中國(guó)城市土壤重金屬污染研究現(xiàn)狀及展望

紀(jì)小鳳，鄭　娜，王　洋，湯　琳

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長(zhǎng)春 130102; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

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紀(jì)小鳳1,2，鄭娜1，王洋1，湯琳1

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長(zhǎng)春 130102; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

摘要：受人類活動(dòng)影響，我國(guó)城市土壤均存在不同程度的重金屬污染，但城市之間、城市各功能區(qū)內(nèi)土壤重金屬污染程度及累積類型差異明顯。文章在調(diào)研相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，綜述了我國(guó)城市土壤重金屬污染現(xiàn)狀、來(lái)源、空間分布以及對(duì)人類健康的危害，并針對(duì)目前我國(guó)城市土壤存在的問(wèn)題提出建議，以期為日后相關(guān)研究、未來(lái)決策及環(huán)境管理等方面提供參考。表1，參48。

關(guān)鍵詞：城市土壤；重金屬污染；生態(tài)效應(yīng)

0引言

重金屬是指密度在4.0 g·cm-3以上的金屬元素或5.0 g·cm-3以上的其它元素。雖然砷和硒都不屬于金屬元素,但這兩種元素的部分性質(zhì)及毒性效應(yīng)類似于重金屬，因此也將其歸為重金屬污染物。由于重金屬元素在環(huán)境中很難被降解，且具有持久性，因此它們被稱為“化學(xué)定時(shí)炸彈”[1]。重金屬不僅通過(guò)手、口、呼吸和皮膚吸收等途徑直接進(jìn)入機(jī)體，還可通過(guò)污染的土壤、大氣和水環(huán)境從而間接危害人體健康，甚至導(dǎo)致死亡[2-3]。

2014年環(huán)境保護(hù)部及國(guó)土資源部聯(lián)合發(fā)布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公告中指出，全國(guó)土壤污染總超標(biāo)率為16.1%，其中無(wú)機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%。另外，我國(guó)約有1 000萬(wàn)hm2耕地被污染，每年因土壤重金屬污染而損失的糧食作物約1 200萬(wàn)t[4]。我國(guó)土壤污染嚴(yán)重，形勢(shì)緊迫。

城市土壤意指城市或城市郊區(qū)，原有特性受人類活動(dòng)影響而不同程度改變的土壤總稱[5]。城市是人類生產(chǎn)和生活的重要場(chǎng)所，全球范圍內(nèi)只有不到2%的地表為城市所覆蓋。目前，我國(guó)城市人口不斷增加，城市化率達(dá)到43%。另外，由于密集型工業(yè)、人類活動(dòng)和交通運(yùn)輸，很大部分污染物間接或直接地進(jìn)入城市及周邊城郊地區(qū)的土壤生態(tài)系統(tǒng)中，污染事件時(shí)有發(fā)生，如2009年的湖南省瀏陽(yáng)市鎘污染事件，2011年云南曲靖鉻渣非法傾倒，2012年廣西龍江河的鎘污染等等。土壤重金屬來(lái)源途徑多樣，復(fù)合污染較嚴(yán)重，城市土壤重金屬污染日益加重[6]，在城市的個(gè)別區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)某些重金屬元素的嚴(yán)重富集，類似島嶼現(xiàn)象[7]。重金屬通常不能被生物降解，它們?cè)谑澄镦湹纳锓糯笞饔孟鲁汕О俦兜馗患?，而人類處于食物鏈的終端，健康危害日益加重。另外，由于人們對(duì)土壤污染的危害缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，未能及時(shí)治理和修復(fù)污染土壤，使得土壤污染日益加劇[8]。鑒于此，開(kāi)展對(duì)城市土壤重金屬來(lái)源、地球化學(xué)遷移特征以及生態(tài)效應(yīng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1城市土壤重金屬污染空間變異差異

1.1不同區(qū)域城市土壤重金屬污染空間分布差異

我國(guó)城市土壤重金屬污染主要涉及到As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn和Ni 8種重金屬，除Ni外，其他重金屬含量均超過(guò)土壤背景值，土壤中Cd、Cu、Hg、Pb和Zn均超過(guò)國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中，Cd已超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，污染最為嚴(yán)重，見(jiàn)表1。陳瀟霖[9]、柳云龍[10]、陳高武[11]、何玉生[12]等研究結(jié)果也表明我國(guó)城市土壤均受到不同程度重金屬污染。

