全 文 ：　 　 倡 国家重点基础发展规划项目（１９９９０１１８）资助
收稿日期 ：２００５唱１１唱０６ 　 改回日期 ：２００５唱１２唱１３
重金属与土壤环境质量及食物安全问题研究 倡
吕晓男 　孟赐福 　麻万诸
（浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所 　 杭州 　 ３１００２１）
摘 　 要 　 As 、Cd 、Hg 、Pb 和 Se是对食物链造成污染的最重要元素 。 简述了土壤环境质量的内涵 ，讨论了重金属污
染的现状 、特性 、来源以及重金属与食物安全的关系 ，并提出治理重金属污染的途径与方法 。
关键词 　 重金属 　 土壤环境质量 　食物安全
Review on heavy metals ，soil environment quality and food safety ．LU Xiao唱Nan ，MENG Ci唱Fu ，MA Wan唱Zhu（Institu te
of Environmental Sciences ，Resources ，Soil and Fer tilizers ，Zhejiang Academy of Agricultural Sciences ，Hangzhou ３１００２１ ，
China） ，CJEA ，２００７ ，１５（２） ：１９７ ～ ２００
Abstract 　 Of all the elements ，the most impor tant ones related to food唱chain contamination are arsenic（As） ，cadmium
（Cd） ，mercury（Hg） ，lead（Pb） ，and selenium（ Se） ．This paper reviews the connotation of soil environmental quality ，dis唱
cusses the present status ，characteristics ，sources of heavy metal pollution as well as the relationship betw een heavy metal
and food safety ，and presents the methods of heavy metal pollution cont rol ．
Key words 　 Heavy metal ，Soil environmental qualit y ，Food safety
（Received Nov ．６ ，２００５ ；revised Dec ．１３ ，２００５
1 　 土壤环境质量的概念
人类活动直接影响着土壤 、水和空气的质量 ，而且有时候这种影响是有害的 。 鉴于此 ，保护土壤质量像
保护水和空气的质量一样被人们广泛关注［１２］ 。 美国土壤学会认识到定义土壤质量必须强调土壤质量和环
境质量之间的相互作用 ，故把土壤质量定义为“特定类型土壤在自然或管理生态系统边缘内保持动植物生
产力 ，保持或改善大气和水的质量以及支持人类健康和居住的能力”［１３］ 。 美国国家研究委员会认识到环境
对土壤质量的重要性 ，则对土壤质量作出了如下的定义 ：“土壤质量是土壤促进植物生长 、通过调节渗透性
和降雨的分配来保护流域免受诸如农业化学品 、有机废物和工业化学品的潜在污染势的能力”［１４］ 。
覆盖于陆地表面的薄层土壤圈 ，是影响 、控制人类和陆生动植物生存和发展的重要资源和环境 。 人类
活动直接或间接加速了土壤环境的变化 ，它影响着人类的生存环境 ，应当引起人们的广泛注意［１ ，２］ 。 土壤是
环境的重要组成部分 ，它位于自然环境的中心位置 ，承担着环境中大约 ９０ ％ 的来自各方面的污染物质［３］ 。
近年来 ，土壤学家正致力于从环境的角度来研究被人为活动显著影响的农业土壤质量 。 土壤环境质量
是指土壤容纳 、吸收和降解各种环境污染物的能力 。 土壤质量不仅要包含支持人类健康和居住的能力 ，而
且要包含保护人类和生态系统健康的能力 。 跨世纪的全球战略任务是解决全球及地区性环境及其质量问
