土壤重金属污染评价指标的研究进展

文章编号：!""# $ %%#&（’""’）"( $ ""!! $ ") 土壤重金属污染评价指标的研究进展 余剑东 倪吾钟 杨肖娥 （浙江大学环境与资源学院，浙江 杭州 *!""’+） 摘 要：土壤重金属污染评价指标主要有：土壤重金属总含量，有效含量，土壤酶活性以及植物 中毒临界含量等。由于受重金属污染的土壤中往往伴有多种重金属元素及元素之间的交互作用， 使得临界值的确定更为复杂，目前评价土壤重金属复合污染的主要是综合指数法。 关键词：重金属；污染；评价指标；土壤 中图分类号：& ,’( 文献标识码：- 由于人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于原有含量，并造成生 态环境恶化，进而危害人体健康。因此确定土壤重金属元素的污染临界值是十分必要的。但是土 壤与人体之间的物质平衡关系比较复杂，污染元素是通过食物链进入人体危害健康，所以土壤重 金属污染的难以确定。研究者根据不同的评价体系对确定重金属的临界含量做了相关的研 究，本文就这些方面所取得的进展做一概述。 ! 土壤重金属元素的临界含量（土壤环境质量基准） 土壤元素的临界含量是指土壤元素既不影响农产品产量和生物学质量，又不导致地水和地 下水污染的最大含量。为了保护土壤这种几乎无再生能力的人类生存资源，约有十几个国家或地 区对土壤中的有害物质（主要是重金属）作了最高允许浓度的（表 !）［!］。 土壤元素的临界含量（土壤元素环境质量基准）是制订土壤环境质量标准的基础。制订土壤 环境质量基准，大体上有两种技术路线：地球化学方法［’］和生态环境效应法［*］。 !.! 地球化学方法 地球化学方法，主要是应用统计学方法，根据土壤中元素地球化学含量状况、分布特征来推 断土壤环境质量基准的方法［%］。 加拿大安大略省规定的土壤最大负荷，镉、镍、钼为非污染土壤的平均值，锌、铜、铅为非 污染土壤的 *倍，铬是非污染土壤的 )倍［!］。 国内在评价土壤质量时多采用不能确切反映土壤质量的元素背景值加上两倍或三倍标准 差［(，#］，但是一方面全国土壤背景值差异相当大，元素含量分布较广，最大值是最小值的 ’.* / !"’ 0 #.* / !"% 不等［*］。另一方面统计学认为三倍标准差是绝对异常，而两倍标准差则是可能异 常。因此在标准的选择上就没有统一。 国家科技部基础研究快速反应项目资助 收稿日期：’""’ $ "* $ !( ·!!· 广东微量元素科学 ’""’年 12-314531 67898-31 :2-3;2 <7&27 第 +卷第 ( !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 期 万方数据 表 ! 土壤中有害物质最高允许浓度"#$·%$& ! 项 目德国 法国 意大利 加拿大 英 国 非石灰性 石灰性 苏格兰 前苏联 日 本 欧共体 世界各国 范围 中值 ’( ) * ) ) )+, )+, !+- , !（水） ! . ) ! . , ) /$ * ! * * ! ! 0+1 *+! 0+0000,（水） ! . !+, 0+1 . * ! 23 *0 !0 !0 *0 0+00,（水） *0 !0 . *0 !, ’4 !00 !00 !00 !00 !10 *50 50 ) !*,（/’6） !00 50 . *50 !00 （7892） （7892） （有效态） :; !00 !00 !00 -0 ,,0 ,,0 <0 背景值加 0+0!（水） ,0 . )00 ,0 & ,,0 !00 *0 ’= !00 !,0 ,0 !*0 -00 -00 !*0 !00（三价） 0+00,（六价） ,0 . -00 !