2010年3月8日

土壤品質—農產品安全的關鍵

作者/陳尊賢(任教台灣大學農業化學系)

土壤是農業生產最重要的資源之一,唯有良好的土壤品質才能確保作物品質。土壤一旦無法發揮功能,將使糧食安全與食品安全亮起紅燈。

近年來全球糧食短缺的問題越來越嚴重,引起世界各國對糧食安全存量(food security)與農產品健康安全(food safety)的重視。糧食短缺的原因很多,主要可歸因於:(一)人口快速成長,尤其是在亞洲與非洲地區的開發中國家;(二)全球氣候變遷,暴雨造成土壤大量流失,沒有土地可生產足夠的農產品;(三)氣候變遷造成大乾旱,農業用水嚴重缺乏,無法生產農作物;(四)由於作物不耐高溫,全球暖化造成作物產量明顯減少;(五)農業土壤受到水汙染,生產力大幅降低,無法提供足夠的糧食與健康農產品;與(六)工業排放水汙染農業灌溉水源,造成作物產量與品質降低。

土壤是農業生產最重要的資源之一,一旦受到汙染,土壤品質(soil quality)即出現問題,連帶農產品產量將立即下降,作物品質(crop quality)也受到影響,食品安全跟著出現問題,進而影響到地面水,最後地下水也會受到汙染;因此土壤品質–作物品質–地下水品質要一起保護,三位一體。

有了好的水土資源,才能運用各種生物科技去生產更多且更健康的農產品,讓最大收益回饋到農業生產聯盟團體或直接回饋給農民,因此許多國家的農業首要政策為:「確保水土自然資源的數量與品質」。我國行政院環保署於2000年立法公告「土壤與地下水汙染整治法」,積極推動土壤與地下水品質之維護與整治,今年剛好屆滿10 周年。農委會農糧署也於2008 年起積極投入「農產品生產履歷制度」,從生產環境及生產過程監控農產品的品質,以生產健康安全的農產品。農委會農田水利處近幾年則積極監控生態環境農業用水,檢討灌溉用水是否受到工業排放水的汙染,並改善農業用水「搭排」(即搭配排放)部分工廠排放水的政策與後續管理策略。

做好水土保持 確保資源品質
所謂水土保持,指的是合理的土地利用、保護土地資源使其不發生任何形態的土壤劣化(soil degradation)現象、重建或恢復已沖蝕的土壤、改進草原林地等野生動物棲地、保蓄土壤中的水分及養分供作物利用,以及適當的農業灌溉、排水及防洪。做好水土保持,是維護水土資源的第一要務。

現代的水土保持技術,不僅要達到上述目標,還要獲得有效、豐富和永續發展的生產方式。水土保持技術有很多種,主要可分為三大類別:

一、農藝方法
包括等高耕作、密植草地、橫條間栽、輪作或間作、以作物覆蓋地表、以作物殘株或稻草覆蓋地表、以綠肥覆蓋地表與排水溝植草等。

二、植生方法
包括草帶法、噴植法、植生帶法、植草苗法、打樁編柵法等。

三、工程方法
包括製作平台階段、寬壟階段、山邊溝、防砂壩、石牆、截洩溝、排水溝與跌水等設施。

設於屏東科技大學的土壤沖蝕流失試驗基地,展示了多種水土保持技術,藉由量測土壤及養分流失的情況,可比較運用不同技術的差異與效果(圖一)。此外,為推廣水土保持觀念與技術,台灣目前共設有22個水土保持戶外教室(http://www.swcb.gov.tw/)。


土壤汙染與農產品安全
土壤受到氣候變遷或人為汙染,因而喪失原有的功能,稱為土壤退化或劣化,包括土壤物理性劣化、土壤酸化、鹽化、氮過多、土壤受重金屬或有機汙染物汙染、受沖蝕而流失、受壓實而使根部不易生長、喪失微生物物種與活力等。土壤退化後會直接影響農作物的產量與品質,在產量方面會降低至少20%,甚至完全死亡;農產品品質亦明顯下降,因而影響我們的健康。

