第1章　緒論

1.1　我國耕地土壤重金屬污染的概述

耕地是指種植食用類農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)用地，包括水田和旱地。水田是指筑有田埂（坎），可以經(jīng)常蓄水，用來種植水稻、蓮藕、席草等水生作物的耕地。旱地是指除水田以外的耕地，包括水澆地和無水澆條件的旱地。水澆地是指旱地中有一定水源和灌溉設(shè)施，在一般年景下能夠進(jìn)行正常灌溉的耕地。無水澆條件的旱地是指沒有固定水源和灌溉設(shè)施，不能進(jìn)行正常灌溉的旱地。

耕地質(zhì)量是保障農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。我國耕地資源十分緊缺，2016年底耕地總面積為1.35億hm²，合20.24億畝（1畝=666.67平方米），人均占有量不及世界平均水平的1/2，且總體質(zhì)量不高，中低產(chǎn)田達(dá)到了2/3。近年來，由于建設(shè)占用、災(zāi)毀、生態(tài)退耕、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等原因，我國耕地面積保有量總體有所下降。同時(shí)，隨著我國工業(yè)化、城市化和農(nóng)業(yè)集約化的快速發(fā)展，各種來源的重金屬元素通過降塵、施肥、灌溉等途徑進(jìn)入耕地，且數(shù)量逐年增加，導(dǎo)致我國耕地土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重。重金屬污染不僅能夠引起土壤的組成、結(jié)構(gòu)和功能的變化，還能夠抑制作物根系生長(zhǎng)和光合作用，致使作物減產(chǎn)甚至絕收。更為重要的是，重金屬還可能通過食物鏈遷移到動(dòng)物和人體內(nèi)，嚴(yán)重危害動(dòng)物和人體健康。

1.1.1　我國耕地土壤重金屬污染現(xiàn)狀

2006—2013期間，環(huán)境保護(hù)部和國土資源部聯(lián)合開展的全國土壤污染狀況專項(xiàng)調(diào)查，在全國范圍內(nèi)共布設(shè)點(diǎn)位67615個(gè)，采集了213754個(gè)土壤樣品。2014年4月17日發(fā)布了《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》（簡(jiǎn)稱《公報(bào)》）。《公報(bào)》顯示：我國耕地土壤的點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，其中輕微、輕度、中度和重度污染的點(diǎn)位所占比例分別為13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環(huán)芳烴。中國地質(zhì)調(diào)查局（2015）發(fā)布的中國耕地地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告顯示，重金屬中-重度污染或超標(biāo)的點(diǎn)位比例占2.5%，覆蓋面積3488萬畝；輕微-輕度污染或超標(biāo)的點(diǎn)位比例占5.7%，覆蓋面積7899萬畝。污染或超標(biāo)耕地主要分布在南方的湘鄂皖贛區(qū)、閩粵瓊區(qū)和西南區(qū)。

在各種科研項(xiàng)目的資助下，我國科技工作者相繼開展了一些區(qū)域性農(nóng)用地土壤重金屬污染狀況的調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作。2002年，南京環(huán)境科學(xué)研究所主持開展了“典型區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量狀況探查研究”，調(diào)查范圍包括廣東、江蘇、浙江、河北和遼寧5省，結(jié)果顯示珠三角部分城市有近40%的菜地土壤重金屬污染超標(biāo)，其中10%屬于嚴(yán)重超標(biāo)；長(zhǎng)三角有的城市連片農(nóng)田受多種重金屬污染，致使10%土壤基本喪失生產(chǎn)能力，以受鎘污染和砷污染的比例最大，超過0.4億hm²良田（蔡美芳等，2014）。2006年，原環(huán)境保護(hù)總局對(duì)30×10⁴hm²基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)土壤的重金屬抽測(cè)了3.6×10⁴hm²，重金屬超標(biāo)率達(dá)12.1%。宋偉等（2013）利用我國138個(gè)典型區(qū)域的耕地土壤重金屬污染數(shù)據(jù)庫，以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)我國耕地土壤重金屬污染概率為16.67%左右，據(jù)此推斷我國重金屬污染的耕地面積占耕地總量的1/6左右。其中尚清潔、清潔、輕污染、中污染和重污染比例分別為68.12%、15.22%、14.49%、1.45%和0.72%；8種土壤重金屬元素中，Cd污染概率為25.20%，遠(yuǎn)超過其他幾種重金屬元素。浙江大學(xué)徐建明研究團(tuán)隊(duì)（2018）調(diào)查了長(zhǎng)江中下游某地區(qū)污染較嚴(yán)重的4.4萬畝農(nóng)田土壤的重金屬污染狀況，發(fā)現(xiàn)主要超標(biāo)元素為Cd和Cu，輕微、中輕度和重度Cd污染土壤面積分別占45.62%、12.3%和1.74%。

