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全世界为土壤的污染构筑了庞大的土壤环境标准

2020-01-06 00:18

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导 读

表土污染已经是个世界性问题,世界上第一个土壤环境标准是由前苏联建立,到2013年,据美国科学家AA Jennings整理,全世界至少有72个联合国会员国对土壤中57个元素颁布了高达5949个规制标准。

中国环境保护部1月13日公布了新的《土壤环境质量标准》。今年1月1日,新的《中华人民共和国环境保护法》正式实施。在这种背景下,该征求意见稿的出台具有积极的意义。通过细读该征求意见稿,提出以下几点看法,以供商榷。

时至今日,很多人还对3年多前环保部联合国土资源部公布的《全国土壤污染状况调查公报》中一个问题充满困惑:他们将点位超标率误当超标面积,对镉的点位超标率高达7.0%甚为不解。为什么是镉的超标率高企,镉从何而来?和国外相比,耕地镉太高了吗?曾经在日本带来痛痛病的镉还有什么影响?耕地镉污染与粮食超标是怎样一种关系?为了正确理解上述问题,笔者将从标准、时间、空间、粮食超标率等维度对此做一些解读。

文/陈能场(广东省生态环境与土壤研究所研究员)

一、如何看待耕地土壤中的重金属

标准与时空维度

少年山里牧牛,不小心脚趾踢伤,最常见的做法是拿块土坷垃捻碎或用湿泥盖在伤口上止血,今天,全世界为土壤的污染构筑了庞大的土壤环境标准。

土壤发育于地壳的岩石,因此重金属本身在土壤中是一种客观存在。由于现代工矿业的环境污染、农业生产中肥料、农药的过度施用等导致了外源重金属在土壤中的积累或污染。

超标率的计算基础是土壤环境质量标准(或者特定的评价参比值),标准的高低影响超标率的数值。

2000年,为了强调今天的人类在地质和生态中的核心作用,诺贝尔化学奖得主保罗·克鲁岑提出了人类世的概念。土壤污染和土壤环境标准的制订无疑是人类进入人类世并强烈影响着我们赖以生存和发展的土壤的最好注脚。

自然界大约有54种比重大于5.0的重金属,它们在土壤-植物系统中有着各自的物理、化学和生物学行为。通常所说的重金属主要有8个即镉、砷、铅、汞、铬、镍、铜、锌。这些重金属对人体健康影响大,其中前五个被认为“五毒”。

上个世纪中叶日本发生因长期食用镉超标稻米而导致痛痛病事件之后,很多国家都对土壤镉含量制定了标准。时至今日,在全球所有的土壤标准中,镉的标准值有400个,最低的是2005年拉脱维亚制定的0.08mg/kg,最高的为美国俄亥俄州环保局规定的83000mg/kg,相差6.0个数量级(百万倍);90%的标准值都在100mg/kg以内。

世界性范围内的土壤标准概况

镉由于其相对迁移率高、且通常毒性不会表现在作物的减产上,是最受关注的重金属元素。日本耕地管制的重金属主要是镉、砷和铜,前者因人体健康效应,后两者源于对作物生长的影响。

对于农田,各国标准很不一致。我国农地镉标准为镉总量0.3mg/kg(pH7.5为0.6mg/kg),而我国台湾于2000年制定的镉标准高达5.0mg/kg,相差16.7倍;英国2002年制定的标准为2.0mg/kg,是我国标准的6.7倍。除了丹麦、芬兰所定标准是0.3mg/kg之外,其他所有国家的耕地镉含量均高于我国,如捷克0.4mg/kg,加拿大0.5mg/kg,德国沙土0.4mg/kg、黏土1.5mg/kg。此外,大多数国家以土壤全量为标准。

表土污染已经是个世界性问题,世界上第一个土壤环境标准是由前苏联建立,到2013年,据美国科学家AA Jennings整理,全世界至少有72个联合国会员国对土壤中57个元素颁布了高达5949个规制标准。

