农田土壤重金属污染评价研究进展

2、近25年国内外常见重金属污染评价方法比较

2.1 内梅罗综合指数法

内梅罗综合指数法是一种应用于土壤重金属污染评价的传统指数评价法。

内梅罗综合指数突出了高浓度污染在评价结果中的权重。随着研究者对重金属在环境中赋存形态、迁移转化和毒性等方面认知的深入，发现仅仅提升高浓度污染在其中的比重，可能导致最大值或者不规范合理设置采样点、后续分析检测所带来的异常值对所得结果的影响过大，人为夸大了该元素的影响作用，从而降低了该评价方法的灵敏度;同时，某种金属的单项污染指数的最大值的应用，并不具有生态毒理学依据，且方法中并没有消除重金属区域背景值的差异，使所得综合指数在区域间比较时不尽合理。

2.2 富集因子法

富集因子法是通过选择标准化元素对样品浓度进行标准化，再将二者比率同参考区域中两种元素比率的相比，产生一个在不同元素间可相比较的因子。富集因子法最初于1974  年由Zoller 提出，用于溯源南极上空大气颗粒物中的化学元素，后来逐渐借鉴延伸到其他领域，并在土壤重金属污染评价中得到较为广泛应用。

Ci 为元素i的浓度，Cn 为标准化元素的浓度，sample 和baseline 分别表示样品和背景。

由于土壤中重金属污染来源复杂，富集因子仅能反映重金属的富集程度，而丧失其追溯到具体污染源及迁移途径的能力。其次是参考元素的选择，文献中曾采用Al、Fe、Zr、Sc、Ti  或TOC  等，并没有统一的选择规范。再者岩石风化或者不同的成土过程会使地壳或背景区域中目标元素与参考元素比值难以稳定，在应用中出现即使土壤不受污染，却出现富集因子可能差异较大的现象，造成评价失实。

背景值的选择也是该评价方法应用的一个关键，选择不同背景值往往对评价结果造成较大差异。不少评价案例以地壳元素质量分数平均值或全球页岩元素质量分数平均值作为背景值，而不同区域由于土壤成土母质组成差异较大，由此形成和发育而来的土壤中的背景元素含量往往差异明显，因此也有研究者应用研究区域的背景元素含量作为背景值，但该方法中背景值的确定与选择并没有相应的标准，使得其在实际应用中的结果产生较大差异。

2.3 地累积指数法

地累积指数法是德国研究者Müller 于1979  年首次提出，用于研究河流沉积物的重金属污染程度。后来也被用于土壤中重金属污染评价。其计算公式为：

式中，Cn 为土壤或沉积物中实测含量;Bn 为该元素地球化学背景值;背景值乘以修正系数1.5  以得到最小污染级别的界限值，是考虑到成岩作用等可能引起背景值波动的因素。重金属在土壤中的迁移能力与土壤物理化学性质紧密相关，与沉积物有较大差异。虽然有学者在文章中提出该修正系数应在土壤相关实际应用中加以调整，但是如何调整及调整幅度尚未说明。这些原因使得应用该方法所得的累积指数在原污染指数分级框架下的评价结果偏离实际。

2.4 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法是由Hakanson  从沉积学角度出发，根据重金属在“水体-沉积物-生物区-鱼-人”这一迁移累积主线，将重金属含量和环境生态效应、毒理学有效联系到一起。表达式为

原始文献评价方法中毒性系数的推导，完全基于重金属在水体-沉积物-生物区-鱼-人的主线中的迁移转化规律，与重金属在自然界中的丰度，在水体和沉积物中的分配规律及湖泊的生产力密切相关。应用该方法至土壤重金属污染评价的时候，却直接使用该种方法推导出的毒性系数，并省略湖泊生产力因素，直接当作毒性响应系数带入评价公式模型。文献作者明确指出“一开始就必须强调的是，这里所推导的模型有一定的限制和前提条件：该方法只涉及湖泊系统”。可见该模型在运用于土壤介质时不经修正，缺乏表征土壤理化性质对重金属毒性影响的特征指标，使所得的评价结果不够科学合理。

