我國農田土壤重金屬污染現狀、成因與診斷方法分析

張繼舟，王宏韜，倪紅偉，馬獻發，袁 磊

(黑龍江省科學院自然與生態研究所，濕地與生態保育國家地方聯合工程實驗室，黑龍江哈爾濱 150040)

1 農田土壤重金屬污染現狀與溯源分析

1.1 農田土壤重金屬污染現狀

我國土壤重金屬污染現象十分嚴重。研究表明，我國重金屬污染的農田面積約2 500 萬m2，每年被重金屬污染的糧食多達1 200 萬t，進而導致糧食減產高達l 000 多萬t，合計經濟損失至少200 億元［1－2］。

農業部曾對全國24 省、市320 個嚴重污染區土壤調查發現，土壤重金屬超標率占污染土壤和農作物的80%。我國污灌區面積約140 萬hm2，遭受重金屬污染的土地面積占污染總面積的64.8%，其中輕度污染占46.7%，中度污染占9.7%，嚴重污染面積占8.4%，其中又以Hg 和Cd 的污染面積最大。全國目前約有1.3 萬hm2耕地受到Cd 的污染，涉及11 個省市的25 個地區;約有3.2 萬hm2的耕地受到Hg 的污染，涉及15 個省市的21 個地區［3］。

研究表明，上海浦東新區農田土壤中Pb、As、Hg 的積累不顯著，而Cu、Zn、Cd、Cr 平均含量顯著高于背景值［4］。上海地區農田土壤重金屬含量除As 外，其余平均含量均高于該區的背景值，尤其是Zn、Cd、Cr、Hg 的平均含量遠高于其背景值，是上海農田土壤中主要的重金屬累積污染物［5－6］。

對吉林省農田土壤重金屬污染狀況研究顯示，大豆田土壤中Cd 含量超標率為6.67%;玉米田中Cu含量、Cd 含量超標率分別為1.39%和5.56%;水稻田中各重金屬元素含量均低于相應pH 條件下的土壤環境標準限制，土壤的污染等級屬于“清潔”一級［7］。沈陽地區蒲河、渾河、細河以及沈撫灌渠周邊農田表層土壤中Cd、Hg、Zn 污染較普遍，Pb、Cu、Cr 和As 在部分地區受到污染，部分細河沿岸農田土壤受到嚴重污染［8］。牛佳田等對［9］黑龍江省佳木斯郊區農業土壤重金屬(Cd、Hg、As、Pb、Cr)監測和分析顯示，重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr 質量分數，對比三江平原土壤微量元素背景值，均有不同程度累積與升高。

姚學良等對成都市金牛區9 個鄉主要農作物和城市菜園、果園作物區土壤分析得出，土壤已經受到了重金屬的嚴重污染［10］。成都市農業土壤生態危害級別為中等生態危害，就單個金屬生態危害因子而言，Hg 和Cd 達到中等生態危害程度，Pb、As、Cu、Zn、Cr 達到輕微生態危害［11］。據李瑞平［12］報導，泰安市農田土壤重金屬的累積現象比較明顯，尤其是Hg、Ni、Cu 的最大值均超過了國家土壤環境質量二級標準。其中土壤中Cr、Zn、Ni 和Pb 四種元素的潛在生態風險均處于低危害水平，Hg、Cd、Cu 均存在不同程度的潛在生態風險。賈琳等［13］對禹城各區農田土壤研究得出，Cr、Ni、Pb、As、Cu、Zn、Hg 和Cd 八種重金屬的含量均超過黃河下游潮土區的背景值。潛在生態風險評估表明，當地的農田土壤Cr、Ni、Pb、As、Cu、Zn 有輕度的生態風險，Hg 和Cd 存在較大的生態風險。金成俊等［14］研究龍井市近郊農田土壤重金屬主要污染元素為鎘，應用土壤綜合污染指數診斷得出，其污染狀況為輕度污染。