農田土壤一旦受到重金屬汙染,土壤中的細菌、真菌及放射菌等菌數會急速下降,有機物釋放養分的礦化作用及硝化作用會減少,生物活性亦隨之降低,因而導致農作物減產。重金屬對作物大多為毒性物質,僅銅與鋅為動植物生長所必需,然濃度太高時亦會引起毒害作用;且土壤中過多的重金屬會被作物吸收累積於體內,經由食物鏈直接影響人類食品的安全。

作物吸收重金屬約有三種模式:(一)土壤中鋅濃度越高,地上可食用部位的鋅濃度越高,兩者間呈線性正相關;(二)土壤中重金屬濃度越高,地上部的重金屬濃度並不會呈線性濃度增加,而是維持在某一濃度範圍內(如銅);與(三)土壤中鎘濃度與米粒中鎘濃度無線性關係(圖二)。

圖二:桃園縣農田不同鎘汙染程度區,土壤中鎘濃度與水稻中鎘濃度關係圖。
圖中兩者間未顯示線性相關,表示土壤受鎘汙染後,較難由土壤鎘濃度「準
確」預測稻米中鎘濃度。

由以上三種模式可知,不同的重金屬在健康風險評估上就有差異。例如土壤若受鋅汙染,其生產力會明顯下降,農作物地上部的鋅濃度將因此大增,而直接影響農產品健康安全;但如果土壤受鎘汙染,則較難從土壤中鎘濃度「準確」預測稻米中鎘濃度。因此農政衛生單位為確保食米的安全性,必須在可能受鎘汙染的農業區,逐次或逐批檢測食米中鎘濃度是否符合食用安全。

整治汙染農田
農地受到汙染後,有許多有效的土壤整治技術(soil remediation techniques)可加以應用,包括:

一、上下翻轉稀釋法(soil dilution):
將汙染較輕微的上層15 公分深土壤與下層(深至1 公尺)未受汙染之土壤,進行「上下混合翻轉」達到稀釋效果,可有效降低土壤中汙染物的濃度。

二、酸洗法(acid washing):
針對汙染較嚴重的土壤,使用鹽酸或硝酸來混合沖洗,進行表面交換作用,以移除土壤表面吸附的重金屬,再進一步處理酸洗過之廢液,最後利用農用石灰及堆肥等物質,恢復土壤原有特性與生產力。

三、生物復育法(phytoremediation):
將受有機汙染物(如汽油、柴油及其他農藥等)汙染的土壤挖移至他處,以微生物物種加以分解,約三個月至半年左右,可有效降低有機汙染物的濃度。

除了以上三種技術,針對土壤汙染區還有許多有效的整治方法,讀者可自行參考行政院環保署土壤及地下水汙染整治基金管理委員會(簡稱土基會)的網站(http://sgw.epa.gov.tw/public/index.asp)。

土壤退化會使農作物產量降低至少20%,甚至完全死亡;農產品品質亦明顯下降,因而影響我們的健康。

台灣農地汙染現況
台灣從1980 年代開始工業化,迄今在西半部已建立及運轉的工業區很多,工業廢水排放造成河川及灌溉用水汙染時有所聞。以近幾年為例,經環保署土基會累積公告為汙染控制場址的農田面積已達407公頃,目前已經清理乾淨完成整治工作的有293 公頃。這些農田受到鎘、鉻、鎳、鉛、鋅及銅等6種重金屬汙染,我們推估尚未調查但已受汙染的區域應該還不少。

台灣農田土壤受汙染的區域,大都分布在西部各工業區廢水不當排放的下游地區,包括桃園縣中壢工業區、新竹科學園區、香山工業區、彰化地下工廠分布區下游、台中大里工業區等(詳細汙染地區及汙染面積請見土基會網站)。

