长江是我国第一大河流, 贯穿我国西部、中部和东部地区, 横跨我国十余省, 是我国重要经济中心和工业走廊.长江经济带土壤资源丰富, 土壤类型多样, 耕地面积占全国耕地的33.3%, 但土壤重金属污染和农产品安全问题频发^{[1, 2]}.据文献[3]显示, 全国近一半的重金属重点防控区域位于长江经济带, 且在长三角、长江中游、成渝城市群等区域存在集中连片的重金属污染问题.此外, 我国多目标地球化学调查也发现长江沿岸存在土壤Cd等重金属异常富集现象^[4].

长江经济带上游地区处于有色金属矿带分布密集区域, 土壤重金属的自然背景值较高, 云贵川等地区土壤重金属超标率在全国范围内属于较高水平^[5].张小敏等^[6]的研究发现西南地区土壤重金属含量较我国其他地区高.中下游地区由于工业化、城镇化进程迅速和农业活动强度较大, 部分地区存在主要粮食作物和蔬菜Cd等重金属超标现象^[7].湖南某工业区周边农田土壤种植的水稻籽粒中Cd超标严重^[8]; 在城镇化进程快速的江浙沪地区, 三地的交界处土壤重金属含量较高^[9]; 苏州部分农田土壤Hg和Cd超标率较高, 且高风险区主要集中在工业发达乡镇和工厂周边^[10].长江经济带土壤重金属污染问题突出, 使得生态环境和食品安全受到较大威胁.

为保护和改善长江经济带的生态环境, 国家先后出台了一系列的政策来保护长江经济带生态环境, 在文献[3]中也明确提出把保护和修复长江生态环境放在首要位置.虽然目前针对长江经济带土壤重金属污染特征开展了研究, 如方传棣等^[11]和张浙等^[12]分析了长江经济带矿区土壤重金属污染特征和健康风险, 张义等^[13]对经济带工业区土壤重金属污染特征与空间分布进行研究, Liu等^[14]分析评价了长江中游主要水稻产区土壤-水稻系统重金属的累积特征, Zhou等^[15]分析了长江流域农田土壤Cd污染现状及与经济环境成本效益的关系.但针对长江经济带整个区域农田土壤重金属污染特征和影响因素的系统性研究未见报道.因此, 本文通过文献计量手段获取2009~2020年间长江经济带11省市农田土壤重金属含量信息, 明确长江经济带农田土壤重金属的污染特征和空间分布, 揭示土壤重金属的污染风险及主要来源, 以期为长江经济带农田土壤重金属污染防控和环境质量管理提供科学依据和数据支撑.

以长江经济带涵盖的11个省市：上海、浙江、江苏、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、贵州和云南作为研究区域.根据文献[3], 将整个长江经济带涉及到的省市划分为3个区域：上游地区包括云南、贵州、四川和重庆; 中游地区包括湖南、湖北和江西; 下游地区包括安徽、江苏、浙江和上海.

从公开发表的文献中, 以“重金属、农田、各省市名称、土壤”和“heavy metal、soil or farmland、city name”为关键词在中国知网和Web of Science上进行文献检索, 主要收集2009~2020年间发表的有关长江经济带农田表层土壤重金属(Cd、Cr、Hg、As、Pb、Cu、Zn和Ni)含量数据, 不包括工业用地、城市用地、绿化和林地等非农用地的研究文献.为确保研究的准确性, 文献的筛选标准为：①研究对象必须是在我国长江经济带开展的区域, 且采集样品是农田表层土壤(0~15 cm或0~20 cm); ②文献中要明确指出研究区域和采样点的具体位置或能够根据文章信息得到; ③土壤重金属含量用原文献中给出的均值表示; ④文献中样点布设多样, 大多采用随机取样, 多点混合样本, 土壤样品在自然风干, 去除样品中的沙石和动植物残体后, 经研磨过60目或100目尼龙筛; ⑤土壤重金属采用标准的实验室分析测定(电感耦合等离子体质谱法以及原子吸收分光光度法等), 确保样品分析测试质量; ⑥土壤pH值用原文献给出的均值表示.共筛选出282篇文献, 362组的农田土壤数据, 113 671个采样点位(图 1).研究区耕作制度分类：混合型(无具体描述)、稻田(水稻)、旱地(小麦、玉米和烟草等)、蔬菜地(大田蔬菜和大棚蔬菜)和园地(茶园和果园等).

