中国城市土壤重金属污染研究现状及展望

纪小凤，郑　娜，王　洋，汤　琳

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所,吉林 长春 130102; 2.中国科学院大学,北京 100049)



纪小凤1,2，郑娜1，王洋1，汤琳1

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所,吉林 长春 130102; 2.中国科学院大学,北京 100049)

摘要：受人类活动影响，我国城市土壤均存在不同程度的重金属污染，但城市之间、城市各功能区内土壤重金属污染程度及累积类型差异明显。文章在调研相关资料的基础上，综述了我国城市土壤重金属污染现状、来源、空间分布以及对人类健康的危害，并针对目前我国城市土壤存在的问题提出建议，以期为日后相关研究、未来决策及环境管理等方面提供参考。表1，参48。

关键词：城市土壤；重金属污染；生态效应

0引言

重金属是指密度在4.0 g·cm-3以上的金属元素或5.0 g·cm-3以上的其它元素。虽然砷和硒都不属于金属元素,但这两种元素的部分性质及毒性效应类似于重金属，因此也将其归为重金属污染物。由于重金属元素在环境中很难被降解，且具有持久性，因此它们被称为“化学定时炸弹”[1]。重金属不仅通过手、口、呼吸和皮肤吸收等途径直接进入机体，还可通过污染的土壤、大气和水环境从而间接危害人体健康，甚至导致死亡[2-3]。

2014年环境保护部及国土资源部联合发布的全国土壤污染状况调查公告中指出，全国土壤污染总超标率为16.1%，其中无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%。另外，我国约有1 000万hm2耕地被污染，每年因土壤重金属污染而损失的粮食作物约1 200万t[4]。我国土壤污染严重，形势紧迫。

城市土壤意指城市或城市郊区，原有特性受人类活动影响而不同程度改变的土壤总称[5]。城市是人类生产和生活的重要场所，全球范围内只有不到2%的地表为城市所覆盖。目前，我国城市人口不断增加，城市化率达到43%。另外，由于密集型工业、人类活动和交通运输，很大部分污染物间接或直接地进入城市及周边城郊地区的土壤生态系统中，污染事件时有发生，如2009年的湖南省浏阳市镉污染事件，2011年云南曲靖铬渣非法倾倒，2012年广西龙江河的镉污染等等。土壤重金属来源途径多样，复合污染较严重，城市土壤重金属污染日益加重[6]，在城市的个别区域，会出现某些重金属元素的严重富集，类似岛屿现象[7]。重金属通常不能被生物降解，它们在食物链的生物放大作用下成千百倍地富集，而人类处于食物链的终端，健康危害日益加重。另外，由于人们对土壤污染的危害缺乏足够的认识，未能及时治理和修复污染土壤，使得土壤污染日益加剧[8]。鉴于此，开展对城市土壤重金属来源、地球化学迁移特征以及生态效应的研究具有重要的现实意义。

1城市土壤重金属污染空间变异差异

1.1不同区域城市土壤重金属污染空间分布差异

我国城市土壤重金属污染主要涉及到As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn和Ni 8种重金属，除Ni外，其他重金属含量均超过土壤背景值，土壤中Cd、Cu、Hg、Pb和Zn均超过国家一级标准，其中，Cd已超过国家二级标准，污染最为严重，见表1。陈潇霖[9]、柳云龙[10]、陈高武[11]、何玉生[12]等研究结果也表明我国城市土壤均受到不同程度重金属污染。

表1　我国城市土壤重金属含量的基本统计参数[13]

城市之间的城市化进程、人类活动强度等不同，使得城市土壤重金属污染程度存在明显差异。城市土壤中重金属含量随着时间的推移而快速增加，即土壤重金属污染累积效应加剧[14-15]。王莹[13]等指出，非工业城市污染程度小于工业城市，以长江为分界线，长江以南城市土壤重金属污染程度较长江以北城市严重，中小城市土壤重金属污染要低于特大城市。2014年环境保护部及国土资源部联合发布的全国土壤污染状况调查公告中指出，Cd、Hg、As、Pb 4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。由于西南地区赋存众多矿区，开采矿物过程及尾矿中重金属污染严重，重金属超标范围较大。杨刚[16]、黎宁[17]等都对西南矿区土壤重金属进行了研究，结果亦可佐证该结论。

