我国农田土壤重金属污染现状、成因与诊断方法分析

张继舟，王宏韬，倪红伟，马献发，袁 磊

(黑龙江省科学院自然与生态研究所，湿地与生态保育国家地方联合工程实验室，黑龙江哈尔滨 150040)

1 农田土壤重金属污染现状与溯源分析

1.1 农田土壤重金属污染现状

我国土壤重金属污染现象十分严重。研究表明，我国重金属污染的农田面积约2 500 万m2，每年被重金属污染的粮食多达1 200 万t，进而导致粮食减产高达l 000 多万t，合计经济损失至少200 亿元［1－2］。

农业部曾对全国24 省、市320 个严重污染区土壤调查发现，土壤重金属超标率占污染土壤和农作物的80%。我国污灌区面积约140 万hm2，遭受重金属污染的土地面积占污染总面积的64.8%，其中轻度污染占46.7%，中度污染占9.7%，严重污染面积占8.4%，其中又以Hg 和Cd 的污染面积最大。全国目前约有1.3 万hm2耕地受到Cd 的污染，涉及11 个省市的25 个地区;约有3.2 万hm2的耕地受到Hg 的污染，涉及15 个省市的21 个地区［3］。

研究表明，上海浦东新区农田土壤中Pb、As、Hg 的积累不显著，而Cu、Zn、Cd、Cr 平均含量显著高于背景值［4］。上海地区农田土壤重金属含量除As 外，其余平均含量均高于该区的背景值，尤其是Zn、Cd、Cr、Hg 的平均含量远高于其背景值，是上海农田土壤中主要的重金属累积污染物［5－6］。

对吉林省农田土壤重金属污染状况研究显示，大豆田土壤中Cd 含量超标率为6.67%;玉米田中Cu含量、Cd 含量超标率分别为1.39%和5.56%;水稻田中各重金属元素含量均低于相应pH 条件下的土壤环境标准限制，土壤的污染等级属于“清洁”一级［7］。沈阳地区蒲河、浑河、细河以及沈抚灌渠周边农田表层土壤中Cd、Hg、Zn 污染较普遍，Pb、Cu、Cr 和As 在部分地区受到污染，部分细河沿岸农田土壤受到严重污染［8］。牛佳田等对［9］黑龙江省佳木斯郊区农业土壤重金属(Cd、Hg、As、Pb、Cr)监测和分析显示，重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr 质量分数，对比三江平原土壤微量元素背景值，均有不同程度累积与升高。

姚学良等对成都市金牛区9 个乡主要农作物和城市菜园、果园作物区土壤分析得出，土壤已经受到了重金属的严重污染［10］。成都市农业土壤生态危害级别为中等生态危害，就单个金属生态危害因子而言，Hg 和Cd 达到中等生态危害程度，Pb、As、Cu、Zn、Cr 达到轻微生态危害［11］。据李瑞平［12］报导，泰安市农田土壤重金属的累积现象比较明显，尤其是Hg、Ni、Cu 的最大值均超过了国家土壤环境质量二级标准。其中土壤中Cr、Zn、Ni 和Pb 四种元素的潜在生态风险均处于低危害水平，Hg、Cd、Cu 均存在不同程度的潜在生态风险。贾琳等［13］对禹城各区农田土壤研究得出，Cr、Ni、Pb、As、Cu、Zn、Hg 和Cd 八种重金属的含量均超过黄河下游潮土区的背景值。潜在生态风险评估表明，当地的农田土壤Cr、Ni、Pb、As、Cu、Zn 有轻度的生态风险，Hg 和Cd 存在较大的生态风险。金成俊等［14］研究龙井市近郊农田土壤重金属主要污染元素为镉，应用土壤综合污染指数诊断得出，其污染状况为轻度污染。