表1　我國(guó)城市土壤重金屬含量的基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)[13]

城市之間的城市化進(jìn)程、人類活動(dòng)強(qiáng)度等不同，使得城市土壤重金屬污染程度存在明顯差異。城市土壤中重金屬含量隨著時(shí)間的推移而快速增加，即土壤重金屬污染累積效應(yīng)加劇[14-15]。王瑩[13]等指出，非工業(yè)城市污染程度小于工業(yè)城市，以長(zhǎng)江為分界線，長(zhǎng)江以南城市土壤重金屬污染程度較長(zhǎng)江以北城市嚴(yán)重，中小城市土壤重金屬污染要低于特大城市。2014年環(huán)境保護(hù)部及國(guó)土資源部聯(lián)合發(fā)布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公告中指出，Cd、Hg、As、Pb 4種無(wú)機(jī)污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢(shì)。由于西南地區(qū)賦存眾多礦區(qū)，開(kāi)采礦物過(guò)程及尾礦中重金屬污染嚴(yán)重，重金屬超標(biāo)范圍較大。楊剛[16]、黎寧[17]等都對(duì)西南礦區(qū)土壤重金屬進(jìn)行了研究，結(jié)果亦可佐證該結(jié)論。

城市土壤重金屬積累類型存在一定差異性。例如，金昌市[18]、銅陵市[19]均為典型的礦業(yè)城市，但是重金屬累積類型不同。甘肅省金昌市是我國(guó)最大的鎳生產(chǎn)基地，城市土壤主要存在Ni、Cu污染，銅陵市主要以開(kāi)采銅礦為主，Zn、Cu、As、Hg富集較為明顯。

1.2城市不同功能區(qū)土壤重金屬污染空間分布差異

在城市工業(yè)、商業(yè)、生活區(qū)等不同功能區(qū)內(nèi)土地利用方式不同、人為活動(dòng)強(qiáng)度也各不相同，土壤重金屬來(lái)源差異較大，污染程度和產(chǎn)生的危害也有所不同，且污染具有其特定的空間分布特征，所以城市土壤研究往往從城市功能區(qū)劃分開(kāi)始。一般情況下，城市內(nèi)部土壤重金屬污染空間分布特征如下[7,20]：公園土壤中的含量高于遠(yuǎn)郊相同母質(zhì)下農(nóng)業(yè)土壤中的含量，城市市中心區(qū)域污染程度高于城市外圍地區(qū)，工礦業(yè)區(qū)土壤重金屬污染最嚴(yán)重。另外，住宅區(qū)污染程度要小于工業(yè)區(qū)及商業(yè)區(qū)。工礦區(qū)土壤重金屬主要是以Cd、Pb為主，而商業(yè)區(qū)和居民區(qū)則以Zn、Cu累積為主[21-23]。

近年來(lái)，因道路交通引起的土壤重金屬累積越來(lái)越受到社會(huì)關(guān)注。因?yàn)殡S著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，輪胎添加劑、汽車與地面摩擦、汽車尾氣的重金屬釋放量增加，由于大氣沉降，重金屬不斷進(jìn)入土壤，通過(guò)土壤-植物系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化作用在植物體內(nèi)富集，進(jìn)而危害人體健康。劉坤[24]等指出，泰安市道路兩側(cè)土壤中Cd含量為研究區(qū)土壤背景值的50倍，Zn、Cu分別為當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸档?.5倍、4.6倍，As、Pb、Cr含量依次為土壤背景值1.4倍、2.5倍及1.2倍。

