基于重金属有效态的农田土壤重金属污染评价研究

环境监测管理与技术

2019年2月

•专论与综述！

基于重金属有效态的农田土壤重金属污染评价研究

杨梦丽，叶明亮，马

友

，岳蛟，王宗亚，王垚

(安徽农业大学资源与环境学院，安徽合肥230036)

摘要：目前农田土壤重金属污染评价以重金属全量为依据，而评价农田土壤重金属污染影响时主要考虑农产品安全 从而保障人体健康，农作物对重金属的吸收积累量则取决于土壤中有效态重金属含量。在阐述土壤重金属有效态定义的 基础上，综合分析了土壤重金属有效态的影响因素及其与土壤中重金属全量和农作物中重金属含量的相关性，概括了土壤 重金属有效态在土壤重金属污染评价中的应用，以期提出建立以土壤重金属有效态含量为基础、结合土壤重金属全量及作 物中吸收的重金属含量的土壤重金属污染评价体系。

关键词：重金属；有效态污亏染评价；农田土壤中图分类号：X825

文献标志码：A

文章编号：1006 -2009(2019)01 -0010 -04

Review on Heavy Met^l Pollution Evaluation in Farmland Soil Based on Bioavailable Form of Heavy Metal

YANG Meng-li，YE Ming-liang，MA You-hua! & YUE Jiao, WANG Zong-ya，WANG Yao

(College of Resources and Environment，Anhui Agricultural UniversityHefei，Anhui 230036，China)

，Abstract： At present， the evaluation of heavy metal

absorjDtion and accumulation

of heavy metals in

pollution in farmland crops

soil is based on the total amoun

of heavy metals. While the safety of agricultural products is mainly considered for ensuring human health. The

depend on the content of bioavailable form of heav

in soil. Based on the definition， bioavailable form of heavy metals influences and their correlation witli the totalamount of heavy metals in soil or in crops were summarized. In applying bioavailable form of heavy metal evaliua- tion， a pollution assessment system was put forward based on the content of bioavailable form and the total a­mount of heavy metals in

soil，

and

the

absorption

of

heavy metals by

the

crops.

Key words： Heavy metals; Bioavailable form ； Pollution evaluation; Farmland soil

近年来，我国社会经济发展进程加速，大量废 弃物的排放及不合理利用造成土壤重金属污染问 题越来越严峻。重金属污染不仅受微生物和化学 物质影响，还可以长期在土壤中积累[1]。一方面， 土壤重金属污染对土壤环境质量及农产品安全存 在着潜在威胁，被称为地球化学上的“定时炸

弹”m;另一方面，重金属可以经食物链富集和 迁移，危害人体健康。据2014年《全国土壤污染状 况调查公报》显示，我国土壤污染总的超标率为 16.1%，其中，无机污染物超标点位数占全部超标 点位数的82. 8%，耕地污染物点位超标率为 直接导 19. 4%，每年造成的粮食损失约1 000万t，致经济损失200余亿元[4]。

—

10 —

1 土壤重金属有效态及其影响因素1.1 土壤重金属有效态的定义

不同学科领域对于重金属有效态的定义略有 差异。环境学者认为土壤重金属有效态是会产生 毒害效应或者能够被生物吸收利用的形态；生物毒 理学者则认为是能够被生物吸收利用的部分[5]。

收稿日期：2018 -03 - 17;修订日期：2018 -11 -12

基金项目：安徽省科技重大攻关“农田重金属污染高效修复材

料的开发与应用”基金资助项目（No. 17030701053 );安徽省农业生 态环保与质量安全产业技术体系专项经费基金资助项目（No.

201701425)

作者筒介：杨梦丽（

1992 — )，女，河南新蔡人，在读研究生，研

yhma@ ahau. edu. c

究方向为农田土壤重金属污染与修复。

!通信作者：马友华 E-mail:

第31卷第1期杨梦丽等.基于重金属有效态的农田土壤重金属污染评价研究2019年2月

《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004)将利 用DTPA、HC1等化学溶液提取的重金属形态看作 重金属的有效态[6]。此外，也有一些国外学者研 究提出将重金属形态分为可交换态、酸溶态（碳酸 盐结合）、可还原态（Fe/Mn氧化物结合）、可氧化 态（有机结合+硫化物结合）和残留态（残余/硅酸 盐）[7]或者酸溶态、可氧化态、可还原态和残渣 态[$]。虽然不同方法的提取步骤和形态划分标准 为难溶性的高价离子状态，在还原条件下被还原成 溶解度较高的低价态离子，活性较高，易被作物吸收[23]。