图 1

Fig. 1

图 1 长江经济带农田土壤调查样点分布示意 Fig. 1 Distribution of the sampling sites of the farmland soils from the Yangtze River Economic Belt

由于部分研究中的采样点受矿区和工业等因素影响较重, 可能会导致区域内某种重金属含量存在异常.因此为保证分析结果的可靠性, 在数据统计分析前对土壤重金属数据进行检验处理以剔除异常样本.本文采用3倍标准差法处理文献数据, 以X±3S为标准, X表示某重金属所有样点的均值, S为标准差, 超出该范围的异常数据予以剔除^[16].

利用EXCEL 2016和SPSS 22.0对土壤重金属样本数据进行数据处理、描述性统计分析和方差分析, 采用ArcGIS 10.2软件绘制土壤重金属含量的空间分布, 使用Origin 2022绘制土壤重金属含量的区域差异、耕作方式差异和地累积指数.

所引文献中有明确土壤pH时, 以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)中的相应的风险筛选值和管控值作为农田土壤重金属污染评价的依据, 无明确pH值时则以管控标准中较严格的筛选值和管控值作为评价标准.

通过地累积指数法(index of geo-accumulation, I_geo)来评价土壤重金属污染风险水平.地累积指数法是由Müller^[17]于1969年提出, 用于沉积物中重金属污染评价.地累积指数法是以对重金属污染影响较大的人为因素和土壤地球化学因素为依据, 能够较好地考虑地质背景所带来的影响.不仅能够反映土壤各元素的自然分布特征和累积程度, 而且还能判断土壤环境受自然背景和人类活动的影响, 其计算公式为：

式中, I_geo为地累积指数; C_i为土壤重金属i的实测含量(mg·kg^-1); K为表征岩石地质和沉积特征等影响背景值变化的系数(一般取K=1.5); B_i为土壤重金属i的评价标准值(mg·kg^-1), 文中采用文献[18]中各省和直辖市的土壤元素背景值.地累积指数法分级标准如表 1所示, 一般认为土壤重金属i的I_geo值越大, 污染越严重; 当I_geo>0时, 表明土壤重金属主要来源于人类活动而非成土母质等自然因素.

表 1 (Table 1)

表 1 地累积指数分级与污染程度 Table 1 Classification of index of geo-accumulation and contamination degree 等级 地累积污染指数(Igeo) 污染程度 0 Igeo≤0 无污染 1 0＜Igeo≤1 无污染-中度污染 2 1＜Igeo≤2 中度污染 3 2＜Igeo≤3 中度污染-强污染 4 3＜Igeo≤4 强污染 5 4＜Igeo≤5 强污染-极强污染 6 5＜Igeo 极强污染

表 1 地累积指数分级与污染程度 Table 1 Classification of index of geo-accumulation and contamination degree

长江经济带农田土壤中各重金属含量状况如图 2所示(剔除异常数据), 结果表明农田土壤ω(Cd)、ω(Cr)、ω(Hg)、ω(As)、ω(Pb)、ω(Cu)、ω(Zn)和ω(Ni)的平均值分别为0.45、73.58、0.17、13.48、40.90、37.09、99.12和31.71 mg·kg^-1.采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618-2018)中农用地土壤风险筛选值进行评价, 整个区域土壤重金属超标率由高到低依次为：Cd(39.8%)>Cu(18.5%)>Pb(8.3%)>Hg(6.9%)=Zn(6.9%)>As(6.4%)>Ni(2.4%)>Cr(1.5%). Cd在上游和中游超标率分别为54.9%和59.5%, 远高于下游15.7%的超标率; Cu在上中下游超标率分别为27.5%、25.8%和7.5%.As的超标主要集中在上游和中游地区, 超标率分别达4%和22.7%; Pb在上游和中游超标率分别为12.4%和10.8%, 下游仅为3.5%.Cr在上游和中游超标率分别为2.8%和2%, 在下游无超标.Ni的超标主要集中于上游地区, 为7.1%.与土壤环境质量标准的风险管控值相比, 主要的超标元素为Cd和Hg, 分别有6.6%和2%的样本超标, 其中Cd超标主要集中于上游和中游, Hg超标主要集中于中游.As和Pb超标率较低, Cr无超标.