城市土壤重金属积累类型存在一定差异性。例如，金昌市[18]、铜陵市[19]均为典型的矿业城市，但是重金属累积类型不同。甘肃省金昌市是我国最大的镍生产基地，城市土壤主要存在Ni、Cu污染，铜陵市主要以开采铜矿为主，Zn、Cu、As、Hg富集较为明显。

1.2城市不同功能区土壤重金属污染空间分布差异

在城市工业、商业、生活区等不同功能区内土地利用方式不同、人为活动强度也各不相同，土壤重金属来源差异较大，污染程度和产生的危害也有所不同，且污染具有其特定的空间分布特征，所以城市土壤研究往往从城市功能区划分开始。一般情况下，城市内部土壤重金属污染空间分布特征如下[7,20]：公园土壤中的含量高于远郊相同母质下农业土壤中的含量，城市市中心区域污染程度高于城市外围地区，工矿业区土壤重金属污染最严重。另外，住宅区污染程度要小于工业区及商业区。工矿区土壤重金属主要是以Cd、Pb为主，而商业区和居民区则以Zn、Cu累积为主[21-23]。

近年来，因道路交通引起的土壤重金属累积越来越受到社会关注。因为随着交通运输业的发展，轮胎添加剂、汽车与地面摩擦、汽车尾气的重金属释放量增加，由于大气沉降，重金属不断进入土壤，通过土壤-植物系统中迁移转化作用在植物体内富集，进而危害人体健康。刘坤[24]等指出，泰安市道路两侧土壤中Cd含量为研究区土壤背景值的50倍，Zn、Cu分别为当地土壤背景值的4.5倍、4.6倍，As、Pb、Cr含量依次为土壤背景值1.4倍、2.5倍及1.2倍。

2城市土壤重金属来源

2.1自然源

自然条件下，土壤重金属含量受成土过程及成土母质影响较大,土壤重金属主要来源于成土母岩和残落的生物物质[25]。成土母质本身含有重金属，是决定城市土壤中重金属元素含量与分布特征的重要因素之一，不同的母质、成土过程使土壤中含有的重金属量差异很大[26-27]。在整个地球的地质发展过程中，或是在更小的时空范围内，如在城市的发展过程中，自然原因导致的土壤重金属污染是缓慢的、有限的。

2.2人为源

在人类文明进化过程中，土壤重金属污染主要受人类活动影响，如工矿业废弃物排放、生活垃圾、拥堵的交通等[28]。由人类活动导致的重金属输入土壤的途径、污染范围、程度都远大于自然因素。我国城市土壤重金属来源主要以人为源为主。

2.2.1交通污染。交通运输过程中汽车尾气排放以及轮胎添加剂中的重金属(如Cu、Zn、Pb)均对土壤重金属含量产生影响，城市交通流量在一定程度上决定了这些重金属的累积情况[29-31]。据有关资料显示[32]，各种汽油含Pb量在0.4 g·kg-1~1.0 g·kg-1之间，汽车排气中的Pb高达20 μg·kg-1~50 μg·kg-1。对交通引起的土壤重金属积累进行的研究表明[33]，高速公路周围表层土壤中的重金属污染严重。刘廷良等[31]认为，汽车轮胎的添加剂中含有Zn，所以轮胎磨损产生的粉尘是路边土壤Zn污染的重要来源。马建华[34]等认为汽车尾气排放、汽车机件间以及车轮与路面间磨损产生的颗粒物导致路面粉尘、路沟底泥和路旁土壤重金属积累。王鹏[35]等指出，因汽油、润滑油燃烧的废气排放及轮胎和刹车里衬机械磨损的颗粒物，使得交通繁忙路段或车流量较大区域的土壤中重金属含量相对较高。

