紀小鳳，鄭　娜，王　洋，湯　琳

(1.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長春 130102; 2.中國科學院大學,北京 100049)

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紀小鳳1,2，鄭娜1，王洋1，湯琳1

(1.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長春 130102; 2.中國科學院大學,北京 100049)

摘要：受人類活動影響，我國城市土壤均存在不同程度的重金屬污染，但城市之間、城市各功能區(qū)內土壤重金屬污染程度及累積類型差異明顯。文章在調研相關資料的基礎上，綜述了我國城市土壤重金屬污染現(xiàn)狀、來源、空間分布以及對人類健康的危害，并針對目前我國城市土壤存在的問題提出建議，以期為日后相關研究、未來決策及環(huán)境管理等方面提供參考。表1，參48。

關鍵詞：城市土壤；重金屬污染；生態(tài)效應

0引言

重金屬是指密度在4.0 g·cm-3以上的金屬元素或5.0 g·cm-3以上的其它元素。雖然砷和硒都不屬于金屬元素,但這兩種元素的部分性質及毒性效應類似于重金屬，因此也將其歸為重金屬污染物。由于重金屬元素在環(huán)境中很難被降解，且具有持久性，因此它們被稱為“化學定時炸彈”[1]。重金屬不僅通過手、口、呼吸和皮膚吸收等途徑直接進入機體，還可通過污染的土壤、大氣和水環(huán)境從而間接危害人體健康，甚至導致死亡[2-3]。

2014年環(huán)境保護部及國土資源部聯(lián)合發(fā)布的全國土壤污染狀況調查公告中指出，全國土壤污染總超標率為16.1%，其中無機污染物超標點位數(shù)占全部超標點位的82.8%。另外，我國約有1 000萬hm2耕地被污染，每年因土壤重金屬污染而損失的糧食作物約1 200萬t[4]。我國土壤污染嚴重，形勢緊迫。

城市土壤意指城市或城市郊區(qū)，原有特性受人類活動影響而不同程度改變的土壤總稱[5]。城市是人類生產(chǎn)和生活的重要場所，全球范圍內只有不到2%的地表為城市所覆蓋。目前，我國城市人口不斷增加，城市化率達到43%。另外，由于密集型工業(yè)、人類活動和交通運輸，很大部分污染物間接或直接地進入城市及周邊城郊地區(qū)的土壤生態(tài)系統(tǒng)中，污染事件時有發(fā)生，如2009年的湖南省瀏陽市鎘污染事件，2011年云南曲靖鉻渣非法傾倒，2012年廣西龍江河的鎘污染等等。土壤重金屬來源途徑多樣，復合污染較嚴重，城市土壤重金屬污染日益加重[6]，在城市的個別區(qū)域，會出現(xiàn)某些重金屬元素的嚴重富集，類似島嶼現(xiàn)象[7]。重金屬通常不能被生物降解，它們在食物鏈的生物放大作用下成千百倍地富集，而人類處于食物鏈的終端，健康危害日益加重。另外，由于人們對土壤污染的危害缺乏足夠的認識，未能及時治理和修復污染土壤，使得土壤污染日益加劇[8]。鑒于此，開展對城市土壤重金屬來源、地球化學遷移特征以及生態(tài)效應的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1城市土壤重金屬污染空間變異差異

1.1不同區(qū)域城市土壤重金屬污染空間分布差異

我國城市土壤重金屬污染主要涉及到As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn和Ni 8種重金屬，除Ni外，其他重金屬含量均超過土壤背景值，土壤中Cd、Cu、Hg、Pb和Zn均超過國家一級標準，其中，Cd已超過國家二級標準，污染最為嚴重，見表1。陳瀟霖[9]、柳云龍[10]、陳高武[11]、何玉生[12]等研究結果也表明我國城市土壤均受到不同程度重金屬污染。

表1　我國城市土壤重金屬含量的基本統(tǒng)計參數(shù)[13]

城市之間的城市化進程、人類活動強度等不同，使得城市土壤重金屬污染程度存在明顯差異。城市土壤中重金屬含量隨著時間的推移而快速增加，即土壤重金屬污染累積效應加劇[14-15]。王瑩[13]等指出，非工業(yè)城市污染程度小于工業(yè)城市，以長江為分界線，長江以南城市土壤重金屬污染程度較長江以北城市嚴重，中小城市土壤重金屬污染要低于特大城市。2014年環(huán)境保護部及國土資源部聯(lián)合發(fā)布的全國土壤污染狀況調查公告中指出，Cd、Hg、As、Pb 4種無機污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢。由于西南地區(qū)賦存眾多礦區(qū)，開采礦物過程及尾礦中重金屬污染嚴重，重金屬超標范圍較大。楊剛[16]、黎寧[17]等都對西南礦區(qū)土壤重金屬進行了研究，結果亦可佐證該結論。