綜上所述，我國耕地土壤重金屬污染的總體形勢(shì)不容樂觀，其中以西南、中南、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲等地區(qū)污染最為突出。在土壤重金屬污染程度和面積尚未清楚的情況下，開展土壤污染詳查尤為重要。因此，2017年8月，環(huán)境保護(hù)部、財(cái)政部、國土資源部、農(nóng)業(yè)部、國家衛(wèi)計(jì)委等五部委聯(lián)合部署土壤污染狀況詳查，計(jì)劃于2018年年底前查明農(nóng)用地土壤污染的面積、分布及其對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

1.1.2　我國耕地土壤重金屬污染特征

1.1.2.1　污染成因復(fù)雜多樣

我國耕地土壤受重金屬污染的成因復(fù)雜，包括自然的成土母質(zhì)條件、人為的污染因素以及自然與人為因素的疊加作用等。

從區(qū)域大尺度上看，自然因素的影響比較明顯，成土母質(zhì)和母巖等地球化學(xué)屬性直接影響土壤中重金屬的含量。調(diào)查資料顯示（趙其國和駱永明，2015），不同類型母質(zhì)發(fā)育的土壤重金屬含量差異很大，火成巖和石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育的土壤中Cd、As、Hg和Pb平均含量顯著高于風(fēng)沙母質(zhì)土壤。瞿飛等（2020）在黔東南黃平縣分別采集典型砂頁巖、老風(fēng)化殼、石灰?guī)r、頁巖、河流沖積物、泥巖6種不同母質(zhì)發(fā)育的土壤樣品257個(gè)，結(jié)果顯示，不同母質(zhì)土壤Cd含量大小為石灰?guī)r>河流沖積物>老風(fēng)化殼>泥巖>砂頁巖>頁巖，Cr含量為老風(fēng)化殼>泥巖>頁巖>石灰?guī)r>砂頁巖>河流沖積物，Hg含量為石灰?guī)r>泥巖>砂頁巖>河流沖積物>老風(fēng)化殼>頁巖，As含量為泥巖>石灰?guī)r>老風(fēng)化殼>砂頁巖>頁巖>河流沖積物，Pb含量為泥巖>老風(fēng)化殼>石灰?guī)r>砂頁巖≈頁巖>河流沖積物。成土過程中元素的次生富集作用也是造成我國中南、西南高背景地區(qū)土壤中Cd、As、Hg和Pb等重金屬含量高的重要原因。例如，貴州地表土壤與沉積物中Cd的地球化學(xué)背景值為0.31mg/kg，是我國平均水平的2.5～3.5倍（何邵麟等，2004）。長(zhǎng)江三角洲自然土壤中As、Co、Cr、Ni和Zn等元素含量高于珠江三角洲自然土壤中對(duì)應(yīng)的元素含量。

在長(zhǎng)三角、珠三角、環(huán)渤海和華北城郊區(qū)域等局部范圍內(nèi)，耕地土壤重金屬含量異常往往是人為因素的影響。在大中城市郊區(qū)，大氣沉降和污水灌溉是城市工業(yè)和交通源重金屬進(jìn)入農(nóng)田土壤的最主要途徑。陳世寶等（2019）分析了2011—2015期間報(bào)道的不同農(nóng)田土壤重金屬輸入源的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)全國范圍農(nóng)田土壤中Cd的年輸入通量約為4.83μg/kg，但不同省農(nóng)田土壤中Cd輸入通量及來源有很大差異。河北和湖南省農(nóng)田年輸入通量則達(dá)到14.4μg/kg和19.6μg/kg，分別為全國農(nóng)田土壤中Cd年輸入通量的2.97倍和4.06倍。工業(yè)大氣沉降和污水灌溉是導(dǎo)致我國部分省區(qū)農(nóng)田土壤Cd污染的主要原因之一，其中河北省工業(yè)大氣沉降和污水灌溉分別占Cd年總輸入通量的58.2%和27.3%，湖南省則分別占16.6%和69.9%。韓志軒等（2018）在珠江三角洲地區(qū)的22個(gè)點(diǎn)位上采集的44件沖積平原土壤樣品，利用多元統(tǒng)計(jì)分析方法和鉛同位素示蹤技術(shù)研究了重金屬元素的來源。結(jié)果表明，As、Pb、Hg的異常受人為活動(dòng)影響較嚴(yán)重，Zn、Cd的高含量既與地質(zhì)背景有關(guān)，也受人類活動(dòng)影響。