台湾和大陆都同时关注这8个重金属,但台湾在计算土壤污染时去除了铜和锌,因为这两个元素同时也是生命体的必需元素。

不论以何种形式设定标准,我国标准最低,因此我国耕地土壤的镉超标率高其实与实行最低标准有关。若拿其他国家的土壤镉标准来计算,我国耕地土壤的镉超标率就会大大降低。

单是美国,至少有6联邦机构,46个州和行政区域、市、县、地区以及美国本土司法管辖自治区颁布了土壤环境质量标准,其重金属标准值高达1143个。

重金属在土壤中以各种形态存在,对食品安全和人体健康影响的主要是有效性部分,因此对于部分特定地区土壤中的重金属来说,其总量和有效态均应受到足够的重视。

从时间角度来看,我国1990年《中华人民共和国土壤环境背景值图集》公布的全国范围内调查的4095个分析样点的镉算术平均值为0.097mg/kg,几何平均值0.074mg/kg,中位数为0.079mg/kg,95%置信限为0.017~0.333mg/kg。

除了重金属,有44个成员和四个地区对被认为会致癌和致突变的8个多环芳烃[苯并蒽,苯并芘,苯并荧蒽,苯并荧蒽,二苯并蒽,屈和茚并芘]这类有机毒物在住宅地中的含量建立了1991个数值的标准,39个国家对其中被认为不致癌的8个多环芳烃[苊,苊,蒽,苯并苝,荧蒽,芴,菲,芘]在住宅地中的含量建立了高达1791值的标准。

土壤性质和重金属本身的相互作用决定着其有效性。最显著的例子莫过于世界上的三个矿区,英国西南部的Shipham矿区的土壤镉含量堪称世界最高,达998mg/kg, 这一结果在上世纪70年代被发现时曾经引起哗然,但到2000年被证实并没有给当地居民的人体健康带来显著的影响。日本的痛痛病区的土壤镉含量最高在6.5 mg/kg左右,而韶关大宝山下的上坝村土壤平均镉含量在0.5mg/kg,最高不超过1mg/kg,但当地居民的镉摄取量是WHO的3.6倍。影响着这三个矿区镉的食品安全和人体健康效应的关键因素是土壤性质,表现在Shipham矿区的镉有效性为0.004%, 日本的痛痛病区4%,韶关大宝山下的上坝村80-90%之间。在各土壤性质中,土壤酸碱度是最关键的因素。

而美国于1986年发表的36个州偏远地区作物生产区的农业土壤(刻意避开污染)3305个点的镉中位数为0.2mg/kg,算数平均值为0.27mg/kg,95%置信限为0.005~2.4mg/kg,可以看出同期美国作物生产区的土壤镉含量比我国要高得多,平均值接近我国土壤镉环境质量标准0.3mg/kg。

农药也是土壤标准制定的重要对象,有54个成员国颁布了19400个农药指导值,其中最常用的农药的指导值都在100个以上,DDT的超过300个。人类活动污染了土壤,为了保护自身,人类不得不对土壤中这些毒物制订庞大的环境质量标准体系。

因此对于土壤中的重金属元素,分清主次要重金属,关注土壤性质对重金属有效性的影响极为重要。

很多国家对土壤进行了详细调查,如英国以5km5km调查全英土壤5692个点,镉平均值高达0.7mg/kg;日本稻田土壤的镉平均值为0.45mg/kg。如用我国的土壤镉标准来评价,以上国家都已超标。对比来看,我国7%的点位超标率(轻微5.2%、轻度0.8%、中度0.5%、中度0.5%)并不严重。而且发达国家土壤污染发生在两百多年来的工业革命进程中,我国则是在近三十多年改革开放过程中,两者存在着时间跨度的差异。

无疑,标准值设置太高会让人们难以避开其可能带来的健康风险,而设置太低则会导致土壤污染修复时过度修复和招致不必要的、昂贵的费用。

二、对征求意见稿的几点看法

另一方面来说,我国土壤镉含量从1990年算术平均值0.097mg/kg上升到2014年的点位超标(0.3mg/kg)7%,表明有大量的污染物镉进入土壤。

不同国家的土壤标准和修复标准千差万别

  1. 标准制订的目的

从空间角度来看,有研究表明,我国年排放到大气中的镉高达2186吨,燃煤排放镉强度最高可大于0.20kg/km2。估算每年进入农田的镉高达1417吨,其中来自大气沉降的镉493吨,占总量的35%;家畜粪便778吨,占总量的55%。很多人误以为化肥是镉的主要污染源,但来自化肥的镉为113吨,占总量的8%,其中来自复合肥的6%、磷肥的2%。由于灌水进入农田的镉为30吨,占总量的2%。

