胡永興 宿虎 張斌 張兵兵 張元 歐揚劍

摘要：土壤是生態(tài)系統(tǒng)的基本要素之一，重金屬是土壤環(huán)境中一類具有潛在危害的污染物，重金屬長期累積將改變農(nóng)用地土壤的功能。我國土壤污染情況日益嚴重，為了保證農(nóng)畜產(chǎn)品安全和人類健康，開展土壤污染狀況調(diào)查及治理刻不容緩。在分析大量的相關(guān)文獻和前人工作的基礎(chǔ)上，簡要總結(jié)了我國部分地區(qū)土壤重金屬污染的來源、危害及污染現(xiàn)狀，并簡要分析總結(jié)了目前常用的5種土壤重金屬污染評價方法（單項污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法、主成分分析法）的特點，以期對土壤污染調(diào)查和治理提供一定參考。

關(guān)鍵詞：土壤;重金屬污染;單項污染指數(shù)法;綜合污染指數(shù);地累積指數(shù)法;潛在生態(tài)風險指數(shù)法;主成分分析法

中圖分類號： X53 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）17-0033-07

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的基本要素之一，與國家糧食、生態(tài)安全、居民的身體健康直接相關(guān)，是推進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要保障[1]。重金屬是土壤環(huán)境中一類具有潛在危害的污染物，重金屬長期累積將改變農(nóng)用地土壤的功能，影響農(nóng)作物的質(zhì)量，并經(jīng)過食物鏈危及人類健康[2-4]。我國在經(jīng)濟發(fā)展、工業(yè)化和城市化建設(shè)過程中，逐步實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化并發(fā)展了鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，但也帶來了嚴重的環(huán)境問題[5]。在我國，環(huán)境污染出現(xiàn)了城市向農(nóng)村擴散和轉(zhuǎn)移的趨勢[6]。因此，為了保證農(nóng)畜產(chǎn)品的安全和人類健康，開展農(nóng)用地土壤污染狀況詳查刻不容緩。

工礦企業(yè)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)分布較密集的地區(qū)，選礦、冶煉等活動產(chǎn)生的尾礦、廢水中重金屬含量往往較高，進入土壤后將影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境和人類健康[7-8]。如甘肅省蘭州市五區(qū)三縣蔬菜基地土壤重金屬污染，從單因子污染指數(shù)看，蘭州市蔬菜基地表層土壤主要是砷（As）污染，其中城關(guān)區(qū)土壤As含量達到中度污染水平，七里河區(qū)和皋蘭縣土壤As含量為輕度污染水平，表層土壤中重金屬鉻（Cr）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鉛（Pb）的單因子污染指數(shù)均小于1，未被污染;以GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》為評價體系，蘭州市永登縣農(nóng)田土壤單因子污染情況表現(xiàn)為As>Cu>Pb>Zn，污染水平為安全級[9-10]。

1 土壤重金屬污染概述

土壤重金屬污染是指人類活動將重金屬引入到土壤中，使土壤重金屬含量明顯高于背景值并超過一定負荷容量，造成現(xiàn)存或潛在的土壤質(zhì)量退化、生態(tài)與環(huán)境惡化的現(xiàn)象[11]。在環(huán)境污染研究中，根據(jù)元素的化學(xué)性質(zhì)和毒害特性，土壤重金屬污染一般以鎘（Cd）、砷、鉛、鉻、鎳（Ni）、汞（Hg）、銅、鋅等生物毒性顯著的重金屬元素為主[12]。

1.1 土壤重金屬污染的來源

土壤重金屬來源廣泛，可分為自然源和人為源。自然源主要受成土母質(zhì)和成土過程的影響。人為源是引起土壤重金屬污染的主要原因，主要包括污水灌溉、農(nóng)藥和化肥的大量使用、大氣沉降、交通運輸、廢棄物的堆積等5個方面。

