近十年中国土壤重金属污染源解析研究进展
陈雅丽1，翁莉萍1*，马杰1，武晓娟1，李永涛1，2
（1.农业农村部环境保护科研监测所/农业农村部农产品质量安全环境因子控制重点实验室，；2.华南农业大学资源环境学院，）
摘要
基于不同源解析方法中所采用的数据类型的差异性，归纳总结了常用于土壤中重金属来源解析的源排放清单法以及不同受体模型，结果表明：现阶段我国土壤中的重金属源解析研究仍主要以定性的传统多元统计方法为主，且不同源解析方法得到的源解析结果基本一致，能够相互印证、互相支持。现阶段，我国土壤中的主要重金属污染元素为Cd，同时也普遍存在Cu、Zn、Pb、Hg的污染。其中，Cd、Cu、Zn主要来自于施肥等农业活动，部分地区还来源于工业活动，甚至以其为主；Hg则主要来源于工业活动及其产生的大气沉降，局部地区叠加高Hg农药的贡献；Pb的来源则比较复杂多样；As、Cr、Ni则主要受土壤母质控制。总体看来，源排放清单法具有适用于不同尺度的优势，应加强源排放量数据和重金属土壤淋滤量数据的收集，以便计算重金属浓度在土壤中的动态变化；先进的统计学方法在土壤重金属源解析中的应用研究应进一步开展，以便探讨这些方法的应用前景。将上述多种源解析方法联用并加强污染源贡献的定量研究仍是未来开展土壤重金属源解析工作的方向。此外，大气沉降作为很多重金属的重要来源，应加强对不同区域大气沉降中重金属初始来源的解析研究，为进一步从源头控制土壤重金属污染提供理论支持。
关键词：土壤；重金属源解析；源排放清单法；受体模型
随着人口的增长和经济的发展，我国土壤环境问题日益凸显，其中，重金属是农田土壤的主要污染物。全国土壤污染调查显示，我国耕地土壤重金属点位超标率为19.4%，其中镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）8种重金属元素均有不同程度的超标，以Cd污染程度最重，超标率为7.0%[1]。了解土壤重金属的污染来源，从而制定和采取相应的源头消减与阻控措施，是保护农田土壤质量和农产品安全的根本措施。但是由于土壤中的重金属来源复杂，重金属在土壤中的迁移和累积过程受到多种因素的影响，无论是来源组成还是土壤特性都有很强的空间变异性，因此，面对多污染来源的污染土壤，如何准确地辨析出特定研究区域内主要的重金属污染来源是有效治理土壤重金属污染的关键。
土壤中重金属来源一般分为自然来源和人为来源。自然来源以土壤母质为主，人为来源又可以根据人类活动类型分为工业源（如采矿、冶炼、燃煤、交通等）、生活源（交通、废水、生活垃圾、燃煤等）以及农业源（肥料、农药、灌溉水等）。上述不同来源的重金属又以不同的途径进入土壤，包括岩石风化形成的土壤母质、大气沉降、灌溉和径流、固废堆置和施用肥料与农药（图1）。目前，土壤重金属源解析的研究既包括土壤中重金属主要来源的定性判断，即源识别（Sourceidentification），也包括各类污染源贡献的定量计算，即源解析（Sourceapportionment），通常将二者统称为源解析[2]。对土壤重金属来源解析最理想的结果是定量给出每一种来源对土壤中累积的重金属含量的贡献，并指出其进入土壤的途径。
图1土壤中重金属的来源与累积途径Figure1Sourcesandaccumulationpathwaysofheavymetalsinsoils
土壤污染物源解析方法是基于大气污染物源解析方法发展而来[2-3]。大气污染物源解析的研究方法体系可以概括为污染源排放清单法、扩散模型法和受体模型法[4]。由于我国重金属排放源数据有限，加之重金属由排放源到土壤的迁移转化过程复杂且难以准确描述其在土壤中的长期积累过程，以污染物为研究对象的受体模型法在土壤重金属的来源解析研究方面得到了广泛应用，而从来源出发的污染源排放清单法和从过程出发的扩散模型法在土壤重金属源解析研究中应用的相对较少。
针对土壤中重金属源解析的研究，张长波等[2]和于瑞莲等[5]总结了不同源解析方法的优缺点及其在土壤重金属污染溯源上的应用情况。但是这两篇综述均发表在大概十年前，而近十年是我国土壤重金属污染研究的高峰期，在这一阶段，许多新的研究进展尚未得以总结。近期，李娇等[3]总结了近十年用于查明我国土壤中各类污染源贡献大小的受体模型及其应用实例，但该综述提及的研究以有机污染物为主。同时，上述研究主要侧重于对源解析方法的归纳总结，未尝试对解析出的土壤可能的重金属污染来源进行汇总，而基于文献调研来反映不同地区污染来源的结果，能够弥补单一研究的局限，给出较大范围的土壤重金属污染来源的变异特征，从而提供从源头上控制土壤重金属污染的决策基础。
因此，为了摸清土壤中重金属污染源解析的研究方法现状及结论，本文分别以“soil、heavymetal、sourceidentification、sourceappointment”作为英文关键词，以“土壤、重金属、源解析”作为中文关键词，通过数据库ScienceDirect、Wiley、SpringerLink、ACS、CNKI、维普搜集并统计了近十年（—年）的篇主要研究成果（其中有89篇涉及农田土壤），旨在总结常用的土壤重金属污染源解析方法以及对不同地区土壤重金属污染来源进行汇总，给出目前我国土壤中重金属的污染现状和可能的污染来源，为评定土壤质量提供有用信息，也为管理部门制定相关防控措施提供一定的依据。上述篇文献均从源识别或源解析的层面对我国土壤中的重金属进行了溯源研究，且涉及的省份涵盖了我国绝大部分地区（图2），包括东北地区（黑龙江、吉林、辽宁）、华北地区（内蒙古、北京、天津、河北、山西）、华东地区（山东、江苏、安徽、上海、浙江、福建）、华中地区（河南、湖北、湖南）、华南地区（广西、广东）、西北地区（陕西、甘肃、新疆）和西南地区（四川、重庆、贵州、云南），其中以华东地区研究文献最多。虽然本文可能未检索出近十年间所有的土壤重金属源解析文献，且目前源解析研究所覆盖的研究区域和部分地区的研究程度仍有限（如西南、西北地区），但作者认为所收集的文献基本能代表近十年我国土壤重金属源解析研究的主要成果，这对了解我国土壤重金属的污染现状和可能的污染来源具有一定的参考价值。
1土壤重金属污染源解析研究方法
图2近十年文献中我国土壤重金属源解析研究所涉及的研究区域图Figure2Mapofstudyareasforsourceidentificationofheavymetalsinsoilsinliteraturesinrecenttenyears
如前所述，污染源解析技术是针对污染物的来源进行定性（源识别）或定量（源解析）判断的方法。源排放清单法需要对污染源的排放量、排放因子等进行统计来建立污染源清单数据库；受体模型则避开各污染源组成信息，也不需要明确排放因子的传输过程，可直接测定受体环境，因此受体模型法是当前污染物源解析研究中最主要、也最常用的技术手段[4，6]。近年来，还逐渐涌现出新的先进统计学算法用于定量区分土壤中重金属的自然来源与人为来源贡献，如条件推断树、有限混合分布模型、随机森林等[7-9]。
在土壤重金属源识别层面，常用的源解析方法有受体模型中的因子分析法（Factoranalysis，FA）、主成分分析法（Principal