题 ，其中土壤环境质量是其重要的研究内容 。 要提高土壤环境质量 ，最有效的措施是控制人口的过速增长 ，
控制过分采伐森林和破坏植被 ，加速退化土壤的治理 ，提高化肥 、农药和能源的利用率 ，控制有害物质在土
壤 、水体中的聚集速度和温室气体的排放 ，提倡土壤和生物资源的持续利用等 。
2 　 重金属与土壤环境质量
2畅1 　 重金属污染现状及特性
随着工农业生产的迅速发展 ，环境污染也日趋严重 。 污染物质在环境中的累积 、迁移和转化导致环境
质量恶化 ，严重危害土壤圈的良性物质循环和人类的生存环境 。 我国土壤重金属污染问题愈来愈突出 。 据
估计 ，我国受到各种污染物污染的土壤已达全国耕地的 １／３ ，全国利用污水灌溉的农田面积占全国总灌溉面
第 １５卷第 ２ 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１５ 　 No ．２
２ ０ ０ ７ 年 ３ 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture March ，　 ２００７
积的 ７畅３ ％ ［４］ 。 被 Cd 、Hg污染的耕地分别达 １畅３ 万 hm２ 和 ３畅２ 万 hm２ ，每年污灌生产的镉米 、铅米 、砷米在
７ 亿 kg以上［５］ ，而且这种情形有随着城市化进程的加快而加剧的趋势 ，并由过去的点源污染逐渐变为面源
污染 ，危害更大 ，影响更深远 。 我国重金属污染的土壤面积达 ２０００ 万 hm２ ，占总耕地面积的 １／６ ；因工业“三
废”污染的农田近 ７００ 万 hm２ ，导致每年粮食减产 １００ 亿 kg 。
重金属对土壤环境的污染主要表现为对土壤生物的毒害作用和影响土壤生物化学的过程 。 土壤重金
属来源广泛 ，包括采矿 、冶炼 、金属加工 、化工 、废电池处理 、电子 、造革和染料等工业排放的“三废”及汽车尾
气排放 、农药和化肥的施用等 。 全世界通过各种方式或来源输入到土壤的重金属数量见表 １ 。 重金属污染
物不同于有机污染物 ，它们在土壤中不为微生物所降解 ，迁移也较困难 ，很容易积累 。 土壤中的重金属累积
到一定程度就会对土壤唱植物系统产生毒害 ，不仅导致土壤的退化 、农作物产量和品质的降低 ，而且通过径流
和淋洗作用污染地表水和地下水 ，恶化水文环境 ，并可能通过直接接触 、食物链等途径危及人类的生命和健
康 。 更为严重的是有毒重金属在土壤系统中的污染过程具有隐蔽性 、长期性和不可逆性的特点 ，一旦发现
土壤遭到重金属污染 ，不仅为时已晚 ，而且治理非常困难 ，治理价格亦十分昂贵 。 重金属以其在土壤中难溶
解 、毒性强 、具有积累效应等特征 ，是具有潜在危害性的污染物 。 重金属是不可降解的 ，在自然界中可以存
在很长时间 ，即使在很低的浓度也可对活的有机体产生毒害 。 虽然有的重金属浓度很低 ，但它们可以通过
陆生或水生食物链的富集 ，提高其进入人体的量 ，有的甚至不易被排除而蓄积在机体内引起慢性中毒 。 某
些重金属可在微生物的作用下 ，转化为金属有机化合物而产生更大的毒性 。
表 1 　 全世界通过各种方式或来源输入到土壤的重金属数量［ 1 5 ］
Tab ．１ 　 The amount of heavy metals in the soil impor ted through various ways or from different resources all over the world
来 　 源
Resources
重金属数量／千 t·a － １Amount o f heavy metals
Sb As Cd Cr Cu Pb Mn Hg M o Ni Se V Zn
农业和动物废物 ４畅９ ５畅８ ２畅２ ８２ ６７ ２６ １５８ ０畅８５ ３４ ４５ ４畅６ １９ ３１６
木材废弃物 ２畅８ １畅７ １畅１ １０ ２８ ７畅４ ６１ １畅１ １畅６ １３ １畅６ ５畅５ ３９
城市垃圾 ０畅７６ ０畅４０ ４畅２ ２０ ２６ ４０ ２４ ０畅１３ ２畅３ ６畅１ ０畅３３ ０畅２ ６０
