城镇大面积农田土壤重金属检测与监测的原理、方法及应用展望

张静静　周卫红　邹萌萌　刘影　杜小龙　李建龙

摘 要：近年来，随着社会经济的发展和人口数量的增加，城镇农田土壤重金属污染问题越来越严重，对粮食安全和人类身体健康构成严重威胁，因此，需要及时有效地获取农田土壤重金属污染信息，做到早发现、早治理。本文综述了近年来国内外农田土壤重金属的常规、新型检测和监测方法，包括其原理、特点及应用现状，对不同的方法的优缺点进行对比，并指出可以利用地面或航空航天高光谱遥感获取农作物叶片或籽粒光谱数据反演土壤重金属含量，将检测与监测相结合，从而实现土壤重金属污染的大面积立体监测，这将为农田土壤重金属污染的监测和修复提供技术支持。

关键词：城镇农田土壤重金属；检测方法；高光谱遥感；原位主动监测；食品安全

中图分类号：X833 文献标识码：A DOI 编码：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

农田土壤是由有机质、矿物质、无机质、水分等多组分组成的，可为农作物的生长提供基质和营养元素。但随着工业“三废”的排放，农药、化肥的使用，污水灌溉农田等活动的加剧，农田土壤重金属污染问题日益加重。重金属具有隐蔽性、滞后性、不可逆性、长期性、治理难且周期长的特点[1]，因此，一直被世界各国环境科学工作者视为研究重点。

过去国内外对土壤重金属污染的研究多集中在化工厂、电子厂、污水等附近的土壤重金属污染研究上，这些地方由于距离重金属污染源头较近，土壤重金属污染较为严重，检测其污染水平较为简单。但随着重金属污染问题的加重，农田土壤也不可避免地受到污染，农田土壤是粮食作物、蔬菜、瓜果等食物的生长母质，一旦被重金属污染，必然会影响到农作物的品质和产量，进而对人体健康造成巨大威胁，所以对城鎮农田土壤重金属污染进行快速、准确地监测是非常有必要的。

基于此认识，笔者就国内外农田土壤重金属检测和监测的方法及其优缺点进行综述，按照其实用性将其分为常规检测方法和新型监测方法，通过比较各自的优缺点和适用性，指出未来农田土壤重金属监测方法的发展趋势：利用高光谱遥感从农作物叶片或籽粒光谱数据反演重金属污染，将化学检测与实时监测相结合，实现土壤重金属污染的大面积原位立体监测，为农田土壤重金属污染的监测和治理提供技术支持。

1 国内外城镇农田土壤重金属污染现状

随着农田土壤重金属污染的逐渐加重，及其对人体已经造成的伤害，国外屡有报道，如日本“镉大米”造成的骨痛病、泰国农产品As超标造成的“黑脚病”，人们逐渐意识到土壤重金属污染的严重程度。全球各国土壤都存在不同程度的重金属污染，全球每年排放铅约为5×104 t、镍约为1×106 t、汞约为1.5×104 t、锰大约1.5×107 t [2]。国内农业部农产品污染防治重点实验室对全国24个省市土地调查结果显示，我国存在320个严重污染区，面积约5.48×106 hm2，而重金属超标的农产品占污染物超标农产品总面积的80%以上[3]。而且通过对我国多个地区农田土壤铅、铬、汞、镍、镉的浓度分析发现，多数地区的实测值高于其背景值，全国二十多个省市中有三百多个重金属污染区[4]，2010年的调查显示，黄浦江中上游地区土壤中镉、汞、砷、铬和铅的质量分数都超过土壤背景值的60%以上[5]。