中国耕地重金属污染现状及其人为污染源浅析

周江明

（浙江省江山市农业技术推广中心，浙江 江山 324100）

在20世纪50年代，大量日本居民因长期食用当地用含镉污水灌溉的水稻造成的“痛痛病”（itai-itai disease）曾震惊世界［1］，引起全球大量科研人员对重金属危害的极大关注。重金属是指原子密度大于6 g/cm3的金属与类金属元素（硒Se等除外），有些是生物必需元素，有些是非必需元素，摄入含量过高，二者均对动植物有毒害作用［2］。如镉（Cd）、铬（Cr）都是已知的人类致癌物，长期摄入它们会导致肺腺癌、骨折、肾功能不全、高血压、心血管、胃肠道疾病或呼吸系统损害等，而As则影响人体皮肤病变、周围神经病变、皮肤癌、糖尿病、心血管疾病等，过量摄入铅（Pb）会损害神经、骨骼、血液循环、内分泌和免疫等系统［3-5］。近年来，我国重金属污染事件频发，“镉米”“镉麦”等事件的曝光，也引起了国人对水稻、小麦等主要粮食作物重金属超标问题的普遍忧虑［6］，甄燕红等［7］对我国部分市场抽取的91个大米样品分析发现，超过10%的大米镉含量超过国家规定的上限值（0.2 mg/kg）。而陆美斌等［8］对中国黄淮海平原和长江中下游平原两大优势产区的8个省（市）采集的393份小麦籽粒分析显示，Cd的超标率分别为0.7%和9.0%，上述相关调查均表明，我国主要农产品存在一定的潜在安全风险。重金属对人类的危害主要源于受污染的食品，而作为农产品生产载体的耕地，其质量状况与农产品质量密切相关，土壤受重金属污染将直接导致农产品重金属含量超标，进而通过食物链进入人体危害人类身心健康［9-12］。因而全面了解我国耕地重金属污染现状及其主要来源有利于更好地防止土壤环境污染、开展针对性的土壤修复治理工作，进而达到改善农产品质量的目的。

当前耕地重金属污染是我国研究的焦点，除了大量治理修复及安全利用技术研究外［13-17］，在区域性耕地土壤污染监测与评价方面也有很多的文献报道，如秦先燕等［18］对湖北环巢湖农业区开展了土壤重金属污染评价及来源解析，认为该区域土壤污染强度依次是 Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞Cr＞Ni＞As，且前 4项污染物主要来源是大气沉降、肥料应用等；尹国庆等［19］分析了安徽省典型区农用地土壤重金属污染及成因，结果显示，土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr含量超标分别达26.9%、3.8%、23.5%、3.4%、2.2%，工矿污染贡献率达39.6%，交通污染源和大气沉降综合污染源贡献率42.3%，成土母质源贡献率18.1%；而在我国五大粮食主产区耕地土壤调查分析表明，四川盆地、长江中游及江淮地区、黄淮海平原、松嫩平原和三江平原的耕地点位超标率分别达43.6%、30.6%、12.2%、9.3%和1.7%，其中Cd、Hg以人为污染源为主，其他以自然污染源为主［20］。

然而，由于我国区域性调查评价较为零散，时间空间上无法很好地衔接，在全国层面上较难开展耕地重金属污染综合评价研究［6，21］。因此，本文主要通过收集2008～2018年全国（由于无法搜到有效相关数据，未含港澳台地区，下同）各省（市、区）耕地重金属调查数据的文献资料，系统地评价我国耕地重金属污染现状，并分析主要人为污染因素，以期为全国土壤污染状况调查作些有益的补充［21］，有利于进一步了解我国耕地重金属污染的总体概况。同时尝试分析人类不同活动对耕地污染的影响程度，提出优先需要处理的污染源和危害元素，为政府部门制定土壤环境保护措施和污染土壤修复治理提供参考意见。

