农田镉污染？看最新土壤修复技术及安全利用方法研究进展！

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来源：《生态环境学报》2018年7期

作者：孙丽娟，秦秦，宋科，乔红霞，薛永*

单位：上海农业科学院生态环境保护研究所；农业部上海农业环境与耕地保育科学观测实验站；上海市农业环境保护监测站；上海低碳农业工程技术研究中心；上海市设施园艺技术重点实验室

摘要：作物镉（Cd）超量累积是人体中镉的主要来源。研究镉污染农田土壤修复技术及安全利用方法对保护生态环境及保障食品安全具有重大意义。镉对植物的毒性效应与其生物有效性密切相关，且土壤镉的生物有效性决定其植物根系吸收量，因而基于土壤镉生物有效性调控原理的修复技术是农业环境领域近年来的研究热点。此外，植物镉含量也与植物自身特性密切有关，故筛选不同镉累积特性的植物可为镉污染土壤修复和安全利用提供重要生物质资源。文章综合评述了镉生物有效性的物理和化学调控方法，并分别就超累积植物和低累积作物介绍镉污染农田土壤的植物修复技术和安全利用方法。物理方法如水分管理主要通过改变土壤环境的Eh等理化性质从而影响土壤镉的形态转化过程，进而影响植物镉的吸收量；化学方法如施用钝化剂主要通过改变土壤的pH及土壤镉吸附特性，从而改变土壤镉的生物有效性。低镉累积作物通过减少根系镉吸收或降低地上部镉转运的方式减少可食部镉累积量；镉超累积植物的修复效率主要取决于其镉富集系数的高低及生物量的大小。化学和生物联合调控方法主要通过降低土壤镉含量或阻止镉进入作物可食部，实现“边生产边修复”。农田土壤镉污染修复技术及安全利用方法存在效率低、体系不稳定等问题，探究土壤镉生物有效性关键调控因子及其作用机制、充分挖掘特殊镉累积特性的植物资源并探寻改造植物镉耐性的方法以提高镉污染农田土壤修复效率将是今后该领域的研究热点。

镉（Cadmium,Cd）是对植物和动物毒性最强的痕量重金属元素之一，位于联合国环境规划署1984年提出的12种具有全球意义的危害物质之首。自然状态下，土壤环境中镉的质量分数在0.1~1.0mg·kg^-1 之间。人类工农业活动如采矿、冶炼、肥料施用、污泥农用及污水灌溉等导致世界许多区域农田土壤出现不同程度的镉污染。2014年《全国土壤调查公报》显示中国土壤镉的点位超标率为7.0%，位于八大超标金属元素之首。农田土壤镉污染导致作物可食部镉累积，人体的镉90%来源于日常饮食，镉在人体的半衰期长达15~20a，因而长期食用轻微镉超标的食品会导致人体镉累积并产生慢性毒性，引发如癌症、关节炎、肺气肿、肾小管坏死、痛痛病等疾病。国际食品法典委员会规定人体每天摄入镉的耐受量为1μg·kg^-1，即70kg 的成年人每天镉摄入量不得超过70μg。

与其他痕量元素相比，土壤中镉的移动性较强，因而镉更易被作物根系吸收，进而转移到作物的可食部，通过食物链进入人体。土壤镉对动植物的毒性效应取决于其生物有效性，镉的生物有效性不仅与土壤镉总量有关，其赋存形态更是影响镉植物吸收的重要参数。进入到土壤中的镉，经过溶解-沉淀、氧化-还原、吸附-解吸、络合-离解等一系列物理化学反应后，形成具有不同活性的各种形态的镉。一般而言，能被生物吸收或可对生物产生毒害的形态称为有效态镉，土壤镉的生物有效性决定土壤镉的生物毒性，而不同形态的镉可发生转化，如淹水还原条件下，土壤中部分有效镉与硫化物反应形成CdS沉淀（K_sp为10^-27），降低了有效态镉浓度，增大残渣态镉浓度。镉的生物有效性是其环境毒性效应的重要参数，因而通过物理、化学和生物等方法调控农田土壤的形态转化过程，降低镉的生物有效性，减少作物镉吸收，实现镉污染农田土壤“边生产边修复”是当前土壤污染控制与修复领域的研究热点之一。

