污水灌溉农田土壤镉污染研究进展

齐 菲，付同刚，高 会，刘金铜①

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，河北 石家庄 050022；2.中国科学院大学，北京 100049)

污水灌溉指利用工业废水或城市生活污水灌溉农田。由于淡水供应的不足，污水灌溉在很多国家和地区已有很长的发展历史。德国早在16世纪就将污水用于灌溉，美国是世界上较早利用污水灌溉的国家之一，日本也因污水灌溉爆发了著名的“痛痛病”事件。全球约有7%的地区，涉及50多个国家进行污水灌溉[1]。由于我国水资源短缺以及相关法律法规的不健全，早在20世纪50年代污水灌溉就已被广泛运用到农业生产中。目前，我国污灌农田面积达140万hm2，已报道的污灌区有131个，其中，镉污染最为普遍，面积达1.3万hm2，涉及11个省的25个地区[2-3]。2014年全国土壤污染调查公报显示，镉点位超标率高居土壤重金属污染榜首，达7.0%。镉是农田土壤重金属中主要污染物质,与其他重金属相比，镉具有分解周期长、移动性大、毒性高、降解难、易被作物吸收等特点。鉴于镉的特殊性及危害性，农田土壤镉污染问题越来越受到众多学者的关注。已有研究表明，北京凉凤、石家庄栾城、沈阳沈抚、甘肃白银、河南开封、山西惠明和新疆石河子等地污水灌溉农田土壤中均检测到镉，且伴有不同程度的积累[4-5]，污水灌溉导致的农田土壤镉污染已直接影响土壤质量及农作物质量。目前，国内外污水灌溉农田土壤镉污染研究的总体情况、研究内容和最新研究进展还不明确，理清上述问题，对系统性了解国内外污水灌溉农田土壤镉污染研究现状及未来发展趋势具有重要意义。

近年来，有关农田土壤镉污染的研究较多，但针对污灌农田土壤镉污染的综述鲜见报道,对污灌农田土壤镉在土壤-作物系统内的含量特征、运移机制和修复技术方面尚缺乏系统总结。因此，从土壤-作物系统的整体视角出发，采用CiteSpace软件对污灌导致的土壤重金属污染相关文献进行计量分析，获取污灌农田土壤镉污染的发展历程，并阐述污灌农田土壤镉在不同研究方向上的进展以反映污灌农田土壤镉的研究现状，最后对污灌农田土壤镉污染研究中尚需加强的方面作出展望，为今后污灌农田镉污染土壤修复提供基础资料和理论依据。

1 文献计量分析

为探明污水灌溉农田土壤镉污染在研究中的发展历程，采用CiteSpace软件进行文献计量分析。以中国学术期刊全文数据库(简称CNKI)和SCI科学引文索引核心数据库(简称WOS)为检索源，检索时间为2021年3月12日，期刊时间跨度均设定为1991—2020年。CNKI以“污灌”和“重金属”为检索主题词，WOS以“sewage irrigation”和“heavy metal”为检索主题词，采用高级检索对检索结果逐条筛选，并删除与该研究无关的文献，最终得到285篇中文文献和520篇英文文献。

1.1 总体研究概况

文献发文量可以反映污水灌溉土壤重金属污染研究领域的发展态势。由图1可知，CNKI文献数量远少于WOS文献数量，在近30 a间，英文文献发文量呈现逐渐上升趋势，而中文文献发文量则呈现波动变化，中国学者的WOS发文量在2005年之后开始缓慢增加，至2020年，中国学者的WOS发文量已超过CNKI发文量。

图1 CNKI和WOS污水灌溉重金属研究相关文献发文量

根据不同年份发文量及其增长情况，将污水灌溉土壤重金属污染研究分为：1991—2000、2001—2010和2011—2020年3个阶段，并采用CiteSpace提取不同时期的前15位高频关键词(表1)。3个时间段内，在英文文献中，“cadmium”“zinc”“copper”3个重金属关键词均出现且频次较高，随时间推移，“cadmium”频次逐渐增多且一直是出现次数最多的重金属种类之一，说明污水灌溉土壤镉污染相关研究在英文文献中越来越受到关注。在中文文献中，1991—2000年高频关键词仅有7个，这说明国内关于污水灌溉土壤重金属污染研究起步较晚；“重金属”“污灌”等关键词出现频次均较高，但“镉”并未出现，这说明中文文献单独针对镉的研究相对较少，与英文文献差别较大。镉具有强致癌性，是一种有毒的重金属元素，污水灌溉引起的土壤镉污染应给予重点关注。

