综述与评论 | 土壤重金属地质高背景成因、风险与管控研究进展

土壤元素地质背景（也称地球化学背景），是指在不受或很少受人类活动影响且不受或很少受现代工业污染与破坏的情况下，土壤固有的化学组成和结构特征，是成土母质、成土过程中元素迁移转化、人为扰动污染等各种因素长期综合作用的结果。土壤重金属高背景是指土壤中重金属含量明显高于其他同地区母质发育的土壤重金属含量的现象。

“七五”期间全国土壤环境背景值调查结果表明，镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）在全国分布上表现出明显的区域性特征。随着 2016年《土壤污染防治行动计划》（简称“土十条”）、2018  年《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）以及2019年《土壤污染防治法》的相继实施，使土壤重金属地质高背景的研究，包括区域分布特征与规律、成因机制、环境风险评估、安全利用与管控等，受到了学术界和管理部门的广泛关注。    

• 发文量与年度变化趋势

图1 土壤重金属地质高背景研究领域发文量年度变化 

Fig. 1 Quantity of publications around the world and China on soil heavy metal with high geological background 

• 研究热点聚类分析

• 研究前沿分析

按照关键词突现的时间早晚进行排序，其中突现持续时间最长的突现词为“evolution”，主要研究内容可能为土壤重金属地质高背景成因。突现强度最高的词为 “geochemical background”，其在2007—2013年被大量关注，这与土壤重金属地质高背景研究方向发文量的年度变化趋势一致（图1）。目前仍被大量关注的突现词为“source identification”以及“health assessment”，表明土壤重金属地质高背景污染风险评估以及源解析是目前该领域的研究前沿，而这部分内容主要归于聚类3和聚类4的相关内容。

注：节点表示关键词；节点大小表示关键词出现的次数；关键词参数阈值设置为8，即关键词至少出现8次，此图显示427个节点；不同颜色代表不同聚类，黄色代表聚类1“土壤重金属地质高背景分布规律及地球化学特征”研究主题，红色代表聚类2“土壤重金属地质高背景成因”研究主题，绿色代表聚类3“土壤重金属地质高背景风险评估与源解析”研究主题，蓝色代表聚类4“地质高背景土壤镉食物链和人体健康风险”研究主题。

欧洲是全球主要的As 地质高背景区之一。例如奥地利Carinthia州Saualpe地区，侵入角砾岩中极细粒石英和方解石诱导自然As与雄黄的矿化过程，矿石As含量达14 g·kg⁻¹，使当地土壤As 浓度达世界平均值（5 mg·kg⁻¹）的6 倍～20倍。欧洲希腊、南美洲巴西、大洋洲巴布亚新几内亚等地均存在土壤Cr高背景。全球土壤Cd高背景区分布广，最常见的是与碳酸盐岩及黑色页岩相关。欧洲多个地区赋存的绿片岩富含有过渡金属的铁镁铝硅酸盐矿物，使得挪威、芬兰与瑞典等地土壤V可达170 mg·kg⁻¹；俄罗斯北部因黑色页岩的地质作用，土壤V浓度可达125 mg·kg⁻¹，这些完全不同的土壤V背景值表明不同区域自然地质背景具有明显变异性。

•  西南土壤重金属地质高背景区分布

• 长江中上游土壤重金属地质高背景区分布

• 东部和珠江三角洲土壤重金属地质高背景区分布          

我国东部地区也是较为典型的重金属地质高背景区。浙江西部是富 Cd 黑色页岩地层的典型代表，河流作用对含 Cd 基岩的持续风化和侵蚀导致Cd释放，呈现地质高背景特征。江苏盱眙地处中国东部新生代玄武岩分布区西侧，其境内大量分布钙碱性玄武岩，且发育玄武岩性土壤，造成区域土壤 Cu、Ni的高背景。

• 母岩与母质对土壤重金属富集和分异的贡献

母岩是形成土壤的物质基础，是造成土壤重金属空间变异的重要因素。岩石的风化和成土作用是影响元素迁移和富集的最常见的地球化学作用。在成矿带上高金属含量的岩石（如硫化矿床）的化学风化是土壤中重金属的主要来源，使土壤中金属和类金属富集程度增加。一些本身金属含量不高的岩石（如碳酸盐岩），由于矿物形成过程中的次生富集作用，导致Cd、Pb、As等元素异常富集。 