本文依据国内外有关参考文献，分类评述不同类型农田镉污染修复与安全利用方法，并分析其应用的限制因素，为镉污染农田土壤的安全生产技术体系的建立提供理论和方法依据。

1 物理和化学方法

1.1 水分管理

土壤中重金属的移动性受pH、温度、氧化还原电位（Eh）、有机质、阳离子交换量等土壤理化性质的影响，而其中Eh是影响重金属溶解性的重要因子，因而可通过土壤水分管理调节土壤pH和Eh，从而调控土壤重金属的生物有效性。控制土壤的Eh及土壤的水分状况，使土壤作物形成一个较稳定的滞水期，可以减少镉进入植株内的含量。与传统灌溉模式相比，持续淹水条件下，土壤可交换态镉降低，水稻糙米中Cd 含量降低37.9%，淹水还原条件可有效降低水稻镉的累积量，而好氧条件下水稻镉累积量增大，水稻抽穗期到成熟期，减少落干，保持淹水，可明显减少水稻籽粒中镉含量。油菜（Brassica napus）在淹水条件下，植株内的镉含量最低，油菜 的生长发育最好。淹水处理的空心菜根际土壤DTPA提取态镉显著低于非淹水处理组，空心菜可食部镉累积量降低。在镉污染土壤中，水作能显著提高空心菜地上部和地下部根系生物量，而地上部和根系Cd含量则显著低于旱作处理组。田间持水量为55%~85%时，玉米地上部Cd含量随着土壤水分的增加而降低。

水分管理是农田土壤镉生物有效性调控的有效手段，而研究表明其调控效率与土壤硫含量密切相关。相比低硫土壤，高硫土壤溶液中Cd²⁺的去除率更快，且土壤可交换态镉占比更低。镉是典型亲铜型元素（chalcophile element），还原条件下，土壤SO₄^2-被还原为S^2-，Cd²⁺可与S^2-形成溶解性较低的CdS，土壤排水后进入氧化状态，CdS被氧化为CdSO₄，CdSO₄可溶于水，因而镉的移动性和生物有效性增大，因而水分管理与硫肥管理相结合，可有效调控土壤镉的生物有效性。例如，淹水条件下，施加硫肥可显著降低水稻籽粒镉的累积量，而旱作条件下，施加硫肥显著增大镉超累积植物东南景天（Sedum alfredii Hance）植株根、茎、叶的镉含量。值得一提的是，对于镉砷复合污染农田土壤，淹水调控减少镉生物有效性的同时会增大水稻籽粒砷累积量，因此Arao等提出合理调节淹水时间可最大程度地避免稻米砷过量累积，水稻抽穗期后淹水比水稻抽穗期前淹水对降低稻米镉累积更有效，而砷累积的增大量相对较小。

1.2 原位化学钝化

原位钝化修复技术因具有简便、高效及成本低等优势而成为农田土壤重金属污染修复极具前景的修复方法之一。化学钝化一般可分为无机和有机钝化两大类，常用的无机钝化剂有石灰、石灰石、黏土矿物、沸石、磷酸盐等，因该类无机钝化剂价格相对低廉、地壳储量大、对重金属固定效果较好且对土壤质地结构、理化性质影响较小，近些年来被广泛应用于重金属污染农田土壤的修复。无机钝化剂的作用原理主要通过提高土壤pH，使土壤镉与碳酸盐及氢氧化物形成沉淀的同时增大土壤对镉的吸附量，以降低土壤镉生物有效性及移动性，减少农作物的吸收累积。有机钝化剂主要包括生物炭、生物固体、畜禽粪便等有机废弃物，其修复机理主要是通过有机钝化剂表面官能团与土壤镉产生络合作用，减少镉的移动性和有效性。另外，有机钝化剂施加到土壤中可改善土壤团聚体的结构，影响土壤理化性质如pH、CEC等，从而间接地影响镉的生物有效性。