1 材料与方法

1.1 数据收集和整理

本研究通过浙江大学、华中农业大学图书馆等以“某某省 耕地重金属”为主题，对耕地土壤重金属监测文献（主要在2008～2018年间）进行搜索，所有文献依据不重复、数据来自实地测量、样本可查证、样本采集地为耕地的原则［21］，进行人工筛选20 cm以内表层土壤调查数据资料（剔除矿山、企业、道路周边等受污染耕地，此类文献作他用），共获得32个省（市、区）可用性文献586篇。同时分别搜索矿产、工业、城市、城郊、公路、电子拆解或电子垃圾处理、生活垃圾处理、蔬菜及设施蔬菜地、养殖场等各种人类活动结合“土壤重金属”，收集受污染耕地信息文献351篇，土样采集含活动区域及其周边范围，其中公路两侧超过500 m的对照数据予以剔除。本文主要选取镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）、镍（Ni）7种较为关注的重金属作为研究对象，收集文献中对应的样本数和重金属元素的平均值，少量没有统计值或直接给出样本监测数据的文献通过加权平均或推算（如以污染单因子指数与评价标准推算检测数值）取得样本监测数据，获取分析的各重金属元素样本数达10.9～20.9万个，最终将各省（市、区）内所有文献中的样本数和重金属含量加权平均作为此区域的重金属平均含量。

1.2 研究方法

土壤重金属污染的主要识别方法有对比法、地球化学法和统计分析法等，通过与评价标准（如土壤环境质量标准、土壤背景值等）对比判定土壤污染程度。其中，由德国科学家Muller在20世纪60年代晚期提出的地积累指数法（Geoaccumulation index）［22］，因具有减少成土母质风化过程等自然因素可能对土壤重金属污染的影响，利于评价人为活动对耕地重金属污染的影响，本文采用此法对我国耕地污染现状进行评估［21］，评价标准采用分省（市、区）土壤重金属元素背景值。地积累指数法（Igeo）计算公式如下：

其中Cn为元素n的实测浓度（mg/kg），Bn为元素自然背景值（mg/kg），本文采用中国土壤表层元素背景值的分省数据。地累积指数分成7个等级［21］，见表 1。

人类污染源分析主要通过对收集到的文献数据进行加权平均作为此类活动造成土壤中某元素的累积平均含量，地积累指数计算以全国平均土壤背景值为基础。

表1 地累积指数分级

2 结果与分析

2.1 我国耕地土壤重金属污染概况

图1 各地耕地土壤重金属平均含量

从图1看出，对照《土壤环境质量—农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618-2018）［23］，整体上我国耕地土壤重金属污染低于风险值，Cd、Pb、Cr、Hg、As、Cu和Ni含 量 分 别 为0.224、30.3、70.1、0.106、10.7、27.2和29.8 mg/kg，农产品生产基本无污染风险。在不同区域上，由于母质属性及其人为活动的不同，各地耕地土壤重金属含量有较大的差异，其中吉林省、河南省、湖南省、湖北省、甘肃省、新疆维吾尔和广西壮族自治区7个地区耕地表层土壤Cd＞0.3 mg/kg，耕地污染物已超出风险控制值，其中以新疆维吾尔自治区最高，土壤Cd含量是标准风险控制值的2倍以上。Hg和Ni则分别是陕西省和甘肃省超标，其余元素均值各地均在风险值范围内。这说明我国耕地最主要的污染元素是Cd，其次是Hg和Ni，与2014年调查公布结果相符［24］，与之前诸多学者分析结论一致［20，25］。