1.1.1 污水灌溉 污水灌溉是指利用生活、工業(yè)廢水等進行灌溉而引起的土壤重金屬富集。由于我國水資源短缺且分布不均，污水灌溉較為普遍，尤其是在我國北方地區(qū)[13]。污水灌溉可以顯著提高土壤的肥力，有效緩解農(nóng)業(yè)用水緊張，解決城市污水排放等問題。但同時，污水灌溉也會導(dǎo)致各種重金屬在土壤中富集，在土壤-農(nóng)作物體系中遷移轉(zhuǎn)化，最終通過食物鏈被人體富集，危害人類身體健康。20世紀初，日本富山市神通川流域出現(xiàn)過痛痛病，這是由于污水灌溉造成了土壤鎘污染，使稻米中可食用部分的鎘含量過高導(dǎo)致的。我國從20世紀60年代至今，污水灌溉的面積迅速增加，其中以北方旱作地區(qū)最為普遍，其污水灌溉的面積約占全國污水灌溉面積的90%以上[14]。通過收集北京市灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)的土壤和植物樣本評估了污水灌溉對土壤中重金屬的累積趨勢，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鎘、鉛、鉻、鋅、銅等5種重金屬在污水灌溉過程中在土壤中的累積含量有所增加[15]。研究發(fā)現(xiàn)，長期灌溉使農(nóng)田土壤中鎘、鉛、汞等7種重金屬出現(xiàn)了不同程度的累積，并且污水灌溉年限越長和灌渠距離越小，農(nóng)田土壤重金屬的環(huán)境風險越高[16]。

1.1.2 農(nóng)藥、化肥的使用 施用農(nóng)藥和化肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要增產(chǎn)手段，施肥可以提高土壤肥力，促進農(nóng)作物的生長。但是不合理地使用含有過量重金屬的農(nóng)藥、化肥會導(dǎo)致土壤重金屬污染。一般來說，在含重金屬的不同類型化肥中，重金屬含量表現(xiàn)為磷肥>復(fù)合肥>鉀肥>氮肥，其中以重金屬鎘和砷為主[17]。由于礦物類型和加工流程的不同導(dǎo)致我國磷肥中重金屬鎘的含量差別較大[18]。國外學(xué)者研究了新西蘭50年內(nèi)同一地點的58個土壤樣品，發(fā)現(xiàn)施用磷肥后，土壤中鎘含量從原來的 0.39 mg/kg 上升至 0.85 mg/kg[19]。吳為等通過研究江蘇省南通市耕地土壤重金屬污染情況，發(fā)現(xiàn)該地土壤中重金屬含量為輕度富集水平，其中鎘的生態(tài)風險等級最大，這主要是由于化肥和農(nóng)藥造成的非點源污染[20]。

1.1.3 大氣沉降 汽車尾氣和工業(yè)廢氣會產(chǎn)生大量含重金屬的氣體和粉塵，通過大氣沉降進入土壤，這種途徑主要以工廠周圍和道路兩側(cè)為主，并受多種因素的影響。例如，我國北方冬季因供暖排放到大氣中的重金屬含量明顯高于南方，以重工業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)的地區(qū)的大氣沉降的重金屬質(zhì)量濃度明顯高于其平均水平[21]。研究發(fā)現(xiàn)，寧連一級公路淮陰段兩側(cè)土壤的鉛含量呈由公路向兩側(cè)遞減的趨勢;通過研究寧夏工業(yè)園區(qū)周邊土壤重金屬的時空特征發(fā)現(xiàn)，鎘、鉛、銅、鋅、鉻等5種重金屬的含量與園區(qū)內(nèi)的工業(yè)燃煤煙塵的排放量密切相關(guān)[22-23]。

1.1.4 交通運輸 隨著交通工具的普及，高速公路、城市主干道和鐵路等運輸線周邊的土壤是重金屬污染的主要地區(qū)。一般而言，距離路面2～50 m的土壤污染最嚴重，其中銅、鋅、鉛、鉻和鎘是土壤中的主要污染物。研究發(fā)現(xiàn)，汽車尾氣中含有大量重金屬，其中以鉛的含量最高，而在距離公路35～150 m的范圍內(nèi)，土壤中重金屬的含量相對較高，重金屬污染程度隨公路垂直距離的增加呈下降的趨勢，污染程度隨土壤深度的增加而下降[24-25]。王楨通過富集因子研究日本6條鐵路線的土壤重金屬含量分布，發(fā)現(xiàn)每條鐵路沿線的土壤均存在重金屬污染，且污染程度隨著采樣點與鐵路距離的增加而減小，較為嚴重的重金屬污染多數(shù)發(fā)生在距離鐵路 20 m 的范圍內(nèi)[26]。

1.1.5 廢棄物的堆積 廢棄物包括化工、皮革、電鍍行業(yè)產(chǎn)生的固體廢棄物和生活垃圾，污染物大多以廢棄物為中心向四周開始擴散，污染范圍大。如在安徽省南部山區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬來源中，工礦污染源的貢獻率達39.6%[27]。