1.2.1 无机钝化剂

黏土矿物是土壤、沉积物、岩石及水体的重要胶体组分，由含水铝硅酸盐组成，主要通过离子交换或吸附的方式对土壤环境中的重金属起到固定作用。室内盆栽及野外田间试验均证实了黏土矿物对重金属的固定效应。常用于重金属固定的黏土矿物有海泡石、坡缕石及膨润土等。海泡石是天然含水的富镁硅酸盐层状黏土矿物，为镁氧八面体和硅氧四面体相互交替扩展结构，具有巨大的比表面积和良好的离子交换能力。Liang等通过原位田间试验发现，添加天然海泡石的稻田土壤pH显著提高，碳酸盐结合态镉浓度增大，土壤酸提取态镉及可交换态镉浓度均降低，水稻镉吸收量降低，初始年添加的海泡石对镉的固定作用可持续到第2 年，可见海泡石对污染稻田镉的固定效应具有一定的延续性。海泡石与石灰石、磷肥及膨润土联合施用可进一步促进污染土壤镉的固定。

坡缕石又称凹凸棒土、凹土，在中国具有储量丰富、分布广和价格低廉等优势。坡缕石为晶质水合镁铝硅酸盐黏土矿物，具有独特的层链状结构特征，其结构中存在晶格置换，疏松多孔，具备较大的比表面积和吸附能力，坡缕石对Cd²⁺的最大吸附量可达40mg·g^-1，高于普通黏土矿物。Liang等研究表明，施加坡缕石的稻田土壤有效态镉浓度降低，水稻糙米中镉累积量减少，坡缕石对土壤镉的钝化机理主要是通过提高pH，使镉与土壤中碳酸盐或氢氧化物形成沉淀。此外，坡缕石的表面官能团与镉络合，沉淀于络合的共同作用导致稻田土壤镉的生物有效性降低。Han等通过X射线光电子能谱学（XPS）、扫描电子显微镜-能量色散光谱法（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）及傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等技术进一步证实坡缕石对Cd²⁺的吸附机制主要为表面CdCO₃沉淀的产生及羟基官能团的络合作用。

膨润土由层状硅酸盐组成，层状硅酸盐结构的边缘载有多个铝和硅醇官能团，硅铝酸盐表面的同晶取代作用导致膨润土表面带负电，膨润土表面积较大，一般可达700~800m²·g^-1，因而膨润土有较强的吸附和离子交换能力。Sun等的盆栽试验研究发现，膨润土（0.5%~3%）添加至石灰性污染土壤（pH为8.2）可使其水溶态和可交换态镉含量降低42.5%，残渣态镉升高约10.0%，水稻地上部镉累积量可降低26.7%~31.3%。酸性土壤（pH为5.8）中，添加5%的膨润土可提高土壤pH，而降低土壤镉的生物有效性。

沸石广泛分布于自然土壤和沉积物中，是一种含水硅铝酸盐矿物，天然沸石具有特殊硅（铝）氧四面体三维空间结构导致其具备良好的过滤功能和离子交换性能，对重金属具有较强的吸附能力。大量研究已经表明，添加沸石可降低土壤镉的生物有效性，其作用机理与前面所述的黏土矿物类似。Hamidpour等研究表明，沸石对镉的吸附能力强于膨润土，施加沸石可有效降低土壤镉生物有效性和玉米地上部和根部镉累积量。近年来，纳米沸石（晶粒尺寸至少有一个维度小于1000nm）的应用逐渐受到重视，与传统沸石相比，纳米沸石具有更大的比表面积，使其具有更丰富可调的表面电荷和可交换的表面离子。对比研究证实，纳米沸石的镉钝化效果优于普通沸石，尽管纳米沸石和普通沸石均可提高土壤pH和阳离子交换量，但纳米沸石处理组土壤镉浓度及大白菜（Brassica rapapekinensis）中镉浓度均低于普通沸石处理组，可见纳米沸石在土壤重金属修复方面具有更为广泛的应用前景。