图 2

Fig. 2

黑线对应筛选值; 不同小写字母表示不同地区在P < 0.05水平下存在显著差异 图 2 长江经济带不同地区农田土壤重金属含量状况 Fig. 2 Concentrations of heavy metals in farmland soils in different regions of the Yangtze River Economic Belt

对不同耕作方式下土壤重金属含量状况进行分析(图 3), 结果显示不同的耕作方式对土壤重金属含量状况存在一定影响.Cd在不同耕作方式下表现为：稻田>蔬菜地>旱地>园地; Hg主要表现为：蔬菜地>稻田>园地>旱地; Pb在旱地土壤含量较高, 其他类型相对较低; Cu在蔬菜地最高, 其次为旱地; Zn在稻田和园地相对其他类型含量较高; Cr在园地最高, As和Ni均表现为在园地和稻田含量较高.总体而言, Cd和Hg在蔬菜地和稻田含量较高, 在旱地和园地含量较低.Cr、As和Ni这3种元素在园地土壤含量最高, 其他类型土壤含量相对较低.

图 3

Fig. 3

耕作类型：总体(所有数据), 混合型(未明确), 稻田, 旱地(小麦、玉米和烟草等), 蔬菜地(大田和大棚蔬菜), 园地(茶园和果园等); 不同小写字母表示不同耕作方式在P < 0.05水平下存在显著差异 图 3 长江经济带不同耕作方式下土壤重金属含量状况 Fig. 3 Concentrations of heavy metals in soils under different cropping systems of the Yangtze River Economic Belt

长江经济带农田土壤重金属含量的空间分布如图 4所示.总体上农田土壤Cd富集现象明显, ω(Cd)较高的点位主要分布在上游和中游地区, 在云南、湖北、湖南、江西和四川等地含量较高, 均值分别为0.89、0.79、0.66、0.53和0.49 mg·kg^-1. ω(Cr)在上游地区高于中游和下游地区, 且在贵州含量最高, 均值为96.86 mg·kg^-1.土壤ω(Hg)的高富集点位主要分布在上游和下游部分地区, 在贵州、重庆和浙江三地含量水平较高, 均值分别为0.20、0.17和0.245 mg·kg^-1.土壤ω(As)在上中下游均有高富集点位分布, 且相对集中分布在湖南和湖北, 均值分别为35.32 mg·kg^-1和27.18 mg·kg^-1.土壤ω(Pb)在上游和中游地区的云南、贵州和湖南等地相对较高, 均值分别为58.08、53.67和67.96 mg·kg^-1.土壤ω(Cu)较高的区域主要分布在云南、江西和贵州等地, 均值分别为52.98、35.47和45.39 mg·kg^-1.土壤ω(Zn)的高富集点位相对集中于云南、贵州、湖南和上海, 均值分别为119.96、114.29、127.13和111.98 mg·kg^-1.土壤ω(Ni)在上游的云南和贵州含量较高, 分别为47.48 mg·kg^-1和41.76 mg·kg^-1.