2城市土壤重金屬來(lái)源

2.1自然源

自然條件下，土壤重金屬含量受成土過(guò)程及成土母質(zhì)影響較大,土壤重金屬主要來(lái)源于成土母巖和殘落的生物物質(zhì)[25]。成土母質(zhì)本身含有重金屬，是決定城市土壤中重金屬元素含量與分布特征的重要因素之一，不同的母質(zhì)、成土過(guò)程使土壤中含有的重金屬量差異很大[26-27]。在整個(gè)地球的地質(zhì)發(fā)展過(guò)程中，或是在更小的時(shí)空范圍內(nèi)，如在城市的發(fā)展過(guò)程中，自然原因?qū)е碌耐寥乐亟饘傥廴臼蔷徛?、有限的?/p>

2.2人為源

在人類文明進(jìn)化過(guò)程中，土壤重金屬污染主要受人類活動(dòng)影響，如工礦業(yè)廢棄物排放、生活垃圾、擁堵的交通等[28]。由人類活動(dòng)導(dǎo)致的重金屬輸入土壤的途徑、污染范圍、程度都遠(yuǎn)大于自然因素。我國(guó)城市土壤重金屬來(lái)源主要以人為源為主。

2.2.1交通污染。交通運(yùn)輸過(guò)程中汽車尾氣排放以及輪胎添加劑中的重金屬(如Cu、Zn、Pb)均對(duì)土壤重金屬含量產(chǎn)生影響，城市交通流量在一定程度上決定了這些重金屬的累積情況[29-31]。據(jù)有關(guān)資料顯示[32]，各種汽油含Pb量在0.4 g·kg-1~1.0 g·kg-1之間，汽車排氣中的Pb高達(dá)20 μg·kg-1~50 μg·kg-1。對(duì)交通引起的土壤重金屬積累進(jìn)行的研究表明[33]，高速公路周圍表層土壤中的重金屬污染嚴(yán)重。劉廷良等[31]認(rèn)為，汽車輪胎的添加劑中含有Zn，所以輪胎磨損產(chǎn)生的粉塵是路邊土壤Zn污染的重要來(lái)源。馬建華[34]等認(rèn)為汽車尾氣排放、汽車機(jī)件間以及車輪與路面間磨損產(chǎn)生的顆粒物導(dǎo)致路面粉塵、路溝底泥和路旁土壤重金屬積累。王鵬[35]等指出，因汽油、潤(rùn)滑油燃燒的廢氣排放及輪胎和剎車?yán)镆r機(jī)械磨損的顆粒物，使得交通繁忙路段或車流量較大區(qū)域的土壤中重金屬含量相對(duì)較高。

2.2.2工、礦業(yè)污染。冶煉業(yè)及采礦業(yè)的迅猛發(fā)展，在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展的同時(shí)也造成了礦冶及相關(guān)企業(yè)周邊地區(qū)土壤重金屬污染問(wèn)題[36]?；ぁ⒌V產(chǎn)冶煉、電池、塑料及電鍍等行業(yè)是主要的工業(yè)污染源，某些工廠及相關(guān)企業(yè)附近土壤中Pb、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)3 000 mg·kg-1[37]。此外，工礦業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢棄物在填埋及堆積過(guò)程中，受到溫度、水、壓力、生物等多種自然因素及人類活動(dòng)綜合影響，通過(guò)礦物風(fēng)化溶解作用，其所含的各種重金屬?gòu)膸r石圈進(jìn)入水圈，進(jìn)而在整個(gè)圈層中通過(guò)多種不同途徑循環(huán)[38]。在對(duì)礦區(qū)土壤重金屬的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，廢棄老礦區(qū)周邊土壤中重金屬含量要低于廢棄新礦區(qū)，這主要與廢礦石產(chǎn)生的熱交換有關(guān)，廢礦石對(duì)重金屬具有吸附作用，它對(duì)土壤中重金屬空間分布起到了非常重要作用[39]。