表2 各地区耕地土壤地积累指数

2.2 各地区耕地土壤污染评价

通过和近30年前的土壤自然背景值比较，计算各地区耕地重金属地累积指数发现（表2），Cd污染最为普遍和严重，除黑龙江省、山西省、江西省、江苏省、云南省、贵州省、宁夏回族自治区、西藏自治区和上海市9个地区Igeo＜0外，其余22个地区Igeo值均大于0，表层土壤受不同程度的外源Cd污染积累，其中，吉林省等8个地区Igeo＞1，达到中度Cd污染；污染面第二大的元素为Hg，有21个省（市、区）Igeo＞0，同时，也是Igeo值范围最广的元素，从-2.24～3.75均有分布。新疆和陕西耕地Hg累积污染最为严重，达到强污染，甘肃省则达中度污染以上；Pb也有5个地区受到污染，其中甘肃省耕地污染为中度水平；Cr、As、Cu、Ni污染率十分低，Cu有浙江省、广东省、陕西省和北京市耕地受轻度污染，Cr、As、Ni均只有2个地区受轻度污染。综合分析我国耕地表层土壤整个污染水平，耕地累积污染最严重的为Cd元素，全国平均Igeo达0.63，其次为Hg，Igeo=0.13，Pb、Cr、As、Cu、Ni 5个元素的地累积指数均值相差不大且均为负数，属于无累积污染水平。同时，依据各地区不同元素来看，多地存在复合污染现象，如广东省有6个元素污染，污染强度依次为Cd＞Hg＞Cu＞As＞Ni＞Pb； 甘 肃 省 有 Cd、Pb、Hg、As和Ni 5种元素污染，污染强度从轻度到中度以上不等；陕西省有4种元素污染，浙江省、福建省、湖南省、北京市及广西有3种元素污染。上述数据表明我国耕地Cd和Hg污染是一普遍现象，同时部分区域已存在多元素污染的复杂化，这将给土壤治理带来一定的困难。

2.3 耕地重金属人为污染源分析

表3 人类活动区域及其周边土壤重金属含量

一般认为，主要造成耕地重金属污染人类活动有矿产开发、工业发展、城市建设、垃圾处理、车辆交通、农业生产等。经过对收集的大量文献整理分析，各种人类活动区域及其周边土壤重金属含量和地积累指数见表3、4。如将同一活动类型所造成污染耕地（Igeo＞0）的各污染地积累指数总和数据作为此类活动对土壤污染影响大小的指标，则污染程度依次为冶矿产业＞电子垃圾拆解＞城市建设＞工业企业＞城郊活动＞车辆交通＞生活垃圾处理＞蔬菜（设施）生产＞畜禽养殖。从表4中可看出，冶矿产业不仅对土壤重金属污染重，污染因子也最多，除Cr无污染外，其他元素均对土壤有一定程度的累积污染，Cd达强污染以上，Pb和Hg为强污染，As和Cu中度污染，Ni是轻度污染；电子垃圾处理释放重金属元素同样相当严重，处理场地及周边表层土壤的Cd、Pb、Hg、As、Cu元素累积污染分别达强污染以上、中度污染、强污染、轻污染和中度污染；从表3和表4可看出城市建设所引起的土壤污染也很严重，城市及郊区土壤Cd基本受到强度及以上污染程度，Pb大致为中度污染，Hg中度污染以上，Cu污染为轻度到中度以上，城市中土壤Ni没有污染，郊区土壤却受到轻度污染；工业企业对周边土壤污染的贡献大小依次是Cd、Hg、Pb和Cu，污染程度分别为强度、中度以上、中度和轻度；车辆交通对道路两边土壤污染主要是Cd和Hg，污染强度为中度及以上，对Pb污染为轻度污染，这可能与收集数据有关，尤龙辉等［26］认为，离公路垂直距离200 m以上，已基本不受汽车尾车及扬尘等影响了，而本文以公路两测500 m范围内土壤检测数据来统计分析，显著降低了土壤污染值；农业生产中蔬菜（设施）基地土壤Cd污染达中度，Hg和Cu轻度污染，这应该是农药和肥料等农业投入品中含污染元素所导致。而畜禽养殖同样对土壤Cd有中度污染和对土壤Hg有轻微污染。