城市土壤重金屬積累類型存在一定差異性。例如，金昌市[18]、銅陵市[19]均為典型的礦業(yè)城市，但是重金屬累積類型不同。甘肅省金昌市是我國最大的鎳生產(chǎn)基地，城市土壤主要存在Ni、Cu污染，銅陵市主要以開采銅礦為主，Zn、Cu、As、Hg富集較為明顯。

1.2城市不同功能區(qū)土壤重金屬污染空間分布差異

在城市工業(yè)、商業(yè)、生活區(qū)等不同功能區(qū)內土地利用方式不同、人為活動強度也各不相同，土壤重金屬來源差異較大，污染程度和產(chǎn)生的危害也有所不同，且污染具有其特定的空間分布特征，所以城市土壤研究往往從城市功能區(qū)劃分開始。一般情況下，城市內部土壤重金屬污染空間分布特征如下[7,20]：公園土壤中的含量高于遠郊相同母質下農(nóng)業(yè)土壤中的含量，城市市中心區(qū)域污染程度高于城市外圍地區(qū)，工礦業(yè)區(qū)土壤重金屬污染最嚴重。另外，住宅區(qū)污染程度要小于工業(yè)區(qū)及商業(yè)區(qū)。工礦區(qū)土壤重金屬主要是以Cd、Pb為主，而商業(yè)區(qū)和居民區(qū)則以Zn、Cu累積為主[21-23]。

近年來，因道路交通引起的土壤重金屬累積越來越受到社會關注。因為隨著交通運輸業(yè)的發(fā)展，輪胎添加劑、汽車與地面摩擦、汽車尾氣的重金屬釋放量增加，由于大氣沉降，重金屬不斷進入土壤，通過土壤-植物系統(tǒng)中遷移轉化作用在植物體內富集，進而危害人體健康。劉坤[24]等指出，泰安市道路兩側土壤中Cd含量為研究區(qū)土壤背景值的50倍，Zn、Cu分別為當?shù)赝寥辣尘爸档?.5倍、4.6倍，As、Pb、Cr含量依次為土壤背景值1.4倍、2.5倍及1.2倍。

2城市土壤重金屬來源

2.1自然源

自然條件下，土壤重金屬含量受成土過程及成土母質影響較大,土壤重金屬主要來源于成土母巖和殘落的生物物質[25]。成土母質本身含有重金屬，是決定城市土壤中重金屬元素含量與分布特征的重要因素之一，不同的母質、成土過程使土壤中含有的重金屬量差異很大[26-27]。在整個地球的地質發(fā)展過程中，或是在更小的時空范圍內，如在城市的發(fā)展過程中，自然原因導致的土壤重金屬污染是緩慢的、有限的。

2.2人為源

在人類文明進化過程中，土壤重金屬污染主要受人類活動影響，如工礦業(yè)廢棄物排放、生活垃圾、擁堵的交通等[28]。由人類活動導致的重金屬輸入土壤的途徑、污染范圍、程度都遠大于自然因素。我國城市土壤重金屬來源主要以人為源為主。

2.2.1交通污染。交通運輸過程中汽車尾氣排放以及輪胎添加劑中的重金屬(如Cu、Zn、Pb)均對土壤重金屬含量產(chǎn)生影響，城市交通流量在一定程度上決定了這些重金屬的累積情況[29-31]。據(jù)有關資料顯示[32]，各種汽油含Pb量在0.4 g·kg-1~1.0 g·kg-1之間，汽車排氣中的Pb高達20 μg·kg-1~50 μg·kg-1。對交通引起的土壤重金屬積累進行的研究表明[33]，高速公路周圍表層土壤中的重金屬污染嚴重。劉廷良等[31]認為，汽車輪胎的添加劑中含有Zn，所以輪胎磨損產(chǎn)生的粉塵是路邊土壤Zn污染的重要來源。馬建華[34]等認為汽車尾氣排放、汽車機件間以及車輪與路面間磨損產(chǎn)生的顆粒物導致路面粉塵、路溝底泥和路旁土壤重金屬積累。王鵬[35]等指出，因汽油、潤滑油燃燒的廢氣排放及輪胎和剎車里襯機械磨損的顆粒物，使得交通繁忙路段或車流量較大區(qū)域的土壤中重金屬含量相對較高。