通过对都江堰城区周边农田土壤Cr、Cu、Cd、Pb、Zn 5 种重金属元素研究得出Cu、Cd 为主要污染元素，污染指数处于轻、中度污染，Cr、Pb、Zn 对土壤尚未构成污染关系，研究区土壤重金属总体污染程度较轻［15］。息朝庄等［16］对湖南湘潭市54 个农田土壤样本重金属含量分析得出，样本中Cd、Hg 两种重金属达重污染，Cu、Zn 属于中污染，Cr 为轻度污染，Pb、As 属于尚清洁。魏婷婷等［17］研究得出，豫北5 县土壤的Cu、Zn、Cd、Cr、Hg、As、Ni，Pb 等八种重金属单因子污染指数及综合污染指数均在安全级内，土壤处于清洁水平。

1.2 污染成因分析

土壤重金属的来源主要有两方面，一是来源于成土母质，不同的母质、成土过程所形成的土壤，其重金属含量差异明显。二是来源于人类活动，当前人类活动是土壤重金属的最主要来源。由于人类的活动，我国多数地区的农田土壤受到了不同程度的污染［18］。下面重点就人类活动对我国农田土壤重金属的污染进行详细论述。

1.2.1 工矿区与工厂场地的固体废弃物。矿区的采矿活动导致周边农田土壤重金属严重污染在我国尤为突出，常青山等［19］研究得出，福建矿区土壤重金属元素Zn、Pb 和Cd 的含量均达到重污染水平。戴清文等［20］研究得出，江西省主要矿区周边农田土壤中Cu 和Cd 的最高含量分别达到2 081 mg·kg－1和29.8 mg·kg－1。张新英等［21］为探明大环江沿岸受有色金属矿业影响污染严重的稻田和废弃农田的重金属状况，采集了广西河池板力村沿岸稻田土样研究显示，广西河池大环江板力村河岸污染农田主要超标元素为Pb、Zn 和As，废弃田中这几种元素的平均浓度分别为388 mg·kg－1、275 mg·kg－1和29.4 mg·kg－1。依据地质累积指数判定法，Pb 为强污染，Zn 为中度污染，As 为轻污染。徐莉等［22］对长江三角洲某典型废旧电子产品拆解场地周边基本农田保护区水稻土进行土壤重金属污染特征研究。结果显示，农田土壤中Cu、Cd 全量平均值分别达到土壤环境质量二级标准值的8.6 倍和31 倍，综合污染指数为32.3，已达严重污染程度。

陈亚华等［23］对南京地区农田土壤研究表明，土壤Pb、Cu、Zn、Cd 质量分数的变化范围分别为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，不同功能区土壤重金属含量存在明显差异。以矿区周边农田污染最为严重，其次为污灌地和公路沿线农田，部分农产品基地存在轻度Cd 污染，工厂周边农田土壤污染相对较小。李瑞平等［12］对泰安市110 个农田表层土壤(0～20 cm)中7 种重金属(Cr、Zn、Cu、Ni、Pb、Cd、Hg)元素研究得出，研究区土壤中Zn、Cu、Ni、Cr 主要来源于工矿业活动，农业活动和居民生活对Cd和Hg 的影响较大，商业活动对Pb 污染贡献最大。

1.2.2 工业“三废”排放及大气和酸雨沉降。工业“三废”及大气和酸雨沉降，既造成了土壤的严重酸化，又造成土壤重金属的污染。大气的干湿沉降是城市周边农田土壤重金属积累的主要途径，目前国内的学者对大气的汞沉降研究较多［24－25］，而其他重金属的干湿沉降研究较少。张乃明研究得出，太原市重金属Hg、Cd、Pb 沉降量分别为每年4.48 g·hm－2、6.34 g·hm－2、349.4 g·hm－2［26］。Cd、Hg 和Zn 是上海农田土壤中主要的重金属累积污染物，其累积原因是长期以来郊区工业“三废”排放和过去污水农田灌溉、污泥农用区的受污染土壤因城市开发建设发生迁移［5］。王定勇等研究表明，燃煤已成为大气汞的最主要来源，而且大气汞浓度与土壤汞含量呈显著的正相关［27］。王起超等研究得出，1995 年我国燃煤排放汞302.9 t，其中向大气排放量为213.8 t，北京、天津、上海等超大城市排汞强度较高［28］。