城市污泥和有机废弃物 ０畅１８ ０畅２５ ０畅１８ ６畅５ １３ ７畅１ ８畅１ ０畅４４ ０畅４３ １５ ０畅１１ １畅３ ３９
金属制造的固体废弃物 ０畅０８ ０畅１１ ０畅０４ １畅５ ４畅３ ７畅６ ２畅６ ０畅０４ ０畅０８ １畅７ ０畅１０ ０畅１２ １１
煤 　 灰 １２ ２２ ７畅２ ２８９ ２１４ １４４ １０７６ ２畅６ ４４畅１ ６８ ３２ ３９ ２９８
肥料和泥碳 ０畅２５ ０畅２８ ０畅２０ ０畅３２ １畅４ ２畅９ １２ ０畅０１ ０畅４６ ２畅２ ０畅２７ ０畅９７ ２畅５
丢弃的金属制品 ２畅４ ３８ １畅２ ４５８ ５９２ ２９２ ３００ ０畅６８ １畅９ １９ ０畅１５ １畅７ ４６５
大气沉降物 ２畅５ １３ ５畅３ ２２ ２５ ２３２ ２７ ２畅５ ２畅３ ２４ ２畅０ ６０ ９２
合 　 计 ２６ ８２ ２２ ８８９ ９７１ ７５９ １６６９ ８畅４ ８７ １９４ ４１ １２８ １３２３
2畅2 　 各种重金属的来源
As ：砷化物在农业中广泛用于杀虫剂 、除草剂和落叶剂 ，通常以无机盐 、亚砷酸盐（As［ Ⅲ ］）和砷酸盐（As
［ Ⅴ ］）等各种有机化合物的形态存在 。无机砷化物能被微生物分解 ，但很缓慢 ，因此对植物有效性和在食物链
中转移的评价较为复杂 。 有色金属的采矿和冶炼可以通过从废矿堆或尾矿流出的径流严重污染土壤 。 As广泛
用于家禽和猪生产中的饲料添加剂 ，由此产生的粪便是土壤 As的重要来源 。 P肥 、矿物燃料以及城市污泥中的
As是土壤 As的较为次要的来源 。 Se ：通常沉积岩发育的土壤 Se含量较高 ，而由火成岩发育的土壤 Se含量较
低 ，并导致人畜 Se营养的缺乏 。 灌溉农业可使 Se重新分配和富集 ，煤灰沉积是土壤高 Se的主要原因 ，而 P 肥
和污泥对土壤 Se的贡献不大 。 人畜体内 Se含量的正常值为 ０畅１２mg／kg 。 Cd ：地壳岩石的含 Cd量变动于１
～ ９００００μg／kg ，火成岩和变质岩的含 Cd量通常要低于沉积岩 。 土壤的含 Cd 量变动于 ５０ ～ １０００μg／kg ，平均
５０μg／kg ，其含量主要取决于土壤母质和风化度 。 未污染的土壤含 Cd量通常为 ０畅１ ～ ０畅２mg／kg 。 土壤被 Cd 污
染的途径有大气沉积 、肥料和城市垃圾的污染 。有色金属的采矿和冶炼 、矿物燃料和废物的燃烧是大气中 Cd
的主要来源 。肥料 Cd主要存在于 P肥 ，所有的磷矿石都含有 Cd 。 Hg ：地壳岩石中的含 Hg量变动很大 ，平均为
０畅００８mg／kg 。通常沉积岩的含 Hg量要高于火成岩 。 未被污染的土壤含 Hg 量很低 ，通常在 ２０ ～ １５０μg／kg ，
而被污染的土壤含 Hg 量超过 １２０mg／kg 。 Hg 进入土壤的途径有肥料 、石灰 、石膏 、磷石膏 、厩肥 、污泥及含
汞杀虫剂 。 一般 P 肥含汞量很低（０畅４mg／kg） ，石灰中含 Hg 量通常低于 ２０μg／kg ，动物厩肥的含 Hg 量在
１００μg／kg左右 ，而污泥的含 Hg 量变动于 ５ ～ １０mg／kg ，有时甚至超过 １００mg／kg 。 Pb ：Pb 存在于长石 、云母
以及磷矿中 。 未被污染的土壤含 Pb 量通常在 ２０ ～ ５０mg／kg 。 农业土壤中 Pb 是通过汽油燃烧和有色金属
１９８　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷
冶炼产生的大气沉积进入的 。 大气沉积进入土壤中的 Pb 也很高 ，例如南澳大利亚某些地区每年可达
２kg／hm２ 。在某些果园 ，通过农用的除草剂和杀虫剂进入土壤中的 Pb 每年可达 ２kg／hm２ ，从而使土壤含 Pb
量达到 ５００mg／kg 。
3 　 重金属与食物安全
在所有元素中 ，对食物链造成污染的最重要元素是 As 、Cd 、Hg 、Pb 和 Se 。 As 和 Cd 是相当稳定而又不
移动的元素 ，它们一旦存在 ，在相当长的时间（若干年）其含量在某一空间几乎是不变的 。 植物将污染物积
