中国土壤重金属污染状况及其风险评价

中国土壤重金属污染状况及其风险评价作者：纪文贵王珂蒙建波郑金德周林基赵华荣
来源：《农业研究与应用》2020年第05期
摘要：为了解我国土壤重金属污染的分布状况，本文基于305篇已发表论文，利用内梅罗指数法和潜在生态危害指数法进行土壤重金属污染评价。

结果表明：（1）我国土壤重金属污染等级为清洁、尚清洁、轻度、中度和重度的比例分别为64.59 %、9.84 %、13.12 %、
1.64 %和10.82 %，潜在生态危害等级为轻微、中等、强和很强生态危害的比例分别为
92.13 %、2.30 %、0.94 %和4.59 %。

（2）305个点位中8种土壤重金属元素的点位超标率为：Cd=25.10 %、Cr=3.19 %、Hg=5.11 %、As=8.61 %、Pd=2.14 %、Cu=8.51 %、Zn=7.14 %、Ni=0.71 %。

（3）四大地理区域的土壤重金属污染程度为：西部>中部>东北>东部;潜在生态危害程度为：东北>西部>中部>东部。

关键词：中国土壤重金属污染内梅罗指数法潜在生态危害指数法
中图分类号：X53;X825 文献标识码：A
Abstract： In order to understand the distribution of soil heavy metal pollution in China， we made an assessment on soil heavy metal pollution by consulting 305 published literatures and using
Nemerow index and potential ecological risk index. The results showed that：（1） The soil heavy metal pollution levels are clean， slight clean， light， moderate and severe， respectively at
64.59%， 9.84%， 13.12%， 1.64%， and 10.82%， and the potential ecological hazards are slight， medium， strong and strong， respectively at 92.13%， 2.30%， 0.94% and 4.59%. （2）The over-standard rates of 8 soil heavy metal elements in 305 sites are： Cd=25.10%， Cr=3.19%，Hg=5.11%， As=8.61%， Pd=2.14%， Cu=8.51%， Zn=7.14%， Ni=0.71%. （3） The soil heavy metal pollution levels in the four geographical regions are as follows： west > middle > northeast > east; the potential ecological harm degrees are： northeast > west > middle > east.
Key words： China; soil; heavy metal pollution; Nemero index method; potential ecological hazard index method;
近几十年来，随着城市化的不断推进，旧工业企业的淘汰和搬迁遗留下大量土壤污染问题，耕地、工矿业废弃地土壤环境质量问题突出，土壤环境质量下降[1]。

我国土壤污染面积已达到上千万公顷，而且逐渐表现为多种污染源、污染物含量大、污染面积广、污染时间长、毒性强的环境污染特征[2]。

中国的土壤污染主要来源于重金属[3]。

根据2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》[4]显示，全国土壤总超标率为16.1 %，耕地、林地、草地、未利用地的土壤点位超标率分别为19.4 %、10.0 %、0.7 %、11.4 %，总体状况不容乐观。

土壤重金属污染会使重金属元素在植物中累积，通过食物链进入动物体和人体中，最终危害动物和人类健康，引发疾病。

土壤重金属污染防治刻不容缓[5]。

我国在2000年左右开始土壤污染防治研究，尤其是近十年来土壤污染修复技术得到一定的发展，土壤重金属污染动态得到一定的监测。

重金属污染土壤修复技术主要有：物理修复技术（客土法和换土法、热力恢复法、深耕翻土法和隔离包埋法、电动修复法）、化学修复技术（化学改良修复法、化学淋洗修复法）、生物修复技术（植物修复技术、动物修复技术、微生物修复技术）[6]。

但由于相应技术与相关政策的限制，重金属污染土壤修复面积有限，土壤重金属染污面积仍在扩大，我国土壤重金属污染态势仍然严峻[1， 7]。

目前，国内对小区域的土壤重金属污染做了大量研究[8-10]，但对全国土壤重金属污染的分布状况了解较少，而且我国关于重金属污染可查询的信息较少。

本文通过内梅罗指数法和潜在生态危害指数法分析我国各省的土壤重金属污染程度和生态危害等级状况。

本文通过收集全国范围内的土壤重金属污染研究报告，经过文献筛选和数据处理，提取文献中土壤重金属的实测含量，利用内梅罗指数法和潜在生态危害指数法进行全国范围内的土壤重金属污染风险评价，绘制出全国各省土壤重金属污染风险柱状图，最后进行分析和评价，本研究结果将为我国土壤环境规划和土壤重金属污染防治提供参考。