通過對都江堰城區周邊農田土壤Cr、Cu、Cd、Pb、Zn 5 種重金屬元素研究得出Cu、Cd 為主要污染元素，污染指數處于輕、中度污染，Cr、Pb、Zn 對土壤尚未構成污染關系，研究區土壤重金屬總體污染程度較輕［15］。息朝莊等［16］對湖南湘潭市54 個農田土壤樣本重金屬含量分析得出，樣本中Cd、Hg 兩種重金屬達重污染，Cu、Zn 屬于中污染，Cr 為輕度污染，Pb、As 屬于尚清潔。魏婷婷等［17］研究得出，豫北5 縣土壤的Cu、Zn、Cd、Cr、Hg、As、Ni，Pb 等八種重金屬單因子污染指數及綜合污染指數均在安全級內，土壤處于清潔水平。

1.2 污染成因分析

土壤重金屬的來源主要有兩方面，一是來源于成土母質，不同的母質、成土過程所形成的土壤，其重金屬含量差異明顯。二是來源于人類活動，當前人類活動是土壤重金屬的最主要來源。由于人類的活動，我國多數地區的農田土壤受到了不同程度的污染［18］。下面重點就人類活動對我國農田土壤重金屬的污染進行詳細論述。

1.2.1 工礦區與工廠場地的固體廢棄物。礦區的采礦活動導致周邊農田土壤重金屬嚴重污染在我國尤為突出，常青山等［19］研究得出，福建礦區土壤重金屬元素Zn、Pb 和Cd 的含量均達到重污染水平。戴清文等［20］研究得出，江西省主要礦區周邊農田土壤中Cu 和Cd 的最高含量分別達到2 081 mg·kg－1和29.8 mg·kg－1。張新英等［21］為探明大環江沿岸受有色金屬礦業影響污染嚴重的稻田和廢棄農田的重金屬狀況，采集了廣西河池板力村沿岸稻田土樣研究顯示，廣西河池大環江板力村河岸污染農田主要超標元素為Pb、Zn 和As，廢棄田中這幾種元素的平均濃度分別為388 mg·kg－1、275 mg·kg－1和29.4 mg·kg－1。依據地質累積指數判定法，Pb 為強污染，Zn 為中度污染，As 為輕污染。徐莉等［22］對長江三角洲某典型廢舊電子產品拆解場地周邊基本農田保護區水稻土進行土壤重金屬污染特征研究。結果顯示，農田土壤中Cu、Cd 全量平均值分別達到土壤環境質量二級標準值的8.6 倍和31 倍，綜合污染指數為32.3，已達嚴重污染程度。

陳亞華等［23］對南京地區農田土壤研究表明，土壤Pb、Cu、Zn、Cd 質量分數的變化范圍分別為26.1 mg·kg－1～4 138.8 mg·kg－1、16.5 mg·kg－1～3 375.1 mg·kg－1、46.0 mg·kg－1～3 587.6 mg·kg－1、0.09 mg·kg－1～17.61 mg·kg－1，不同功能區土壤重金屬含量存在明顯差異。以礦區周邊農田污染最為嚴重，其次為污灌地和公路沿線農田，部分農產品基地存在輕度Cd 污染，工廠周邊農田土壤污染相對較小。李瑞平等［12］對泰安市110 個農田表層土壤(0～20 cm)中7 種重金屬(Cr、Zn、Cu、Ni、Pb、Cd、Hg)元素研究得出，研究區土壤中Zn、Cu、Ni、Cr 主要來源于工礦業活動，農業活動和居民生活對Cd和Hg 的影響較大，商業活動對Pb 污染貢獻最大。

1.2.2 工業“三廢”排放及大氣和酸雨沉降。工業“三廢”及大氣和酸雨沉降，既造成了土壤的嚴重酸化，又造成土壤重金屬的污染。大氣的干濕沉降是城市周邊農田土壤重金屬積累的主要途徑，目前國內的學者對大氣的汞沉降研究較多［24－25］，而其他重金屬的干濕沉降研究較少。張乃明研究得出，太原市重金屬Hg、Cd、Pb 沉降量分別為每年4.48 g·hm－2、6.34 g·hm－2、349.4 g·hm－2［26］。Cd、Hg 和Zn 是上海農田土壤中主要的重金屬累積污染物，其累積原因是長期以來郊區工業“三廢”排放和過去污水農田灌溉、污泥農用區的受污染土壤因城市開發建設發生遷移［5］。王定勇等研究表明，燃煤已成為大氣汞的最主要來源，而且大氣汞濃度與土壤汞含量呈顯著的正相關［27］。王起超等研究得出，1995 年我國燃煤排放汞302.9 t，其中向大氣排放量為213.8 t，北京、天津、上海等超大城市排汞強度較高［28］。

