大氣沉降對(duì)土壤和作物中重金屬富集的影響及其研究進(jìn)展*

劉 鵬 胡文友 黃 標(biāo) 劉本樂(lè) 周 怡，3

（1 土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008 )

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

（3 揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127)

近年來(lái)，強(qiáng)烈人為活動(dòng)，如工業(yè)生產(chǎn)、快速城鎮(zhèn)化、高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)利用、礦山開(kāi)采與冶煉等，已經(jīng)導(dǎo)致我國(guó)部分區(qū)域重金屬污染日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅土壤環(huán)境質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品安全。據(jù)2014年原國(guó)家環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂(lè)觀，污染物類(lèi)型以鎘、汞、砷、銅、鉛等重金屬污染為主，且長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲等部分經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展區(qū)土壤重金屬污染問(wèn)題較為突出［1］。區(qū)域土壤、作物乃至大氣重金屬污染已經(jīng)成為我國(guó)當(dāng)前面臨的重大環(huán)境問(wèn)題。2016年國(guó)家發(fā)布的《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱(chēng)“土十條”）以及2018年最新頒布的《中華人民共和國(guó)土壤污染防治法》，均強(qiáng)調(diào)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控與治理，并要求加大土壤污染防治科技研發(fā)力度，遏制土壤污染趨勢(shì)，改善土壤環(huán)境質(zhì)量，表明國(guó)家層面已經(jīng)高度重視土壤污染與防治問(wèn)題。

農(nóng)田土壤重金屬污染嚴(yán)重影響了我國(guó)居民的“菜籃子”和“米袋子”安全，準(zhǔn)確識(shí)別農(nóng)田土壤重金屬污染來(lái)源及其貢獻(xiàn)是開(kāi)展重金屬污染防控的前提。對(duì)于作物中重金屬的來(lái)源，一直傾向于認(rèn)為土壤是其最主要的來(lái)源，而對(duì)大氣沉降對(duì)作物重金屬富集的影響缺乏足夠重視。隨著調(diào)查研究的不斷深入，越來(lái)越多的研究報(bào)道了大氣沉降對(duì)土壤和作物重金屬富集的貢獻(xiàn)［2-4］。大氣沉降對(duì)土壤和作物會(huì)產(chǎn)生雙重效應(yīng)，一方面附著大量重金屬的顆粒物沉降至土壤及作物表面，導(dǎo)致土壤、作物重金屬富集；另一方面，作物根部從土壤中吸收的重金屬可轉(zhuǎn)移至地上各個(gè)器官導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)［5-6］。

由于重金屬污染具有隱蔽性和滯后性，往往需要在動(dòng)植物、人體內(nèi)積累到一定程度才能表現(xiàn)出相應(yīng)的癥狀，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)重金屬大氣沉降方面的研究多偏重于人口較為集中的城市地區(qū)，認(rèn)為城市交通、工業(yè)排放等人為活動(dòng)加重了大氣中的重金屬污染，導(dǎo)致城市土壤重金屬含量超標(biāo)［7-9］。雖然越來(lái)越多的研究開(kāi)始認(rèn)識(shí)到大氣沉降是土壤和農(nóng)作物重金屬積累的重要原因［3-4,10-11］，但對(duì)我國(guó)大氣沉降中重金屬的來(lái)源、時(shí)空分布以及大氣沉降對(duì)農(nóng)田土壤和作物中重金屬富集的影響研究仍相對(duì)滯后。本文通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)我國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重金屬的來(lái)源與污染現(xiàn)狀，分析大氣沉降中重金屬的來(lái)源及時(shí)空分布特征，探討大氣沉降對(duì)土壤和作物中重金屬富集的影響及其貢獻(xiàn)，進(jìn)而提出下一步研究建議與展望，以期為我國(guó)農(nóng)田重金屬污染防控、農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)及農(nóng)田環(huán)境質(zhì)量綜合管理提供科學(xué)依據(jù)和參考資料。