• 地形地貌在土壤重金属富集和分异中的作用

坡度、坡长与坡向等地形地貌因子是局部尺度上控制成土过程与重金属累积的最重要非生物因子之一。由于不同坡度和坡向在热量和水分状态方面差异很大，因此，地形对土壤中重金属的累积和分布具有重要影响。在农业用地中，坡位与母质作用之间存在复杂的相互作用，母质对径流生成和土壤侵蚀的影响值得重视。坡向是影响重金属总量、流动性和酸溶性化合物的重要因素，坡向作为重要的地形地貌因子被发现与重金属的富集密切相关。

• 生物因素在土壤重金属富集和分异中的作用

植被是矿物风化成土过程中的关键生物因子。相较于母质和地形等成土因素，对地质高背景的生物成因关注更少。植物生长过程中，可通过根系物理生长活动、根系分泌物释放、养分离子吸收和改变土壤性质等多种途径促进土壤风化。植物作用已被证实可使土壤矿物风化速率提高2倍～10倍，被认为是影响矿物风化成土过程的关键生物因子。植被覆盖将加速矿物的风化，并显著影响矿物中元素的释放。

• 人类活动对高地质背景区土壤重金属富集和分异的影响

人类活动改变了地表生态系统物质循环与元素分异。其中，高背景区大规模的矿冶活动使地质高背景区重金属的富集程度增加，而高地质背景区农田开垦、灌溉、施肥等因素改变了原有的地形地貌、土壤性质、生物类型，使高地质背景区土壤元素富集和分异过程与机制更加复杂。

根据成因的差异，大致可将地质高背景土壤重金属的形成分为运积型、残积型和次生风化富集型3种类型，其地球化学机制存在差异（表1）。

Table 1 The enrichment characteristics of heavy metal in different types of high background soils

碳酸盐岩发育高背景土壤总体呈现出“总量高、 有效性低”特征，环境风险相对较小；玄武岩发育高背景土壤Ni、Cr、Cu、Mn、Zn、 Co、Pb 等金属元素“总量高”，尤其是Ni和Cr，有关玄武岩发育高背景土壤重金属有效性的研究较为缺乏；黑色页岩发育高背景土壤富含有机质与硫化物，呈现出“酸化严重、Cd有效性较高”的特征，环境风险相对较大。  

• 阈值研究与标准制修订建议

• 安全利用与管控 

目前，关于地质高背景区作物超标区域的安全利用技术尚缺乏专门的研究，主要是沿用重金属土壤污染农田安全利用技术，包括低积累品种筛选、 土壤pH调节、水分与养分调节、原位钝化、替代种植、植物修复等。元素拮抗效应在污染土壤上常被用作减少作物重金属积累的安全利用技术。土壤-水稻系统中硒和镉之间的拮抗作用在控制条件下已得到验证，通过调节土壤pH等农艺措施调节硒镉比可降低 镉积累。但在镉硒地质高背景区的研究表明，土壤硒并未减少镉在水稻中的积累和运输。      

吴龙华

国家杰出青年基金获得者，“百千万人才工程”国家级人选，享受国务院政府特殊津贴人员；土壤养分管理与污染修复国家研究中心副主任。任中国土壤学会理事，土壤环境专业委员会副主任（2020-2024年），中国矿物岩石地球化学学会环境地质地球化学专业委员会委员（2013-2025年），《土壤学报》、《应用生态学报》、《生物工程学报》、《科技导报》等期刊编委，中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室（南京土壤研究所）、污染生态与环境工程（沈阳应用生态研究所）和贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室等实验室学术委员会委员。

长期从事污染重金属土壤界面过程与植物修复研究，系统地进行了污染区重金属污染特征、生物（植物、土壤动物与微生物）效应，污染源识别；探明了植物超积累镉及其解毒机制，研发镉超积累植物吸取修复技术，建立了植物修复与光伏发电的“农光互补技术”、植物吸取-低积累水稻轮作修复锌镉污染土壤的原理与技术，探明了修复植物安全处置及资源化利用原理；探明了超积累/积累植物连续吸取修复过程中土壤颗粒表面及土-植界面重金属有效性及稳定性同位素变化特征及机制；有机络合强化调控对重金属积累植物修复效率的影响、机理及环境风险，养分调控对修复植物生长和修复效率的增强作用；合作开展了镉锌超积累植物伴矿景天耐受和超积累镉的分子机制。污染土壤修复技术已在浙江、湖南、湖北、江苏、贵州、广东、云南、四川等地进行规模化示范，效果显著。

已发表论文400余篇（其中SCI论文200余篇），申请发明专利10项（已获授权7项），获省部级奖励3项。