2.2.2工、礦業(yè)污染。冶煉業(yè)及采礦業(yè)的迅猛發(fā)展，在推動經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展的同時也造成了礦冶及相關企業(yè)周邊地區(qū)土壤重金屬污染問題[36]?；?、礦產(chǎn)冶煉、電池、塑料及電鍍等行業(yè)是主要的工業(yè)污染源，某些工廠及相關企業(yè)附近土壤中Pb、Zn質量分數(shù)高達3 000 mg·kg-1[37]。此外，工礦業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢棄物在填埋及堆積過程中，受到溫度、水、壓力、生物等多種自然因素及人類活動綜合影響，通過礦物風化溶解作用，其所含的各種重金屬從巖石圈進入水圈，進而在整個圈層中通過多種不同途徑循環(huán)[38]。在對礦區(qū)土壤重金屬的研究過程中發(fā)現(xiàn)，廢棄老礦區(qū)周邊土壤中重金屬含量要低于廢棄新礦區(qū)，這主要與廢礦石產(chǎn)生的熱交換有關，廢礦石對重金屬具有吸附作用，它對土壤中重金屬空間分布起到了非常重要作用[39]。

2.2.3生活廢棄物污染。廢棄物中因所含重金屬種類繁多，故引起的污染程度、污染物類別及危害方式均不同，一般情況下，污染的空間分布是以廢棄堆為中心并向四周逐漸擴散[26]。城市內每天都會產(chǎn)生大量生活廢棄物，這些廢棄物通常未經(jīng)任何處理或處理不善，使?jié)B濾液中重金屬離子(As、Mn、Zn、Pb、Cr等)向周圍環(huán)境擴散，釋放到城市土壤中，導致城市局部地區(qū)土壤重金屬含量超標[40]，造成土壤污染。銀燕春[41]等對成都市區(qū)、城郊和農(nóng)村生活垃圾重金屬污染特性的研究發(fā)現(xiàn)，成都地區(qū)生活垃圾重金屬濃度普遍高于當?shù)赝寥辣尘爸?，且生活垃圾中重金屬污染存在著非常明顯的季節(jié)性變化，垃圾中重金屬濃度夏季高于冬季。李曉勇[42]等對上海市不同功能區(qū)生活垃圾典型重金屬含量進行調研分析得知，商業(yè)區(qū)垃圾重金屬含量最高，各類型住宅中，里弄垃圾的重金屬污染最輕，城區(qū)居民垃圾中Hg和Cr含量低于農(nóng)村居民垃圾，而Pb、Cd和As含量則是城區(qū)居民垃圾更高。

3土壤重金屬污染對人體健康危害及風險評價

重金屬元素通過不同途徑進入土壤后，它的化學性質及存在形態(tài)決定了其在土壤中的遷移性和對人體的危害[43]。重金屬元素中有些是人類生命活動過程中不需要的，例如As、Hg、Pb，有些重金屬為營養(yǎng)元素，是人體正常生命活動過程中所必需的，但是當人體攝入量過多時，它們又會對人體產(chǎn)生毒害作用[44]，如Cu元素，Cu過?？墒寡t蛋白變性，損傷細胞膜。研究表明[45-46]，長期暴露在重金屬條件下會對人體造成嚴重的傷害，過量的重金屬大多都能抑制生物酶的活性，破壞正常的生物化學反應，這種傷害在幾年以后就會顯現(xiàn)。由于兒童各方面身體機能尚未健全，抵抗能力較弱，重金屬對兒童危害更為嚴重，如兒童血液中Pb超標現(xiàn)象時有報道，兒童重金屬中毒問題尤為嚴峻。

城市土壤重金屬主要通過兩個途徑危害人體健康：①重金屬通過土壤揚塵進入暴露人群體內。②重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中遷移累積及食物鏈傳遞。20世紀60年代在日本富士縣出現(xiàn)的痛痛病就是因Cb在土壤-水稻系統(tǒng)中遷移累積，從而嚴重危害人體健康。目前，重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中遷移轉化及健康風險評價是國內外研究熱點，已取得較大進展。健康風險評價大多采用美國環(huán)境保護總署(USEPA)MMSOILS模型，食物攝入暴露評價方程計算:

式中：CDI—通過進食糧食作物平均日攝取量[mg·(kg·d)-1]；C—糧食作物中重金屬含量(mg·kg-1)；I—接觸率；EF—暴露頻率(d·a-1)，通常，EF取值為365 d·a-1[47]；ED—暴露時間(a)；BW—受體體重(kg)；AT—平均接觸時間(a)。