1 我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬來(lái)源與污染現(xiàn)狀

重金屬進(jìn)入農(nóng)田土壤主要有自然來(lái)源和人為活動(dòng)兩個(gè)途徑。在自然因素中，主要受成土母質(zhì)和成土過(guò)程的影響，在人為活動(dòng)因素中，主要包括工業(yè)排放、大氣沉降、肥料和農(nóng)藥施用、灌溉等［3,12］(圖1)。農(nóng)田土壤重金屬的累積一般同時(shí)受到自然來(lái)源和人為活動(dòng)的疊加影響，準(zhǔn)確識(shí)別土壤中重金屬的來(lái)源及其貢獻(xiàn)，是環(huán)境地球化學(xué)研究的重要內(nèi)容，也是農(nóng)田重金屬風(fēng)險(xiǎn)管控與污染治理的關(guān)鍵。

在耕地、林地、園地等不同的土地利用類(lèi)型中，耕地土壤人為開(kāi)發(fā)程度高、利用強(qiáng)度大，土壤重金屬含量明顯高于其他利用類(lèi)型土壤［3,13］。根據(jù)原國(guó)家環(huán)境保護(hù)部公布的資料，1989年全國(guó)受污染農(nóng)田600萬(wàn)hm2［14］，占耕地總面積的4.6%；2014年全國(guó)土壤總超標(biāo)率16.1%，耕地點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，其中以鎘、汞、砷、銅、鉛等重金屬污染最為突出［1］。研究者近期對(duì)三江平原、松嫩平原、長(zhǎng)江中游及江淮地區(qū)、黃淮海平原和四川盆地糧食主產(chǎn)區(qū)土壤重金屬時(shí)空變化與來(lái)源的研究中發(fā)現(xiàn)，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)土壤重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率顯著增加，從7.16%增加至21.49%，不到三十年的時(shí)間里快速增長(zhǎng)了14個(gè)百分點(diǎn)，區(qū)域土壤重金屬污染問(wèn)題進(jìn)一步凸顯，其中西南、華中、長(zhǎng)江三角洲及珠江三角洲等區(qū)域土壤重金屬污染尤為突出［12］。究其原因主要有以下兩點(diǎn)：一是我國(guó)快速的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化推進(jìn)過(guò)程中，大量的工業(yè)活動(dòng)增加了重金屬的排放；二是快速增長(zhǎng)的人口加大了對(duì)糧食的需求，高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)加重了土壤重金屬的積累。

圖1 農(nóng)田土壤重金屬的主要來(lái)源Fig.1 Main sources of heavy metals in farmland soils

2 我國(guó)大氣沉降中重金屬的來(lái)源與時(shí)空分布

重金屬主要通過(guò)煤等化石燃料燃燒、土壤揚(yáng)塵、工業(yè)冶煉、汽車(chē)尾氣排放等人為途徑進(jìn)入大氣，吸附于氣溶膠分子上，再通過(guò)干濕沉降兩種方式進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中［15］（表1）。我國(guó)對(duì)大氣沉降的研究起初大多針對(duì)河流、海岸帶生態(tài)系統(tǒng)，認(rèn)為大氣沉降是導(dǎo)致河流重金屬含量上升的主要原因［16-17］。近年來(lái)，我國(guó)近地表降塵量和降塵中的重金屬含量均表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，大氣沉降已經(jīng)被認(rèn)定為區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬的重要來(lái)源［3,18］。由于大氣沉降會(huì)受到污染源、長(zhǎng)距離運(yùn)輸、降水等氣象因素的影響，因此區(qū)域大氣沉降中的重金屬往往也表現(xiàn)出明顯的時(shí)空分布差異［19-20］（圖2，表2）。

表1 大氣沉降中重金屬的主要來(lái)源Table 1 Main sources of heavy metals in atmospheric deposition