表1 污水灌溉土壤重金属污染研究在不同时期的前15位高频关键词Table 1 The top 15 high frequency keywords in different periods on heavy metal research in sewage irrigation

1.2 污水灌溉土壤重金属污染研究热点的演化

关键词突现度可以反映一段时间内影响力较大的研究领域。通过分析突现关键词，可以了解研究热点的动态变化。通过Citespace软件提取了中、英文文献突现关键词(表2～3)。

表2 1991—2020年英文文献污水灌溉土壤重金属污染研究突现关键词Table 2 Keywords with bursts of heavy metal research in sewage irrigation in English literatures from 1991 to 2020

由表2可知，“cadmium”“zinc”是英文污水灌溉土壤重金属污染研究中最早出现的突现关键词，在2002年之后逐渐转为“nickel”(镍)和“copper”(铜)的研究，其中，镉在1995—2006年是英文污水灌溉土壤重金属污染研究领域的热点，且镉是研究热点持续时间最长的重金属种类。从突现词终止年份来看，“TriticumaestivumL.”(小麦)、“amendment”(土壤改良)和“China”(中国污灌区)是目前英文文献中新兴热点。由表3可知，早年间中文文献污水灌溉土壤重金属污染研究热点为“农田土壤”，在2009年逐渐转为污染评价方面研究。与英文文献相比，中文文献突现关键词数量较少，且并未出现“镉”，这说明中文文献关于污灌农田镉的研究还需要进一步深入。

表3 1991—2020年中文文献污水灌溉土壤重金属污染研究突现关键词Table 3 Keywords with bursts of heavy metal research in sewage irrigation in Chinese literatures from in 1991 to 2020

2 污灌农田土壤-作物系统中镉研究

2.1 污灌农田土壤与作物镉含量特征

2.1.1镉在污灌农田土壤中的分布特征

要了解污灌农田土壤镉的污染现状，首先要明确土壤镉在水平和垂直2个方向的分布情况，国内外学者在这方面做了大量工作。克里格插值法是目前研究污灌农田土壤镉的水平分布特征最有效且最常用的方法。镉在水平方向上的分布特征有一定规律可循，主要受位置影响，污灌农田表层土壤镉含量大致表现为以污灌主河道或污染最严重区域为中心逐渐向周边递减的分布状态[6-7]。而关于污灌农田土壤镉在垂直方向上的分布特征，众多学者意见并不一致。相关研究结果表明，污灌农田土壤镉具有表聚性，主要集中在地表约20 cm深以内的耕层，很少向下迁移[8-10]，表层土壤镉含量甚至可为深层土壤的2倍多[11-12]。但也有学者研究发现，在30 m深[13]甚至是40 m深[14]的深层土壤中仍能检测到镉。最新研究结果表明，在华北平原污灌区13 m深的深层土壤镉含量可高达3.8 mg·kg-1[13]，镉在垂直剖面上呈现出不规则的分布状态，并伴有局部范围上低下高的情况[15-16]，这种分布模式可能是由于长时间的污灌导致镉向更深土层迁移[13，15,17]，也可能是不同土壤理化性质和成土母质所致[18-19]，相关研究还有待进一步深入。

综上所述，污灌农田土壤镉的空间分布特征，在水平方向上，污灌农田土壤镉的分布主要取决于距污染源距离，而在垂直方向上，镉的分布特征目前在学术界仍存在较大争议，尚无令人信服的结论，但多项研究结果表明长期污水灌溉可能会导致镉向更深层土壤迁移。