1.2.3 长期污灌。我国由于水资源分布不均，在淡水资源缺乏地区，长期污灌是造成土壤重金属污染的另一个重要原因。由于我国仍处于发展阶段，大部分地区境内的小流域长期受采矿、冶金、化工、电力等行业的工业污水的污染，水质恶劣，重金属含量较高，因此，这样的污水灌溉很容易导致重金属在农田土壤中长期富集，易造成土壤重金属污染。南忠仁等［29］研究得出，白银市污灌区农田土壤中Cd 的平均含量为3.16 mg·kg－1，最高值为19.32 mg·kg－1。崔德杰等［30］调查得出，我国约1.4 万km2的污灌区中，遭受重金属污染的土地占64.8%，其中轻度污染占46.7%，中度污染占9.7%，严重污染占8.4%。贾琳等［13］对禹城各区农田土壤研究得出，城市化进程、畜禽养殖和污灌是造成土壤Cd 高生态风险的主要因素，城市化进程和污灌也是造成土壤Hg 高生态风险的主要因素。

1.2.4 交通污染，汽车轮胎磨损及排放的尾气。交通污染也是土壤重金属元素的重要来源之一，汽车轮胎磨损及排放的尾气中含有Pb、Zn、Cu 等若干种重金属元素［31］。刘廷良等［32］的研究表明，汽车轮胎添加剂中的Zn 是城市土壤中Zn 的重要来源。菲尔汉·汉杰尔等［33］对乌鲁木齐市市区交通主干道二侧土壤中铅、镉等6 种元素的含量调查表明，在交通密集易形成堵车的路段，土壤中重金属富集的量较高，在交通顺畅或车流量少的路段，土壤中重金属含量相对较低，铅污染的主要来源是汽车尾气。索有瑞等［34］对西宁市郊主要公路两侧的土壤和植物中的重金属铅含量进行了测定，结果表明，土壤和植物中铅污染都较严重。Lee［35］对法国索洛涅地区A71 号高速公路两侧土壤中重金属元素污染状况的研究发现，Pb、Zn 和Cd含量均超过当地土壤背景值的数十倍。张永春等［36］研究表明高速公路两边的土壤“病情”严重，公路两侧100 m 范围内都属于“污染带”，主要是Hg 和Pb 等重金属含量超标，对土壤的污染可深达30 cm。专家研究认为污染来源于汽车尾气排放的Pb、未燃尽的四乙基铅残渣及汽车轮胎磨损产生的粉尘进入土壤。

1.2.5 有机肥、化肥和农药的大量施用。化肥和农药的大量施用也可导致土壤重金属元素的累积。对浙江省复混肥料、有机－无机复混肥料和有机肥料品质的研究表明，有机肥料中35%的样品Cd 含量超标，10%的样品Pb 含量超标［37］;对我国主要商品有机肥料和有机废弃物的重金属元素含量状况的分析发现，Zn、Ni、Cu、Pb、Cd、Cr 和Hg 均存在超标现象［38］;对多年施用磷肥的土壤中Cd 调查表明，表土中Cd含量与全磷含量存在极显著的相关性［39］。Cd、Hg 和Zn 是上海农田土壤中主要的重金属累积污染物，污染原因与过去大量施用含Cd 杂质的过磷酸钙化肥和含Zn 较高的鸡粪和猪粪有机肥有关［5］。

2 土壤重金属污染诊断与评价

土壤重金属污染诊断方法很多，目前应用最广的主要是地积累指数诊断法、潜在生态风险指数法诊断法、内梅罗综合污染指数诊断法，下面依次介绍如下。

2.1 地积累指数诊断

地积累指数(Index of Geo－accumulation，)又称Mull 指数，是20 世纪60 年代晚期在欧洲发展起来的广泛用于研究沉积物及其他物质中重金属污染程度的定量指标［40－45］. 计算公式如下:

式中:Cn——实测重金属含量，mg·kg－1;Bn——当地沉积物重金属含量背景值，mg·kg－1;K——考虑到成岩作用可能引起背景值波动而设定的常数，K=1.5，地累积指数的分级标准与污染程度的划分见表1。

2.2 潜在生态风险指数法诊断

潜在生态风险指数法(The Potential Ecological Risk Index)是瑞典科学家Hakanson 于1980 年提出的，评价重金属潜在生态风险的一种相对快速、简便和标准的方法。由于综合考虑了多元素的协同作用、毒性水平、污染浓度及生态对重金属的敏感性等方面的因素［46－50］，潜在生态风险指数法得到了较为广泛的应用。计算公式如下:

表1 地累积指数法分级标准Tab.1 Classification criteria of index of geo-accumulation

表2 潜在生态风险指数法分级标准Tab.2 Classification criteria of the potential ecological risk index

2.3 内梅罗综合污染指数诊断

内梅罗综合污染指数按式(1)计算:

式中:PI——综合污染指数;(Ci/Si)max——土壤重金属元素中污染指数最大值;(Ci/Si)ave——土壤各污染指数的平均值;Ci——第i 个检测点污染物的实测值;Si为第i 个检测点污染物的评价标准即背景值。采用内梅罗综合污染指数进行土壤环境质量综合评价，全面反映了各污染物对土壤的不同作用，同时又突出高浓度污染物对土壤环境质量的影响，因此按综合污染指数最终评定，划定质量等级。土壤污染分级标准见表3［52］。

表3 土壤污染分级标准等级Tab.3 Classification criteria of soil contamination

2.4 其他污染诊断方法

其他污染诊断方法还包括:英国Tomlison 的污染负荷指数法［53］，Hilton 等的回归过量分析法［54］，贾振邦等的脸谱图法［55］和霍文毅等的次生项富集系数法［56］。

3 展 望

我国是个农田紧缺的国家，保护好耕地资源已经迫在眉睫。目前，农田土壤重金属污染严重，土壤重金属污染多为综合性、复杂性、伴生性的复合污染。因此，单个污染指数已经无法满足诊断评价需求，必须采用多重指数诊断评价方法。然而，目前的土壤重金属综合诊断方法均是国外几十年前的诊断方法，有些并不复合我国的实际需求，建立一套适合我国国情的完善的农田土壤重金属污染诊断、评价体系十分必要，这样既可以合理有效的利用我国有限的耕地资源，又可以为我国土壤、粮食安全保驾护航。

然而，农田土壤重金属污染诊断、评价体系的建立，是一项系统的工程，需要广大科技工作者共同努力，用大量科技成果作为支撑。展望如下:

①必须是专业科研人员科学的进行全国土壤重金属污染普查，彻底摸清我国土壤重金属的含量状况。近些年环保部等国家部委也在各地进行过全国污染普查，但是并不够具体详细，普查样点的选取科学性并不是很高，这样就对最终结果造成很大的影响。

②采用双重或多重标准进行土壤环境污染状况的评价，这样可以更全面地了解当地土壤污染状况。马成玲等［57］对长江三角洲常熟市研究表明，以当地土壤环境背景值上限值为标准进行评价，7 种重金属均有超过背景值现象，其中以Hg、Pb、Cr、Cu 和Zn 问题较多，超标率达13.6%～20.4%。而以GB 15618－1995 土壤壤环境质量标准二级标准值进行评价，则Cd、Pb、Cu 和Zn 均有超标，Hg 有30.6%的土壤样品超标，As、Cr 不超标。

③多学科联合攻关，利用现有已知的普查数据，建立符合我国实际的土壤重金属污染诊断评价模型。

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