受重金屬來(lái)源的多樣性和自然因素的綜合影響，目前，對(duì)于大氣沉降重金屬時(shí)間分布多從重金屬含量變化的角度進(jìn)行研究。通過(guò)總結(jié)對(duì)比我國(guó)北方和南方典型地區(qū)夏冬兩季大氣重金屬含量差異（圖1），可以發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)重金屬含量差異明顯，與研究區(qū)特定的工業(yè)結(jié)構(gòu)和氣候條件有關(guān)，但總體上均呈現(xiàn)出冬季高于其他季節(jié)，供暖期高于非供暖期的特點(diǎn)。主要原因可以歸納為以下三點(diǎn)：（1）我國(guó)冬季寒冷，供暖導(dǎo)致對(duì)能源需求的增加，尤其是北方地區(qū)，大規(guī)模的集中供暖增加了重金屬的排放；（2）冬季部分地區(qū)會(huì)出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，阻礙了空氣的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)，不利于重金屬的擴(kuò)散和遷移；（3）我國(guó)降水季節(jié)分明，夏季多冬季少，降水的沖刷作用也會(huì)顯著降低大氣中重金屬的含量。北方供暖期時(shí)長(zhǎng)根據(jù)地區(qū)維度差異略有不同，哈爾濱相比北京，更為寒冷，供暖期更長(zhǎng)，煤作為供暖原料極大地增加了Ni、Cu、Zn、Pb等重金屬的排放，供暖期大氣重金屬含量約為非供暖期的1.8倍［25-26］。青島地區(qū)冬季重金屬含量上升不僅與燃煤供暖有關(guān)，強(qiáng)烈的西北風(fēng)從內(nèi)陸地區(qū)帶來(lái)大量的氣溶膠顆粒也進(jìn)一步加重了大氣重金屬污染［27］。東莞有著全國(guó)最大的虎門(mén)沙角火電廠群，加上當(dāng)?shù)卮罅康脑旒埡图徔椨∪酒髽I(yè)，每年需要消耗大量的燃煤，加上冬季少雨的特點(diǎn)，形成了大氣重金屬濃度高于夏季的現(xiàn)象［28］。浦口作為南京的重要工業(yè)園區(qū)，大量工廠的共同排放致使相關(guān)重金屬元素排放量增加，導(dǎo)致冬夏兩季大氣重金屬差異并不顯著，Ni的排放夏季甚至高于冬季［29］，這也從一定程度上反映出大氣重金屬的時(shí)空分布受污染源影響較大的特點(diǎn)。

圖2 我國(guó)不同地區(qū)夏季和冬季大氣中重金屬含量Fig.2 Concentrations of heavy metals in the atmosphere in summer and winter relative to region in China

從空間分布來(lái)看，不同功能區(qū)大氣沉降中重金屬通量存在明顯的差異性，工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)相對(duì)較高、燃煤為主的城市高于其他城市、城區(qū)高于郊區(qū)及遠(yuǎn)郊地區(qū)［30-31］。沈陽(yáng)等東北老工業(yè)基地城市及周邊大氣中的重金屬沉降量顯著高于地理位置相近的松嫩平原農(nóng)業(yè)區(qū)，燃煤、交通、工業(yè)建設(shè)帶來(lái)的諸多污染源，加重了該區(qū)域大氣中的重金屬污染［32-33］。太原市年降水量只有468 mm，但由于當(dāng)?shù)氐幕鹆Πl(fā)電、交通運(yùn)輸大大增加了重金屬排放使其濕沉降通量顯著高于其他地區(qū)［34］。長(zhǎng)江三角洲地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，高度的工業(yè)化需要大量的燃煤作為能源支撐，燃煤等生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的Pb和Cr等重金屬含量明顯高于周邊其他地區(qū)［35-36］。南京沿江流域由于受到沿岸工業(yè)生產(chǎn)的影響，大氣沉降中的Cd、Pb、As、Hg等重金屬含量及年輸入通量明顯高于周邊農(nóng)業(yè)區(qū)［3］。珠江三角洲地區(qū)是我國(guó)重要的電子產(chǎn)品生產(chǎn)地區(qū)之一，工業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的“電子垃圾”是導(dǎo)致該區(qū)域大氣中Cu、Cr、Ni含量上升的主要原因［37］?？傮w而言，不同功能區(qū)大氣沉降中重金屬通量的排序依次為：工業(yè)區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞居民區(qū)＞農(nóng)業(yè)區(qū)。由于工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)的工業(yè)活動(dòng)和交通負(fù)荷大，大氣沉降中的重金屬來(lái)源廣泛，導(dǎo)致其重金屬污染一般高于居民區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)［20］。