2.2.2工、矿业污染。冶炼业及采矿业的迅猛发展，在推动经济持续快速发展的同时也造成了矿冶及相关企业周边地区土壤重金属污染问题[36]。化工、矿产冶炼、电池、塑料及电镀等行业是主要的工业污染源，某些工厂及相关企业附近土壤中Pb、Zn质量分数高达3 000 mg·kg-1[37]。此外，工矿业生产中产生的固体废弃物在填埋及堆积过程中，受到温度、水、压力、生物等多种自然因素及人类活动综合影响，通过矿物风化溶解作用，其所含的各种重金属从岩石圈进入水圈，进而在整个圈层中通过多种不同途径循环[38]。在对矿区土壤重金属的研究过程中发现，废弃老矿区周边土壤中重金属含量要低于废弃新矿区，这主要与废矿石产生的热交换有关，废矿石对重金属具有吸附作用，它对土壤中重金属空间分布起到了非常重要作用[39]。

2.2.3生活废弃物污染。废弃物中因所含重金属种类繁多，故引起的污染程度、污染物类别及危害方式均不同，一般情况下，污染的空间分布是以废弃堆为中心并向四周逐渐扩散[26]。城市内每天都会产生大量生活废弃物，这些废弃物通常未经任何处理或处理不善，使渗滤液中重金属离子(As、Mn、Zn、Pb、Cr等)向周围环境扩散，释放到城市土壤中，导致城市局部地区土壤重金属含量超标[40]，造成土壤污染。银燕春[41]等对成都市区、城郊和农村生活垃圾重金属污染特性的研究发现，成都地区生活垃圾重金属浓度普遍高于当地土壤背景值，且生活垃圾中重金属污染存在着非常明显的季节性变化，垃圾中重金属浓度夏季高于冬季。李晓勇[42]等对上海市不同功能区生活垃圾典型重金属含量进行调研分析得知，商业区垃圾重金属含量最高，各类型住宅中，里弄垃圾的重金属污染最轻，城区居民垃圾中Hg和Cr含量低于农村居民垃圾，而Pb、Cd和As含量则是城区居民垃圾更高。

3土壤重金属污染对人体健康危害及风险评价

重金属元素通过不同途径进入土壤后，它的化学性质及存在形态决定了其在土壤中的迁移性和对人体的危害[43]。重金属元素中有些是人类生命活动过程中不需要的，例如As、Hg、Pb，有些重金属为营养元素，是人体正常生命活动过程中所必需的，但是当人体摄入量过多时，它们又会对人体产生毒害作用[44]，如Cu元素，Cu过剩可使血红蛋白变性，损伤细胞膜。研究表明[45-46]，长期暴露在重金属条件下会对人体造成严重的伤害，过量的重金属大多都能抑制生物酶的活性，破坏正常的生物化学反应，这种伤害在几年以后就会显现。由于儿童各方面身体机能尚未健全，抵抗能力较弱，重金属对儿童危害更为严重，如儿童血液中Pb超标现象时有报道，儿童重金属中毒问题尤为严峻。

城市土壤重金属主要通过两个途径危害人体健康：①重金属通过土壤扬尘进入暴露人群体内。②重金属在土壤-作物系统中迁移累积及食物链传递。20世纪60年代在日本富士县出现的痛痛病就是因Cb在土壤-水稻系统中迁移累积，从而严重危害人体健康。目前，重金属在土壤-作物系统中迁移转化及健康风险评价是国内外研究热点，已取得较大进展。健康风险评价大多采用美国环境保护总署(USEPA)MMSOILS模型，食物摄入暴露评价方程计算:

式中：CDI—通过进食粮食作物平均日摄取量[mg·(kg·d)-1]；C—粮食作物中重金属含量(mg·kg-1)；I—接触率；EF—暴露频率(d·a-1)，通常，EF取值为365 d·a-1[47]；ED—暴露时间(a)；BW—受体体重(kg)；AT—平均接触时间(a)。

HI=∑THQi

式中：THQ—健康风险指数；HI—多种暴露途径的总健康风险指数；RfD—重金属暴露参考剂量[mg·(kg·d)-1]。若THQ<1，则说明暴露人群没有明显的健康风险；若THQ>1，表明重金属可引起人体的健康风险，THQ值越大表明Hg对人体健康风险越大。HI>1表示多种重金属复合污染可致使暴露人群面临健康风险；HI<1则表示暴露人群在重金属复合污染情况下并没有明显的健康风险。但是这个方法是在假定摄入剂量等于吸收剂量的前提下进行的，没有考虑重金属的生物可利用性。我国环境健康风险评价方面研究相对较薄弱，评价模型、各指标所取参考值均采用国外研究结果，然而我国与其他国家国情并不相同，暴露时间、暴露频率及暴露剂量有很大区别，所以，相关研究学者应加大研究力度，修正USEPA提出的危险系数法。

4治理途径及今后研究重点

重金属对暴露人群健康危害日益严重，尤其是具有高毒性及致癌作用的重金属对儿童健康危害屡见不鲜，国家、相关政府和企业应根据城市土壤重金属污染特征积极采取措施，对重金属污染的土壤进行综合治理。

4.1治理途径

4.1.1控制污染源。①交通运输业对城市土壤重金属污染影响较大，国家应制定相应对策控制汽车的保有率，调整能源结构，提高燃油利用率，大力推广节能、减排的电动汽车。②对环境污染影响较大的企业，相应部门应要求其规范化发展。对于不合格的工矿企业，国家应吊销执照，关闭企业。企业的所有者应积极配合部门工作，努力提升技术，尽可能降低环境污染。③生活垃圾污染是城市发展过程中的附带产物。我们公民有义务也有责任遵纪守法，保护环境，守卫我们共同的家园。

4.1.2污染土壤修复。对于已经受到土壤重金属污染的各城市，尤其是人口众多的大城市，应积极采取各项具有可行性的治理措施。由于土壤自身的性质以及修复方法的限制[27]，重金属污染土壤的治理与修复存在诸多问题。土壤重金属污染修复方法有化学修复、物理修复以及生物修复。常用的方法是化学修复法及生物修复法。值得一提的是，植物修复是一种生物修复技术，较传统的物理、化学修复技术兼有技术及经济上双重优势[48]。

4.2研究重点

目前国内外关于城市土壤重金属污染研究已取得了很大进展，但这其中仍存在诸多待进一步研究和探讨的问题。笔者认为存在的问题及未来发展方向如下：①大多数学者研究重点放在土壤重金属的总含量、空间分布特征、风险评价等方面，对重金属生物可利用性及在水—土—气等的界面介质之间的迁移转化机制方面的研究相对来说较薄弱。②随着新技术的快速发展，相关科学研究工作者可利用空间模拟等技术手段探索、分析重金属的来源、空间分布，利用具有强大功能的GIS进行实时监测，以期为相关研究、未来决策、环境管理提供参考。

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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

中图分类号：X53

文献标识码：A

通讯作者：郑娜(1978-),女,吉林长春人, 博士, 研究员, 研究方向为环境重金属污染与控制以及人群健康.

作者简介：第一纪小凤(1990-), 女, 安徽安庆人, 在读硕士, 主要研究方向为重金属在环境中的迁移转化及健康风险.

基金项目：国家自然科学基金项目(41171392)；中国科学院重点部署项目(KZZD-EW-TZ-16-04-02); 吉林省科技发展计划项目(20120402).

收稿日期：2015-06-18；修回日期：2015-09-24.

文章编号：2095-2961(2016)01 -0042-06

doi:10.11689/j.issn.2095-2961.2016.01.006