*0 0+0,（六价） （水） >? )00 )00 )00 **0 *50 ,-0 !,0 *) !,0 . )00 !,0 . ,-0 )00 （7892） （7892） （有效态） @A ,0 ,0 ,0 )* ), B0 15 ), )0 . B, )0 . B0 ,0 （7892） （7892） 规定 C/ !-+0 !-+,（耕地） !,+, !-+0（牧场） 注：英国的最高允许值单位为每升土壤的毫克数（#$"D），对 ’4、>?、@A均为 7892提取液测定值。前苏联的有效 ’4、>?， 为 C/ 1+5醋酸铵缓冲液提取液测定值。日本最近又规定水提取液测定值。 !+* 生态环境效应法 生态环境效应法基于土壤 &植物体系、土壤 &微生物体系、土壤 &水体系或其中任何一种体 系的环境质量标准推算土壤中重金属元素的最高允许浓度。应用生态环境效应法得出的土壤环境 质量基准值，有害物质在土壤中有所积累，但对农作物和环境尚没有造成危害和污染。表 *是用 以确定土壤临界含量的依据（土壤环境容量协作组，!<?>’97 @8’9A8 B=C8= 第 5卷第 2期 万方数据 研究［!"］证明，北方灰钙土 #小麦系统中镉的最佳提取剂为 ! $%&’(的 )*+,-.，水土比为 !" / !，振荡时间 0 1；南方水稻土 #水稻系统中镉的最佳提取剂为 "2""3 $%&’( 456-，水土比为 0 / !， 振荡时间 0 1；褐土 #小麦系统中［!!］以 ! $%&’(的 )*+,-.7 为提取剂，水土比为 !023 / !，浸提时 间 8" $9:，提取的镉与小麦籽粒镉含量呈显著相关，同时该系统中以 "2! $%&’( .;.&0 为提取剂， 水土比 !" /!，浸提时间 7" $9:提取的汞量表示有效态汞的含量较为合适［!0］。 对土壤中砷毒性临界值的研究［!7］表明，以 "23 $%&’( );*.,7 提取的砷能较好地表征土壤砷 的有效性，并以莴苣为指示植物确定了各土壤中砷的临界值为 !2 $?’@?。而在娄土中以 小麦为指示植物［!+］的砷临界值为 00 $?’@?，其中有效砷为 +27A $?’@?。 02!20 关于以有效量表示方法的讨论 研究者在研究有效量表征临界值时，基本是通过外加可 溶性重金属形成很大的浓度梯度，然后根据提取量与植物吸收量的相关性确定适当的提取剂。但 郑绍建等［!3］认为，这种选择方法在镉的提取上，掩盖了土壤基本性状对土壤镉活性的影响，忽 视了不同植物种类在对镉的富集能力和根系向地上部分的转移能力上存在的很大的差异性，而且 缺乏一定的土壤化学理论基础。并在综合分析活性镉提取能力、提取镉与土壤基本性状和土壤中 镉赋存形态关系的基础上，以 "2"3 $%&’(的 .;.&0，水土比 3 /!，振荡时间 !23 1作为评价污染土 壤镉的最佳提取剂及提取条件。 020 以相关酶活性的生化指标表示毒性临界值 土壤重金属离子对土壤酶活性产生抑制或激活作用，而土壤酶活性的变化影响土壤养分释放 及从土壤获取养分的作物生长，因此有研究者提出以土壤酶活性来判别土壤重金属污染状况。镉 对土壤酶活性有抑制作用［!8］，随着土壤镉浓度增加，土壤酶活性明显降低。在所测的 +种土壤 酶中，土壤脲酶和过氧化氢酶活性与土壤镉含量相关性最好（ ! B # "2A］也证明了运用土壤酶活性的生化指标进行评价是可行的。 雷虎兰等［!<］研究表明，重金属元素对作物根中过氧化氢酶和茎中蔗糖酶的活性有抑制作用 （表 +），因此也可以其相对活性降低 03C及 3"C为限的重金属浓度范围作为重要指标。 表 + 与作物体内酶活性降低 03C D 3"C相应的土壤中 6E、.F、-G、.H含量’$?·@?# ! 元 素 根中过氧化氢酶相对活性 降低 03C 降低 3"C 茎中蔗糖酶相对活性 降低 03C 降低 3"C .F !> !"" 3 < 6E !8+ 7++ -G 77 !"< !< 0" .H <" !