我國(guó)不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段及相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)政策也會(huì)直接或間接影響大氣重金屬的時(shí)空分布。Cheng等［42］通過(guò)研究1990-2009年期間我國(guó)大氣Cr排放發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的西北地區(qū)大氣Cr輸入量遠(yuǎn)低于經(jīng)濟(jì)水平較高的中部及南方地區(qū)，總體上Cr的排放量與我國(guó)GDP保持著同步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。同樣的結(jié)果也在Ni和Luo等［43-44］的研究中得以證實(shí)，2015年我國(guó)GDP是2006年的3.14倍，而Cr的年輸入通量前者是后者的2.63倍。從國(guó)內(nèi)外對(duì)比來(lái)看，雖然目前我國(guó)大氣沉降中的重金屬年輸入通量普遍高于國(guó)外，但這是由于現(xiàn)階段我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期。以Pb為例，我國(guó)當(dāng)前大氣沉降中Pb的年平均輸入通量為21.81 mg?m-2?a-1［23］，瑞典大氣沉降中Pb的年最大平均輸入通量為15 mg?m-2?a-1，出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期［45］。由此可見(jiàn)，在國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段，大氣沉降中重金屬含量增高是一個(gè)難以避免的暫時(shí)現(xiàn)象。近年來(lái)，隨著我們國(guó)家對(duì)大氣污染防治工作的重視程度的不斷提高，出臺(tái)的一系列環(huán)境保護(hù)和大氣污染防控措施已經(jīng)開(kāi)始在一定程度上降低了大氣中的重金屬等污染物排放。我國(guó)自2000年推行無(wú)鉛汽油以來(lái)，香港地區(qū)Pb的沉降量從1998-1999年的116.5 mg?m-2?a-1降至2000年后的6.75 mg?m-2?a-1，顯著低于政策執(zhí)行前的水平［40-41］。2010年我國(guó)出臺(tái)了更為嚴(yán)格的大氣Hg排放標(biāo)準(zhǔn)，在廢氣處理技術(shù)提升和污染控制裝置進(jìn)步的雙重作用下，全國(guó)Hg的年平均輸入通量從2006年的0.14 mg?m-2?a-1下降至2015年的0.092 mg?m-2?a-1，減少了34.2%［43-44］。北京作為我國(guó)首都，環(huán)境保護(hù)措施相對(duì)嚴(yán)格，污染大的企業(yè)生產(chǎn)受到嚴(yán)格限制，北京地區(qū)與工業(yè)相關(guān)的Pb、Cd、Cr、Mn、As、Ni的大氣沉降通量均低于華北地區(qū)的平均值［30,38］。我國(guó)大氣治理工作已初有成效，但部分重金屬，如Cr、Ni、Zn的輸入通量仍呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)［43-44］，對(duì)生態(tài)環(huán)境存在一定的潛在危害。因此，需要繼續(xù)加強(qiáng)我國(guó)大氣污染防治及環(huán)境管理工作的力度，通過(guò)制定更為嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，從而保障農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展。

表2 我國(guó)不同區(qū)域大氣沉降中重金屬的輸入通量Table 2 Fluxes of heavy metals in atmospheric deposition relative to region in China/(mg? m-2?a-1)

