我国农田土壤重金属污染防治面临的问题与挑战

1、农田土壤酸化严重
农田土壤酸化增强了土壤重金属活性及其迁移和扩散能力，减弱了土壤—植物系统重金属迁移屏障，加剧了重金属污染的危害。Blake和Goulding在英国洛桑试验站的研究指出，强酸性土壤（pH=4）在100年中活化了近60%~90%的土壤总镉。Römkens等对台湾土壤—水稻系统3198个样品重金属含量的调查显示，大部分Cd含量超标稻米产自土壤Cd含量不高却严重酸化区域。我们对湖南省某地的调查也显示在土壤pH＜5.5的菜地和水稻田中，蔬菜和稻米Cd含量超标率分别为7.8%和89.4%；而在土壤pH＞6的菜地和水稻田中，蔬菜和稻米Cd 含量显著降低至1.3%和32%。
 
我国土壤酸化面积近200万hm2，近年来粮田、菜园和果园酸化趋势均有增加。Guo等指出1980―2000年我国5种典型土壤pH降低范围为0.13~0.8unit。其中水稻土酸化最为严重，1980―2000年水稻土pH年均下降速率为0.012unit。而1988―2013年，水稻土pH年均下降速率上升至0.023unit。这也是导致我国近年来稻米Cd含量超标问题多发，而同样以水稻为主要农作物的其他亚洲国家（泰国、韩国、日本等）稻米Cd 含量超标问题不突出的主要原因之一。

氮肥施用不当、连作种植致酸作物及酸沉降是造成我国农田土壤酸化的主要原因。近30年来我国氮肥施用总量增长了近200%，年氮肥消费量占到全世界氮肥总量的34%。而每增施100kg·hm-2的氮肥，水稻土pH就下降0.65 unit。我国每年通过各种途经损失的氮量占到总氮量的52%，据估算因氮损失每年向土壤释放2×104~2.2×105 mol·hm-2的H+，为酸沉降的10倍~100倍。连年重茬种植单一致酸农作物进一步加速了农田土壤酸化。据估算我国每年有超过20t hm-1 的干物质生物量被收获，导致大量盐基离子被从土壤中移除，并产生1.5×103~2×103 mol·h-2的H+。酸雨是酸沉降的主要形式。作为世界第三大酸雨区，酸雨覆盖面积占到我国国土的40%。华中酸雨区（以长沙、株洲，赣州和南昌为中心）酸雨频率高达90%以上，这些地区也是近年来稻米Cd含量超标问题多发的主要区域之一。

提高氮肥利用率，科学施用土壤改良剂，加强作物致酸研究和控制氮、硫污染物排放可助于缓解我国农田土壤酸化问题。

2、土壤元素失衡
土壤生态系统中一些盐基离子与重金属元素在农作物吸收和转运中存在密切的消长关系。长期不合理的耕作制度会造成农田土壤盐基离子大量流失，进一步增加了农作物对重金属的累积风险。刘春生等指出经酸雨淋溶的土壤在10 年中淋失K+、Na+、Ca2+和Mg2+总量分别为530、567、5071和781 mg·kg-1。Wang等指出长江三角洲地区60.7%的农田Ca2+流失严重，这些土壤中收获的小麦对Cd和Ni的累积量分别是富Ca2+土壤中收获的小麦对Cd和Ni累积量的2倍和3倍。

Yang等于近年发现了调控水稻根部吸收Mn2＋和Cd2＋的关键抗性蛋白基因（OsNRAmp5），从分子层面揭示了土壤Mn与水稻吸收和转运Cd 过程密切相关。我们在湖南省某地的调查也发现当土壤无定形锰（Mnox）低于82 mg·kg-1时，稻米Cd富集因子（PUF）大于1的概率高达83.8%，而当Mnox提升至132mg·kg-1时，该风险概率降为29.3%。当前该地区土壤Mn平均含量只有248 mg·kg-1，显著低于湖南省土壤Mn 背景值（459 mg·kg-1）。我们通过大田实验进一步验证了增施Mn肥（MnSO4）可有效降低稻米Cd 超标率（从100%降至33.3%）。因此土壤Mn的严重流失是造成该地区稻米Cd含量大范围超标的主要原因之一。

土壤盐基离子的流失也是造成很多修复措施在实际应用时效果不佳的主要原因之一。重建土壤元素平衡有助于提升土壤修复效率和保障土壤生态系统的健康运转。