1 材料與方法
1.1 数据收集与分析
文献检索是在中国国家知识基础设施（CNKI）数据库中使用关键词“重金属”或“土壤重金属”和“中国”或省级行政名称进行。

文献研究内容必须符合以下标准：（1）应在中国地域范围内进行实地研究;（2）应在中国表层土壤（0～15 cm或0～20 cm）取样;（3）应指明取样地点和样品数量;（4）土壤样品的处理方法（如：土壤样品进行混合酸消解）和分析工具（如：通过ICP-MS，ICP-OES等测定土壤样品）应被科学界广泛接受。

经过筛选，本文共选取305篇论文的研究数据作为本研究的数据来源。

本文所选取的305篇论文的研究位置（点位）见图1。

利用Excle 2010软件进行数据的整理与分析，绘制中国土壤重金属污染风险柱状图。

1.2 研究方法
1.2.1 内梅罗指数法
单因子指数可以评价单个元素的危害程度，其计算公式如下：
P i=Ci / Si
式中：Pi为重金属元素i的污染指数;Ci为重金属元素i的实测含量;Si重金属元素i的评价标准，本研究采用《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中的二级标准，见表1。

单因子指数只能反映单个重金属元素的污染程度，而土壤的重金属污染物一般不只一种，需要综合考虑不同重金属元素对土壤的污染程度，内梅罗指数法[11]是当前国内外进行重金属综合污染指数计算最常用的方法之一，其计算公式如下：
式中：P综为采样点土壤重金属综合污染指数;Pimax为采样点重金属单项污染指数中的最大值;Piave为采样点重金属单项污染指数的平均值。

内梅罗指数等级划分标准见表2。

1.2.2 潜在生态危害指数法
潜在生态危害指数法[12]被广泛应用于评价重金属的潜在危害，该方法结合了生态学、环境化学和生态毒理学来反应重金属污染物对生态的综合影响，其计算公式如下：
式中：Cif为重金属元素i的富集系数;Cis为重金属元素i的实测含量;Cin为评价参比值;Tir为重金属元素i的毒性响应系数（Zn=1，Cr=2，Cu=5，Pd=5，Ni=5，As=10，Cd=30，Hg=40）;为多元素潜在环境风险综合指数。

潜在生态风险指数等级划分标准见表3。

2 结果与分析
2.1 内梅罗指数法和潜在生态危害指数法评价结果
根据收集土壤重金属污染研究的文献，通过内梅罗指数法和潜在生态危害指数法进行数据分析，可以大概看出我国土壤重金属污染的程度，各省污染状况见图2和图3。

在利用内梅罗指数法分析的305个点位中，有78个点位的土壤重金属污染等级超过警戒限（Ⅱ级），土壤重金属污染的概率为25.57 %，见表4。

值得注意的是，虽然有64.92 %的清洁土壤，但土壤重金属污染等级为尚清洁的有9.84 %。

在利用潜在生态危害指数法进行数据分析的305个点位中，土壤重金属污染等级处于轻微生态危害、中等生态危害、强生态危害、很强生态危害的占比分别为92.13 %、2.30 %、0.94 %、4.59 %，见表5。

从两种评价方法结果中都可以看出我国土壤重金属污染程度的形势不容乐观。

值得关注的是，本文研究显示的受污染土壤比例（25.57 %）高于《全国土壤污染状况调查公报》中显示的全国土壤总超标率（16.1 %），主要原因可能是大部分的土壤重金属污染研究是在研究者认为某地区的土壤重金属元素含量可能超标的基础上进行。

本文选取的305篇文献中，土重金属污染研究的土壤包括农田土壤，矿山周边农田土壤，污灌区土壤，城市绿地土壤等，这些土壤的重金属含量累积较快较多，我们尚未制定出一个收集不同功能用地土壤重金属污染研究文献的合理比例，从这方面来看，本文研究所显示的土壤重金属污染程度可能会偏高。

2.2 主要污染元素和超标率
对8种土壤重金属污染元素的超标率进行计算，见表6，结果显示，除镍元素的点位超标率（0.71 %）低于《全国土壤污染状况调查公报》中镍元素的点位超标率（4.8 %）以外，其余7种土壤重金属元素点位超标率均高于《全国土壤污染状况调查公报》[3]中对应的土壤重金属点位超标率（Cd=7.0 %，Cr=1.1 %，Hg=1.6 %，As=2.7 %，Pb=1.5 %，Cu=2.1 %，
Zn=0.9 %）。