2.1.2镉在污灌农田作物中的富集规律

生长在污灌农田镉污染土壤的作物，镉必然会在其体内积累，随着污灌时间增长，也会导致作物可食用部位镉含量升高[20-22]。关于镉在作物各器官的分布，国外内学者也进行了大量研究。一般认为，污灌农田大多数作物吸收的镉主要积累在根系，而地上部含量较低，各部位镉含量由高到低通常依次为根、茎、叶和籽实[23-24]，而块根类作物比较特殊，各部位镉含量由高到低通常依次为茎叶和块根[25-26]。另外，王春等[27]研究表明，污灌农田作物镉含量也随着距污染源距离增大而逐渐减少。

在土壤镉含量相同的情况下，作物种类不同，其可食部位所吸收的镉含量也会有所差异。如董克虞等[28]和秦世学[29]研究表明块根作物可食部位镉含量大于籽粒类作物。张红振等[30]通过文献调查系统研究了不同作物可食部位镉的富集能力，结果表明各类作物可食部位镉含量由高到低依次为叶菜类、根菜类、果菜类和籽粒类。SLAVIN等[31]研究表明污灌区叶菜类作物镉含量大于根菜类，且叶菜类作物含水量大于根菜类，这说明污灌农田作物吸收和富集镉所表现出的差异可能与作物含水量有关，也有学者认为这种差异可能是由于不同作物的生理特性及遗传差异所致[32]。

综上所述，镉在同一作物不同器官以及不同作物中的富集程度差异较大，因此，可以在污灌农田镉污染土壤选择种植镉低富集作物品种或食用作物镉富集较少部位以实现食品安全。

2.1.3土壤与作物镉含量的相关性

从已有研究来看，作物镉含量与土壤镉的关联特征研究通常采用相关系数分析方法，关于两者在空间上的定量对应关系尚不明确。

一些研究表明土壤与作物镉含量存在明显相关性，例如，通过盆栽试验证明小麦[33]、水稻[34]、胡萝卜[35]和辣椒[35]等作物镉含量与土壤镉全量之间均具有良好相关性，相关系数均在0.9以上。但在田间尺度上，受多种环境因素影响，相关性往往会减弱，如李宗梅[36]发现天津污灌区小麦籽粒镉含量与土壤镉含量之间呈显著正相关关系，但相关性较弱，相关系数仅为0.44。

还有一些研究表明两者不存在相关性，这主要表现为土壤镉污染评价结果与作物镉污染评价结果不一致，存在“土壤镉超标、作物镉不超标”和“土壤镉不超标、作物镉超标”等镉含量不对称的现象[7,37]。如朱云等[38]发现广东省乐昌县污灌区土壤镉含量超过GB 15618—1995《国家土壤环境质量标准》二级标准限值，但生长的长豇豆果实镉含量却绝大多数符合国家食品卫生标准；XUE等[12]研究表明保定污灌区48%的土壤样品镉含量超过GB 15618—1995的0.6 mg·kg-1安全限值，但生长的小麦和玉米籽粒镉含量均未超标；AHMED等[37]研究也表明，研究区土壤符合孟加拉国规定限值，但生长的蔬菜镉含量高于植物的允许限值。这主要是由于作物镉含量更容易受土壤镉有效态含量影响，而不是镉全量。

综上所述，不同研究结果表明，与盆栽试验相比，田间试验中土壤-作物系统镉相关性不显著，部分区域土壤与作物镉含量存在不对称现象。由于土壤与作物镉含量的相关性不明确，因此需要深入研究镉在土壤-作物系统中的运移机制，以探讨两者的定量关系。

2.1.4污灌农田土壤-作物系统镉的环境风险评价

镉污染环境风险评价通常采用单因子指数、内梅罗指数、地累积指数、潜在生态风险和人体健康风险等评价方法，不同评价方法存在不同优缺点，这些方法在不同污灌农田土壤镉污染状况研究中均有一定使用。安婧等[39]采用潜在生态风险评价法对沈抚污灌农田土壤镉进行风险评估；曹春等[40]采用人体健康风险评价法评估了大宝山污灌农田食用受污染粮食作物的健康风险，结果表明儿童和成人食用途径摄入的镉超过了每日允许摄入标准的5倍多；LI等[41]对华东污灌农田5种不同土地利用类型的表层土壤进行潜在生态风险评价，发现农田土壤镉表现出高比例的强和严重的潜在生态风险。