图 4

Fig. 4

图 4 长江经济带农田土壤重金属的空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of heavy metals in farmland soils of the Yangtze River Economic Belt

长江经济带农田土壤重金属的地累积指数(I_geo)如表 2和图 5所示.土壤Cd、Hg、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni和As的I_geo均值分别为0.42、-0.30、-0.32、-0.37、-0.42、-0.67、-0.66和-0.77.土壤Cd、Hg、As、Pb和Cu处于中度及以上污染水平点位所占比例分别为34.86%、11.16%、3.64%、5.14%和4.03%; 此外, Cd、Cu、Hg和Pb分别有26.91%、29.30%、27.27%和19.94%的样点处于轻度-中度污染水平.土壤Cd的I_geo值最高, 最大值可达4.96, 已达到强污染水平.土壤Cr和Ni的I_geo值分别有88.30%和94.48%为0级, 基本不造成污染, 且剩余样本中Ni的I_geo值均低于1, 说明长江经济带农田土壤Cr和Ni的污染风险相对较低.

表 2 (Table 2)

表 2 长江经济带不同省市土壤重金属背景值和Igeo值1) Table 2 Background values and index of geo-accumulation (Igeo) of heavy metals in farmland soils of the Yangtze River Economic Belt 地区 项目 Cd Cr Hg Pb As Cu Zn Ni 云南 背景值 0.22 65.2 0.06 40.6 18.4 46.3 89.7 42.5 Igeo 0.70±1.46 -0.49±1.87 0.29±0.98 -1.09±1.10 -0.49±1.06 -0.92±1.73 -0.59±1.18 -0.71±1.23 贵州 背景值 0.66 95.9 0.11 35.2 20 32 99.5 39.1 Igeo -1.82±1.35 -0.67±0.58 0.09±0.74 -0.84±0.59 -0.17±0.79 -0.43±1.05 -0.54±0.80 -0.60±0.63 四川 背景值 0.08 79 0.06 30.9 10.4 31.1 86.5 32.6 Igeo 1.63±0.86 -0.55±0.28 -0.04±1.15 -1.35±0.50 -0.67±0.70 -0.88±1.52 -0.44±0.29 -0.48±0.18 重庆 背景值 0.08 79 0.06 30.9 10.4 31.1 86.5 32.6 Igeo 1.07±0.93 -0.63±0.45 0.04±1.31 -1.18±0.62 -0.62±0.33 -0.59±0.42 -0.53±0.37 -0.64±0.31 湖北 背景值 0.17 86 0.08 26.7 12.3 30.7 83.6 37.3 Igeo 0.96±1.26 -1.36±1.02 -0.40±0.62 0.29±1.41 -0.22±0.68 -1.59±3.38 -0.76±0.73 -0.75±0.76 湖南 背景值 0.13 71.4 0.12 29.7 15.7 27.3 94.4 31.9 Igeo 1.19±1.36 -1.15±0.89 -0.26±0.66 -0.13±0.95 0.29±0.93 -0.25±0.55 -0.23±0.49 -1.00±0.36 江西 背景值 0.11 45.9 0.08 32.3 14.9 20.3 69.4 18.9 Igeo 0.70±1.60 -0.35±0.70 0.14±1.08 -1.11±1.14 -0.64±0.96 -0.04±0.81 -0.62±0.68 -0.40±0.56 安徽 背景值 0.1 66.5 0.03 26.6 9 20.4 62 29.8 Igeo 0.84±1.44 -0.71±0.54 1.03±0.56 0.07±0.65 -0.43±0.56 -0.02±0.60 -0.19±0.57 -1.37±2.61 江苏 背景值 0.13 77.8 0.29 26.2 10 22.3 62.6 26.7 Igeo -0.14±0.97 -0.88±0.44 -1.91±1.16 -0.75±0.42 -0.29±0.44 -0.09±0.40 -0.09±0.43 -0.46±0.45 浙江 背景值 0.07 52.9 0.09 23.7 9.2 17.6 70.6 24.6 Igeo 1.18±0.75 -0.43±0.50 0.31±1.09 -0.70±0.53 0.00±0.35 0.15±0.64 -0.15±0.55 -0.61±0.54 上海 背景值 0.14 70.2 0.1 25 9.1 27.2 81.3 29.9 Igeo 0.06±0.51 -0.44±0.29 -0.10±0.58 -0.84±0.38 -0.35±0.43 -0.42±0.20 -0.15±0.24 -0.21±0.38 总体 Igeo 0.42±1.53 -0.67±0.85 -0.30±1.28 -0.77±0.84 -0.32±0.72 -0.42±1.43 -0.37±0.66 -0.66±0.89 1)背景值单位为mg·kg-1

