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user: 2. 农田土壤重金属污染风险研究现状 2.1. 重金属定义、特点及形态 土壤重金污属染是指由于人类活动或土壤形成原因，土壤中重金属含量超过其自然背景值所引起的生物和环境破坏现象 [ 9 ] [ 10 ] 。农业土壤重金属污染主要包括Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、As、Hg等元素。重金属污染物具有隐蔽性、滞后性和累积性等特点。因此土壤一旦被污染，则需要长时间对土壤进行修复 [ 11 ] 。改进的BCR (BCR为欧洲共同体参考物机构，英文全称为European Community Bureau of Reference)四步连续萃取法将土壤中的重金属分为酸可交换态、可还原态、可氧化态和残渣态。其中残渣态的重金属对环境和人体不造成威胁。 2.2. 农田土壤重金属污染风险研究现状 土壤是万物生长的基础，它与其他圈层的物体时刻进行物质和能量的交换。因此外界可通过大气沉降、污水灌溉、农药、化肥以及固体废弃物堆放等途径把重金属传入土体中导致土壤污染，其中尤以Cd、Pb、Cu、Hg、Zn及其复合物污染特别严重 [ 12 ] [ 13 ] 。陈卫平 [ 14 ] 等阐述我国农田土壤重金属污染防治面临区域差异显著、污染危害加剧、风险管控困难等主要问题与挑战，赵其国等 [ 15 ] [ 16 ] 对我国农田土壤重金属污染面积进行估算，其污染面积约为2 × 10 7 hm 2 ，年粮食污染可达1.2 × 10 7 t，造成经济损失2 × 10 10 元。宋伟等 [ 5 ] 对近20年来涉及全国83.9%的省份和22.5%的地级市土壤重金属污染状况进行整理，发现我国城市、城郊和农村均有不同级别的农田重金属污染问题。同时赵其国和骆永明 [ 16 ] 指明我国区域农田土壤重金属污染严重，以西南，华中，长江三角洲及珠江三角洲等地区尤为严重。曾希柏等 [ 17 ] [ 18 ] 对矿区周边农田湖南和广东等地的调查结果显示，样品超过现行土壤环境质量II级标准的比例达到21.1%~62.3%。王金贵 [ 19 ] 对我国22种典型农田土壤Cd的解吸特性进行了研究，结果显示红壤、赤红壤和黄壤等酸性土壤类别在不同温度下Cd解析率均超过15%，明显高于碱性土壤类别(如灰漠土和栗钙土等)的Cd解析率(<10%)。Rafiq等 [ 20 ] 对我国7种典型农田土壤Cd活性进行研究，结果显示酸性土壤类别中，富铝土中交换态Cd含量大约为黄壤的4倍。 2.3. 农田土壤重金属污染风险评价方法 目前，在土壤重金属污染评价方面，国内外通常采用以下几种方法： 1) 内梅罗单因子指数法 内梅罗单因子指数法是当前国内外用来评价综合污染指数计算最常用的一种方法，是一种突出最大值的计权型多因子环境质量指数，能从多方面综合地评价重金属的污染程 [ 21 ] 。计算公式如(1)： P i = C i / S i (1) 单因子污染指数法Pi，基于土壤元素背景值，采用单因子污染指数法对重金属累积污染程度进行评价。若Pi < 1，这表明土壤没有被人类污染；若Pi > 1，它已经被人类污染了。Pi是污染物I在土壤中的环境指标，；Si是污染物I (mg∙kg −1 )的评价标准。 内梅罗综合指数法(Nemerow index)综合考虑了多种污染元素的综合效应，也是当前国内外许多科研者用来评价综合污染指数计算最常用的一种方法 [ 22 ] 。其计算公式见公式(2)： P 综 = ( P i ¯ ) 2 + P i max 2 (2) P i 为单项污染指数平均值；P i max 为最大单项污染指数。若 P 综 ≤ 0.7 未被污染，则安全水平；若 0.7 < P 综 ≤ 1.0 ，则达到警戒水平； 是轻度污染； 2.0 < P 综 ≤ 3.0 ；中等污染； P 综 > 3 为重污染。 3) 地累积指数法 地累积指数法是由德国学者Muller提出的，王宁 [ 23 ] 等采用该法利用地累积指数法，对于城市污泥中的汞污染现状进行了评价，发现汞重度污染以上的省份比例达到60%以上。地累积指数法不仅能反映土壤重金属含量的自然布持征，而且也能体现土壤受人类活动的影响，其公式(3)： I g e o = log 2 [ C n ( K ∗ B n ) ] (3) 其中：C n 为土壤重金属元素n的实测含量，(Bn为该研究区域土壤背景值)，K为由于岩石差异引起土壤背景值变动而取的系数(一般K = 1.5)。地累积指数I geo 的分级标准如下， I g e o ≤ 0 ，无累积污染； 0 < I g e o ≤ 1 ，累积污染为没有–中度； I < I g e o ≤ 2 ，中度累积污染度； 2 < I g e o ≤ 3 中-强累积污染； 3 < I g e o ≤ 4 ，较强累积污染； 4 < I g e o ≤ 5 ，强–极强累积污染； I g e o > 5 ，极强累积污染。 