1.1.2.2　空間分布異質(zhì)性強(qiáng)

我國幅員遼闊，不同區(qū)域土壤重金屬背景值和累積量差異較大（陳衛(wèi)平等，2018）。《公報(bào)》顯示：南方土壤污染重于北方；長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域土壤污染問題較為突出，西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大。張小敏等（2014）結(jié)合2000—2013年公開發(fā)表文獻(xiàn)中的農(nóng)作物土壤的重金屬含量數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)庫中的部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)。中國區(qū)域農(nóng)田土壤Pb、Cd、Cu和Zn含量均有不同程度的富集，重金屬空間分布具有明顯的區(qū)域特征，西南地區(qū)土壤重金屬含量較高，其次是兩廣和遼寧地區(qū)，其他地區(qū)相對(duì)較低。Liu等（2016）調(diào)查了我國22個(gè)水稻種植省份土壤Cd累積量，顯示全國水稻土Cd平均含量為0.45mg/kg。

金屬采礦區(qū)和冶煉區(qū)的周邊耕地土壤重金屬的含量較高，屬于重金屬高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。例如，曾希柏等（2013）調(diào)查了某冶煉區(qū)和三個(gè)采礦區(qū)周邊較小區(qū)域的農(nóng)田土壤，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每個(gè)調(diào)查點(diǎn)土壤樣品均有三種以上元素超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）Ⅲ級(jí)含量標(biāo)準(zhǔn)，占采集樣品的比例為10%以上，最高甚至達(dá)91.2%，超標(biāo)最嚴(yán)重、超標(biāo)樣品比例最高的是Cd，其次為As，在調(diào)查的4個(gè)地區(qū)均存在較大程度超標(biāo)，其超標(biāo)幅度達(dá)21.1%～62.3%，而Zn、Cu、Pb等元素超標(biāo)樣品的比例則相對(duì)較低。吳勁楠等（2018）在某鉛鋅礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤共布設(shè)496個(gè)采樣點(diǎn)，測(cè)定表層土壤中重金屬（Cd、Hg、Pb、Cu、Zn）的含量。結(jié)果表明：Cd、Hg、Pb、Cu和Zn的平均含量（mg/kg）分別是該礦區(qū)所在省背景值的33.05、5.83、12.02、4.89和16.33倍；單因子指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，99.8%的樣品達(dá)到Cd重度污染水平，其次是Cu（82.06%）和Zn（62.50%）。楊世利等（2019）調(diào)查了中國西南某鉛蓄電池廠污染場(chǎng)地土壤，距離廠內(nèi)生產(chǎn)區(qū)20～30cm處土壤Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)12784mg/kg，廠內(nèi)生產(chǎn)區(qū)、熔煉區(qū)、排污口、循環(huán)水池處的Pb含量遠(yuǎn)高于背景點(diǎn)。

1.1.2.3　土壤類型差異明顯

我國土壤類型多樣，由于土壤條件、氣候條件和耕作管理水平的不同，不同類型土壤理化性質(zhì)差異較大，進(jìn)一步加劇了耕地土壤重金屬污染的多樣化格局（陳衛(wèi)平等，2018）。羅小玲等（2014）通過對(duì)珠江三角洲地區(qū)典型農(nóng)田和菜地兩種耕地土壤重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)工業(yè)型農(nóng)村的耕地以銅超標(biāo)為主（超標(biāo)率22.2%），種植型農(nóng)村的耕地以Cd超標(biāo)為主（超標(biāo)率16.7%），其余重金屬超標(biāo)率低或不超標(biāo)。Rafiq等（2014）對(duì)我國7種典型農(nóng)田土壤Cd活性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示酸性土壤類別中，富鋁土中交換態(tài)Cd含量約為黃壤中交換態(tài)Cd含量的近4倍。黃穎（2018）的研究發(fā)現(xiàn)，不同耕作方式對(duì)重金屬的影響存在一定差異，Cd、Hg、Pb、Cu、Zn在蔬菜地和水稻田中含量較高，在旱地和園地含量較低，而Cr、As、Ni三種元素在園地含量最高，在其他類型土壤較低。