表 2 长江经济带不同省市土壤重金属背景值和Igeo值1) Table 2 Background values and index of geo-accumulation (Igeo) of heavy metals in farmland soils of the Yangtze River Economic Belt

图 5

Fig. 5

图 5 长江经济带农田土壤重金属污染等级(Igeo)占比 Fig. 5 Proportion of heavy metal pollution levels in farmland soils of the Yangtze River Economic Belt

通过对经济带不同省市的I_geo值分析可知(表 2)：Cd的I_geo均值在四川、湖南、浙江和重庆地区大于1, 处于中度污染水平; 元素Hg在安徽的I_geo均值大于1, 处于中度污染水平; As元素在安徽和湖北、Pb元素在湖南和浙江、Cu元素在浙江的I_geo均值处于0~1范围内, 处于轻度-中度污染水平, 其余地区均处于无污染水平; Cr、Zn和Ni在各省市的I_geo值均小于0, 均处于无污染水平.总体而言, 长江经济带农田土壤Cd、Hg污染较为严重, 其次为Pb和Cu, Zn、As、Cr和Ni污染程度较轻.

针对长江经济带农田土壤重金属来源, 目前已有较多的研究报道.通过对不同区域重金属源解析的研究结果表明, 长江经济带农田土壤重金属的来源主要包括自然源和人为来源, 且不同区域土壤重金属来源差异与地质背景、矿山开采、工业生产和农业利用等关联密切(表 3).上游和中游的部分区域因重金属含量高的岩石在风化过程中的残积作用导致重金属在土壤中富集, 因此自然源是上游和中游农田土壤重金属的重要来源.上游和中游地区的矿山开采、工业生产和农业活动等过程也是影响土壤重金属污染的主要人为因素.农业生产中化肥和农药的过量施用, 以及长期的污水灌溉等使得中下游的湖南、湖北、江西、江苏和上海等地存在土壤重金属积累或超标问题^[19~21].由于磷肥、氮肥和复合肥等肥料中含有一定量的As、Cd、Pb、Zn、Cr和Hg等重金属, 早期施用的杀虫剂等农药中也含有Hg、Cu、Cd和As等重金属, 化肥农药的高强度施用也会导致土壤重金属的累积^[22].据文献[23]显示, 在2019年长江经济带上游、中游和下游地区化肥施用量分别达601.1万、618.5万和664.2万t.

表 3 (Table 3)