1.2 土壤重金屬污染的危害

土壤重金屬污染具有隱蔽性、滯后性、長期性、不可逆轉(zhuǎn)性、復(fù)合性等特點[28]，其危害主要包括以下2個方面。

1.2.1 造成農(nóng)作物減產(chǎn)、品質(zhì)下降 土壤重金屬污染會通過直接或間接的方式危害農(nóng)作物的生長，最后導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量減少、品質(zhì)下降，甚至死亡。據(jù)統(tǒng)計，我國耕地面積的1/5遭受不同程度重金屬污染，每年因此導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)超過1×107 t，還有約1.2×107 t的糧食被重金屬污染，合計經(jīng)濟損失約達200億元[29]。

1.2.2 危害人體健康 土壤尤其是表層土壤中的重金屬極易進入人體，直接危害人體健康[30]。有研究表明，鎘長期在人體內(nèi)蓄積，達到一定程度時會損害腎小管，引起鈣、磷代謝障礙，從而導(dǎo)致骨質(zhì)脫鈣，還可能會致癌、致畸、致突變[31]。砷在人體中累積到一定程度后，會使人體內(nèi)的紅血球溶解，從而破壞人體正常的生理功能，同時還具有遺傳性、致癌性、致畸性[32]。鉛會導(dǎo)致人體的免疫力和生殖功能下降，當血鉛含量達到600～800 μg/g時，人體會出現(xiàn)頭疼、頭暈、腹痛等一系列的癥狀，其對兒童身體健康、智力發(fā)育的影響較為明顯[33]。汞進入人體后會被血液吸收，并迅速擴散到肝、肺、腎等器官中，影響能量的生成、蛋白質(zhì)和核酸的合成、細胞正常生長及其功能，嚴重時會導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)和腎臟損傷，致人死亡[34]。鎳對人體有著明顯的發(fā)育毒性和生殖毒性，會對胎兒發(fā)育造成不良影響，同時還會影響人體的造血功能[35]。

鉻是人體必需的微量元素，在糖代謝、脂代謝中起著極其重要的作用[36]。鉻對人體主要是慢性危害，長期食用含鉻的食物后，皮膚和呼吸道系統(tǒng)會出現(xiàn)不同程度的病變，同時伴隨著潰瘍和炎癥等一系列癥狀。銅也是人體必需的微量元素，但過量的銅會引起肝硬化、嘔吐、腹瀉、知覺神經(jīng)障礙等癥狀。鋅也是人體必需的微量元素，研究表明，過量的鋅會使身體出現(xiàn)胃腸不適、惡心腹痛等一系列不良的反應(yīng)[37]。

1.3 土壤重金屬污染現(xiàn)狀

2005—2013年，我國開展了首次全國土壤污染狀況調(diào)查工作。調(diào)查結(jié)果顯示，我國土壤環(huán)境狀況不容樂觀，土壤重金屬含量總超標率達到16.1%，耕地、草地、林地的點位超標率分別為19.4%、10.4%、10.0%，鎘、鉛、砷、汞、鋅、鎳、鉻、銅等8種無機物的超標點位數(shù)占全部超標點位的82.8%。從污染分布來看，西南、中南地區(qū)土壤重金屬含量超標范圍大，鎘、砷、鉛、汞等4種重金屬含量呈從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的趨勢。

近年來，許多研究者對農(nóng)用地土壤重金屬的污染狀況和分布特征進行研究與分析發(fā)現(xiàn)，玉米地和水稻土中鉻、鉛、銅、鋅等的含量明顯高于荒地，表明人類活動對當?shù)赝寥赖闹亟饘俸康脑黾佑幸欢ǖ呢暙I。通過研究陜西省長武縣人工蘋果林地和農(nóng)業(yè)耕地的土壤重金屬含量分布特征發(fā)現(xiàn)，人工蘋果林地表層土壤重金屬含量高于農(nóng)業(yè)耕地[38-39]。土壤重金屬污染狀況在不同季節(jié)表現(xiàn)出一定差異，銅在4種農(nóng)用地土壤中的污染指數(shù)呈遞減趨勢;巢湖西部某村的農(nóng)田土壤以Hg、Cd污染為主，平均含量分別超過其背景值的23.00、15.25倍[40-41]。

依據(jù)環(huán)保部門公布的數(shù)據(jù)，甘肅地區(qū)耕地土壤污染較輕，蔬菜地土壤污染較重，且半干旱區(qū)的土壤污染有增加的趨勢[42]。在研究甘肅省榆中縣農(nóng)田土壤重金屬的污染情況時，發(fā)現(xiàn)Cd含量超過了土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級標準限值，達到了重度污染水平[43];甘肅省白銀市區(qū)農(nóng)田土壤受到了不同程度的重金屬污染，以銅、砷、鎘污染為主，其最高單因子指數(shù)分別達到165、24、6.6[44]。