磷是植物必需的大量营养元素之一，土壤磷酸盐可通过吸附重金属或与重金属形成磷酸金属沉淀，从而抑制土壤重金属的移动性和有效性。研究发现KH₂PO₄显著促进土壤镉的固定，抑制镉的生物有效性，降低植物和蚯蚓镉吸收累积量。土壤中磷酸根的施入能增加土壤表面负电荷，使Cd²⁺吸附在土壤颗粒周围，此外，Cd²⁺可进入到磷酸盐无定型晶格中而被固定，从而减少其移动性和生物有效性。磷酸盐对土壤镉的钝化效率与磷酸盐种类、粒径大小及土壤性质等因素相关，例如Yin等通过对比研究4种磷酸型肥料（磷酸氢二铵、磷酸氢二钾、过磷酸钙和磷酸三钙）对土壤镉的固定效果，发现磷酸氢二钾的镉钝化效果最佳，可降低48.7%的有效态镉，其次为磷酸二氢铵，可降低44.05%的土壤有效态镉，而过磷酸钙和磷酸三钙的钝化效果不明显。磷酸氢二钾及磷酸二氢铵均可较大程度地释放土壤有效磷酸盐，有效磷酸盐与土壤镉形成沉淀化合物，从而降低镉的移动性和生物有效性。小粒径（<35μm）的磷矿石的固定作用优于大粒径（>35μm）磷矿石。研究表明，KH₂PO₄添加可提高土壤pH，增大土壤表面负电荷数，增大土壤对镉的吸附，相同浓度磷酸盐处理下，水铝英石土壤的pH、表面负电荷、镉吸附量的升高或增大幅度均比非水铝英石土壤大，镉的固定效果更佳。值得注意的是，尽管磷肥对镉具有固定或钝化作用，磷肥往往含有一定量的镉，因此磷肥也被认为是农田土壤镉污染的重要来源之一，因此磷肥的施用需进一步考察其环境风险。

1.2.2 有机钝化剂

生物炭通常指树木、农作物废弃物、植物组织或动物骨骼等生物质在无氧或者部分缺氧及相对低温（<700℃）条件下热裂解炭化形成的一类多孔、高度芳香化、难溶性的固态物质，其含C率达60%以上，伴之H、O、N、S等元素。生物炭具有较大的比表面积和发达的微孔结构，因而具有较强的吸附能力。此外，生物炭因含有一定量的灰分而呈碱性，且生物炭表面有机官能团可吸收土壤中的H+，因而施加生物炭可提高土壤pH。生物炭较强的吸附能力及较高的pH，通过吸附或沉淀作用而降低土壤孔隙水中重金属浓度，从而减少重金属对微生物、植物及土壤动物的生物有效性。

研究表明，大部分生物炭如由玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、花生壳、鸡粪等原材料制成的生物炭添加到镉污染土壤中，均可通过提高土壤pH和有机质含量，从而降低土壤镉的生物有效性，如Lu等研究发现，与对照处理组相比，5%的水稻秸秆生物炭处理的污染土壤中酸提取态镉降低11%，而有机结合态镉升高37%，水稻秸秆生物炭主要通过将土壤的镉转化为有效性较低的有机结合态镉，从而对镉达到固定作用。Qiao等研究表明，玉米秸秆生物炭添加到重度镉污染土壤中可显著降低镉的生物有效性，减少玉米镉的吸收累积量，提高玉米的生物量。Bian等通过连续3年的追踪试验证实了生物炭添加对污染稻田中的镉可起到持续固定作用，其固定机理主要为生物炭添加可提高土壤pH，增大有机质含量，对稻田土壤中的镉产生沉淀和表面吸附作用。Sui等通过连续3年的盆栽试验发现，生物炭添加显著降低初始年份的旱地土壤镉生物有效性，降低小麦（Triticum aestivum L.）镉吸收量，提高小麦的产量，而在随后两年的淹水处理条件下，生物炭对镉生物有效性的降低效应不明显，可见周期性的落干-淹水处理引起的土壤pH及氧化还原电位变动导致生物炭对镉有效性调控效率降低。生物炭对重金属生物有效性的影响与土壤本身的吸附性能有关，研究表明，酸性木炭和碱性鸡粪生物炭对高吸附性能的新成土中镉的溶解性和生物有效性无显著影响，而5%的碱性鸡粪生物炭可降低约50%的吸附性能低的火山灰土、始成土溶解性和生物有效性。