1.3 土壤重金属有效态的分析方法 1.3.1提取方法

单

由

的重金属 量 作

物吸收的重金属含量具有良好的相关性，一般被认 为是土壤重金属有效态的提取方法m25]。常用的 不同，但是对于重金属有效态的相关定义及重金属 在土壤中的生物可利用性有相似之处[9]。1.2 土壤重金属有效态的影响因素

一般来说，土壤中的重金属能否被作物所吸收 取决于其生物有效性。然而，重金属有效性是一个 动态平衡的过程，并不是由某一种形态的重金属所 决定，而是受到土壤中很多因素制约，如土壤pH 值、有机质含量、微生物、土壤机械组成、重金属全旦维）10-11]

里

〇

通常土壤pH值升高会使重金属钝化，减轻重 金属对农作物的毒害作用。其原因主要是在酸性 环境下Hg大量释放，与重金属离子相互竞争，导 致土壤矿物溶解度和重金属离子活度提高[12]。此 外，土壤重金属的吸附程度随着土壤pH值升高而 增大[13-14]，且此种关系并非表现为单一递增的 形式[15]。

土壤有机质的主要成分包括胡敏酸（HA)、胡 敏素（HM)、富啡酸（FA)，其中，HA和HM主要与 重金属形成不溶的络合物，而FA中的羧基和酚羟 基等官能团能与重金属离子形成可溶性配合物[16-17]'

土壤中的微生物对重金属有一定的吸附作用， 能够通过各种转化反应降低重金属的有效性。重 金属污染土壤中的抗性微生物产生的柠檬酸等物 质还会与重金属发生螯合作用，使土壤中重金属的 有效态含量降低[18]。

重金属在土壤中的生物有效性及其在不同形 态之间的转化与土壤颗粒特征密切相关。细颗粒 土壤由于较大的比表面积、较高的黏土矿物质和有 机物含量，以及能够吸附土壤中重金属离子的 F/- Mo氧化物相，导致重金属浓度较高[19_21]。

土壤重金属全量、氧化还原电位（Eh)等因素 对重金属有效态也有一定影响。土壤中重金属全 量是重金属有效态的来源，决定了有效态重金属在 土壤中的含量[22]。重金属离子在氧化条件下呈现

提取剂有酸性溶液（HN〇3、HC1等），中性盐溶液 (CaC12、NaN03 等），络合剂（EDTA、DTPA 等）。大 量研究表明，上述试剂提取出的重金属含量与土壤 重金属的总量和植物吸收的重金属含量均具有良 好的相关性[26 — 29]，其中，酸性溶液、CaC1和EDTA 主要用于提取pH值％7. 5 土壤中的重金属[3。-35]， 而NaN03和DTPA主要用于提取pH值&7.5土壤 中的重金属[26,36 -37]。DTPA - CaCl - TEA混合溶 液对于土壤重金属有效态也有很好的提取效果，是 目前国际上通用的提取方法[31]。1.3.2测定方法

土壤重金属的测定方法主要有原子吸收分光 光度法（AAS)、电感耦合等离子体质谱法（ICP -

MS)和电感耦合等离子体发射光谱法（ICP - AES)[3i;0]。上述方法的优点是准确度和精密度

较高，缺点是只能用于室内分析，步骤较为烦琐，耗 时较长。AAS法操作简便，仪器价格适中，却不能 用于多种元素的同时分析；ICP - MS法和ICP-

AES法可以同时分析多种元素，而仪器价格较为

昂贵，且ICP -AES法的灵敏度不如ICP - MS 法[41]。随着科技进步，一种基于电化学原理的便 携式重金属测定仪能够实现土壤中重金属的现场 实时监测[42]。

2 土壤重金属有效态的相关性研究2.1与土壤中重金属全量的相关性

土壤中重金属全量影响着土壤中重金属有效 态的 量，

重金属元素的 物

性

量

的关系不尽相同[43]。高怀友等[44]研究发现，在一 定条件下重金属Zo的有效态含量与总量之间可以 建立线性良好的回归方程，重金属Cd、Pb等的有 效态含量与全量之间存在着极显著的正相 关性[45 -46]。