1.2.3 長期污灌。我國由于水資源分布不均，在淡水資源缺乏地區，長期污灌是造成土壤重金屬污染的另一個重要原因。由于我國仍處于發展階段，大部分地區境內的小流域長期受采礦、冶金、化工、電力等行業的工業污水的污染，水質惡劣，重金屬含量較高，因此，這樣的污水灌溉很容易導致重金屬在農田土壤中長期富集，易造成土壤重金屬污染。南忠仁等［29］研究得出，白銀市污灌區農田土壤中Cd 的平均含量為3.16 mg·kg－1，最高值為19.32 mg·kg－1。崔德杰等［30］調查得出，我國約1.4 萬km2的污灌區中，遭受重金屬污染的土地占64.8%，其中輕度污染占46.7%，中度污染占9.7%，嚴重污染占8.4%。賈琳等［13］對禹城各區農田土壤研究得出，城市化進程、畜禽養殖和污灌是造成土壤Cd 高生態風險的主要因素，城市化進程和污灌也是造成土壤Hg 高生態風險的主要因素。

1.2.4 交通污染，汽車輪胎磨損及排放的尾氣。交通污染也是土壤重金屬元素的重要來源之一，汽車輪胎磨損及排放的尾氣中含有Pb、Zn、Cu 等若干種重金屬元素［31］。劉廷良等［32］的研究表明，汽車輪胎添加劑中的Zn 是城市土壤中Zn 的重要來源。菲爾漢·漢杰爾等［33］對烏魯木齊市市區交通主干道二側土壤中鉛、鎘等6 種元素的含量調查表明，在交通密集易形成堵車的路段，土壤中重金屬富集的量較高，在交通順暢或車流量少的路段，土壤中重金屬含量相對較低，鉛污染的主要來源是汽車尾氣。索有瑞等［34］對西寧市郊主要公路兩側的土壤和植物中的重金屬鉛含量進行了測定，結果表明，土壤和植物中鉛污染都較嚴重。Lee［35］對法國索洛涅地區A71 號高速公路兩側土壤中重金屬元素污染狀況的研究發現，Pb、Zn 和Cd含量均超過當地土壤背景值的數十倍。張永春等［36］研究表明高速公路兩邊的土壤“病情”嚴重，公路兩側100 m 范圍內都屬于“污染帶”，主要是Hg 和Pb 等重金屬含量超標，對土壤的污染可深達30 cm。專家研究認為污染來源于汽車尾氣排放的Pb、未燃盡的四乙基鉛殘渣及汽車輪胎磨損產生的粉塵進入土壤。

1.2.5 有機肥、化肥和農藥的大量施用。化肥和農藥的大量施用也可導致土壤重金屬元素的累積。對浙江省復混肥料、有機－無機復混肥料和有機肥料品質的研究表明，有機肥料中35%的樣品Cd 含量超標，10%的樣品Pb 含量超標［37］;對我國主要商品有機肥料和有機廢棄物的重金屬元素含量狀況的分析發現，Zn、Ni、Cu、Pb、Cd、Cr 和Hg 均存在超標現象［38］;對多年施用磷肥的土壤中Cd 調查表明，表土中Cd含量與全磷含量存在極顯著的相關性［39］。Cd、Hg 和Zn 是上海農田土壤中主要的重金屬累積污染物，污染原因與過去大量施用含Cd 雜質的過磷酸鈣化肥和含Zn 較高的雞糞和豬糞有機肥有關［5］。