<0 87 A!27 此外，据最新的研究报道，土壤中微生物区系的变化也可作为土壤重金属污染的评价指 标［!A］。 027 以影响叶绿素含量的相对指标表征毒性临界值 在研究灰钙土重金属污染对农作物生理生化作用的影响时发现［!<］，镉对玉米叶绿素含量及 镉对小麦、玉米叶绿素含量的影响都可作为其受影响的指标。当叶绿素含量降至对照的 <"C D ·+!· 广东微量元素科学 0""0年 IJ-)I4,)I KLM(M-)I NJ-)OJ PLQJL 第 A卷第 3期 万方数据 !"#时的土壤重金属浓度与减产 $"#的浓度接近，因此可作为农作物可能减产 $"#的诊断指标。 减产 $"#时，%&、’(、)*的土壤浓度分别是 %& +"" ,-./-，’( $0 ,-./-，)* 01 ,-./-。 023 以小麦幼苗毒性指标表征土壤镉污染 杨林等［0"］用小麦幼苗地上部分的含镉量、生物减产和幼苗过氧化物酶 %45活性突变点所 对应的土壤含镉量表征土壤镉污染。麦苗在三叶期、返青期、拔节期三段期，其地上部分的含镉 量都比抽穗期、成熟期的茎叶籽高，且与籽粒含镉量、土壤投镉量呈极显著正相关，苗含镉量与 苗 %45活性变化呈显著相关。根据这三个毒性指标所计算的土壤镉污染临界值分别是：达标临 界值 "260 ,-./-，减产临界值 $" ,-./-，%45活性转折临界值为 1 ,-./-。 027 根据相关方程进行计算 成杰民等［0$］以糙米中镉的粮食品卫生标准 "20 ,-./-为标准，根据晚稻糙米含镉量（ !）与 土壤镉含量（"）的相关方程 ! 8 "2!"39" : "2"+1+（ # 8 "2!7!1，$ 8 31），求出土壤镉污染的起始 值为 "201$ ,-./-。值得注意的是，不同作物吸收积累重金属的能力存在较大的差异。;< =>? @ABC-等［00］根据不同蔬菜作物体内镉含量与菜园土壤有效镉含量（"2""7 ,BD.E 5F%)提取）的相 关关系，以蔬菜中镉含量的卫生指标为依据，估算得出对应于小白菜、青菜和芹菜的土壤有效镉 的污染临界值分别为 "291!、"26+"和 "239! ,-./-，高者与低者相差近一倍。 + 重金属的复合污染 单个重金属污染虽有发生，但在自然界中，重金属的污染多为伴生性或综合性的复合污 染［0+］。研究［03］表明，菜园土和果园土中，)*和 %&，)*和 ’>，’(和 ’>，’>和 %&的含量呈显著 相关。由于元素之间的交互作用使得某种元素的生理效应和化学行为较之其在单体系中发生了很 大变化。在 "2+!9 G 92!$!,BD.E HC和 "2"$" G "2+$1!,BD.E ’(的营养液中，增加 ’(的浓度可以促 进莴苣嫩芽中 HC的积累［07］。如果 ’(的浓度低于 "2+$1!,BD.E，增加 HC的浓度则莴苣和菠菜嫩 芽中 ’(的积累呈指数下降（拮抗），在土壤中则更复杂。因此，评价某种元素在污染土壤中的毒 性仅以在其单体系中确定的临界值为依据显然是缺乏说服力的。 重金属的复合污染对土壤 :植物体系的影响是十分复杂的，其中最困难的部分是如何反映诸 多影响因素的综合效应，对同一土壤来说，已证明离子冲量可作为重金属复合污染的综合指标来 考察其对稻苗生长的影响［01］。目前，比较常用的评价方法是内梅罗指数法。 单因子分指数： % < 8 & < .’ < 式中 % <— 土壤中污染物的环境质量指数； & <— 污染物的实测浓度； ’ <— 污染物评价标准。 多因子综合指数： ［（,IJ% <）0 K（% <）0］! L 0 式中 ,IJ% <—单项污染指数的最高值， % <—单项污染指数的平均值。 3 结 语 土壤中重金属的含量直接关系到环境质量和人体健康，因此确定重金属的毒性临界值是污染 防治与治理的基础工作。目前对临界含量的确定已做了大量的研究工作，研究者提出了不同的评 ·7$· 广东微量元素科学 0""0年 MN);M54;M =OPEP);M QN);RN SOTNO 第 !