2.2 与农作物中重金属含量的相关性

农作物主要

具

物

性的重金属形

—

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第31卷第1期杨梦丽等.基于重金属有效态的农田土壤重金属污染评价研究2019年2月

态。相关研究表明，土壤中的重金属主要通过协助 扩散和Fe2 + /Zn2+传输器-FP族蛋白或C,+传 输器/传输通道等方式进人农作物中[47%;8]。还有 学者研究发现，农作物中重金属积累量与土壤中重 金属全量之间的相关性较差，而与土壤中重金属有 效态含量的相关性较好[49_5〇]。3

在农田土壤重金属污染评价中的应用

现阶段土壤重金属污染评价方法主要有单项 污染指数法、综合污染指数法（又称内梅罗综合污 染指数法）[51]、地积累指数法、生态危害指数法[52] 和模糊综合评价法[53]，或依据《土壤环境质量标 准》（GB 15618—1995)和《土壤污染风险管控标准 农用地土壤污染风险筛选值和管制值（试行）》。 上述方法和标准均忽略了其他因素对土壤重金属 含量的影响，存在着一定缺陷。Lee等[54]研究发 现，水稻籽粒中积累的重金属含量并不取决于土壤 中重金属全量。因此，在对土壤重金属污染状况进 行评价时，不仅要考虑土壤重金属全量的风险程 度，还应重视生物有效性部分及其影响因素[55]。

农田土壤中的重金属全量并不能代表其对环 境的总体危害，而土壤重金属污染评价的主要目的 是降低重金属的危害。因此，选择一种能够代表重 金属活性的指标具有重要意义。Pe-等[56]基于 此提出了风险评价法（RAC)，根据土壤中重金属 的可交换态和碳酸盐结合态（即酸溶态）之和与总 量的百分比来评价土壤污染状况[57 _58 ]。钟晓兰 等[59]利用土壤重金属总量、有效态和形态3个指 标对昆山市土壤重金属污染进行评价，结果发现， 土壤重金属有效态与形态的平均累积指数较能反 映当地土壤重金属生态环境风险，该研究为确定土 壤重金属有效态背景值及制定相关评价标准提供 了理论基础[60]。

以土壤重金属有效态含量作为评价土壤重金 属污染的标准，能更加准确地反映土壤中重金属的 环境效应和生态风险程度。然而，仅考虑土壤重金 属有效态含量的评价易忽略土壤中非有效态重金 属，从而增加土壤中重金属的潜在风险。随着食品 安全受重视程度的提升，相关研究人员提出，在进 行土壤重金属污染评价时应结合农产品中重金属 含量。王玉军等[61]+用综合质量影响指数法对土 壤重金属污染进行评价，该方法由土壤和农产品综 合质量影响指数构成，同时考虑了土壤环境质量标

—

12 —

准、土壤重金属元素背景值和不同价态重金属之间 的效应，以及农产品中重金属的含量及其限量标准 等因素，较为全面地反映了该地区污染状况。因 此，在对土壤重金属污染状况进行评价时，宜在现 有评价基础上结合重金属活性部分和农作物吸收 的重金属含量，更加客观地反映该地区的实际污染 状况，从而采取正确的土壤污染防治和修复措施。4

展望

《中华人民共和国土壤污染防治法》明确规定 要建立土壤污染防治标准体系，并实行土壤污染状 况实时监测制度，为今后的土壤重金属污染防治工 作指明了方向。然而，现有的土壤环境质量标准均 基于重金属全量，较难对农田土壤重金属的实际污 染状况全面评估，有必要结合土壤重金属有效态及 农产品中重金属含量综合评价。现阶段土壤重金 属有效态的相关研究工作尚不成熟，对于土壤中同 一种重金属元素有效态浸提剂的选择尚无统一标 准，且不同重金属元素有效态的提取是否可以采用 同一种浸提剂也无明确规定，在一定程度上增加了 测定难度和工作量。在后续研究中，应首先确定土 壤重金属有效态的提取方法，再根据不同的土壤类 型、土壤酸碱度及重金属元素种类建立统一的方 法，使土壤重金属有效态的测定更加规范。此外， 土壤重金属污染评价的最终目的是保证农产品质 量安全，在试验中应充分考虑不同气候条件、作物 种类、土壤类型等与土壤中有效态重金属含量的关 系，建立以土壤重金属有效态含量为基础、结合土 壤重金属全量及作物中吸收的重金属含量的土壤 重金属污染评价体系。

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本栏目编辑姚朝英

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