目前，针对污灌农田土壤镉环境风险评价的研究主要针对表层土壤镉含量的分析和评价，对污灌农田作物镉含量的环境风险评价和人体暴露风险评价的研究相对较少，对污水灌溉导致镉向深层土壤迁移的环境风险评价则更少。因此，亟需加强污灌农田土壤-作物系统镉的迁移转化方面研究，进一步明确污灌农田土壤-作物系统镉污染的环境影响。

2.2 污灌农田土壤-作物系统镉的运移机制

2.2.1镉在土壤-作物系统中的存在形态与迁移转化方式

目前，最常用的镉形态提取方法为Tessier五步提取法，可提取5种形态，其风险由高到低依次为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机结合态和残渣态[42]。各形态间会随环境条件变动而互相转化，其中可交换态和碳酸盐结合态容易被植物吸收，具有很大的迁移性[43]。大量研究结果表明污灌会改变农田土壤镉的存在形态，提高镉的生物有效性[2,44]，与清水灌溉相比，污灌降低了镉残渣态占比，使镉的迁移能力明显提高[45]。

停止污灌后，镉的生态风险也并未降低，如沈阳张氏污灌农田在停止污灌15 a后，镉的可交换态与碳酸盐态含量之和仍高达78%[46]。这是由于镉一旦进入土壤就很难被彻底去除，土壤中镉只能从一种形态转化为另一种形态，从一个地方迁移到另一个地方。因此，探明镉从土壤向作物地上部的迁移转化方式，对于土壤-作物系统中镉污染治理具有重要意义。

污灌农田土壤中的镉从被作物根系吸收到在作物体内积累是一个较为复杂的过程。首先，随污水进入土壤中的镉可以随蒸腾作用在作物吸收水分时与水一起到达作物根部，也可以通过扩散作用移动到根表面[23]。然后，到达根部的镉离子通过土壤与作物体内的离子浓度差扩散到根细胞内，也可以通过占用Fe2+、Zn2+和Ca2+离子通道与转运蛋白结合进入根细胞内[47]。之后，被根系吸收的镉通过木质部运输到茎、叶等其他部位[48]。已有研究表明，木质部是镉在作物体内运输的重要通道[49]，而这一运输过程主要受蒸腾作用控制，蒸腾作用越强，向茎、叶运输的镉就越多[50-51]。最后，作物叶片中的镉可以通过再分配方式进入籽粒，也可以在籽粒灌浆期通过镉在木质部到韧皮部的横向运输进入籽粒，在这一过程中茎、节是镉从木质部到韧皮部转移的中心器官[52]。蒸腾作用在作物根部吸收镉和镉在作物体内运输中都起着至关重要的作用。但在这一过程中，镉从土壤到作物体内的形态变化仍不明确，还需要深入研究。

2.2.2镉在土壤-作物系统中的迁移转化驱动因子

镉的迁移转化受到土壤pH值、有机质含量、土壤氧化还原电位(Eh)和土壤质地等土壤理化性质的共同作用，土壤理化性质主要是通过影响镉在土壤中的形态来影响镉的迁移能力，对于这些驱动因子，学者们已经做了大量研究和报道。

土壤pH值是影响镉迁移转化的最重要驱动因子之一。土壤pH值通过改变镉在土壤中的形态进而影响镉在土壤-作物系统中的迁移转化能力，随着pH增大，镉的迁移能力会降低[53]。与pH相比，土壤有机质对镉的迁移转化的影响较复杂，既有正效应，也有负效应。一般认为，有机质能与镉结合形成稳定的络合物，从而降低镉的移动性[54]；但也有研究表明，有机质为土壤溶液提供了有机化学物质，可以作为螯合物提高作物对镉的利用率[55]，溶解性有机质(DOM)也会与镉形成可溶性络合物，抑制镉沉淀，增加镉迁移能力[56-57]。土壤氧化还原电位也是重金属迁移转化的关键影响因子。可交换态镉含量会随着土壤Eh的增大而降低，残渣态镉含量会随着土壤Eh的增大而增加[58-59]。因此，适当提高土壤体系氧化还原电位，可以有效降低镉迁移能力。土壤质地对镉的迁移转化也有一定影响，不同土壤质地中镉移动性由高到低依次为砂土、壤土和黏土，这是因为土壤质地越重，土壤对镉的吸附能力就越强[60-61]，镉淋溶程度越低，其迁移性也就越差。