有机废弃物可作为土壤改良剂修复退化土壤，常用的有机废弃物包括动物粪便、生物固体、城市固体垃圾堆肥、作物残体等。有机废弃物施加到土壤中可通过影响土壤pH、电导率以及大量和微量营养元素等理化性质，从而影响土壤镉的生物有效性。土壤有机废弃物添加可通过增多土壤表面电荷、增加土壤有效金属吸附点位（如有机矿物、含铝化合物、磷酸盐等）从而促进土壤镉的吸附。有机物的施加可提高土壤pH，降低土壤溶液中Cd²⁺的浓度，而土壤pH的提高可促进羟基、羧基、酚类等官能团H+的解离，进而增大这些官能团对镉的亲和性。有研究表明，土壤有机废弃物的添加可将溶解态和可交换态镉转化为有机结合态镉从而降低镉的生物有效性，减少生物对镉的吸收。施用堆肥可降低土壤镉的溶解性和移动性，从而降低高粱（Sorghum bicolor）中镉的含量。

2 生物方法

2.1 低镉累积作物筛选

不同作物种类对镉的累积量有所差异，例如镉污染土壤中豆类作物（豆科Leguminosae）镉累积量较低，根菜类蔬菜（伞形科Umbelliferae和百合科Liliaceae）镉累积量居中，而叶类蔬菜（菊科Asteraceae和藜科Chenopodiaceae）镉累积量相对较高。而同种作物的不同品种（基因型）的镉吸收累积也存在差异，已有研究表明，水稻（Oryza sativa L.）、大麦（Hordeum vulgare L.）、玉米（Zea mays L.）、小麦、胡萝卜（Daucus carota L.）、大白菜、豌豆（Pisum sativum L.）、土豆（Solanum tuberosum L.）、花生（Arachis hypogaea L.）及空心菜（Ipomoea aquatica Forsk.）等农作物的不同品种镉吸收累积量差异较大。表1 列举了部分有关不同种类作物的基因型差异对镉吸收累积的研究及相关结论，已有的研究均表明筛选低累积作物对于中低浓度镉污染土壤的安全利用具有可行性。

不同作物基因型差异引起的镉吸收累积差异机制不同，部分低累积作物主要通过减少镉由根部向地上部转移的方式降低可食部位镉浓度，如在低镉累积大豆（品种Enrei）根细胞内发现有与镉形成螯合物的蛋白质和氨基酸，减少镉向地上部的迁移。此外，部分植物通过减少根细胞镉吸收的途径而降低地上部镉的累积量，该过程主要以根细胞壁作为有效吸收屏障，而根细胞分泌的与镉亲和性较高的有机物可进一步降低根细胞镉吸收量。相同浓度镉胁迫3d后，耐镉小麦（品种RAJ4161）根部植物螯合肽合成酶增加，而镉敏感小麦（品种PBW343）减少；胁迫10d后，耐镉小麦镉根部和叶部抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶达到最大值，表明两种不同品种小麦的镉耐性差异机制主要表现为mRNA表达的差异。有研究表明，基因调控水平上，导致水稻镉吸收累积差异的主要机制是编码HMA3转运蛋白基因的差异，水稻等位基因OsHMA3影响镉从根部到地上部的转移效率，OsHMA3基因静默可导致水稻根部镉向地上部转移量增大；OsHMA3突变导致功能丧失，镉向地上部运转大幅度增加，而OsHMA3基因过量表达则减少了镉的转移。OsNramp5基因负责将细胞外部溶液中的镉转移到根细胞内，研究表明，除去OsNramp5基因的水稻突变体根部镉吸收量比野生型的水稻降低90%。Wang等研究发现，不同品种大白菜镉累积量差异与Nramp3表达的差异有关，此外NRT1.8的表达也可能与大白菜镉累积有一定关系。值得一提的是，低累积作物的低累积特性存在不稳定性，如研究发现籽粒低累积小麦品种（尧麦和洛优9909）在连续种植3年后，第3年籽粒中镉质量分数超过0.1mg·kg^-1，可见多代种植后作物的低累积特性可以发生变化。

