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关键词：农田土壤;重金属污染;修复技术
近年来，频发的农田土壤重金属污染事件，不仅影响农产品的质量，更损害民众身体健康，影响社会稳定[1]。作为人类生存的基础之一，土壤是组成生态环境的重要部分。人为和自然因素向环境中排放的重金属共同影响了土壤生态系统。有数据显示，我国受重金属污染的耕地面积占全国总耕地面积的1/6[2]。
工业活动中矿产资源开发、化学药品的研发及生产、金属冶炼与加工等过程中产生含重金属的“三废”以堆砌、沉降等形式进入土壤，造成土壤重金属污染，进而通过食物链威胁人体健康。“血铅事件”和“镉米风波”警示了全世界[3]，也为我国重金属污染防治敲响警钟，使食品安全和人体健康风险问题被人们广泛关注。减轻污染、降低危害和污染修复也成为生态环境界经久不衰的话题。《重金属污染综合防治“十二五”规划》将镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）、砷（As）、汞（Hg）等生物毒性强且污染严重的重金属元素列为第一类重点防控对象[4]。2013年全国两会提案聚焦农业，指出我国重金属污染耕地面积超过16%。“十三五”规划纲要将土壤修复写入，并且使土壤修复治理等新型技术装备研发和产业化发展加速。2019年施行的《中华人民共和国土壤污染防治法》规定，污染土壤损害国家利益、社会公共利益的，有关组织可以向人民法院提起诉讼。可见我国对土壤环境的重视，同时也表明农田土壤环境是不容忽视的。
我国对农田土壤重金属污染的研究大多是针对一些城市、矿区及工业区进行重金属含量分布特征、风险评价及提出相关修复技术等，但针对全国农田重金属污染特征及修复技术方面的研究却很少。为此，本研究以期整体把握我国农田重金属的污染状况，为我国农田重金属污染治理和农田生态系统的健康发展规划提供参考依据。
1 研究背景
1.1 农田重金属的来源
1.1.1 开矿及尾矿处理 采矿业的发展致使重金属的流动性增强，随着开采过程产生的“三废”以及自然因素促使其进入土壤。例如，在Hg超标最严重的广西壮族自治区柳州市融水县元宝山矿区下游泗潍河沿岸的水田和旱田的土壤中其含量超过GB 15618—2008《土壤环境质量标准》的二级标准，而其他位点的土壤中5种重金属含量均低于二级标准[5]。又如，渭北旱原工矿区农田土壤重金属呈现不同程度的富集[6]。
1.1.2 污水灌溉 城市污水中含有破坏水质环境与污染土壤的重金属，由于被土壤固定，使土壤中重金属的含量超过环境背景值。从20世纪60年代至今，我国污灌面积迅速扩大，其中扩大速度最快的是北方污灌区，而南方地区污灌面积仅占6%;污灌导致农田重金属Cd、Cr、Pb、As、Hg等含量增加[7]。在我国北方，水污染日益严重，天然缺水、农业用水不规范导致污灌现象频发。而城市生活用水处理率低、管理不规范、环保意识欠缺，致使重金属污染的水被应用于农业。
1.1.3 大气沉降 大气中的重金属大多来自人为活动，只有一部分来自地球化学作用。工业与交通运输业的发展，产生了含有重金属的气体和粉尘，最终沉降并累积在土壤表层。其累积程度与所在地区的工业、交通、人口密度及气象条件有紧密的联系，距污染源越近，重金属含量就越高，且大气流动使重金属的污染范围更广。
1.1.4 化肥及农药的使用 农药、化肥与现代农业发展有着紧密的联系，它们是农作物增收的保证，这是因为化肥使农作物的生长发育期缩短，而农药则可以防治病虫害。对化肥不合理的使用会污染土壤，虽然化肥与农药本身所含的重金属含量极低，但通过累积会使重金属污染物在农田土壤中传递、转化并富集。磷肥中含有痕量的镉，长期使用会造成镉的富集，造成农田土壤镉污染。在农药的使用过程中，只有部分被有效利用，而其他均进入土壤或释放至大气中，而农药的长期使用也是农田重金属累积的原因。
1.2 土壤重金属的迁移转化
土壤-植物系统是物质能量循环的枢纽，与人类联系紧密。土壤重金属与土壤组分及外源物质相互作用，使重金属发生各种迁移与转化，其过程复杂多样，一般包括离子吸附和交换、溶解-沉淀、络合作用、氧化还原作用等。重金属在液相中的含量始终在动态变化。另外，植物难吸收螯合态的重金属，而且螯合剂与根系之间的竞争作用对植物有一定的保护。重金属在土壤中的迁移转化主要通过土壤胶体的解吸、吸附。受氧化-还原、溶解、吸附等反应的相互作用，铬和砷随价态的变化由固相转为液相，重金属在土壤剖面形成了有一定的形态且规律的分布[8]。
1.3 土壤重金属的污染特征
重金属在农田土壤中随价态的变化而呈现出毒性、隐蔽、滞后性、不可逆、难恢复和长期性的特点。例如，在土壤中Cr3 不易通过细胞膜，所以其生物致毒性远小于Cr6 ;土壤中各形态汞的毒性大小依次为甲基汞