综上所述，影响土壤-作物系统镉迁移转化的因素较为复杂，可以通过调节土壤理化性质改变镉形态，进而影响镉在土壤-作物系统内的迁移能力。目前研究以单一驱动因子为主，且大部分为室内试验，污灌区田间试验研究则相对缺乏。为全面了解土壤-作物系统中镉的迁移转化规律，下一步建议在污灌区实地研究的基础上对各驱动因子进行分析。

2.2.3镉在土壤-作物系统中的迁移转化数值模拟

镉已经在污灌农田土壤中迁移了几年甚至几十年，其过程十分漫长，且镉在土壤中的迁移转化受多种因素的制约和影响，因此，很难通过试验准确模拟整个过程。为研究各驱动因子对镉在土壤-作物系统中迁移特征的影响，国内外学者尝试采用数学模型模拟镉在土壤-作物系统中的迁移。应用较多的模型为多元线性回归模型，不同研究区的主要驱动因子也不同，常采用的驱动因子有镉总量、镉形态或其他土壤理化性质[62-64]。程峰等[65]基于偏最小二乘法建立了线性回归模型来模拟镉的迁移过程，有效提高了数值模拟的精确度。

关于土壤-作物系统中镉的迁移规律，有学者基于溶质迁移理论采用吸附模型进行模拟，如商建英[66]采用Freundlich模型探讨了pH、土壤质地和有机质对镉迁移吸附的影响，焦艺博[67]基于室内土柱淋溶试验和HYDRUS-1D软件建立模型对污水灌溉条件下镉的迁移进行模拟和预测，也有学者基于重金属在土壤-作物系统中的迁移过程建立一套完整的数学模型[68]，这些模型均能较好模拟作物籽粒中镉含量。

综上所述，多个数学模型已在土壤-作物系统镉迁移规律研究中得到广泛应用，模型的使用有利于发现作物镉含量与土壤理化性质、镉总量和镉形态之间的定量关系，为治理污灌农田镉污染土壤打下基础。但受不同污灌农田的灌溉时间、灌溉量和灌溉频次的影响，尚未形成可以广泛应用的模型。

2.3 污灌农田镉污染土壤的修复技术

2.3.1单一修复技术在污灌农田镉污染中的应用

目前污灌农田镉污染土壤的修复技术可分为移除修复技术和固定修复技术2大类[69]。移除修复技术是采用客土法、换土法、淋洗法或种植超富集植物等方法将镉从土壤中移除出去；固定修复技术是使镉尽可能多地固定在土壤中，从而抑制其进入生物链，从而保障农田安全生产。在污灌区镉污染土壤修复中较常用方法为种植超富集植物、施用钝化剂和种植镉低积累作物。

目前已发现的镉超富集植物包括龙葵、东南景天、伴矿景天、籽粒苋、蓖麻、圆锥南芥、宝山堇菜、商陆和毛竹等[70-72]，这些超富集植物均可种植在污灌区从而缓解农田土壤镉负荷。有学者通过种植滨藜属植物将埃及阿苏特省污灌农田土壤镉含量降低14%[73]。修复镉污染土壤常用钝化剂包括石灰、生物炭、有机废弃物、磷肥、海泡石、沸石、羟基磷灰石、赤泥和膨润土[74-80]。不同性质钝化剂对污灌区农田镉污染土壤的修复效果不同。刘欢[80]在西安污灌农田土壤中通过施加石灰石使农田土壤镉含量降低52%；SOHAIL等[81]在巴基斯坦费萨拉巴德市污灌农田中施加稻壳生物炭，既降低了土壤中镉的有效性，又降低了玉米和小麦镉含量。对于中、轻度镉污染土壤，可以通过种植镉低吸收作物来有效降低农作物污染风险，如孙洪欣[82]和孟楠[83]在河北保定污灌农田筛选出玉米和小麦的镉低积累品种。