2 土壤重金屬污染診斷與評價

土壤重金屬污染診斷方法很多，目前應用最廣的主要是地積累指數診斷法、潛在生態風險指數法診斷法、內梅羅綜合污染指數診斷法，下面依次介紹如下。

2.1 地積累指數診斷

地積累指數(Index of Geo－accumulation，)又稱Mull 指數，是20 世紀60 年代晚期在歐洲發展起來的廣泛用于研究沉積物及其他物質中重金屬污染程度的定量指標［40－45］. 計算公式如下:

式中:Cn——實測重金屬含量，mg·kg－1;Bn——當地沉積物重金屬含量背景值，mg·kg－1;K——考慮到成巖作用可能引起背景值波動而設定的常數，K=1.5，地累積指數的分級標準與污染程度的劃分見表1。

2.2 潛在生態風險指數法診斷

潛在生態風險指數法(The Potential Ecological Risk Index)是瑞典科學家Hakanson 于1980 年提出的，評價重金屬潛在生態風險的一種相對快速、簡便和標準的方法。由于綜合考慮了多元素的協同作用、毒性水平、污染濃度及生態對重金屬的敏感性等方面的因素［46－50］，潛在生態風險指數法得到了較為廣泛的應用。計算公式如下:

表1 地累積指數法分級標準Tab.1 Classification criteria of index of geo-accumulation

表2 潛在生態風險指數法分級標準Tab.2 Classification criteria of the potential ecological risk index

2.3 內梅羅綜合污染指數診斷

內梅羅綜合污染指數按式(1)計算:

式中:PI——綜合污染指數;(Ci/Si)max——土壤重金屬元素中污染指數最大值;(Ci/Si)ave——土壤各污染指數的平均值;Ci——第i 個檢測點污染物的實測值;Si為第i 個檢測點污染物的評價標準即背景值。采用內梅羅綜合污染指數進行土壤環境質量綜合評價，全面反映了各污染物對土壤的不同作用，同時又突出高濃度污染物對土壤環境質量的影響，因此按綜合污染指數最終評定，劃定質量等級。土壤污染分級標準見表3［52］。

表3 土壤污染分級標準等級Tab.3 Classification criteria of soil contamination

2.4 其他污染診斷方法

其他污染診斷方法還包括:英國Tomlison 的污染負荷指數法［53］，Hilton 等的回歸過量分析法［54］，賈振邦等的臉譜圖法［55］和霍文毅等的次生項富集系數法［56］。

3 展 望

我國是個農田緊缺的國家，保護好耕地資源已經迫在眉睫。目前，農田土壤重金屬污染嚴重，土壤重金屬污染多為綜合性、復雜性、伴生性的復合污染。因此，單個污染指數已經無法滿足診斷評價需求，必須采用多重指數診斷評價方法。然而，目前的土壤重金屬綜合診斷方法均是國外幾十年前的診斷方法，有些并不復合我國的實際需求，建立一套適合我國國情的完善的農田土壤重金屬污染診斷、評價體系十分必要，這樣既可以合理有效的利用我國有限的耕地資源，又可以為我國土壤、糧食安全保駕護航。

然而，農田土壤重金屬污染診斷、評價體系的建立，是一項系統的工程，需要廣大科技工作者共同努力，用大量科技成果作為支撐。展望如下:

①必須是專業科研人員科學的進行全國土壤重金屬污染普查，徹底摸清我國土壤重金屬的含量狀況。近些年環保部等國家部委也在各地進行過全國污染普查，但是并不夠具體詳細，普查樣點的選取科學性并不是很高，這樣就對最終結果造成很大的影響。

②采用雙重或多重標準進行土壤環境污染狀況的評價，這樣可以更全面地了解當地土壤污染狀況。馬成玲等［57］對長江三角洲常熟市研究表明，以當地土壤環境背景值上限值為標準進行評價，7 種重金屬均有超過背景值現象，其中以Hg、Pb、Cr、Cu 和Zn 問題較多，超標率達13.6%～20.4%。而以GB 15618－1995 土壤壤環境質量標準二級標準值進行評價，則Cd、Pb、Cu 和Zn 均有超標，Hg 有30.6%的土壤樣品超標，As、Cr 不超標。

③多學科聯合攻關，利用現有已知的普查數據，建立符合我國實際的土壤重金屬污染診斷評價模型。

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