部分農田受汙染,是因為農業用水短缺,需要「搭排」部分未依合約規定妥善處理的工廠排放水,以滿足農業用水供水需求,因此造成灌水區土壤酸化、土壤鹽分累積,甚至發生重金屬汙染(圖三A)或柴油汙染(圖三B)的情形。農委會目前正積極檢討搭排導致的後果,以確保灌溉水質及土壤品質。



  • 吸收重金屬 程度大不同—秈稻吸收鎘能力遠大於粳稻

農委會農業試驗所郭鴻裕組長的研究團隊,在2007~2009 年間於台灣各汙染區進行12 種水稻品種吸收重金屬鎘的田間試驗(圖A),證實稻米中的秈稻品種(印度品種)吸收土壤中鎘的能力,遠超過粳稻品種(日本品種)。
圖B和圖C為土壤中鎘濃度與糙米中鎘濃度的相關性分析,受鎘輕微汙染的農田中,只有少數粳稻品種稻米中鎘濃度超過食米衛生標準(每公斤0.4毫克),但大多數秈稻品種鎘濃度皆遠超過食米衛生標準(圖B)。受鎘嚴重汙染的農田中,所有粳稻品種鎘濃度約每公斤2~4 毫克,已遠超過食米衛生標準,但所有的秈稻品種鎘濃度則更高達每公斤4~16 毫克(圖C)。因此在此高汙染區內種植秈稻,對人體健康的風險會比種植粳稻高很多。
目前我國衛生署訂定的食米衛生標準為:每公斤中鎘0.4 毫克、汞0.05 毫克與鉛0.2毫克,其他各類食品衛生標準則陸續公告中,但世界衛生組織已訂定食米、蔬菜及肉類產品中各種重金屬管制標準,台灣未來應跟上國際趨勢,加速訂定各類食品的管制標準。













結語
為了確保水資源及土壤資源的品質,我們要重視水土資源的保護,避免資源被破壞或流失,首要工作是做好水土保持,以及防範土壤汙染的工作。水土資源一旦受到汙染或喪失其功能,農產品的生產力將立即明顯下降,農產品的健康安全亦受到影響。因此,汙染的土壤要儘速加以整治,使其恢復原有的功能與生產力,才能生產安全的農產品,維護國人的健康。(本文圖片皆由作者提供)


參考資料
1. Chen Z.S., Metal contamination of flooded soils, rice plants, and surface waters in Asia, Biogeochemistry of Trace Metals, 85-107, 1992.
2. Chen Z.S., Su, S.W., Guo, H.Y., Tsai, C.C., and Hseu, Z.Y., New aspects of collaborative research on soil pollution, food safety and soil remediation techniques in Asia, Technical Bulletin of FFTC, vol. 175:35, 2007. 
3. Hseu, Z.Y., Su, S.W., Lai, H.Y., Guo, H.Y., Chen, T.C., and Chen, Z.S., Remediation techniques and heavy metals uptake by different rice varieties in metals-contaminated soils of Taiwan: New aspects for food safety regulation and sustainable agriculture, Soil Science and Plant Nutrition (in press), 2010.
4. Lai, H.Y., Juang, K.W., and Chen, Z.S., A large area experiment to study the uptake of metals by twelve plants growing in combined metalscontaminated soils, International Journal of Phytoremediation, vol. 11:235-250, 2009.
5. Römkens, P.F.A.M., Guo, H.Y., Chu, C.L., Liu, T.S., Chiang, C.F., and Koopmans, G.F., Characterization of soil heavy metal pools in paddy fields in Taiwan: chemical extraction and solid-solution partitioning, Journal of Soil and Sediments, vol. 9:216-228, 2009.
6. Römkens, P.F.A.M., Guo, H.Y., Chu, C.L., Liu, T.S., Chiang, C.F., and Koopmans, G.F., Prediction of cadmium uptake by brown rice and derivation of soil-plant transfer models to improve soil protection guidelines, Environmental Pollution, vol. 157:2435-2444, 2009.



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