有必要说明的是，本文所选取的305篇文献统一采用《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中的二级标准作为土壤重金属污染的评价标准，如果采用点位所在地的土壤重金属污染评价标准，各土壤重金属元素的点位超标率将会增大，评价标准不同，评价结果就会不同。

从各土壤重金属元素点位超标占比的计算结果可以明显看出，Cd的点位超标率
（25.10 %）远高于其他元素的点位超标率，Cd是我国土壤的主要污染物与本文研究结论一致。

Hg、As、Cu和Zn都有较高的点位超标率，Cr、Pb、Ni的点位超标率较小，但在小区域土壤重金属污染防治方面仍需要重视。

2.3 四大地理区域土壤重金属污染状况
将全国划分为东北地区（黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古）、中部地区（山西、河南、湖北、湖南、江西、安徽）、东部地区（北京、天津、河北、山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、海南）、西部地区（重庆、四川、广西、贵州、云南、陕西、甘肃、内蒙古、宁夏、新疆、青海、西藏）四大地理区域，通过计算不同区域土壤重金属污染等级占比，可以大致看出我国土壤重金属污染的分布特点。

通过四大地理区域内梅罗指数不同等级的点位统计，见表7，四大地理区域的土壤重金属污染程度依次为：西部>中部>东北>东部，由此可见，经济发
达地区的土壤重金属污染程度并不一定高于经济落后地区，其主要原因可能是，中、西部地区含有大量金属矿物，矿场、煤炭等开采活动频繁。

四大地理区域潜在生态危害综合指数不同等级的点位统计显示（表8），东北地区的生态危害程度要高于其他三大地理区域，原因可能是受东北老工业基地的影响，土壤含有较多重金属，重金属在土壤中的迁移效果不明显且有一定量的累积[13]。

2.4 土壤重金属污染的主要来源
（1）大气沉降和降雨的影响。

汽车尾气的排放、工矿企业排放的有一定重金属含量的粉尘，火力发电产生的废气等都可以通过大气沉降和降雨造成土壤重金属污染[14]。

（2）农业活动的影响。

农药、化肥、畜禽粪的长期使用是农田土壤重金属污染的主要来源。

植物吸收利用化肥的比例小，例如植物對磷肥的利用比例只有10 %～20 %。

禽畜饲料一般添加含有重金属的物质，大量施用禽畜粪会导致土壤重金属的累积[15]。

此外，污水灌溉也会导致土壤重金属含量的累积。

利用Excle 2010软件进行数据的整理与分析，绘制中国土壤重金属污染风险柱状图。

1.2 研究方法
1.2.1 内梅罗指数法
单因子指数可以评价单个元素的危害程度，其计算公式如下：
P i=Ci / Si
式中：Pi为重金属元素i的污染指数;Ci为重金属元素i的实测含量;Si重金属元素i的评价标准，本研究采用《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中的二级标准，见表1。

单因子指数只能反映单个重金属元素的污染程度，而土壤的重金属污染物一般不只一种，需要综合考虑不同重金属元素对土壤的污染程度，内梅罗指数法[11]是当前国内外进行重金属综合污染指数计算最常用的方法之一，其计算公式如下：
式中：P综为采样点土壤重金属综合污染指数;Pimax为采样点重金属单项污染指数中的最大值;Piave为采样点重金属单项污染指数的平均值。

内梅罗指数等级划分标准见表2。

1.2.2 潜在生态危害指数法
潜在生态危害指数法[12]被广泛应用于评价重金属的潜在危害，该方法结合了生态学、环境化学和生态毒理学来反应重金属污染物对生态的综合影响，其计算公式如下：
式中：Cif为重金属元素i的富集系数;Cis为重金属元素i的实测含量;Cin为评价参比值;Tir为重金属元素i的毒性响应系数（Zn=1，Cr=2，Cu=5，Pd=5，Ni=5，As=10，Cd=30，Hg=40）;为多元素潜在环境风险综合指数。

潜在生态风险指数等级划分标准见表3。

2 结果与分析
2.1 内梅罗指数法和潜在生态危害指数法评价结果
根据收集土壤重金属污染研究的文献，通过内梅罗指数法和潜在生态危害指数法进行数据分析，可以大概看出我国土壤重金属污染的程度，各省污染状况见图2和图3。