表4 人类活动区域及其周边土壤地积累指数

表5 不同国家或地区农业用地土壤重金属含量比较

从人为因素对重金属元素污染方面来分析，上述所有人类活动对Cd和Hg均有污染风险，这2种元素污染源最为广泛；土壤Pb污染主要源于冶矿、工业、城市、交通、电子垃圾等，农业生产对Pb无污染；而Cu除具有Pb同样的污染源外，蔬菜生产也是一个污染源；As和Ni主要污染源较少，分别是矿业和电子垃圾处理、矿业和城市；Cr在本次文献整理分析中并未发现人为污染源。

3 讨论

3.1 我国耕地污染水平

人类重金属危害主要是源于受污染的食品，而作为农产品生产载体的耕地，其质量状况对农产品安全显得尤其重要。国内外调查数据显示，农业土壤质量不容乐观。如欧洲约有6.24%或1.37×107hm2的农业土地面积的重金属含量超过相关标准［6］；日本有7 592 hm2农业土地不符合标准，主要是Cd超标（约7 050 hm2，占92.9%）［27］；而我国生态环境部2014年7月公布的数据也显示，农业土地 有7.0%的Cd、4.8%的Ni、2.7%的As、2.1%的Cu、1.6%的Hg和1.5%的Pb超过土壤环境质量标准［24］。本研究也显示耕地已受不同程度的污染，特别是Cd较为严重和广泛。通过均值与其他做过农用地规模调查的国家或地区相比，我国耕地污染处于较好的水平。耕地 Cd污染物，除新西兰低于我国外（表5），其他9个国家或地区农用地土壤明显高于我国，特别是欧洲和尼日利亚，均值达0.73和0.6 mg/kg，已超出我国标准的风险限值（低于0.6 mg/kg）；Pb平均含量低于欧洲和英国，与挪威、伊朗基本相同；Cr和Hg处于世界中等水平，低于欧洲、美国、伊朗和塞浦路斯，而高于新西兰、挪威、西班牙、尼日利亚和意大利；而Hg除显著低于英国和挪威或欧洲外，明显高于其他调查过的国家或地区；土壤Cu和Ni元素低于各国平均水平，说明污染程度不高。另外，在亚洲其他地区，如印度、孟加拉等国家由于长期受污水灌溉的影响，相关调查显示出耕地污染非常严重，如印度的Kanpur农业用地土壤Cd、Hg、Cu、Ni分 别 高 达2.09、4.33、88.67和80.6 mg/kg［38］，是我国的9.3、40.8、3.3和2.7倍；而其孟加拉邦的North-24-Pargana和Nandia区域农业土壤Cd、As含量分别为42.3、77.5 mg/kg，是本文数据的7.2和188.8倍［39］。孟加拉首都Dhaka周边农用地Hg和As含量更是高达惊人的309.9和3 199.65 mg/kg［40］，分别是我国耕地均值的2 923和299倍。这表明，我国周边国家耕地重金属污染更为严重，农产品污染风险更高。

