶、根系脱氢酶、淀粉酶、脱氧核酸酶、核异。 糖核酸酶、硝酸还原酶、蛋白酶、多酚氧化酶、抗2.3 对人体的危害 坏血酸过氧化酶、乳酸脱氢酶等的活性。以上结果镉不是人体所必需的元素。新生儿含镉约1表明,镉对氮代谢、呼吸作用、碳水化合物代谢和核微克，在从事无镉职业的情况下，50岁左右体重酸代谢等均有阻碍作用。 70公斤的男子全身蓄积的镉量约30毫克。镉是通 丙二醛(MDA) 的含量是反映脂质过氧化作用 过食物、水、空气、吸烟等经由消化道和呼吸道强弱的一个重要指标。当植物处于各种逆境胁迫或进入人体的，液体中的镉还可通过皮肤进入人体。衰老时植物体内活性氧产生和消除的平衡受到破人主要通过消化道摄入环境中的镉，吸收率为5%坏,而有利于体内活性氧的产生,所累积的活性氧引左右。虽然土壤镉污染对人体没有造成直接性的发的质膜过氧化,使植物生长异常。镉对小麦幼苗超接触危害,但污染土壤中的镉可以通过食物链进入氧化物歧化酶和脂质过氧化作用的影响的研究表人体以对人体造成严重的危害。 明植物受到镉污染后MDA 高度积累。 镉被人体吸收后主要分布在肝与肾中,与低 (4) 镉影响植物可溶性蛋白和可溶性糖的含分子蛋白质结合成金属蛋白。镉中毒主要表现为量。可溶性蛋白和可溶性糖是维持细胞代谢的重要肾脏功能的损害和肺部的损伤,导致肾皮质坏死、物质,可溶性蛋白质含量的提高,还会增加细胞渗透肾小管损害、肺气肿、肺水肿,还可以引起心脏扩浓度和功能蛋白质的数量,有助于维持正常的细胞张和高血压。长期摄入镉将会导致骨质疏松、脆代谢。对于可溶性蛋白质,当镉的浓度大于0.1 mg/ L 化、腰病、脊柱畸形。此外,镉还可以导致男性生时,小白菜根中可溶性蛋白质含量开始随镉的浓度殖系统损害,雄性激素的发生率增高,随接触水平的增大而降低,说明高浓度镉对蛋白质的合成起破的升高而增加,前列腺特殊抗体的发生率也同时 [6]坏作用。对于水稻等大田作物，镉污染明显的抑制增加 。 水稻种苗的初期生长，还明显地降低了水稻种苗的人体内镉含量超标可引起维索性心外膜炎、叶绿素的含量和干物质的积累，根系活力下降、可心肌变性、间质性心肌炎、纤维素性肝周围炎、溶性糖与可溶性蛋白质的含量减少,因而影响到水 肝细胞严重脂变、问质性肝炎、纤维索性肺浆膜 炎、支气管肺炎、气囊积液、捏囊壁水肿和钙化、粳稻根表铁膜和根铁、镉含量的影响[J ] . 卡他性肠炎以及脑充血、出血等并发症。 应用生态学报,2003 ,14 (8) :1273 - 1277. 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