2.2 超镉累积植物筛选

镉超累积植物是指叶部镉累积量高于100mg·kg^-1的植物，同时该植物地上部镉含量与根系镉含量的比值应大于1。公认的镉超级累植物只有遏蓝菜（Thlaspi caerulescens）等少数几种十字花科植物，遏蓝菜为麦田主要杂草之一。水培条件下，相比白玉草（Silene venosa）和西红柿（Ycopersicon esculentum），遏蓝菜将镉由培养液向地上部转移的效率均较高，但遏蓝菜生物量较小、生长较为缓慢且机械收割困难，导致其镉修复的应用受到一定程度的限制。McGrath等研究表明，种植14个月的遏蓝菜可将污染土壤中21.7%的镉去除，且土壤镉的去除率远高于仅种植4个月的遏蓝菜处理组，可见合理延长种植时间可提高遏蓝菜镉去除率。Wei等发现一种镉超累积植物——龙葵（Solanum nigrum L.），当土壤镉质量分数为20~60mg·kg^-1时，龙葵地上部镉累积量可达110~460mg·kg^-1，其镉富集系数可高达2.68，且地上部镉累积量高于根部。相比遏蓝菜，龙葵的生长迅速，生物量大（正常环境下可达1m高），因而龙葵修复镉污染土壤的前景较好。

锌超累积植物鼠耳芥（Arabidopsis halleri）对镉也有超累积作用，有报道显示部分鼠耳芥品种地上部镉的累积量可超过100mg·kg^-1。研究表明，鼠耳芥主要通过木质部汁液载入和运输镉，且该过程消耗能量，镉在木质部汁液中主要以无机离子形态进行迁移。尽管鼠耳芥生物量不大，但其生长周期短，因而应用鼠耳芥修复农田土壤镉具有一定的可行性。在中国发现的原生态镉超累积植物为东南景天，属景天科，为自然进化的锌、镉超累积植物，其茎、叶中镉含量可分别高达9000mg·kg^-1和6500mg·kg^-1，但东南景天生物量小，生长缓慢，修复效率相对较低，限制了其工程应用。

近年来研究发现，印度芥菜（Brassica juncea）对较强的耐性，且生物量较大，其吸收的总镉量远高于东南景天。油菜是中国主要农作物之一，其中芥菜型油菜和印度芥菜是同属同种植物，并且它们还有较强耐瘠薄的能力。水培和土培条件下，油菜品种Xikou Huazi 对镉具有耐性，可作为植物修复材料，品种Zhongyou 821 对镉的耐性较差；研究表明，Xikou Huazi

型油菜根际土壤碳酸盐结合态镉和有机结合态镉含量均高于非根际土壤，而Zhongyou 821 型油菜根际和非根际土壤中碳酸盐结合态镉和有机结合态含量无显著差异，可见镉耐性油菜品种根际具有降低镉生物有效性的作用。郭艳杰等研究发现，Cd、Pb 复合污染条件下，与油菜相比，印度芥菜对重金属Cd、Pb 的耐性较强，地上部生物量较大，是同处理油菜的1.1~2.0倍，两种植物对土壤Cd 的吸收均达到100 mg·kg^-1以上，表现出超富集特性。

观赏植物如某些品系菊花对镉也具有一定的耐性作用，例如Ramana等评估了野菊花（Chrysanthemum indicum L.）和万寿菊（Tagetes erecta L.）对土壤镉的植物提取能力，研究发现野菊花可耐受高达200 mg·kg-1 的镉污染，而万寿菊在此污染水平下出现死亡。野菊花镉累积量是万寿菊的3倍。尽管野菊花可从土壤中吸收较大量的镉，但其植株内部镉由根部向地上部转移受限，而万寿菊镉吸收量较少，但其内部镉由根部向地上部转移效率较野菊花高。万寿菊地上部镉累积量大于100μg·g^-1 且地上部镉与根部镉浓度比值大于1，因此万寿菊为镉的超累积植物。与普通植物相比，多年生经济作物苎麻（Boehmeria nivea）对镉、砷等重金属具有较强的耐受能力，其对镉的富集系数可达2.1，转运系数可达3.0，但在未经活化调控的污染土壤中，苎麻的植物提取能力相对较低，限制了其土壤修复的应用。

无论是超积累植物还是低累积作物，植物从土壤中吸收重金属后若不经过合理处置，又将回归至土壤环境，再次造成污染，因此重金属富集植物生物质的处置是制约植物修复商业化应用的重要因素之一。基于减量化、无害化和资源化原则，焚烧法、灰化法、堆肥法、压缩填埋法、高温分解法、液相萃取法和植物冶金等为处置重金属富集植物生物质的主要技术。