2.5 土壤和农产品综合质量指数法

农田土壤中重金属污染关乎农产品安全，粮食作物中可食用部分重金属的累积对人体健康具有重大影响。我们在总结前人工作基础上，提出了一种农田土壤重金属影响评价的新方法：土壤和农产品综合质量指数法。该方法将农田土壤和农产品中重金属的含量有效结合，综合考量了元素价态效应、土壤环境质量标准、土壤元素背景值、特定土壤负载容量和农产品污染物限量标准等，可应用于评价农田中重金属的单独和复合污染。在对土壤中重金属含量的评价中引入土壤相对影响当量(RIE)、土壤元素测定浓度偏离背景值程度(DDDB)以及总体上土壤标准偏离背景值程度(DDSB)三个指标，三个指标表达式分别为：

式中，n 为测定元素i 的氧化数，在实际评价中一般采用该元素在土壤中的稳定态氧化数;N 是测定元素的数目;Ci 为测定元素i的浓度;Csi  为元素i的土壤环境质量标准值(评价参比值);CBi 为元素i 的背景值;Pssi 为样品元素测定值与评价标准值的指数值;PSBi  为样品元素测定值与背景值的指数值。

指标RIE  在一般的综合评价方法中考虑了元素的氧化数及相应的毒性大小问题，并同相应参比值相比以区分元素氧化数相同无法区分其相对毒性大小的问题;指标DDDB  可以体现外源物质偏离土壤背景值的程度，除了表明污染程度外，还可以量化污染元素在超过土壤背景值而未达到环境质量标准值或污染起始值的程度。DDSB  通过土壤环境质量参比值同当地元素背景值相比，是当地土壤环境负载容量的一个量度，表现其对重金属等污染物的缓冲能力。

该方法在表征农产品质量的指标中引入农产品品质指数，表达式为：

式中，CAPi 是土壤重金属采样点位对应的农产品中元素i的浓度;CLSi 是农产品中元素i 的限量标准;PAPi  为农产品样品重金属含量测定值与食品中污染物限量值的指数值。指标QIAP 可以用于表征重金属对农产品质量状况的影响。

最终的综合质量影响指数(IICQ)包含土壤综合质量影响指数(IICQs)和农产品综合质量影响指数(IICQAP)，定义：

式中，X，Y，Z，分别包含了超过土壤环境评价参比值、土壤背景值及农产品限量标准值的样品数量。k  为背景校正因子，一般取5;其余含义同上文。并给出相应土壤环境质量状态描述与等级划分：IICQ ≤1 为清洁状态(I);15  为重度污染或重度超标(V)。

综合质量指数模型中还引入了亚污染或亚超标状态sub-(II-V)，即农田土壤重金属超标而农产品不超标(X≥1或者  IICQS>1，且Z=0和IICQAP<1 时)或农产品中重金属含量超标而农田土壤尚未超标(X=0，且IICQS<1 而Z≥1  或IICQAP>1)的状态，并依据相应数值具体划分。如有土壤没有超标而农作物超标的情况，可建议更换农作物类型并要求追踪污染来源;而在另一种状态下更应努力筛选、选种低累积作物。

3、结论

本文利用CiteSpace 软件可视化分析了近25  年土壤重金属污染评价方法领域中的研究热点和发展方向，通过各时间段关键词共现图，取得各时间段常用评价方法以及各评价方法随时间演进过程中所获得的关注变化。综合分析了几种常用的土壤重金属污染指数评价法，并对方法进行溯源，介绍其在不同类型土壤污染评价中的实际应用，发现一些方法在被推出之初，并非应用于土壤介质，而在后续的土壤污染评价中被直接使用或仅仅对少数参数进行调整，在土壤中的适用性值得推敲;在对土壤中重金属的富集或累计程度进行评价应用时，相应背景值或参考值的选择存在不合理现象;各评价方法中对重金属污染的生物效应缺乏科学和有效评估。土壤和农产品综合质量指数法，综合考量了农田土壤和对应作物间品质评价。该方法将元素价态效应、土壤环境质量标准、土壤元素背景值、特定土壤负载容量等因素列入指数评价模型，力求科学评价农田土壤受重金属侵袭或累计的影响，全面评价农田重金属污染。