城鎮大面積農田土壤重金屬檢測與監測的原理、方法及應用展望

張靜靜　周衛紅　鄒萌萌　劉影　杜小龍　李建龍

摘 要：近年來，隨著社會經濟的發展和人口數量的增加，城鎮農田土壤重金屬污染問題越來越嚴重，對糧食安全和人類身體健康構成嚴重威脅，因此，需要及時有效地獲取農田土壤重金屬污染信息，做到早發現、早治理。本文綜述了近年來國內外農田土壤重金屬的常規、新型檢測和監測方法，包括其原理、特點及應用現狀，對不同的方法的優缺點進行對比，并指出可以利用地面或航空航天高光譜遙感獲取農作物葉片或籽粒光譜數據反演土壤重金屬含量，將檢測與監測相結合，從而實現土壤重金屬污染的大面積立體監測，這將為農田土壤重金屬污染的監測和修復提供技術支持。

關鍵詞：城鎮農田土壤重金屬；檢測方法；高光譜遙感；原位主動監測；食品安全

中圖分類號：X833 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.05.006

Abstract：In recent years，with the rapid development of social economy and increasing population， heavy metal contamination of towns agricultural soil is becoming serious increasingly， which threatens food security and human health. So we need acquire the information of soil heavy metal pollution quickly and effectively in order to realize the principle that the earlier we find it， the earlier we curb it. This paper summarized the traditional and new soil heavy metal detecting and monitoring methods at home and abroad in recent years and analyzed their theories， characteristics and service condition，and contrasted the advantages and disadvantages of different methods. Then it pointed out that we can use the surficial or aerospace hyper spectral remote sensing to acquire the spectroscopic data of crops leaf or grain in order to invert the concentration of heavy metals， and we should combine the detection with monitoring to realize the widely and three-dimensionally monitoring of soil heavy metal contamination， all which will provide technical support for the monitoring and restoration of soil heavy metal pollution in the future.

Key words：towns agricultural soil heavy metals；detection methods；hyper spectral remote sensing；monitoring in situ and actively；food security

農田土壤是由有機質、礦物質、無機質、水分等多組分組成的，可為農作物的生長提供基質和營養元素。但隨著工業“三廢”的排放，農藥、化肥的使用，污水灌溉農田等活動的加劇，農田土壤重金屬污染問題日益加重。重金屬具有隱蔽性、滯后性、不可逆性、長期性、治理難且周期長的特點[1]，因此，一直被世界各國環境科學工作者視為研究重點。

過去國內外對土壤重金屬污染的研究多集中在化工廠、電子廠、污水等附近的土壤重金屬污染研究上，這些地方由于距離重金屬污染源頭較近，土壤重金屬污染較為嚴重，檢測其污染水平較為簡單。但隨著重金屬污染問題的加重，農田土壤也不可避免地受到污染，農田土壤是糧食作物、蔬菜、瓜果等食物的生長母質，一旦被重金屬污染，必然會影響到農作物的品質和產量，進而對人體健康造成巨大威脅，所以對城鎮農田土壤重金屬污染進行快速、準確地監測是非常有必要的。

基于此認識，筆者就國內外農田土壤重金屬檢測和監測的方法及其優缺點進行綜述，按照其實用性將其分為常規檢測方法和新型監測方法，通過比較各自的優缺點和適用性，指出未來農田土壤重金屬監測方法的發展趨勢：利用高光譜遙感從農作物葉片或籽粒光譜數據反演重金屬污染，將化學檢測與實時監測相結合，實現土壤重金屬污染的大面積原位立體監測，為農田土壤重金屬污染的監測和治理提供技術支持。

1 國內外城鎮農田土壤重金屬污染現狀

隨著農田土壤重金屬污染的逐漸加重，及其對人體已經造成的傷害，國外屢有報道，如日本“鎘大米”造成的骨痛病、泰國農產品As超標造成的“黑腳病”，人們逐漸意識到土壤重金屬污染的嚴重程度。全球各國土壤都存在不同程度的重金屬污染，全球每年排放鉛約為5×104 t、鎳約為1×106 t、汞約為1.5×104 t、錳大約1.5×107 t [2]。國內農業部農產品污染防治重點實驗室對全國24個省市土地調查結果顯示，我國存在320個嚴重污染區，面積約5.48×106 hm2，而重金屬超標的農產品占污染物超標農產品總面積的80%以上[3]。而且通過對我國多個地區農田土壤鉛、鉻、汞、鎳、鎘的濃度分析發現，多數地區的實測值高于其背景值，全國二十多個省市中有三百多個重金屬污染區[4]，2010年的調查顯示，黃浦江中上游地區土壤中鎘、汞、砷、鉻和鉛的質量分數都超過土壤背景值的60%以上[5]。