3 联合调控方法

3.1 钝化剂与低累积作物联合的安全生产体系

工业快速发展引起耕地面积锐减，重金属超标土壤的农业利用是在中国耕地资源紧张、粮食和食物安全形势严峻前提下的一种不得已的选择。在中低浓度镉污染农田土壤中，采用化学钝化剂联合低累积作物有望实现镉超标农田土壤的安全利用。

小麦秸秆生物炭施用及低镉累积水稻品种种植均可降低稻米镉累积量，且生物炭施用对低镉累积的水稻品种的降镉效应高于高镉累积水稻品种，低镉累积水稻品种与生物炭联合施用可减少69%~80%的稻米镉累积量，因而低镉累积水稻品种联合生物炭施用可用于修复镉污染稻田土壤，从而降低人类健康风险。钝化剂石灰和煤渣混施，可使水稻镉累积量降低38.3%~9.1%；而石灰、煤渣和甘蔗渣混施，可使水稻糙米镉累积量降低58.3%~70.9%；种植低镉累积水稻品种（XiangZaoxian32）糙米中镉含量低于食品安全标准限值（0.2mg·kg^-1）；选育低累积品种并合理配施钝化剂可保障污染农田土壤农产品安全。

陈东哲等在稻田Cd中污染区采用VIP技术（Variety，Irrigation and pH adjustment，V指采用低镉品种，I指水分控制，P指调节酸碱度）进行修复治理小区、示范试验，证实种植低累积Cd水稻品种、施用适量生石灰的“VIP技术”有明显降稻米Cd效果，对稻田土壤Cd降解没有明显效果，但中、轻度稻田Cd污染区早稻收割期土样全Cd和有效Cd含量都明显高于晚稻收割期，早稻稻米Cd含量明显低于晚稻稻米。谢敏等研究发现，在早稻生产中，施用生石灰可极显著降低稻谷总镉含量，在晚稻生产中，“IP”和“VIP+土壤调理剂”处理，可极显著降低稻谷总镉含量。

3.2 低累积作物与超累积植物套种或轮作农艺调控体系

镉超累积植物龙葵与低镉累积白菜套种，第一轮套种试验，90d后土壤中10%的镉被去除，添加甘氨酸、谷氨酸、半胱氨酸等植物提取促进剂可将土壤镉去除率提高至20%；第二轮套种试验中，即使添加植物提取促进剂后小白菜植株中镉浓度仍低于食品限量标准，达到可食用标准。中低浓度镉污染土壤中，龙葵与低镉累积大葱品种套种试验研究发现土壤镉的去除率为7%，龙葵的生长并不影响大葱（Allium victorialis）的生物量，且大葱地上部镉累积量低于标准限量，可见采用低累积作物与超累积植物套种可达到“边生产边修复”的目的。通过合理的水肥管理，低镉累积型空心菜及青菜与东南景天的轮作使土壤镉的去除率高达56.5%，DTPA提取态镉降低62.3%，作物镉吸收量降低，东南景天生物量增大。

4 结论与展望

农田土壤镉污染引起的农产品安全问题备受关注，在当前中国耕地资源紧缺背景下，如何保障中低浓度镉污染农田土壤的安全利用是研究热点也是难点。尽管近几十年来国内外学者已经通过物理、化学、生物和化学-生物联合等技术修复镉污染农田土壤，并取得一系列研究成果，部分还在生产上得以推广实施，但由于土壤本身的复杂性加之作物对生长环境的强烈依赖性等主要因素导致上述部分研究成果无法在真实环境或者大范围内应用。此外，农田生态系统极易受到环境和人为因素的影响，因此无论基于物理、化学还是生物方法的镉生物有效性调控技术都无法持久，环境因子的波动很有可能会导致镉形态的转变，从而影响作物镉吸收、累积过程。

结合实际农业生产，今后的研究工作应主要集中在以下几个方面：（1）系统解析土壤镉生物有效性主控环境因子及作用机制，构建基于环境主控因子的农田土壤镉生物有效性最佳调控技术体系；（2）深入探究低累积作物或超富集植物镉吸收的关键生物过程，寻找植物镉耐性基因或转运蛋白，探寻转基因植物在镉污染农田土壤中的应用及前景；（3）从农业生态工程角度出发，结合污染特征、作物种类、耕作模式、钝化剂类型、水肥管理等探索绿色、高效联合调控技术规程，切实指导农业生产。

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