2.2.3生活廢棄物污染。廢棄物中因所含重金屬種類繁多，故引起的污染程度、污染物類別及危害方式均不同，一般情況下，污染的空間分布是以廢棄堆為中心并向四周逐漸擴(kuò)散[26]。城市內(nèi)每天都會(huì)產(chǎn)生大量生活廢棄物，這些廢棄物通常未經(jīng)任何處理或處理不善，使?jié)B濾液中重金屬離子(As、Mn、Zn、Pb、Cr等)向周圍環(huán)境擴(kuò)散，釋放到城市土壤中，導(dǎo)致城市局部地區(qū)土壤重金屬含量超標(biāo)[40]，造成土壤污染。銀燕春[41]等對(duì)成都市區(qū)、城郊和農(nóng)村生活垃圾重金屬污染特性的研究發(fā)現(xiàn)，成都地區(qū)生活垃圾重金屬濃度普遍高于當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸?，且生活垃圾中重金屬污染存在著非常明顯的季節(jié)性變化，垃圾中重金屬濃度夏季高于冬季。李曉勇[42]等對(duì)上海市不同功能區(qū)生活垃圾典型重金屬含量進(jìn)行調(diào)研分析得知，商業(yè)區(qū)垃圾重金屬含量最高，各類型住宅中，里弄垃圾的重金屬污染最輕，城區(qū)居民垃圾中Hg和Cr含量低于農(nóng)村居民垃圾，而Pb、Cd和As含量則是城區(qū)居民垃圾更高。

3土壤重金屬污染對(duì)人體健康危害及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

重金屬元素通過(guò)不同途徑進(jìn)入土壤后，它的化學(xué)性質(zhì)及存在形態(tài)決定了其在土壤中的遷移性和對(duì)人體的危害[43]。重金屬元素中有些是人類生命活動(dòng)過(guò)程中不需要的，例如As、Hg、Pb，有些重金屬為營(yíng)養(yǎng)元素，是人體正常生命活動(dòng)過(guò)程中所必需的，但是當(dāng)人體攝入量過(guò)多時(shí)，它們又會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生毒害作用[44]，如Cu元素，Cu過(guò)?？墒寡t蛋白變性，損傷細(xì)胞膜。研究表明[45-46]，長(zhǎng)期暴露在重金屬條件下會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重的傷害，過(guò)量的重金屬大多都能抑制生物酶的活性，破壞正常的生物化學(xué)反應(yīng)，這種傷害在幾年以后就會(huì)顯現(xiàn)。由于兒童各方面身體機(jī)能尚未健全，抵抗能力較弱，重金屬對(duì)兒童危害更為嚴(yán)重，如兒童血液中Pb超標(biāo)現(xiàn)象時(shí)有報(bào)道，兒童重金屬中毒問(wèn)題尤為嚴(yán)峻。

城市土壤重金屬主要通過(guò)兩個(gè)途徑危害人體健康：①重金屬通過(guò)土壤揚(yáng)塵進(jìn)入暴露人群體內(nèi)。②重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中遷移累積及食物鏈傳遞。20世紀(jì)60年代在日本富士縣出現(xiàn)的痛痛病就是因Cb在土壤-水稻系統(tǒng)中遷移累積，從而嚴(yán)重危害人體健康。目前，重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，已取得較大進(jìn)展。健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)大多采用美國(guó)環(huán)境保護(hù)總署(USEPA)MMSOILS模型，食物攝入暴露評(píng)價(jià)方程計(jì)算:

式中：CDI—通過(guò)進(jìn)食糧食作物平均日攝取量[mg·(kg·d)-1]；C—糧食作物中重金屬含量(mg·kg-1)；I—接觸率；EF—暴露頻率(d·a-1)，通常，EF取值為365 d·a-1[47]；ED—暴露時(shí)間(a)；BW—受體體重(kg)；AT—平均接觸時(shí)間(a)。

HI=∑THQi

式中：THQ—健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；HI—多種暴露途徑的總健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；RfD—重金屬暴露參考劑量[mg·(kg·d)-1]。若THQ<1，則說(shuō)明暴露人群沒(méi)有明顯的健康風(fēng)險(xiǎn)；若THQ>1，表明重金屬可引起人體的健康風(fēng)險(xiǎn)，THQ值越大表明Hg對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)越大。HI>1表示多種重金屬?gòu)?fù)合污染可致使暴露人群面臨健康風(fēng)險(xiǎn)；HI<1則表示暴露人群在重金屬?gòu)?fù)合污染情況下并沒(méi)有明顯的健康風(fēng)險(xiǎn)。但是這個(gè)方法是在假定攝入劑量等于吸收劑量的前提下進(jìn)行的，沒(méi)有考慮重金屬的生物可利用性。我國(guó)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面研究相對(duì)較薄弱，評(píng)價(jià)模型、各指標(biāo)所取參考值均采用國(guó)外研究結(jié)果，然而我國(guó)與其他國(guó)家國(guó)情并不相同，暴露時(shí)間、暴露頻率及暴露劑量有很大區(qū)別，所以，相關(guān)研究學(xué)者應(yīng)加大研究力度，修正USEPA提出的危險(xiǎn)系數(shù)法。