卷第 7期 万方数据 价体系。土壤元素的临界值是制订土壤环境质量标准的基础，但在土壤植物体系中不具有统一的 临界指示意义。土壤元素的有效量与植物吸收量之间具有良好的相关性，但因不同提取剂提取的 有效量之间差别较大而难以统一。以土壤酶活性和作物毒性指标间接表征土壤重金属临界含量的 研究证明是可行的，在应用中需要进一步的探索。污染土壤中，重金属污染多表现为复合污染， 因此复合污染的评价更为重要。 参考文献： ［!］夏家淇 " 土壤环境质量标准详解［#］" 北京：中国环境科学出版社，!$$%" ［&］’()*+, -，./00+,0)11 2，34*5+, 6，27859: ;" <,/5/=)( +>)0/1)5/81 8? 5,)=+ +(+0+15 +1,/=70+15* )1@ @+A(+5/81* /1 *8/(*： B*，<,，<4，C/，-D，)1@ .1 2E/** ?8,+*5 *8/(*［6］" F7+ 2=/+1=+ 8? 57+ F85)( G1H/,810+15，&III，&J$（! K L）：&MN K &OI" ［L］中国环境监测总站 " 中国土壤元素背景值［#］" 北京：中国环境科学出版社，!$$I" ［J］;)P1+, Q，3/*=7+, -，F7+8=7),8A84(8* 2，#415)4 R，S+*)4(+* B，T4+H)4H/((+, -7" T4)15/5)5/H+ +H)(4)5/81 8? 57+ .;? 34 =2; @A.=;A.9 3B @9>C.0C D3EE0=.34 .4 5A3F=2 C;>.9 3B G;5;=9HE; @A3D? H9?;> 34 =2; 2I5.;4.@ E.C.= 3B @9>C.0C .4 B33>［’］& ’30A49E 3B JE94= -0=A.=.34，!**!，!%（%）：(%) $ (K"& ［!,］郑春荣 & 重金属的复合污染［L］& 陈怀满等 & 土壤 M植物系统中的重金属污染［N］& 北京：科学出版社， #((K& !(+ $ !(%& ［!+］N2;4 O P，/345 ’ / N& L??;??C;4= 3B =A9@; C;=9E >.?=A.H0=.34 94> @34=9C.49=.34 .4 ?0AB9@; ?3.E? 3B Q345 R345［’］& S4G.A34C;4= J3EE0=.34，#(()，(K（#）：K# $ K"& ［!%］TE>9 U;E3 U@R;4@9，94> N294;I V 6& O2; ;BB;@= 3B @9>C.0C 94> 1.4@ .4=;A9@=.34? 34 =2; 9@@0C0E9=.34 94> =.??0; >.?=A.H0W =.34 3B 1.4@ 94> @9>C.0C .4 E;==0@; 94> ?D.49@2［’］& S4G.A34C;4= J3EE0=.34，#((,，)(（#）：##, $ #!*& ［!K］郑春荣 & 复合污染对水稻生长的影响［’］& 土壤，#("(，!#（#）：#* $ #+& !"##$%& ’#()#$** +% ,-./".&+(% 0%1$2$* 3(# 4$.-5 6$&./* ’(//"&+(% +% 7(+/* :X ’.94W>345，-T /0W12345，:L-Y 7.93W; （N3EE;5; 3B S4G.A34C;4= 94> V;?30A@; <@.;4@;?，Z2;[.945 X4.G;A?.=I，Q9451230 ,#**!(，N2.49） 89*&#.:&：O2; ;G9E09=.34 .4>;8;? B3A 2;9GI C;=9E? 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