累和转移到可食和收获物部分的特性主要取决于土壤和气候因素 、植物遗传型和农学管理 。 食物链污染中
最关心的是 Cd和 Se ，其中 Cd最令人关注 。
某些微量元素（Cu 、Cr 、F 、Mo 、Ni 、Se或 Zn）除了是植物生长和人类营养的必要元素外 ，在高浓度时对动
物和人类也可能造成危害 ，而另外一些微量元素（As 、Cd 、Hg 和 Pb）只要进入食物链就会对动物和人类构成
毒害 。 Chaney［１６］根据金属在土壤中的溶解度 、被植物吸收和转移的特性及对人的危害性大小把对人体有害
的金属分成 ４ 类 ：Ⅰ 类金属包括 Ag 、Cr 、Sn 、Ti 、Y 和 Zr ，它们在土壤中的溶解度很低 ，而且很难被植物吸收和
转移 ，因而对人的危害性很小 ；Ⅱ 类元素包括 As 、Hg和 Pb ，它们被土壤胶体吸附得很牢 ，也可能被植物根系
吸收 ，但不容易转移到植物的可食部分 ，因而对人类健康的危险性也很小 ；Ⅲ 类元素包括 B 、Cu 、Mn 、Mo 、Ni
和 Zn ，它们易被植物吸收 ，可以达到植物毒害浓度 ，但对人类健康的危险性很小 ；Ⅳ 类金属包括 Cd 、Co 和
Se ，它们在植物组织中的浓度可以达到对人类或动物健康有危害的程度 ，但通常不会产生植物毒性 。
上述元素中 ，对食物安全和人体健康危害较大的元素是重金属 Cd 、Hg 、Pb以及阴离子类金属 As 和 Se 。
土壤是食物链的一个重要环节 ，人和动植物的地方病流行区与土壤气候带有密切关系 。 我国长江三角洲地
区的肝癌发病率较高与土壤 、水和粮食中的 Cu 和 Zn 含量高存在一定关系 。 我国河南 、山西等地食道癌的
发病率也与病区土壤中的 Cu 、Zn 、V 和 Zr等元素含量高相关 。 由此可见 ，微量元素失调与区域性肿瘤的高
发病率之间存在明显关系［６］ 。
As ：高的 As吸收很可能是饮用含 As 量高的水造成的 ，而从食物中吸收的 As是次要的 。 As污染后通常
需要 ３００ 年才能恢复到自然状态 。 １ 个 １０ 万只的肉鸡场 ，由于使用有机砷促生长剂 ，１５ 年后周围土壤中的
As含量将增加 １ 倍 ，该地所生产的大多数农产品中所含的 As 将超过国家标准而无法食用［７］ 。 １ 个万头养
猪场 ５ ～ ８ 年就可排出 １ t 以上的 As 。 有机砷酸盐主要存在于水产品中 ，并很容易被人的内脏吸收 ，但不能
代谢而容易被排泄 。 无机 As（ Ⅲ ）和 As（ Ⅴ ）对人的危害比有机砷大得多 。 粮食作物中的有机砷物含量变异
很大 。 过量 As吸收对人的不良影响包括台湾的黑足病以及皮肤癌和内脏癌 。 As 与 Se之间有拮抗作用 ，但
与其他营养元素之间的相互作用还不得而知 。 研究表明 ，自然和人为作用能将土壤中的 As 释放出来 ，提高
水的毒性 ，加剧 As 中毒的发生并导致癌症的高发 。
Se ：全世界 Se缺乏的可能性远大于 Se 中毒 。 人类缺 Se 往往与缺 Se 土壤地区的人单调的素食有关 。
迄今为止 ，尚不能证明 Se是高等植物的必需元素 ，但却是人畜的必需元素 。 Se能抗衰老 ，拮抗金属毒性 ，增
强免疫能力 。 Se对人的毒性的报道很少 ，Se对人和动物有许多重要的生理功能 ，但在毒性与营养作用之间
仅有狭小的范围 ——— 缺乏和过剩都会致病 。 世界有 ２／３ 的地区 、中国有 ７２ ％ 的县市存在不同程度的缺
Se［８］ 。 我国表土土壤 Se含量为 ０畅００６ ～ ９畅１３mg／kg ，平均 ０畅２９mg／kg［８］ 。 我国有一条贯穿东北与西南 、以棕
褐土系为中心的低 Se带 ，其土壤 Se含量低于临界值 ０畅１２７mg／kg［９］ 。 相应的高 Se区分布于湖北省南部的
恩施县 ，之后经长江三峡地带向西北延伸到陕西省紫阳县 ，该县 Se 中毒区土壤 Se 含量高达 ２３畅５mg／kg［９］ 。
我国河北省的研究证明［１７］ ，Se可导致人慢性中毒 ，其症状是疲劳 、脱发 、指甲褪色并变脆 、皮肤和神经系统