2 土壤重金屬污染評價方法

土壤環(huán)境質(zhì)量標準是開展土壤環(huán)境評價的基礎(chǔ)，與土壤質(zhì)量標準進行對照或計算評價指數(shù)是土壤重金屬污染評價最基礎(chǔ)的方法。從1993年起，國際標準化組織陸續(xù)頒發(fā)了一些土壤質(zhì)量標準，美國、日本也制定了不少土壤環(huán)境質(zhì)量標準;1995年，我國頒布了GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》，確定了砷、鎘、汞、鉛、鉻、銅、鋅、鎳等8種金屬元素的土壤環(huán)境質(zhì)量標準。在此基礎(chǔ)上，21世紀以來，我國相繼發(fā)布了HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》等行業(yè)標準，對土壤環(huán)境質(zhì)量評價工作進行了較細致的規(guī)定。但由于土壤受外界干擾因素較多，很難采用統(tǒng)一的標準進行評價。因此，在國家標準的基礎(chǔ)上，采用區(qū)域環(huán)境土壤背景值和土壤對照點含量等作為土壤環(huán)境質(zhì)量標準也得到了廣泛的應(yīng)用[45]。

目前，土壤重金屬污染風險評價的常用方法主要有單項污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法、主成分分析法等。

2.1 單項污染指數(shù)法

單項污染指數(shù)法是以土壤環(huán)境質(zhì)量標準作為依據(jù)，對土壤中某一污染物的污染程度進行評價，是最基礎(chǔ)、應(yīng)用較廣泛的評價方法[46]。通過單污染指數(shù)評價，可以確定出主要污染物及其危害程度。例如，國外學(xué)者通過單項污染指數(shù)法評價了荷蘭土壤中Cd的污染狀況[47];國內(nèi)學(xué)者利用單項污染指數(shù)法研究發(fā)現(xiàn)，呼和浩特市不同功能區(qū)土壤重金屬出現(xiàn)了不同程度的污染，并結(jié)合主成分分析法探究了研究區(qū)土壤重金屬污染的成因和來源[48]。

單項污染指數(shù)法首先計算出土壤中重金屬含量與評價標準值（篩選值）的比值，得到單項指數(shù)（Pi），按Pi大小劃定土壤污染程度可分為5級：Pi≤1，表示無污染;1

2.2 綜合污染指數(shù)法

單項污染指數(shù)法的目標明確，易于計算，但只能對土壤重金屬的單元素進行評價，不能反映土壤污染的綜合狀況。因此，在單因子評價基礎(chǔ)上發(fā)展了多種綜合污染指數(shù)法，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法就是其中一種。由于內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法不僅考慮了污染物的最大值，還考慮了污染物的平均值，可以更加客觀地評價土壤重金屬的污染狀況，是國內(nèi)外普遍采用的綜合評價方法之一[49-50]。

同時采用單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法2種方法進行評價也是很常見的，如對北京市重點功能區(qū)的土壤重金屬污染狀況進行評價，并針對不同功能區(qū)的污染狀況提出相應(yīng)的措施[51]。不同學(xué)者在利用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對銀川市不同城市功能區(qū)的表層土壤開展了風險評價，發(fā)現(xiàn)城市不同功能區(qū)受重金屬污染的程度不同[52];采用單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法分析了貴州省黎平縣耕地土壤中As、Pb、Cr、Cd、Hg等5種重金屬的污染程度，結(jié)果表明，在部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)Cd存在較重的潛在生態(tài)風險，Hg存在中度的潛在生態(tài)風險[53]。

2.3 地累積指數(shù)法

1969年，德國科學(xué)家Muller首次提出了地累積指數(shù)法，這種方法被廣泛地應(yīng)用于研究沉積物或土壤中某一種重金屬的污染程度[54]。地累積指數(shù)法在一定程度上反映了重金屬元素的自然分布特征，并且可以評價人類活動對重金屬污染的影響[55]。地累積指數(shù)（Igeo）的計算公式如下：

地累積指數(shù)分級標準如表2所示。

近年來采用地累積指數(shù)法對土壤重金屬污染開展評價較多，如柴世偉等對廣東省廣州市5個郊區(qū)土壤重金屬污染進行了評價;鐘紅梅等對四川省江油市響巖鎮(zhèn)土壤重金屬污染進行了評價和研究;王煜等以某一鐵尾礦區(qū)為研究區(qū)，按一定的比例在尾礦砂中添加土壤、菌糠，利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對復(fù)墾土壤中的7種重金屬元素進行評價，并分析了各復(fù)墾模式下土壤表層各重金屬元素含量的變化特征[56-58]。還有研究者將地累積指數(shù)法與其他評價方法結(jié)合用于評價土壤重金屬污染風險，如利用地累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法相結(jié)合的綜合指數(shù)法評價山東省聊城市耕地中8種重金屬的污染程度[59]。