值得注意的是，超富集植物都存在生物量小、修复时间长的局限性，且仅能修复0～100 cm土层[84]土壤，难以去除深层土壤中的镉；施用钝化剂虽简便快捷，但需实施长期监测，避免施加过量钝化剂引发土壤理化性质改变及产生二次污染等问题。

2.3.2联合修复技术在污灌农田镉污染中的应用

相比于单一修复技术，联合使用多种修复技术在保障污灌农田生产出镉含量不超标的农产品上更具优势，是当前污灌农田镉污染土壤修复的重要研究方向。如，孟楠等[85]采用盆栽试验发现，基于种植高丹草、苏丹草和狼尾草的植物修复技术并辅以间作的农艺措施具有在河北污灌农田实现小麦安全生产的潜力。张春慧[86]也采用盆栽试验发现，基于种植油料作物油葵的植物修复技术并辅以施用钝化剂EDTA能促进油葵对镉的富集作用，提高污灌区镉污染土壤的修复效率。井永苹等[87]在山东省某污灌农田通过田间小区试验发现，采用增施有机肥、钝化剂和深翻耕等联合修复措施能显著降低表层土壤和小麦籽粒中镉含量。徐应明等[88]基于钝化修复技术并结合施肥、种植镉低积累吸收品种等措施，建立了针对镉中度污染菜地土壤治理的高效钝化修复-农艺调控联合技术体系，并已成功推广。

在污灌农田镉污染土壤治理研究中，联合修复技术通常以植物修复为主，同时联合农艺措施、钝化剂或种植低积累作物进行修复，总体上理论研究较多，示范推广较少，从盆栽试验到农田生产、从小区试验到大田应用还需要进一步的验证和推广研究。

3 总结与展望

针对污灌农田土壤镉污染现状，从污灌农田土壤-作物系统镉含量特征、迁移机制和修复技术等方面对国内外相关研究进行了归纳总结，旨在为污灌农田土壤镉污染治理和农产品安全生产提供参考和理论依据。

3.1 污灌农田镉累积影响因素的定量化

污灌农田土壤-作物系统镉含量存在不对应的现象，这一方面是由于现行土壤环境质量标准不完善，农用地土壤质量标准不应仅针对土壤重金属含量，还应考虑作物重金属含量[89]，同时要综合考虑土壤各种理化性质、成土母质以及重金属全量和有效态含量等指标；另一方面是由于目前镉在污灌农田土壤-作物系统内的迁移转化和传递积累研究尚不够完善，如镉从土壤到作物体内的形态变化仍不明确，仍需深入研究作物对镉的吸收、转运和累积机制，进一步加强针对不同地区及不同污染状况的镉污染土壤模型模拟与预测研究，构建不同环境下镉积累驱动因子综合指标，明确土壤镉含量与作物镉含量的定量关系，从而实现镉在土壤-作物系统内的迁移可调控。

3.2 污灌农田深层土壤镉的调查与监测

在污水灌溉地区，农户一般自由引水灌溉，土壤-作物系统中很难避免外源污染，从而产生交叉污染现象，因此镉向深层土壤的迁移问题不可忽视。目前，研究土壤重金属垂直迁移的方法主要包括土柱实验法和野外取样法，由于不同污灌农田的灌溉时间、灌溉量和灌溉频次不同，只能通过试验模拟方式进行研究。受土柱高度限制，一般研究较难模拟重金属在深层土壤的迁移，而野外采样虽能获取深层土壤样品却不能进行动态模拟。因此，后续应重点关注污水灌溉农田深层土壤中镉的调查与监测，了解镉在土壤垂直方向上的迁移范围。

3.3 污灌农田镉污染土壤修复与安全利用

与其他镉污染土壤修复不同，污水灌溉导致的农田镉污染土壤修复不仅要关注表层土壤，更要关注污水灌溉导致的深层土壤污染问题。污灌农田土壤受镉污染的同时，很可能伴随其他重金属污染，且不同污灌农田土壤理化性质、重金属类型和污染程度也不同，因此很难通过单一修复技术达到修复目标，应加大联合修复技术的研究与应用。同时，我国耕地资源十分紧张，在污灌农田生产出镉含量不超标的农产品是当前首要任务，建立长期高效可行的镉污染土壤安全利用修复技术，实现边生产边修复显得尤为重要。