2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，中国土壤环境污染状况不容乐观，其中重金属为首的无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%。重金属污染影响土壤的正常功能，并通过食物链富集对生态环境和人类健康产生威胁。因此，重金属污染耕地土壤的安全利用是保证粮食安全生产和人类健康膳食的重要基础。曾希柏、徐建明等^[1]在2013年首次提出耕地土壤安全利用的概念，指出可利用一些物理化学技术或生物手段使土壤中重金属含量或有效性大幅度降低，阻止土壤重金属进入植物体内，切断重金属向农产品及人体转移的主要途径。2018年生态环境部颁布《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618- 2018），以保障食用农产品质量安全为主要目标，兼顾保护农作物生长和土壤生态需求。对于土壤重金属含量介于风险筛选值和风险管控值之间，属于安全利用类土壤（即轻中度污染土壤），可通过安全利用手段来保障农产品的安全。对于土壤重金属含量高于风险管控值的重度污染耕地土壤需采取管控措施，加强农产品质量监测，安全处置超标农产品。本文重点分析了重金属低积累农作物品种筛选、重金属原位钝化和农艺调控等当前我国重金属污染耕地土壤安全利用中最为常见的几类技术及其在应用过程中暴露的问题，并针对性地提出了改进建议，以期为污染耕地土壤的安全利用提供有益参考。

1 污染耕地土壤的安全利用手段

污染土壤修复的目的是去除土壤中的污染物，或降低污染物的活性，使之不对人体健康或生态安全构成危害。因而修复技术的选择须从土壤污染的类型、程度与面积、修复技术周期、成本以及耕地种植作物类型与品种等多方面考虑，并结合当地的区域地形、气候特点等一系列因素，经过科学论证，因地制宜选择合理的修复技术。经过几十年的探索，我国已形成“源头防控为前提、阻控治理为支撑、执法管理为保障”的系统化农业面源和重金属污染治理模式，初步取得一些成效。在保障农作物安全、稳定生产的前提下，从土壤中直接去除重金属的安全利用手段与技术种类少、难度高、技术不成熟，在大面积推广应用中存在较大阻力。而种植重金属低积累作物、采取有效的农艺调控措施（轮间套作、水肥管理等）、添加重金属钝化剂（生物质炭、石灰、凹凸棒土等）和喷洒叶面阻控剂等手段，是当前降低土壤中重金属有效性、遏制重金属向农作物迁移和保障农产品安全的主要手段^[2]。

1.1 基础环节：种植重金属低积累作物

重金属低积累作物站在超积累植物的对立面，通常将重金属拦阻在体外或积累在非可食部分，从而降低可食部分的重金属含量。种植重金属低积累作物是抑制重金属在食物链中流通和保障人体健康的一种有效措施，具有成本低、易推广的优势。《农业绿色发展技术导则（2018—2030年）》中提出“重金属低积累作物品种筛选、粮食作物重金属低积累种质资源关键基因挖掘利用与品种培育”是重金属污染控制与治理技术的重点研发方向。目前筛选出的低积累作物主要包括禾谷类、蔬菜类和经济作物类。不同作物对重金属离子吸收、转运的机制不同，品种间重金属含量和分布表现出巨大差异。如小麦对镉（Cd）/镍（Ni）的积累均高于青菜、水稻及黄瓜类^[3-4]。而同一作物不同品种对重金属的低积累特征也具有差异，如部分芸豆对Cd的富集性较低，而有些则对砷（As）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）或铜（Cu）的累积量更低^[5]。目前作物对重金属积累的种间差异已有较多研究，并得出了影响作物种内差异的因素为重金属积累基因，如水稻的OsHMA2基因、小麦的TaHMA2和TaLCT1基因^[6]、白菜的重金属ATP酶^[7]、马铃薯的StABC4和StWRKY29基因^[8]等。因此，针对性地选择重金属低积累作物，是重金属污染耕地安全利用的基础环节。

1.2 关键环节：重金属原位钝化技术

在重金属污染土壤中施加一些钝化材料，如沸石、赤泥、海泡石、石灰、含磷材料等无机钝化剂，或畜禽粪便、堆肥、污泥、农业废弃物等有机钝化剂，可通过吸附、沉淀、络合和氧化还原等机理，促使可交换态重金属转化为有机结合态和残渣态，从而降低其在土壤中的有效浓度、迁移性和生物有效性。需要注意的是，影响不同类型土壤中重金属活性的因素不同，如酸性土壤受pH影响较大，而碱性土壤则受电导率、碳酸钙和有机质含量影响较大^[9]，因此在安全利用过程中钝化剂的选择也具有较大差异，如修复碱性土时选择的钝化剂pH不宜过高，需尽量选择中性和含有较多含氧官能团的材料^[10]。钝化技术具有成本较低、操作简单、见效快且适合大面积推广等优点，在当前重金属污染土壤安全利用中也最为常见。钝化剂的目标已经从最初的钝化单一重金属逐渐发展到对复合污染土壤多种重金属的钝化。钝化剂的施用方式也从单独施用发展到多种钝化剂联合施用，或通过不同改性手段提高钝化剂的钝化效率后施用。如研发的钙基磁性生物质炭可同时降低土壤中As和Cd的有效态含量^[11]，纳米零价铁改性沸石可降低青菜中Cd、Pb和As的积累^[12]。由于钝化过程并未降低土壤中重金属总量，仅是通过各种作用暂时性地降低了重金属的有效态浓度。因此，应关注钝化剂对土壤重金属钝化作用的长期效果以及可能造成的环境风险，易降解有机钝化剂的环境风险、可行性、稳定性等更需进行长期的监测和评估。