4治理途徑及今后研究重點(diǎn)

重金屬對(duì)暴露人群健康危害日益嚴(yán)重，尤其是具有高毒性及致癌作用的重金屬對(duì)兒童健康危害屢見(jiàn)不鮮，國(guó)家、相關(guān)政府和企業(yè)應(yīng)根據(jù)城市土壤重金屬污染特征積極采取措施，對(duì)重金屬污染的土壤進(jìn)行綜合治理。

4.1治理途徑

4.1.1控制污染源。①交通運(yùn)輸業(yè)對(duì)城市土壤重金屬污染影響較大，國(guó)家應(yīng)制定相應(yīng)對(duì)策控制汽車的保有率，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，提高燃油利用率，大力推廣節(jié)能、減排的電動(dòng)汽車。②對(duì)環(huán)境污染影響較大的企業(yè)，相應(yīng)部門應(yīng)要求其規(guī)范化發(fā)展。對(duì)于不合格的工礦企業(yè)，國(guó)家應(yīng)吊銷執(zhí)照，關(guān)閉企業(yè)。企業(yè)的所有者應(yīng)積極配合部門工作，努力提升技術(shù)，盡可能降低環(huán)境污染。③生活垃圾污染是城市發(fā)展過(guò)程中的附帶產(chǎn)物。我們公民有義務(wù)也有責(zé)任遵紀(jì)守法，保護(hù)環(huán)境，守衛(wèi)我們共同的家園。

4.1.2污染土壤修復(fù)。對(duì)于已經(jīng)受到土壤重金屬污染的各城市，尤其是人口眾多的大城市，應(yīng)積極采取各項(xiàng)具有可行性的治理措施。由于土壤自身的性質(zhì)以及修復(fù)方法的限制[27]，重金屬污染土壤的治理與修復(fù)存在諸多問(wèn)題。土壤重金屬污染修復(fù)方法有化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)以及生物修復(fù)。常用的方法是化學(xué)修復(fù)法及生物修復(fù)法。值得一提的是，植物修復(fù)是一種生物修復(fù)技術(shù)，較傳統(tǒng)的物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)兼有技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上雙重優(yōu)勢(shì)[48]。

4.2研究重點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市土壤重金屬污染研究已取得了很大進(jìn)展，但這其中仍存在諸多待進(jìn)一步研究和探討的問(wèn)題。筆者認(rèn)為存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展方向如下：①大多數(shù)學(xué)者研究重點(diǎn)放在土壤重金屬的總含量、空間分布特征、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面，對(duì)重金屬生物可利用性及在水—土—?dú)獾鹊慕缑娼橘|(zhì)之間的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制方面的研究相對(duì)來(lái)說(shuō)較薄弱。②隨著新技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)科學(xué)研究工作者可利用空間模擬等技術(shù)手段探索、分析重金屬的來(lái)源、空間分布，利用具有強(qiáng)大功能的GIS進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以期為相關(guān)研究、未來(lái)決策、環(huán)境管理提供參考。

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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

中圖分類號(hào)：X53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

通訊作者：鄭娜(1978-),女,吉林長(zhǎng)春人, 博士, 研究員, 研究方向?yàn)榄h(huán)境重金屬污染與控制以及人群健康.

作者簡(jiǎn)介：第一紀(jì)小鳳(1990-), 女, 安徽安慶人, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)橹亟饘僭诃h(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化及健康風(fēng)險(xiǎn).

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171392)；中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-TZ-16-04-02); 吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20120402).

收稿日期：2015-06-18；修回日期：2015-09-24.

文章編號(hào)：2095-2961(2016)01 -0042-06

doi:10.11689/j.issn.2095-2961.2016.01.006