1.1.2.4　土壤酸化加劇了重金屬污染的危害

我國土壤酸化面積近200萬hm²，近年來糧田、菜園和果園土壤酸化趨勢(shì)均有增加（趙其國等，2013）。1980—2000期間，我國5種典型土壤pH降低范圍為0.13～0.80單位，其中水稻土酸化最為嚴(yán)重，pH年均下降速率為0.012單位（Guo et al.，2010）。土壤酸化增強(qiáng)了土壤中的重金屬活性及其遷移能力，加劇了重金屬污染的生態(tài)危害。這也是我國個(gè)別地區(qū)近年來稻米Cd含量超標(biāo)問題多發(fā)，而同樣以水稻為主要農(nóng)作物的其他亞洲國家（泰國、韓國、日本等）稻米Cd含量超標(biāo)問題不突出的主要原因之一。Yang（2017）對(duì)某地的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在土壤pH<5.5的菜地和水稻田中，蔬菜和稻米Cd含量超標(biāo)率分別為7.8%和89.4%；而在土壤pH>6的菜地和水稻田中，蔬菜和稻米Cd含量超標(biāo)率顯著降低至1.3%和32%。

1.1.3　耕地土壤重金屬污染的危害

1.1.3.1　直接經(jīng)濟(jì)損失

據(jù)估算，我國每年因重金屬污染的糧食達(dá)1200萬噸，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過200億元。不僅如此，因土壤污染每年造成的糧食減產(chǎn)也相當(dāng)大，全國每年由耕地污染而造成的糧食減產(chǎn)達(dá)到1.25×10⁹kg。如果將污染土壤進(jìn)行修復(fù)，所需的資金非常驚人。據(jù)《經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)》報(bào)道，全國有5000多萬畝土壤受到重金屬等的中重度污染。因此，我國污染耕地土壤修復(fù)所需資金數(shù)額巨大，僅對(duì)受重金屬污染的耕地土壤而言，即便選擇土壤修復(fù)成本較低的植物修復(fù)技術(shù)，單位治理成本為100～500元/噸，直接治理成本約3.1×10⁴～15.6×10⁴億元。

1.1.3.2　影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)

土壤重金屬進(jìn)入植物體后，可通過抑制一些蛋白酶的活性、在植株細(xì)胞中產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）損壞細(xì)胞抗氧化系統(tǒng)，導(dǎo)致細(xì)胞受損或死亡等，從而影響植株正常生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量下降，嚴(yán)重時(shí)，甚至絕收。例如，Cd脅迫會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)膜的透性發(fā)生變化，影響礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，導(dǎo)致植株體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素含量和成分的改變。水稻極易吸收并積累鎘，而積累過量鎘會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的毒性效應(yīng)，影響植株的光合色素含量、呼吸強(qiáng)度、蒸騰和光化學(xué)效率，從而嚴(yán)重影響水稻的生長(zhǎng)并導(dǎo)致其減產(chǎn)，稻米品質(zhì)劣變（胡婉茵等，2021）。在盆栽實(shí)驗(yàn)條件下，Cd脅迫顯著降低了水稻的產(chǎn)量、穗數(shù)和結(jié)實(shí)率，但粒重受影響不顯著（陳京都等，2013）。

耕地土壤受到重金屬污染，不可避免地會(huì)影響到農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。近年來，我國部分地區(qū)有時(shí)會(huì)發(fā)生“鎘米”事件。農(nóng)業(yè)部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心對(duì)我國部分地區(qū)稻米質(zhì)量安全普查結(jié)果表明，約有10%稻米Cd含量超過我國1994年頒布的《食品中鎘限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15201—1994）限定標(biāo)準(zhǔn)值0.2mg/kg。

1.1.3.3　危害人體健康

耕地土壤污染會(huì)使污染物在糧食、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品中積累，并通過食物鏈富集到人體和動(dòng)物體中，危害人畜健康，引發(fā)癌癥和其他疾病等。例如，20世紀(jì)30年代的日本“痛痛病”和20世紀(jì)50年代的“水俁病”。

1.1.3.4　導(dǎo)致其他生態(tài)環(huán)境問題

土壤污染影響植物、土壤動(dòng)物和微生物的生存和繁衍，危及正常的土壤生態(tài)過程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。研究表明，土壤重金屬對(duì)蚯蚓、線蟲等無脊椎動(dòng)物數(shù)目、豐富度、生物數(shù)量和群體構(gòu)成等有直接影響。

農(nóng)田土地受到污染后，含重金屬濃度較高的污染表土容易在風(fēng)力和水力的作用下分別進(jìn)入大氣和水體中，導(dǎo)致大氣污染、地表水污染、地下水污染和生態(tài)系統(tǒng)退化等其他次生生態(tài)環(huán)境問題。