在利用内梅罗指数法分析的305个点位中，有78个点位的土壤重金属污染等级超过警戒限（Ⅱ级），土壤重金属污染的概率为25.57 %，见表4。

值得注意的是，虽然有64.92 %的清洁土壤，但土壤重金属污染等级为尚清洁的有9.84 %。

在利用潜在生态危害指数法进行数据分析的305个点位中，土壤重金属污染等级处于轻微生态危害、中等生态危害、强生态危害、很强生态危害的占比分别为92.13 %、2.30 %、0.94 %、4.59 %，见表5。

从两种评价方法结果中都可以看出我国土壤重金属污染程度的形势不容乐观。

值得关注的是，本文研究显示的受污染土壤比例（25.57 %）高于《全国土壤污染状况调查公报》中显示的全国土壤总超标率（16.1 %），主要原因可能是大部分的土壤重金属污染研究是在研究者认为某地区的土壤重金属元素含量可能超标的基础上进行。

本文选取的305篇文献中，土重金属污染研究的土壤包括农田土壤，矿山周边农田土壤，污灌区土壤，城市绿地土壤等，这些土壤的重金属含量累积较快较多，我们尚未制定出一个收集不同功能用地土壤重金属污染研究文献的合理比例，从这方面来看，本文研究所显示的土壤重金屬污染程度可能会偏高。

2.2 主要污染元素和超标率
对8种土壤重金属污染元素的超标率进行计算，见表6，结果显示，除镍元素的点位超标率（0.71 %）低于《全国土壤污染状况调查公报》中镍元素的点位超标率（4.8 %）以外，其余7种土壤重金属元素点位超标率均高于《全国土壤污染状况调查公报》[3]中对应的土壤重金属点位超标率（Cd=7.0 %，Cr=1.1 %，Hg=1.6 %，As=2.7 %，Pb=1.5 %，Cu=2.1 %，
Zn=0.9 %）。

有必要说明的是，本文所选取的305篇文献统一采用《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中的二级标准作为土壤重金属污染的评价标准，如果采用点位所在地的土壤重金属污染评价标准，各土壤重金属元素的点位超标率将会增大，评价标准不同，评价结果就会不同。

从各土壤重金属元素点位超标占比的计算结果可以明显看出，Cd的点位超标率
（25.10 %）远高于其他元素的点位超标率，Cd是我国土壤的主要污染物与本文研究结论一致。

Hg、As、Cu和Zn都有较高的点位超标率，Cr、Pb、Ni的点位超标率较小，但在小区域土壤重金属污染防治方面仍需要重视。

2.3 四大地理区域土壤重金属污染状况
将全国划分为东北地区（黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古）、中部地区（山西、河南、湖北、湖南、江西、安徽）、东部地区（北京、天津、河北、山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、海南）、西部地区（重庆、四川、广西、贵州、云南、陕西、甘肃、内蒙古、宁夏、新疆、青海、西藏）四大地理区域，通过计算不同区域土壤重金属污染等级占比，可以大致看出我国土壤重金属污染的分布特点。

通过四大地理区域内梅罗指数不同等级的点位统计，见表7，四大地理区域的土壤重金属污染程度依次为：西部>中部>东北>东部，由此可见，经济发达地区的土壤重金属污染程度并不一定高于经济落后地区，其主要原因可能是，中、西部地区含有大量金属矿物，矿场、煤炭等开采活动频繁。

四大地理区域潜在生态危害综合指数不同等级的点位统计显示（表8），东北地区的生态危害程度要高于其他三大地理区域，原因可能是受东北老工业基地的影响，土壤含有较多重金属，重金属在土壤中的迁移效果不明显且有一定量的累积[13]。

2.4 土壤重金属污染的主要来源
（1）大气沉降和降雨的影响。

汽车尾气的排放、工矿企业排放的有一定重金属含量的粉尘，火力发电产生的废气等都可以通过大气沉降和降雨造成土壤重金属污染[14]。

（2）农业活动的影响。

农药、化肥、畜禽粪的长期使用是农田土壤重金属污染的主要来源。

植物吸收利用化肥的比例小，例如植物对磷肥的利用比例只有10 %～20 %。

禽畜饲料一般添加含有重金属的物质，大量施用禽畜粪会导致土壤重金属的累积[15]。

此外，污水灌溉也会导致土壤重金属含量的累积。