在AA Jennings统计的57个元素的5949个重金属监管指导值中,最受关注的8个重金属即:铅,镉,砷,镍,铬,汞,铜,锌,每个元素至少有300个监管指导值,最多的是铅高达409个,其次是镉400个、砷387个、镍374个、铬(VI)373个、汞362个、铜354个、铬(III)354个,最少的锌为351个。美国对这8个重金属的土壤标准数值总数达1191个。

在制订标准的目的上,不同时期的《土壤环境土壤环境质量标准》各有不同。如,1995年版是“防止土壤污染,保护生态环境,保障农林生产,维护人体健康” ,2008年进行修订时,征求意见稿将目的改为“防治土壤污染,保护生态环境,保障社会和经济发展,维护人体健康”。而本次发布的征求意见稿则将目的表述为“保护土壤环境,保障人体健康”。显然,本次标准制订的目的并不只是为“防止”(1995)或“防治”(2008)土壤污染,而是更注重于土壤环境保护,目的更为具体和明确。

在进入农田总量为1417吨的镉中,每年通过各种途径带走的为178吨,也就是只有13%的镉被输入,而87%滞留在农田中。设定耕层20公分、土壤容重为1.15g/cm3,则土壤镉含量年增0.004mg/kg。按照这个速度污染,从1990年的土壤背景值起算,50年内所有耕地土壤都将超过目前标准(0.3mg/kg)。

很有趣的是这些值的重金属监管指导值差别很大,如铅的指导值从0.78到3600mg/kg,跨度达3.6个数量级即4615倍,砷的指导值从0.0016到12900 mg/kg,相差达到6.9个数量级、镉的指导值范围从0.08到83000 mg/kg,跨度有6.0个数量级即1037500倍,镍的指导值变化幅度在3.0到47000 mg/kg, 跨度4.2 个数量级、铬(VI) 指导值范围从0.05到110000mg/kg,跨度有6.3个数量级、 铬(III)的指导值变幅为0.4到960000mg/kg,跨度6.4个数量级、汞指导值变幅为0.0005到1200mg/kg, 跨度6.4个数量级、铜指导值变幅为3.0到60000 mg/kg,跨度4.3个数量级、锌指导值变幅在8.0到190000mg/kg,跨度有4.4个数量级。

2014年4月17日,环境保护部和国土资源部联合发布了《全国土壤污染状况调查公报》。公报指出,全国土壤总的超标率为16.1%,其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。污染类型以无机型为主,有机型次之,复合型污染比重较小,无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%。

以上不仅表明了土壤污染源,也表明数十年中有大量镉进入土壤,造成《全国土壤污染状况调查公报》耕地重金属污染点位超标率达19.4%,而镉的点位超标率为7.0%。

以镉为例,看全世界的土壤标准

而对于耕地,土壤点位超标率为19.4%,其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%,主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃。该报告同时公布了林地、草地和未利用地的土壤点位超标率。

土壤重金属问题的核心

在全球所有的土壤标准中,镉的标准值有400个,最低的是2005年拉脱维亚制定的0.08 mg/kg,最高值为美国俄亥俄州环保局规定的83000 mg/kg,相差6.0个数量级,当然,这些标准值的90%的数值都在100mg/kg以内。

同时农业部也开展了农地的土壤污染调查,且在2014年底完成了样品分析。随着相关分析统计工作的完成,相信不久也会有相关的土壤污染状况进行公报。

由此可见,我国土壤的镉含量和其他发达国家相比并不很高。但为什么我国粮食镉超标率近年来变得很突出,以至于2013年镉大米新闻频频,而其他国家包括以水稻为主要作物的日本、韩国的大米相对安全?