3 大氣沉降對(duì)農(nóng)田土壤重金屬富集的影響

由于近地表降塵含量和降塵中所包含的重金屬含量均表現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)，大氣沉降已經(jīng)被認(rèn)為是區(qū)域土壤重金屬的重要來(lái)源［3,30］。在許多工業(yè)、交通發(fā)達(dá)國(guó)家，大氣沉降對(duì)土壤重金屬貢獻(xiàn)率在各種外源輸入因子中排首位。有研究者通過(guò)分析城市和工廠周邊地區(qū)大氣中重金屬污染程度、大氣降塵通量與表層土壤中重金屬含量的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，大氣中重金屬污染程度和降塵通量越高，土壤重金屬含量越高［5,46］。近年來(lái)，不同國(guó)家通過(guò)重金屬調(diào)查清單的方法來(lái)定量分析農(nóng)田土壤重金屬的主要來(lái)源及輸入通量，結(jié)果顯示，歐美國(guó)家肥料和農(nóng)藥的施用以及灌溉是導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬累積的主要原因，而我國(guó)，通過(guò)大氣沉降進(jìn)入農(nóng)田土壤中的重金屬已經(jīng)成為部分區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬的最主要輸入方式［44,47］。

根據(jù)Luo等［44］對(duì)1999-2006年我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬的來(lái)源與輸入通量的研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)目前67%的能源來(lái)自于煤的燃燒，這一過(guò)程中釋放的大量的Pb、As、Hg顯著提高了大氣中重金屬的輸入通量，進(jìn)而影響到農(nóng)田土壤中Pb、As、Hg的積累量，As、Cr、Hg、Ni和Pb的大氣沉降貢獻(xiàn)率占農(nóng)田土壤重金屬總輸入量的42%～86%。Xia等［33］通過(guò)對(duì)我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一的黑龍江松嫩平原土壤重金屬來(lái)源的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)大氣沉降輸入的Cd、Hg、As、Cu、Pb和Zn量占總輸入量的78%～98%，大氣沉降已經(jīng)成為該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬的重要來(lái)源。Pan和Wang［30］通過(guò)對(duì)比欒城站大氣Cd沉降量和表層土壤富集量，可以發(fā)現(xiàn)該地區(qū)幾乎所有Cd元素富集均是由大氣沉降所引起的， 表明華北地區(qū)已成為我國(guó)重金屬大氣沉降通量最高的地區(qū)。長(zhǎng)江三角洲地區(qū)城市發(fā)達(dá)，人口眾多，繁重的交通和發(fā)達(dá)的工業(yè)大大加重了Cr、Pb、Zn的排放，大氣沉降對(duì)農(nóng)田土壤中的Cr、Pb、Zn的貢獻(xiàn)率分別達(dá)72%、84%和72%［35］。Zhang等［4］通過(guò)對(duì)蘇南典型工業(yè)區(qū)周邊土壤和水稻中Hg污染狀況與來(lái)源的研究發(fā)現(xiàn)，盡管部分Hg污染較重的工業(yè)企業(yè)已經(jīng)搬遷或進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，農(nóng)田土壤和稻米中Hg的污染狀況仍然不容樂(lè)觀，并且土壤Hg污染呈現(xiàn)明顯的帶狀分布特征，且與當(dāng)?shù)氐墓I(yè)布局與主導(dǎo)風(fēng)向有關(guān)。結(jié)合Hg穩(wěn)定同位素組成特征分析，發(fā)現(xiàn)大氣沉降是該區(qū)域農(nóng)田土壤Hg的重要來(lái)源之一。水稻土是我國(guó)特有的土壤類(lèi)型之一，大氣沉降對(duì)其影響也十分顯著。Liang等［31］對(duì)湖南漣源水稻土的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)赜捎诿旱娜紵龢O大地增加了Pb、Sb、As和Hg的大氣沉降量，占重金屬總輸入比重的26.05% ，高出農(nóng)業(yè)活動(dòng)近十個(gè)百分點(diǎn)，大氣沉降對(duì)該地區(qū)水稻土的影響顯著高于農(nóng)業(yè)活動(dòng)。同樣的結(jié)論在湖南醴陵也得到證實(shí)，Yi等［48］通過(guò)研究四種功能區(qū)（工礦區(qū)、畜牧區(qū)、郊區(qū)和風(fēng)險(xiǎn)管控區(qū)）的水稻土，大氣沉降輸入的重金屬占總輸入的51.21%～94.74% ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)施肥和灌溉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響。綜合上述研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，大氣重金屬沉降是農(nóng)田土壤重金屬污染的重要來(lái)源之一，Cd、Pb、Hg又是我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品中超標(biāo)最突出的重金屬元素，因此在控制因大氣沉降為主的農(nóng)田重金屬污染源時(shí)應(yīng)優(yōu)先針對(duì)Cd、Pb、Hg等元素采取措施［3-4,23］。