HI=∑THQi

式中：THQ—健康風險指數(shù)；HI—多種暴露途徑的總健康風險指數(shù)；RfD—重金屬暴露參考劑量[mg·(kg·d)-1]。若THQ<1，則說明暴露人群沒有明顯的健康風險；若THQ>1，表明重金屬可引起人體的健康風險，THQ值越大表明Hg對人體健康風險越大。HI>1表示多種重金屬復合污染可致使暴露人群面臨健康風險；HI<1則表示暴露人群在重金屬復合污染情況下并沒有明顯的健康風險。但是這個方法是在假定攝入劑量等于吸收劑量的前提下進行的，沒有考慮重金屬的生物可利用性。我國環(huán)境健康風險評價方面研究相對較薄弱，評價模型、各指標所取參考值均采用國外研究結果，然而我國與其他國家國情并不相同，暴露時間、暴露頻率及暴露劑量有很大區(qū)別，所以，相關研究學者應加大研究力度，修正USEPA提出的危險系數(shù)法。

4治理途徑及今后研究重點

重金屬對暴露人群健康危害日益嚴重，尤其是具有高毒性及致癌作用的重金屬對兒童健康危害屢見不鮮，國家、相關政府和企業(yè)應根據(jù)城市土壤重金屬污染特征積極采取措施，對重金屬污染的土壤進行綜合治理。

4.1治理途徑

4.1.1控制污染源。①交通運輸業(yè)對城市土壤重金屬污染影響較大，國家應制定相應對策控制汽車的保有率，調整能源結構，提高燃油利用率，大力推廣節(jié)能、減排的電動汽車。②對環(huán)境污染影響較大的企業(yè)，相應部門應要求其規(guī)范化發(fā)展。對于不合格的工礦企業(yè)，國家應吊銷執(zhí)照，關閉企業(yè)。企業(yè)的所有者應積極配合部門工作，努力提升技術，盡可能降低環(huán)境污染。③生活垃圾污染是城市發(fā)展過程中的附帶產(chǎn)物。我們公民有義務也有責任遵紀守法，保護環(huán)境，守衛(wèi)我們共同的家園。

4.1.2污染土壤修復。對于已經(jīng)受到土壤重金屬污染的各城市，尤其是人口眾多的大城市，應積極采取各項具有可行性的治理措施。由于土壤自身的性質以及修復方法的限制[27]，重金屬污染土壤的治理與修復存在諸多問題。土壤重金屬污染修復方法有化學修復、物理修復以及生物修復。常用的方法是化學修復法及生物修復法。值得一提的是，植物修復是一種生物修復技術，較傳統(tǒng)的物理、化學修復技術兼有技術及經(jīng)濟上雙重優(yōu)勢[48]。

4.2研究重點

目前國內外關于城市土壤重金屬污染研究已取得了很大進展，但這其中仍存在諸多待進一步研究和探討的問題。筆者認為存在的問題及未來發(fā)展方向如下：①大多數(shù)學者研究重點放在土壤重金屬的總含量、空間分布特征、風險評價等方面，對重金屬生物可利用性及在水—土—氣等的界面介質之間的遷移轉化機制方面的研究相對來說較薄弱。②隨著新技術的快速發(fā)展，相關科學研究工作者可利用空間模擬等技術手段探索、分析重金屬的來源、空間分布，利用具有強大功能的GIS進行實時監(jiān)測，以期為相關研究、未來決策、環(huán)境管理提供參考。

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Heavy Metal Contamination of Urban Soils in China：Recent Advances and Prospects

JI Xiao-feng1,2,ZHENG Na1,WANG Yang1,TANG Lin1

(1.NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,CAS,Changchun130012,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract：Because of unreasonable human activities,the urban city soil has been polluted by heavy metal in different degrees in China.However,among cities and functional areas lie various heavy metal pollution degrees and accumulation types.Based on related information investigated,this research summarized the present situation of pollution,sources,distribution and hazards,and gave some advices on how to improve these conditions for contributing to related research,future decision-making and environmental protection.

Key words：urban soil；heavy metal contamination；ecological effect

中圖分類號：X53

文獻標識碼：A

通訊作者：鄭娜(1978-),女,吉林長春人, 博士, 研究員, 研究方向為環(huán)境重金屬污染與控制以及人群健康.

作者簡介：第一紀小鳳(1990-), 女, 安徽安慶人, 在讀碩士, 主要研究方向為重金屬在環(huán)境中的遷移轉化及健康風險.

基金項目：國家自然科學基金項目(41171392)；中國科學院重點部署項目(KZZD-EW-TZ-16-04-02); 吉林省科技發(fā)展計劃項目(20120402).

收稿日期：2015-06-18；修回日期：2015-09-24.

文章編號：2095-2961(2016)01 -0042-06

doi:10.11689/j.issn.2095-2961.2016.01.006