近年来，频发的农田土壤重金属污染事件，不仅影响农产品的质量，更损害民众身体健康，影响社会稳定[1]。作为人类生存的基础之一，土壤是组成生态环境的重要部分。人为和自然因素向环境中排放的重金属共同影响了土壤生态系统。有数据显示，我国受重金属污染的耕地面积占全国总耕地面积的1/6[2]。
工业活动中矿产资源开发、化学药品的研发及生产、金属冶炼与加工等过程中产生含重金属的“三废”以堆砌、沉降等形式进入土壤，造成土壤重金属污染，进而通过食物链威胁人体健康。“血铅事件”和“镉米风波”警示了全世界[3]，也为我国重金属污染防治敲响警钟，使食品安全和人体健康风险问题被人们广泛关注。减轻污染、降低危害和污染修复也成为生态环境界经久不衰的话题。《重金属污染综合防治“十二五”规划》将镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）、砷（As）、汞（Hg）等生物毒性强且污染严重的重金属元素列为第一类重点防控对象[4]。2013年全国两会提案聚焦农业，指出我国重金属污染耕地面积超过16%。“十三五”规划纲要将土壤修复写入，并且使土壤修复治理等新型技术装备研发和产业化发展加速。2019年施行的《中华人民共和国土壤污染防治法》规定，污染土壤损害国家利益、社会公共利益的，有关组织可以向人民法院提起诉讼。可见我国对土壤环境的重视，同时也表明农田土壤环境是不容忽视的。
我国对农田土壤重金属污染的研究大多是针对一些城市、矿区及工业区进行重金属含量分布特征、风险评价及提出相关修复技术等，但针对全国农田重金属污染特征及修复技术方面的研究却很少。为此，本研究以期整体把握我国农田重金属的污染状况，为我国农田重金属污染治理和农田生态系统的健康发展规划提供参考依据。
1 研究背景
1.1 农田重金属的来源
1.1.1 开矿及尾矿处理 采矿业的发展致使重金属的流动性增强，随着开采过程产生的“三废”以及自然因素促使其进入土壤。例如，在Hg超标最严重的广西壮族自治区柳州市融水县元宝山矿区下游泗潍河沿岸的水田和旱田的土壤中其含量超过GB 15618—2008《土壤环境质量标准》的二级标准，而其他位点的土壤中5种重金属含量均低于二级标准[5]。又如，渭北旱原工矿区农田土壤重金属呈现不同程度的富集[6]。
1.1.2 污水灌溉 城市污水中含有破坏水质环境与污染土壤的重金属，由于被土壤固定，使土壤中重金属的含量超过环境背景值。从20世纪60年代至今，我国污灌面积迅速扩大，其中扩大速度最快的是北方污灌区，而南方地区污灌面积仅占6%;污灌导致农田重金属Cd、Cr、Pb、As、Hg等含量增加[7]。在我国北方，水污染日益严重，天然缺水、农业用水不规范导致污灌现象频发。而城市生活用水处理率低、管理不规范、环保意识欠缺，致使重金属污染的水被应用于农业。
1.1.3 大气沉降 大气中的重金属大多来自人为活动，只有一部分来自地球化学作用。工业与交通运输业的发展，产生了含有重金属的气体和粉尘，最终沉降并累积在土壤表层。其累积程度与所在地区的工业、交通、人口密度及气象条件有紧密的联系，距污染源越近，重金属含量就越高，且大气流动使重金属的污染范围更广。
1.1.4 化肥及农药的使用 农药、化肥与现代农业发展有着紧密的联系，它们是农作物增收的保证，这是因为化肥使农作物的生长发育期缩短，而农药则可以防治病虫害。对化肥不合理的使用会污染土壤，虽然化肥与农药本身所含的重金属含量极低，但通过累积会使重金属污染物在农田土壤中传递、转化并富集。磷肥中含有痕量的镉，长期使用会造成镉的富集，造成农田土壤镉污染。在农药的使用过程中，只有部分被有效利用，而其他均进入土壤或释放至大气中，而农药的长期使用也是农田重金属累积的原因。
1.2 土壤重金属的迁移转化
土壤-植物系统是物质能量循环的枢纽，与人类联系紧密。土壤重金属与土壤组分及外源物质相互作用，使重金属发生各种迁移与转化，其过程复杂多样，一般包括离子吸附和交换、溶解-沉淀、络合作用、氧化还原作用等。重金属在液相中的含量始终在动态变化。另外，植物难吸收螯合态的重金属，而且螯合剂与根系之间的竞争作用对植物有一定的保护。重金属在土壤中的迁移转化主要通过土壤胶体的解吸、吸附。受氧化-还原、溶解、吸附等反应的相互作用，铬和砷随价态的变化由固相转为液相，重金属在土壤剖面形成了有一定的形态且规律的分布[8]。
1.3 土壤重金属的污染特征
重金属在农田土壤中随价态的变化而呈现出毒性、隐蔽、滞后性、不可逆、难恢复和长期性的特点。例如，在土壤中Cr3 不易通过细胞膜，所以其生物致毒性远小于Cr6 ;土壤中各形态汞的毒性大小依次为甲基汞