表 3 长江经济带部分地区农田土壤重金属的主要来源 Table 3 Potential sources of heavy metals in farmland soils from typical areas of the Yangtze River Economic Belt 区域 地区 主要来源(重金属或贡献率)1) 研究对象 文献 上游 个旧矿区周边 矿山开采 Cd、Pb和Cr [31] 云南沘江沿岸 交通和生活源(Cd、Zn和Pb), 自然源(Cu、Cr和Ni) Cd、Zn和Pb [32] 云南东南地区 人类活动(As和Hg), 工业活动(Pb和Cd), 自然和人为叠加影响(Cu、Zn和Cr) Cd、Cr和Hg [33] 云南会泽县 燃煤和肥料(Ni、Cu和Cr), 工业活动(Cd、Pb和Zn) Pb、Zn和Cd [34] 四川成都平原 地质背景值高和人为活动(工业)影响(Cd) Cd [35] 重庆市典型农田 工业排放、燃煤和农业活动(Cd、Zn、Ni、Cu和Cr), 当地工业和农业活动(Hg) Cd、As、Pb和Hg、Cu、Zn、Cr和Ni [36] 重庆酉阳县 地质背景(Cu、As、Cd、Cr和Ni), 矿业活动(Cu、Hg、Pb和Zn) Cd和Hg [37] 三峡库区 畜禽养殖, 工农业生产, 农药化肥使用, 沿江企业 Cd、Cr、Cu、Hg和Zn [38] 中游 湖北省典型农田 肥料施用(31.2) (Cu、Zn和Ni), 燃煤和水泥生产(21.4)(Hg和As), 交通排放(18.2)(Pb), 自然源(29.2)(Cr、As和Cu) Cd [26] 湖南某县稻田 工业污染(Cd), 交通(Pb), 工业废弃物堆放及污水灌溉(As和Hg), 自然活动(Cr) Cd、Pb、As和Hg [39] 湖南涟源市 燃煤和汽车尾气(Pb、Hg和As), 农业活动(Zn、Cu和Cd), 自然来源(Cr), 化工、冶金和金属冶炼(Hg和Cd) Cu、Zn、Cd、Pb和Hg [40] 湖南长沙、醴陵和浏阳 大气沉降(51.21~94.74), 肥料(3.36~48.20), 灌溉水(0.58~12.85) Cd、Pb和As [41] 湘江流域 矿产开采及冶炼(Pb和Cd) Cd和Pb [42] 江西省农田 地质背景高(Pb、Cd和Hg), 工矿活动(Cd、Cu、Hg和As), 畜禽养殖业(Cu和Zn), 污水灌溉(Hg、As和Pb) Cd、Cu、Hg、As和Pb [21, 43] 下游 安徽巢湖典型农田 人为活动(Cd、Cu、Pb和Zn), 土壤母质(Cr和Ni), 人类活动和土壤母质(As) As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn [44] 江苏张家港 农业和工业活动(As、Cr、Pb、Cd和Hg), 土壤母质(Cd和Hg) Cd、Hg [28] 江苏南京沿江地区 肥料(Cu和Zn), 自然和工业(Cd、Hg和Cr), 交通(As和Pb) Cd、Cu和Zn [45] 江苏南京八卦洲 大气沉降(33), 工业排放(25.4), 土壤母质(10.8) Cd、As、Pb、Cu、Zn和Cr [46] 江苏苏州典型农田 污水灌溉, 畜禽养殖, 交通运输 Cu、Cd和Hg [47] 浙江温岭 电子拆解及工业排入(Cd、Cu、Zn和Pb), 土壤母质(Ni) Cd和Cu [48] 浙江典型农田 自然(Cr、Cu、Zn和Ni), 工农业生产(Cd和Hg), 交通源(Pb) Cd、Pb、Hg、Cu和Zn [49] 上海典型农田 工业活动(27.92)(Hg和Pb), 农业活动(27.48)(Cd), 自然来源(20.64)(Pb、Cr和As) Pb、Cd、Hg和Cr [50] 1)贡献率的单位为%

表 3 长江经济带部分地区农田土壤重金属的主要来源 Table 3 Potential sources of heavy metals in farmland soils from typical areas of the Yangtze River Economic Belt

此外在长江沿岸的上海、成都、重庆、武汉、长沙和南京等地都是重要的工业城市, 城市发展过程中化石燃料的燃烧、金属采矿和冶炼等都可能导致重金属在土壤中累积^[24].Yuan等^[25]在对江苏某地进行Cd的人为源追踪研究发现, 工业生产是人类活动排放Cd的主要来源且占总排放量的62.1%.蒋璇等^[26]利用正定矩阵因子分析(PMF)模型对湖北省农田土壤金属来源解析, 发现农业生产的贡献率为31.2%, 工业排放占比21.84%.董騄睿等^[27]利用PMF模型对南京沿江地区农田土壤重金属的来源进行解析, 发现研究区农田土壤重金属农业源的贡献率为30.8%, 大气沉降和工业源的贡献分别为33.0%和25.4%, 自然背景的贡献为10.8%.王信凯等^[28]利用地理探测器模型等方法对长江三角洲典型城市农田土壤重金属累积特征与来源的研究发现, 工业生产和农业活动是研究区土壤重金属累积的主要原因.以上研究均证实了工业生产和高强度农业利用等强烈人为活动是造成近些年来土壤重金属积累或污染的主要原因^{[25, 29, 30]}.