4 大氣沉降對(duì)農(nóng)作物重金屬富集的影響

大氣沉降對(duì)作物重金屬富集的影響包括間接和直接影響， 即通過(guò)污染土壤影響作物重金屬積累以及通過(guò)作物地上部分（葉片）吸收進(jìn)入體內(nèi)。人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的重金屬釋放到大氣后會(huì)沉降到土壤中，由于土壤高保留的能力通常被認(rèn)為是環(huán)境中重金屬的匯，因此城鎮(zhèn)、工業(yè)區(qū)及其周邊農(nóng)產(chǎn)品中往往含有較高的重金屬［6,49-50］。土壤作為一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)體，影響農(nóng)作物吸收重金屬的因素有很多，如:土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量、pH、根系分泌物等［51］，諸多因素交織一起引起的復(fù)雜變化導(dǎo)致了某些情況下土壤-作物重金屬累積的線性關(guān)系并不明顯。在對(duì)Cd的分析中發(fā)現(xiàn)土壤-作物系統(tǒng)中Cd的線性關(guān)系并不顯著，Cd污染土壤生產(chǎn)的大米Cd未必超標(biāo)，未污染的土壤會(huì)生產(chǎn)Cd超標(biāo)大米的現(xiàn)象廣泛存在［51-53］。董騄睿等［54］對(duì)南京沿江流域典型蔬菜生產(chǎn)基地土壤、作物以及大氣降塵中重金屬富集與來(lái)源的研究發(fā)現(xiàn)，雖然該蔬菜基地耕作條件相似、土壤類(lèi)型和性質(zhì)比較一致，但土壤和作物中的重金屬含量并不存在明顯的線性關(guān)系，即使部分土壤中重金屬含量較低，但作物中重金屬依然存在超標(biāo)現(xiàn)象。該區(qū)域大氣干濕沉降中的Cd和Pb年沉降通量分別為7.0 g?hm-2和485 g?hm-2，明顯高于背景區(qū)域，表明大氣沉降對(duì)該區(qū)域作物重金屬的富集可能具有明顯的影響。

為了進(jìn)一步明確大氣沉降如何影響作物積累重金屬以及重金屬在作物體內(nèi)的循環(huán)過(guò)程和遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，常選用掃描電鏡和透射電鏡的觀測(cè)方法分別從植物組織水平和亞細(xì)胞水平上對(duì)重金屬分布進(jìn)行定性、定量分析［49,55］。通過(guò)觀察重金屬在作物中的亞細(xì)胞分布，可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)入作物體內(nèi)的重金屬通常會(huì)聚集在細(xì)胞壁或者液泡中，一般不會(huì)在高活性的細(xì)胞器中積累。這是由于細(xì)胞壁中存在的果膠和半纖維素會(huì)與重金屬絡(luò)合，從而提高作物對(duì)重金屬的耐受性，保證作物在較低重金屬濃度下細(xì)胞的正常代謝［56-57］。Xiao等［58］通過(guò)對(duì)比生長(zhǎng)在不同大氣沉降環(huán)境下的小麥，發(fā)現(xiàn)小麥芽會(huì)直接吸收大氣中的Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、As，這些重金屬不僅會(huì)轉(zhuǎn)移至小麥根部影響作物生長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)在細(xì)胞壁中積累，當(dāng)含量過(guò)高時(shí)就會(huì)損傷葉綠體功能從而影響小麥光合作用。相比于其他農(nóng)作物，蔬菜具有相對(duì)更大的葉表面積以及更多的氣孔，因而更容易受到大氣沉降中的重金屬影響。Uzu等［49］通過(guò)研究萵苣從大氣中吸收的Pb發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)區(qū)周邊大氣中含有大量的PM10、PM2.5、PM1甚至納米顆粒物，對(duì)萵苣Pb的富集會(huì)有顯著的影響。此外，直徑在50 nm和1μm之間的顆粒物不僅可以聚集在葉片表面，同時(shí)也會(huì)直接隨氣孔的開(kāi)閉進(jìn)入萵苣體內(nèi)，造成萵苣的Pb污染。因此，在重金屬污染高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，不僅要考慮作物從土壤中吸收的重金屬，還應(yīng)重點(diǎn)衡量大氣沉降對(duì)作物尤其是蔬菜類(lèi)作物中重金屬積累的貢獻(xiàn)［3,10］。