2.4 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

潛在生態(tài)風險指數(shù)法是瑞典地球化學(xué)家Hakanson提出的評價沉積物中重金屬潛在風險程度的方法，可以綜合地反映重金屬對土壤的污染情況，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價[60]。例如，郭平等采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價了長春市區(qū)土壤重金屬的污染情況;李如忠等對銅陵市惠溪河濱岸帶土壤重金屬的潛在風險進行評價，鉛為重度污染等級，砷、鎘、鋅和銅為較重污染等級，鎳和鉻為中等污染等級;張燁等對麻江縣藍莓基地土壤重金屬的潛在生態(tài)風險進行了評價[61-63]。

單一重金屬的潛在生態(tài)風險系數(shù)（Ei）的計算公式如下：

式中：Tir表示第i種重金屬的毒性系數(shù)，鋅、鎘、鉛、銅、鎳、砷、鎘、汞的Tr分別為1、2、5、5、5、10、30、40;Ci表示污染物i的實測值，mg/kg;Si表示污染物i的評價標準，mg/kg。Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）的計算公式如下：

式中：Ei和RI的分級標準如表3所示。

2.5 主成分分析法

主成分分析法是指在1組變量中找出其方差與協(xié)方差矩陣的特征量，通過將多個變量轉(zhuǎn)化成少數(shù)幾個綜合變量的統(tǒng)計分析方法，新的變量包含了原來變量的信息，且互不相關(guān)[64]。主成分分析法可以對高維的變量系統(tǒng)進行最佳簡化和綜合，從而客觀地確定各個指標的權(quán)數(shù)，并避免主觀隨意性，因此已經(jīng)被應(yīng)用于土地資源開發(fā)、環(huán)境脆弱性和環(huán)境退化等研究領(lǐng)域[65-66]。與綜合指數(shù)法、模糊綜合評判法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色聚類法等環(huán)境質(zhì)量的定量評價方法相比，主成分分析方法具有減少原始數(shù)據(jù)信息的損失、簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及避免主觀隨意性的優(yōu)點，在土壤環(huán)境污染物評價的研究中得到了應(yīng)用[67]。土壤中的重金屬主要來源于成土母質(zhì)和人類活動，因此可以通過主成分分析法有效地判別土壤中重金屬元素的污染來源[68-70]。研究人員采用主成分分析法對山東省萊蕪市鋼城區(qū)土壤重金屬的來源進行了研究，發(fā)現(xiàn)鎘、鉛、鋅等主要來源于工業(yè)“三廢”、交通的排放、農(nóng)藥化肥的使用，砷和汞均來源于鋼鐵冶煉和煤炭燃燒，而銅受自然和人為因素的共同影響[71]。也可通過主成分分析得出，鉛、銅、鉻等主要受自然因素的影響，鋅、鎘、鎳、汞、砷等主要受人為因素的影響，主要是化肥、農(nóng)藥的大量施用以及燃煤塵[72]。主成分分析的缺陷在于無法明確表述主成分與原始變量的對應(yīng)性。鑒于主成分分析現(xiàn)實含義的解釋缺陷，統(tǒng)計學(xué)家引出了因子分析。因子分析在提取公因子時，在注重變量相關(guān)性的同時，也考慮相關(guān)關(guān)系的強弱，使得主成分不僅起到降維的作用，而且能夠被很好地解釋[73-74]。因此，重金屬間的顯著相關(guān)性越高，具有相同來源的可能性越大。王雄軍等基于因子分析法，對比分析了6個主因子，研究山西省太原市土壤重金屬污染的主要來源，研究結(jié)果對太原市重金屬污染治理和進一步的城市規(guī)劃提供了一定的依據(jù)[75]。

3 結(jié)論

通過對大量文獻分析研究，總結(jié)了土壤重金屬污染的來源、危害及現(xiàn)狀。對目前土壤重金屬污染評價的主要方法，如單項污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法、主成分分析方法等分別進行了概述，并對前人的研究成果做了總結(jié)，認為各種方法在不同工作程度的地區(qū)均得到了有效應(yīng)用，但是，土壤重金屬污染的研究是一項復(fù)雜的工程，在具體分析時須要結(jié)合實際情況進行選擇合適的單一的或者組合的方法進行評價，這樣才能對土壤重金屬污染程度判斷的更為準確，為后期土壤重金屬污染防治起到重要的指導(dǎo)作用。

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