本文文献计量结果显示, 长江经济带不同区域农田土壤重金属污染状况存在差异.主要表现为长江经济带上游地区土壤Cr、Cu、Zn和Ni等重金属含量高于中下游地区.由表 3可知Cr和Ni等金属元素主要来源于自然过程.上游和中游的云南、贵州、四川和广西等地(西南地区)是我国典型的重金属高背景区^[51].西南地区地质结构复杂, 火成岩或石灰岩母质中重金属含量较高, 长期母岩风化残积导致土壤重金属本底值较高^[52~54].云贵川等地多种重金属的背景值要高于其他地区(表 2), 如云南的Cr、Cu、Zn和Ni的背景值分别为65.2、46.3、89.7和42.5mg·kg^-1.刘意章等^[55]的研究发现, 在西南高背景区农田土壤Cr、Ni和Zn等重金属富集显著且主要受风化成土影响.此外金属矿山开采可能是加剧这些地区重金属富集的主要原因.2016年长江经济带11省市的矿山数量约3.5万个, 占全国45.2%, 而经济带的矿产资源主要集中于云贵川等地^{[51, 52]}.如在云南的兰坪金顶铅锌矿、会泽县铅锌矿和个旧矿区, 长期的矿业活动对周边农田重金属污染产生明显影响^{[34, 56, 57]}.张浙等^[12]的研究发现长江经济带的铅锌矿和锡矿土壤重金属污染较为突出.因此, 长江经济带上游本身地质高背景特性和金属矿山开采等人为活动可能加剧农田土壤重金属的富集.

长江经济带中游地区土壤Cd、As和Pb含量高于上游和下游地区.本文搜集到的相关研究主要集中在中游地区的湘江流域、江汉平原、鄱阳湖流域和冶矿城市等地农田.如湖北Pb高值区主要分布在江汉平原^[26].有“世界钨都”之称的江西大余县是全国Cd污染严重的地区之一^[58].在有色金属之乡的湖南, 多数有色金属和稀有金属矿藏的开采和冶炼也多集中于湘江流域, 该区域土壤存在Cd、Pb和As等污染^[42].此外湖北、湖南和江西的工业活动主要集中在氯碱和制药等化工行业、装备制造业和铅锌铜的金属冶炼加工业等^{[59, 60]}.As常作为伴随元素存在于多种金属矿中, 因此金属矿的开采与冶炼可能造成As累积^[61].方传棣等^[11]的研究也发现Cd和As的平均含量在长江经济带中游矿区土壤最高.张义等^[13]的研究发现Cd和Pb可能为长江经济带金属加工业和采矿主要的污染物.农田土壤酸化会促进重金属活性及其迁移和扩散能力的增强, 加剧重金属污染的危害.近年来江西农田土壤总体成酸化趋势, 其中土壤酸化最严重的地区为赣州市, 其次为鄱阳湖周边^[62]; 湖南省有72.6%的耕地存在不同程度的土壤酸化, 且强酸性耕地面积增加明显^[63].以上因素可能造成中游地区农田部分金属风险较高.