3.2 耕地人为活动污染源

耕地土壤重金属污染源主要有二大类，即自然因素（土壤母质）和人为因素（如工业、制造业、垃圾处理、农业生产等活动），其中母质中重金属元素比较稳定，不易被植物吸收，而人类活动引起的重金属污染一般有很高的活性，容易被植物吸收积累［41］。本文中显示人类各类活动对土壤Cd和Hg均有污染影响，是耕地污染的最主要来源，Pb、Cu、As、Ni影响较小，而Cr则无人类活动污染影响，这和尚二萍等［20］对我国五大粮食功能区的调查结果一致，他们认为研究区域Cd、Hg以人为污染源为主，所占比重分别达66.13%和56.41%，Pb和Cu人为影响较低，分别为21.88%和17.85%。矿山的开采、冶炼、冶炼废渣堆放及其废渣废水违法排放等对矿区周边及下游耕地直接造成土壤重金属严重污染［37，42-46］，伊国庆等［19］认为工矿污染对农用地贡献率达39.6%。本研究中显示新疆Cd地积累指数最高（Igeo=1.80），这可能与当地煤矿资源丰富有关，新疆占有全国40%煤矿资源［47］，而煤矿中含有很高的 Cd 元素［44-45，48］，长期粗放的开发对周边土壤会造成严重Cd污染［44-46］。另外，煤中除了高Cd元素外，Hg含量也很高。根据杨爱勇等［49］收集的我国1 793份煤样分析数据知，汞含量在0～45.0 mg/kg间，平均达0.2 mg/kg。汞随燃煤废气进入空气中后，通过干湿沉降进入土壤造成累积污染，燃煤释汞约占全球人为排放总量的70%左右［50］，这可能是作为我国煤矿基地的新疆和陕西Hg地积累指数最高的原因。工业企业、城市建设的“三废”排放等是引起附近或下游耕地重金属污染较重的主要原因之一，据Pandey等［51］调查，制纸浆厂流出的废液中Cr含量达48.41 mg/L、Cu含量7.36 mg/L、Cd含量1.21 mg/L、Pb含量1.11 mg/L、Ni含量3.54 mg/L，长期工业废水污水灌溉提高了土壤污染物含量。Saiful等［52］也分析了制革厂、染料化工、纺织厂、制浆纸厂、麻纺厂、金属加工、电池制造等各种企业产生的工业污泥污染物含量，结果显示制革厂污染指数高，其次是染料化工企业。Cr主要来源是制革厂和染料化工，Cu主要来源是制革厂、金属加工、电池制造，As主要来源也是制革厂，Cd来源很广，多数企业污泥均有较高的含量，因而工业企业、城市及郊区区域和周边土壤总Igeo很高，分别达8.14、9.03和6.08。农业生产活动也对耕地重金属污染有一定的影响，本研究中显示蔬菜（设施）生产和畜禽养殖区域耕地Cd存在较为严重的污染，Hg有轻度污染，而Cu则在蔬菜基地上有轻度污染，这可能和长期过度的化肥、农药、畜禽粪便施入等有关［9，41，53-54］。当然，在我国对农业投入品质量管理越来越严格的环境下，农业投入品对耕地污染已得到极大改善，在排除污水灌溉情况下，畜禽粪便和化肥对耕地土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb污染贡献率分别从2006年的37.9%、62.9%、55.9%、72.3%、38.4%、29.9%、14.3%下降到2015年的19.5%、22.4%、13.6%、64.4%、11.3%、19.8%、5.2%［54-55］，土壤质量逐步改善。

4 结论

我国耕地重金属污染总体上处于风险控制限值内，但陕西、甘肃、新疆、广东、海南、湖南、河南、浙江、北京、山西、吉林、四川等12个省（市、区）是我国耕地污染较为严重的地区，其中陕西、甘肃、新疆、广东和湖南尤其严重。污染物最为严重和广泛的是Cd，其次是Hg，而Cr污染率极低。造成耕地土壤重金属污染的主要人为因素有冶矿产业、工业企业、城市建设、车辆交通、垃圾处理及农业生产等，特别是工矿企业和城市建设，不仅污染强度高，污染元素也多。电子垃圾处理虽然同样是强污染源且污染元素丰富，但在全国范围内露天大处理场极少，影响面较小。农业活动近年来由于政府对各类投入品质量的严格控制，对耕地污染比较轻微。

鉴于土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性、累积性和不可逆转性等特点，建议各级政府加强污染源控制，既要严控污染强度高的工矿企业、垃圾处理等污染物的排放，又要严查污染强度低但影响范围面大的农业生产中投入品的质量，防止污染进一步加重。同时，加大对已污染耕地修复治理技术研究的科技投入，特别对操作性强、农业主体易接受的简单农艺措施的开发应用，有利于推进“边生产边治理”的农业安全生产治理模式，保障我国粮食数量质量安全。