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农田土壤中砷的来源及调控研究与展望
2017-11-15 8:44:30

北极星环保网讯:砷(As)是一种备受全球关注的有毒类金属元素,并一度认为可以取代磷成为生命构成元素而受到争论。环境中砷的形态主要分为无机与有机形态,其中无机态砷主要包括五价砷[As(Ⅴ)]和三价砷[As(Ⅲ)],而有机态砷则主要为MMA(一甲基砷)、DMA(二甲基砷)和TMA(三甲基砷)。一般认为无机态砷的毒性大于有机态砷,而As(Ⅲ)的毒性又高于As(Ⅴ)。

农田中的砷可以通过溶质运移及排水等途径进入水体进而影响饮水安全,还可以通过土壤-作物-人类的食物链方式威胁到人体健康。近年来的调查发现,我国一些采矿区和冶炼厂周边地区,以及废弃物利用强度大的农区,土壤和作物中砷超标的风险较大,是普通农区的十倍甚至数十倍以上。而在我国的一些典型农区的大田和蔬菜地中,虽然没有发现砷超标的现象,但出现了不同程度的砷累积现象。

针对日益严重的农田砷超标现象,国内外众多学者从砷污染农田修复的角度开展了一系列研究,如利用砷超富集植物蜈蚣草、凤眼莲等进行的植物修复,以及砷污染土壤的化学钝化和易位电化学修复等,并在部分研究方面取得了可喜的进展,但其研究角度较多集中在污染土壤的修复方面,且大多数方法存在成本较高、操作复杂和见效较慢等问题。

实际上,我国目前农田中砷含量的情况是:部分地区潜在或轻度超标农田的比例较高,且多数尚在农业利用中。对这部分农田如何采取防范措施,使之达到“边修复、边利用”的目的,对我国现代农业发展和保障农产品质量安全十分重要。

本文试图从农田中砷的来源、砷超标农田中作物有效性调控等方面对已有研究结果进行系统总结,并以此为基础提出进一步研究的重点,为安全有效利用砷超标农田提供相应参考。

1农田中砷的来源

土壤中砷的来源主要是自然源和人为源。前者主要是一些含砷的硫化物或氧化物岩石经风化或雨水冲蚀等过程将砷释放到土壤中。比较常见的含砷矿物主要包括毒砂(FeAsS)、砷铁矿(FeAs2)、雄黄(AsS)、雌黄(As2S3)和臭葱石(FeAsO4˙2H2O)等。

一般来讲,砷在地壳中的丰度为5×10-4%,世界土壤中砷含量值介于0.1~58.06mg/kg之间,中位值为6.0mg/kg。不同的成土母岩在物理化学特性方面的差异及各自不同的成壤条件是造成不同类型土壤中砷含量存在差别的重要原因,如我国花岗岩上发育的褐土含砷量一般为5.3~6.2mg/kg,石灰岩、大理岩发育的褐土含砷量一般可达到11.60~12.08mg/kg。

人为活动是造成土壤中砷累积的最为重要的因素。总体来看,农田中砷的人为来源包括:

①工业源。砷经常以伴随元素的方式存在于多种重金属矿中,因此在这些重金属矿开采与冶炼过程中均可能造成矿区周边土壤的砷污染。如在湖南石门的雄黄矿区周边农田中砷的含量高达300mg/kg,而在湖南株洲、甘肃白银等地,部分冶炼厂周边土壤中砷的含量也达到50~100mg/kg,均超过了国家土壤环境质量标准数倍之多。

据统计,1981-1985年间,我国每年因人类活动输入到环境中的废气总量为5.44×1012~7.07×1012m3,五年合计达2.53×1013m3,其中废气中的砷以干湿沉降形式进入农田;全国废水中砷的总排放量达到6295.18t,废水平均含砷在0.07~0.16mg/L,而在采矿或冶炼区周边,所排放的废水、废气中砷的含量无疑更高,这些随工业“三废”排放到农田的砷,是导致农田砷超标的重要原因。

②农业源。许多含砷的化合物如洛克沙胂等常被作为饲料添加剂用于养殖业中,经动物排泄物的农用,这些含砷化合物及其代谢产物被释放进入农田中。此外,在一些杀虫剂、消毒液、杀菌剂和除草剂中也常含有砷,尽管这类农用制剂已被禁止使用多年,但由于在个别地区的长期使用,已导致了砷在农田中的积累。

曾希柏等对山东寿光、湖南郴州和石门的农用化肥及有机肥中砷含量调查表明,由于大量施用含砷量高的有机肥及无机肥等原因,农田中砷的含量有逐年升高的趋势,且其升高趋势与有机肥及化肥中砷的含量、肥料投入量等密切相关。

③其他来源。一些生活污水、废弃物及医学药物中也常含有一定量的砷,这些物质的随意丢弃也在一定程度上增加了农田中砷的累积风险。

综上所述,农田中砷的来源离不开自然源和人类活动的影响,且自然源相对单一、影响也较小,而人类活动则是加速农田中砷富集并可能引发污染的根本原因。与此同时,农田生态系统中砷的含量水平、分布特征、土壤地球化学特性也在很大程度上与所处的环境条件等密切相关。

2农田中砷调控的技术和方法

在正确识别砷的来源,从源头上对砷输入农田进行阻控的同时,还要采取必要的措施对农田中的砷进行调控,降低作物对砷的吸收量和收获物中砷的含量、减轻其环境风险,保障农产品质量安全和农业环境安全。目前,国内外针对砷超标农田的调控主要包括物理调控、化学调控、生物调控和农艺调控等(图1)。各措施在调控农田土壤中砷有效性方面的相关机理、优点和缺点如表1所示。

(来源:互联网)
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