5 展 望

加強(qiáng)區(qū)域尺度和田間自然條件下土壤-作物-大氣系統(tǒng)重金屬循環(huán)過(guò)程的研究。受制于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的開(kāi)放性和復(fù)雜性，室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果很難準(zhǔn)確反映田間實(shí)際條件下的自然規(guī)律和綜合效應(yīng)［59］，區(qū)域農(nóng)田重金屬污染往往呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性［3,60］。因此，在區(qū)域尺度和田間自然條件下，將土壤-作物-大氣系統(tǒng)作為一個(gè)整體，全面系統(tǒng)地研究重金屬在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同環(huán)境介質(zhì)間的遷移轉(zhuǎn)化、來(lái)源及其循環(huán)過(guò)程的研究將具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

綜合利用多種技術(shù)手段開(kāi)展區(qū)域農(nóng)田重金屬源解析研究。隨著近年來(lái)分析方法和手段的不斷發(fā)展，基于空間和地統(tǒng)計(jì)分析、受體模型以及同位素示蹤技術(shù)的源解析方法日趨成熟。受體模型是一種直接以污染區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，能夠避免因地形或氣象數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和不確定性造成結(jié)果偏差的源解析方法［61-62］。Pb等重金屬穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)因具有精準(zhǔn)量化各污染源對(duì)重金屬富集貢獻(xiàn)率的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛運(yùn)用［63-65］，隨著質(zhì)譜技術(shù)的革命性發(fā)展，更多的金屬元素同位素得以被精確地測(cè)定，為多元同位素示蹤提供了可能［66］。如果能夠綜合利用空間分析、不同源解析模型及多元同位素示蹤技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以解決因單一分析方法產(chǎn)生的多解性和模糊性，從而更加全面地了解重金屬的來(lái)源，以便更好地對(duì)重金屬污染源及污染貢獻(xiàn)做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)［3, 67］。

利用數(shù)學(xué)模型開(kāi)展區(qū)域土壤-作物系統(tǒng)重金屬循環(huán)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬與預(yù)警研究。在對(duì)區(qū)域土壤-作物系統(tǒng)重金屬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)預(yù)警時(shí)，需要明晰土壤重金屬的長(zhǎng)期甚至是上百年的累積趨勢(shì)，而在正常的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)下，重金屬在土壤中的積累是一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的過(guò)程，難以用常規(guī)的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有的土壤重金屬累積質(zhì)量平衡模型主要關(guān)注重金屬輸入輸出通量的估算［68-69］，雖然避免了對(duì)土壤復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程的計(jì)算，但在一定程度上降低了模擬結(jié)果的精確性。因此，需要在充分考慮重金屬的來(lái)源及輸入輸出通量、土壤中的形態(tài)變化、各種遷移轉(zhuǎn)化途徑以及土壤性質(zhì)變化對(duì)輸入輸出通量影響的前提下，將田塊尺度模型擴(kuò)展到區(qū)域尺度，結(jié)合最新的空間和地統(tǒng)計(jì)方法，將采樣監(jiān)測(cè)與數(shù)學(xué)模型模擬的方法相結(jié)合，能夠在空間和時(shí)間的宏觀尺度上掌握重金屬的遷移轉(zhuǎn)化和時(shí)空演變規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域土壤-作物系統(tǒng)重金屬循環(huán)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬與預(yù)警研究。