4) 富集因子法 富集因子法是评价人类活动对土壤重金属浓度影响的参数。为了减少采样和样品制备的人为影响，并保证每个指标的可比性和等价性，通常选择参考元素作为参考标准。常用参比元素主要有Sc，Mn，Ti，Al，Fe，Ca等，国内外许多学者已开始把它应用到土壤重金属污染的评价中 [ 24 ] 。其具体计算公式如(4)： (4) 在该公式中，EF是土壤中重金属的富集因子；Bn (背景)是评价和参考区中某一元素的浓度；C ref (sample)，B ref (backgroud)是评价区和参考区浓度的参考元素。Sutherland [ 25 ] 根据富集因子可将重金属污染分为5个层次见表1。 5) 污染负荷指数法 污染负荷指数法是由Tomlinson等提出的，周静 [ 26 ] 等采用地累积指数法、污染负荷指数法对张家港河金港段表层沉积物中重金属做了评价。结果表明：大部分处于重度污染状态。其公式如(5)、(6)： C F i = C i / C o i (5) P L I = C F 1 ∗ C F 2 ∗ C F 3 ∗ ⋯ ∗ C F n n (6) 其中：CF i 为重金属元素i的最高污染系数；C i 为重金属元素i的实测含量，C oi 为重金属元素i的评价标准，PLI为某一点的污染负荷指数；n为重金属元素个数；PLIzone为某一区域的综合污染负荷指数；m为采样点个数。污染负荷指数PLI的分级标准如下： P L I ≤ 1 ，未污染； 1 < P L I ≤ 2 ，中度污染； 2 < P L I ≤ 3 ，重污染； P L I > 3 ，严重污染。 6) 潜在生态风险指数法 潜在生态风险指数法是由瑞典学者Hankason等提出的，黄华斌为安溪铁观音茶园土壤中重金属运用此法以及其他方法评价重金属污染特征及潜在生态风险，结果表明，不同乡镇茶园重金属平均含量均超过福建省土壤环境背景值，采用定量方法测定不同重金属的潜在危害等级 [ 27 ] (表2)。 C f i = C i / C n i (7) E r i = T r i ∗ C f i (8) R I = ∑ i n   = 1 ， E r i ∑ i n   = 1 ， [ T r i ∗ ( C i / C n i ) ] (9) 其中： C f i 为土壤重金属i的污染参数；C i 为土壤重金属i的实测浓度； C n i 为计算所需的参比值。 T r i 为单个污染物的性响应参数； E r i 为土壤重金属i的潜在生态危害系数；R I 为多种重金属的综合潜在生态危害指数，危险等级见表2。 评价重金属的方法有很多种，各方法各有优缺点。根据前人的研究总结了几种常用的重金属评价方法的优点与不足(表3)。 Table 1 Relationship between enrichment factors and heavy metal pollution level 重金属富集因子 重金属污染程度 E F < 2 未-轻 2 ≤ E F < 5 中等 5 ≤ E F < 20 重 严重 40 ≤ E F 极重 表1. 富集因子与重金属污染程度的关系 Table 2 Potential hazard levels of different heavy metal 危害程度 轻 中 强 较强 极强 E r i <40 40~80 80~160 160~320 >320 R I <150 150~300 300~600 600~1200 >1200 表2. 不同重金属潜在危害等级 Table 3 Advantages and disadvantages of several commonly used methods for evaluating heavy metal 常用评价方法 优点 缺点 单因子指数法 具有明确的目标、可比性显著以及计算简便。 只局限于土壤中某种特定元素的分析，不能反映出污染元素的综合效应。 内梅罗综合指数法 数学公式计算快捷、物理概念清晰等能够更为全面、地反映出研究区域内的土壤重金属的污染状况。 不能考虑重金属元素的毒性差异，得出的评价结果往往比较机械。 地累积指数法 所需要的数据单一、方法简便，同时综合考虑了人为污染因素和地球化学背景值等多要素所造成的影响。 未考虑到重金属的形态差异与地理空间差异性的影响。 富集因子法 选取参考元素作为参考标准，减少了采样过程中人为的影响，保证了指标之间的可比性和等价性。参比元素需要稳定的性质，不易受到环境和分析测试的影响。 参考元素的选择不规范，不同区域背景值的不确定性。 污染负荷指数法 可以反映各重金属对区域污染的贡献程度，还可以进一步反映各重金属污染的时空变化特征。 该方法不考虑由不同污染源引起的背景差异。 潜在生态风险指数法 将环境生态效应与毒理学联系起来。 不考虑重金属相互作用的影响。 表3. 几种常用的重金属评价方法的优点与不足