将400个标准值从小到大进行作图,分析其数值分布曲线,可以发现数个数值族,即很多标准都落在同一数值上,如70mg/kg这一数值的标准有18个, 20 mg/kg 的有21个,10 mg/kg 的有29个, 2 mg/kg的有24个, 1 mg/kg 的有29个。以上这些数值共有121个,占400个镉标准值的30%。

如果本标准制订的目的并非为土壤污染的防治,那么以上这些公布或者有待公布的污染农田的治理用什么标准来进行评判呢?因此有关标准制订的目的应进一步加以考虑。

金属冶炼、燃煤发电、露天垃圾焚烧乃至吸烟都可以将镉排放到大气中。多年来,我国作为世界工厂,金属冶炼地区广泛、数量庞大,煤为主要能源,加之污染防控的法律和措施执行不力,也就不难理解为什么镉在整个土壤污染的超标率变得突出了。

目前美国EPA的监管指导值为70mg/kg,18个指导值的其他机构主要是美国各州或机构颁布的土壤值,此外两个值来自西班牙和马来西亚。

结合我国现在人多地少的国情,从上述公报公布的耕地土壤污染数据来看,耕地土壤污染治理迫在眉睫。事实上,早在2014年初,国家已经启动了湖南等耕地污染重点省份进行治理,但局限于治理标准的缺乏或者1995年发布实施的土壤环境质量标准的不适用,如何评价其治理效果也存在诸多问题。

同时,还与我国施肥结构发生变化有很大关系。数十年来,我国化肥特别是氮肥施用量不断攀升。很多学者指出,化肥施用量超过了世界225kg/ha的警戒线近1倍,带来了土壤酸化。长三角有些地方20年间土壤酸度增加了10倍,珠三角30年间耕地土壤pH值从5.7下降到5.4。

澳大利亚,保加利亚,克罗地亚,芬兰,法国,格鲁吉亚,德国,新西兰,俄罗斯,瑞士和中国台湾, 美国土著部落等21个国家和地区将土壤镉的监管指导值定位在20 mg/kg。

  1. 关于新标准删除自然背景值和高自然背景值和高背景值的问题

土壤对污染物具有缓冲性,土壤胶体对重金属具有很强的吸附能力。通常进入土壤中的重金属迅速被土壤胶体固定而老化,从而降低其对植物的有效性。但在酸性环境中,镉很难被老化。

乐白家,奥地利,保加利亚,加拿大,克罗地亚,芬兰,法国,德国,匈牙利,以色列,韩国,拉脱维亚,马其顿,挪威,俄罗斯,西班牙和英国以及美国加州等国家和地区所定的土壤镉监管指导值为10 mg/kg。

征求意见稿删除了现行标准中“一刀切”规定的自然背景值和高背景值。

欧美、日本等国家及我国台湾地区的大量试验表明,土壤酸碱度处于4.5~5.5区间时最容易产生镉大米。笔者很多试验结果也证实了这一结论,如在pH值为5.33、土壤全镉量为0.22mg/kg,品种筛选试验中的33个品种的大米镉含量均超过我国规定的食品卫生标准0.20mg/kg,也就是在酸性条件下,镉不超标的土壤一样产生镉大米。

将土壤镉监管指导值定为1 mg/kg的国家和地区共有29个,包括白俄罗斯,波斯尼亚和黑塞哥维那,保加利亚、中国(2007)、克罗地亚、丹麦、芬兰、德国、匈牙利、爱尔兰、马耳他、墨西哥、新西兰、波兰、俄罗斯、斯洛文尼亚、西班牙、坦桑尼亚、土耳其、英国、东非共同体和欧盟。

需要说明的是,原来的三级标准值,并非高背景值,而是在土壤-水、土壤-作物和土壤微生物的试验基础上根据生态效应法设定的数值。

综上所述,我国土壤重金属污染问题主要不在土壤镉总量的问题上,而在于数十年快速、大量镉进入土壤,且因土壤被酸化导致的外源镉的植物有效性很高的问题上,因而很有必要客观看待土壤污染,高度重视粮食安全。

我国1995年制定的土壤环境质量标准将pH6.5的土壤镉标准定位0.3mg/kg,可谓是全世界最为严格的标准。

无疑,土壤环境质量标准的制定旨在土壤的环境保护。土壤的自然背景值是国家“七五”期间,有关部门在进行了大量的土壤调查工作的基础上得出的,虽然在精度等方面存在一定的缺陷,但对于我国的土壤环境保护发挥了极为重要的作用。而目前的征求意见稿将自然背景值进行删除,似乎让土壤的环境保护失去了目标。

认识到这一问题有助于我国对土壤重金属污染修复的方法选择,也期待目前向全社会征求意见的《土壤污染防治法》在污染源消减问题上得到加强。整个土壤污染防治不仅仅关注土壤重金属量的减少或者固定,而应该重视土壤环境质量的概念,以土壤健康为目标,构建土壤污染的防治体系

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