受损 、四肢无力 ，食欲不振 ，呼吸困难 。 高 Se地区动物易患蹒跚病 、碱毒病等 。 施用含 Se很高的粉煤灰会增
加土壤 Se含量 ，施用石灰的土壤会促使 Se氧化成可溶性 、植物有效的硒酸盐离子 。 Se中毒仅出现在谷物
和蔬菜均由当地生产的孤立小山村 ，它还与低蛋白饮食有关 ，因此西方的饮食可降低 Se 中毒的可能性 。 Se
中毒的起始浓度为 ＞ ８５０μg／d 。 美国国家科学院推荐的 Se吸收量为 ５０ ～ ２００μg／d 。 与缺 Se有关的人畜疾
病有克山病 、大骨节病 、肝病 、扩展性心肌病 、溶血性贫血 、婴儿瘁死 、高血压 、冠心病 、白肌病 、各种癌症等 。
每天吸收的 Se为 ７ ～ １１μg 时 ，易使人发生缺 Se 。 研究证明 ，我国黑龙江 、内蒙古和辽宁等 １４ 个省区发现的
克山病与东北至西南走向的低 Se带的分布恰好一致 。
Cd ：人对 Cd 的过量吸收会损伤肾功能而降低人的寿命 。 通过肥料 、土壤改良剂和大气沉积进入土壤的
Cd通常要超过被作物和排水所带走的 Cd ，因此许多农业土壤的 Cd 缓慢增加 。 人吸入 Cd 的不良影响只有
第 ２期 吕晓男等 ：重金属与土壤环境质量及食物安全问题研究 １９９　
在土壤污染并以吃稻米为主的情况下才被证实 。 研究显示 ，食物 Cd 的生物有效性取决于 Fe 营养 ，Zn 、Ca 、P
和其他元素以及食物的组成（例如纤维 、植酸盐）均会影响 Cd 的生物有效性 。 植物育种和农学管理可减少
Cd的土壤唱植物转化 ，并能最大限度地减少人对 Cd 的吸收 。 ２０ 世纪 ５０ 年代日本的“骨痛病”是人体中 Cd
积累过多所致 。 在食物中 ，Cd 不是必需元素 ，它主要积累于肾和肝中 。 食物中的 Cd 浓度变异较大 ，一般 Cd
含量是叶 ＞ 果实 ≈ 根 ≈ 球茎 ＞ 种子 。 含油的种子也许含有较高的 Cd 含量 。 食用含 Cd 量高的蔬菜对人体
中血 Cd含量的影响很小 。 当 Cd 与 Zn一起被食用时 ，可降低 Cd 的生物有效性 。 美国的研究证明 ，当土壤
Cd达到 １００mg／kg时 ，未发现对当地老年居民的身体健康有不良影响 ，因为该地高达 １ ％ 的含 Zn 量可抑制
人体对 Cd的吸收 。 日本患“骨痛病”的农民主要是长期饮用含 Cd 的水和食用含 Cd 的稻米 、蔬菜所致 。 日
本受 Cd污染的农田有 ３１畅５ 万 hm２ ，我国 １１ 个灌区受 Cd 污染的农田有 １畅２ 万 hm２［１０］ 。
Hg ：Hg 形态中 ，甲基汞的毒性比其他形态的汞要大 。 粮食中的 Hg 含量一般较低 ，食物中的 Hg 大部分
是从海产品中吸收的 。 食用农产品引起的 Hg 中毒多半是食用含 Hg 杀虫剂的种子所致 。 大多数大田作物
的 Hg 低到可以不危害人体健康的水平 。 Hg污染物主要通过水唱水生生物唱鱼进入人体 。
Pb ：城市污泥进入土壤中的 Pb数量也很大 ，有毒金属元素 Pb 进入人体后会导致高血压患者急增并损
伤儿童的神经系统 。
4 　 土壤重金属污染的治理
土壤重金属污染的治理方法一是物理化学技术 ，主要采取化学固定 、土壤淋洗和动电修复技术 ，以改变
重金属在土壤中的存在形态 ，使其由活化态转变为稳定态 ；二是植物修复技术 ，主要采取植物稳定 、植物挥
发和植物提取技术从土壤中除去重金属 ，以使其存留浓度接近或达到背景值 。 采用物理化学技术修复重金
属污染土壤 ，不仅费用昂贵 ，难以用于大规模污染土壤的改良 ，而且常常导致土壤结构破坏 、土壤生物活性
下降和土壤肥力退化等 。 而用特殊植物和微生物来除去土壤中重金属的毒性是比较切实可行的 。 植物修
复的成就源于选择高效的植物种类和土壤改良剂以及植物栽培等农业措施 。 从长远看 ，应用分子生物学和
基因工程技术 ，提高超积累植物的重金属含量和生物产量 ，是植物修复研究的前沿课题［１１］ 。 此外 ，使用改良
剂 、改变耕作制度 、作物种类和肥料品种 、翻耕或换土等能一定程度除去土壤中的重金属或降低其毒性 。
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