长江经济带下游地区农田土壤重金属含量低于上游和中游地区, 但也存在局部地区土壤Cd、Hg、As、Pb和Cu等重金属富集问题.肖俊清等^[64]的研究发现长江三角洲地区受到Cd、Pb和Cu等重金属污染, 且Cd污染最为严重.甘婷婷等^[65]的研究也发现长三角农用地Cd累积最为严重, 其次为Cu和Hg等.人为因素作为影响江浙地区土壤重金属累积的主要因素, 占比分别为59.71%和67.85%^[66].长江下游工业生产、快速城镇化和高强度农业利用等, 导致区域农田土壤重金属明显累积.安徽、江苏、浙江和上海等地产业主要以钢铁、化工、电镀、纺织、电子和汽车制造等为主, 规模以上工业企业占全国的30%左右^[7], 这些产业都是长三角地区重要的工业生产类型, 对周边农田土壤重金属累积影响较大.电镀工业产生的“三废”中含有大量的Cu、Cr和Zn等金属物质, 纺织工业中的燃料和助剂等化工原料多含有Cd、Cu、Hg、As和Ni等^{[67, 68]}.此外农业集约化生产中化肥农药的高强度施用也是农田土壤重金属积累的主要原因^{[7, 65, 69]}.大量施用含As有机及无机肥料, 可能也会导致农田土壤As含量增高^[60].Shi等^[70]的研究发现畜禽粪便和污水灌溉是浙江农田土壤Hg的主要来源, 畜禽粪便也是部分区域农田土壤中As和Cu的重要来源.

针对长江经济带重金属分布状况及来源情况, 建议加强长江经济带农田土壤重金属污染的源头防控^[71].长江经济带农田土壤存在多种重金属污染, 其中Cd和Hg是需要优先关注的农田土壤重金属污染物, 因此需要进一步加强对农田Cd和Hg污染源的监管.矿山开采和金属加工业是长江经济带上游和中游地区重要的工业活动, 应加强对矿产资源开采的管控、限制开发范围及规模, 减少重金属污染物对周边农田等环境的影响.长江经济带下游地区工业生产、大气沉降和农业高强度利用等是农田土壤重金属累积的重要来源.应严格控制工业“三废”的排放, 督促各企业严格执行国家标准, 杜绝超标现象; 调整优化产业结构, 减少引入含重金属污染物的过程, 对于造成土壤污染的企业实施限期整改治理; 农业生产过程中加强环境监管力度, 引导生产者合理使用化肥、农药和农用薄膜等农业投入品, 并严格控制污水灌溉、污泥和固体废弃物用于农业生产.

由于长江经济带上中下游农田地质背景、重金属污染类型和污染程度存在明显的区域差异.中上游的多个地区为我国典型的重金属地质高背景区, 现有土壤环境质量评价标准可能难以支撑区域土壤环境质量标准化和差异化管理.建议根据农田土壤重金属污染程度、地质背景和农产品质量等进行农田土壤重金属污染的分区分级管控和分类管理, 推进地质高背景区土壤标准建立^[72~74].在优先保护类农田应严格控制新建金属冶炼、加工和化工等工业企业; 在安全利用类农田主要通过农艺调控、筛选低累积品种、合理轮作套作和施用土壤改良剂等措施实现中低度重金属污染农田的安全利用; 在严格控制类农田, 主要采取种植结构调整, 如禁止种植重金属易超标的农作物、轮作休耕和退耕还林还草等措施.另外对重金属高污染农田, 可通过土壤污染的工程治理和生物修复等多种措施实现农田土壤污染的高效修复^[75].

(1) 长江经济带农田土壤Cd的超标比例最高, 达到39.8%, 主要位于上游和中游地区, 其次为Cu、As和Pb, Hg、Zn、Cr和Ni的超标率较低; 地累积指数评价结果也表明土壤Cd的地累积风险最高, 地累积指数均值为0.42, 其次为Hg、Pb和Cu, Zn、As、Cr和Ni污染风险较低.

(2) 长江经济带农田土壤重金属污染来源与地质背景、工业生产和农业活动密切相关.上游和中游地区农田土壤重金属累积和污染主要受到地质高背景和矿山开采冶炼等因素叠加影响, 中下游地区主要受到快速城镇化、工业生产和农业活动等因素的综合影响.

(3) 建议加强长江经济带农田土壤重金属污染的源头防控, 实行土壤重金属污染的区域差异性评价和污染风险的差异化管理, 加强经济带高风险元素的防控和治理, 以实现长江经济带农田土壤环境质量安全和农业绿色可持续生产.