1.3 配套环节：农艺调控措施

施肥和水分管理是农艺调控中影响土壤重金属生物有效性的最常用措施，可通过改变土壤理化性质（pH、氧化还原电位Eh、阳离子交换量CEC、有机质含量等）直接与重金属发生沉淀、络合或氧化还原作用，调节植物根际微生物群落结构等方面，降低土壤中重金属的生物有效性及重金属的转运效率，有效减少农作物对重金属的积累^[13]。如施用硅肥、淹水处理或二者联合处理可显著降低水稻籽粒中的Cd含量，提高作物产量^[14]，但影响程度与土壤类型有关，如对酸性土壤影响更明显，对碱性土壤影响较小^[15]。而且施肥对水稻生长和重金属的积累影响效果也取决于水分管理，如磷肥的施加仅在淹水条件下可降低水稻对As的吸收，而硅肥施用仅在非淹水条件下才可降低水稻对Cd和As的吸收^[16]。此外，施用含有硒（Se）、硅（Si）、硫（S）、Zn、铁（Fe）等元素的叶面肥，可通过竞争重金属转运蛋白、参与防止氧化应激、提高抗氧化能力等生理生化过程^[17-18]，影响作物对重金属的吸收与分配，减轻重金属对作物的毒害作用，降低作物可食部位对重金属的积累^[19]。

适当的轮作和间作是提高土壤肥力和农产品产量并增加植物对重金属耐受性的有效措施。如小麦-玉米、红小豆-马铃薯轮作系统可显著降低作物可食用部分的汞（Hg）含量^[20]。此外，超积累植物与低积累作物间作，可通过降低农作物重金属的转运能力、提高光能利用效率、缓解重金属胁迫及改善土壤养分和微生物群落等方面调控两者的生长发育，增强超积累植物对重金属的吸收和富集，提高农作物的产量和品质，获得较高的经济效益^[21]，如龙葵和低积累洋葱间作，可在龙葵修复污染土壤的同时不增加洋葱可食用部分Cd浓度并且不影响洋葱产量，是植物修复重金属污染土壤的一条实用途径^[22]。

1.4 重度污染耕地的种植结构调整

开展重度污染耕地土壤治理是促进耕地质量提升、守牢耕地质量红线、落实“藏粮于地、藏粮于技”战略和保障国家粮食安全的重要举措。2016年以来，各地区、各部门全面实施《土壤污染防治行动计划》，加强对严格管控类耕地的用途管理，依法划定特定农产品禁止生产区域，严禁种植食用农产品。种植非食用农作物（如能源植物）是重度污染耕地土壤安全经济利用的途径之一。如在湖南长沙、株洲、湘潭三市重度镉污染区耕地开展棉花替代种植技术应用，在实现污染区土壤修复的同时还可创造经济价值^[23]。此外，在种植非食用农作物的同时，辅以适宜的耕地安全利用手段（如间作、轮作、施加调理剂等），对促进非食用农作物移除重金属可起到协同作用。如在Cd/Pb重度污染土壤上，选择油菜-向日葵轮作，可较单一作物轮作产生更高的生物量，提高了土壤中重金属的去除率，尤其对Cd的去除率不亚于超积累植物，这两种油料作物的油脂中污染物含量也在国家标准的安全范围内，可产生一定的经济效益^[24]。在浙江省受铜冶炼厂污染的某耕地示范区，种植甘蔗、甜高粱、盐肤木和香根草，同时施加钝化剂（石灰和磷矿粉），结果表明钝化剂可有效控制重金属对能源植物的危害，且不会影响植物品质（如含糖量）^[25]。此外，通过化学淋洗与非食用农作物联合的手段也可达到重度污染耕地的修复。总之，从时间和空间上对耕地进行有效配置，可使污染耕地得到安全、有效、完整的修复利用并产生一定的经济效益。

2 中国重金属污染耕地土壤安全利用过程存在的问题 2.1 耕地污染源的防控力度不足

目前我国对重金属污染防控高度重视，防控重点主要集中于行业防治（如采矿、冶金、电镀等行业）中废水、废渣和废气的排放，但对于农业源头的防治尚未引起足够重视。我国是农业大国，也是秸秆资源最丰富的国家之一，目前我国主要将秸秆用作肥料还田、畜牧饲料、生活能源、工业原料以及秸秆基料等^[26]。秸秆还田是提升地力的有效措施，但当秸秆来自于重金属污染区时，在还田过程中，秸秆含有的重金属又返回土壤，造成污染。如将含Cd秸秆归还土壤，90 d后秸秆中70%~80%的Cd均会释放至土壤中。在污染土壤中多年连续秸秆还田试验也显示土壤中重金属总量及作物对重金属的吸收均呈增加趋势^[27]。由于重金属主要集中在作物根茬，污染土壤中作物根茬残留也会显著提高土壤重金属的总量和活性及作物对重金属的吸收^[28]。此外，秸秆还田还会影响土壤中重金属的赋存形态，且与秸秆类型、还田时期、土壤污染程度、农艺管理手段、重金属污染类型等因子有关，这导致秸秆还田后，土壤重金属生物有效性的改变具有多样性^[29-30]。此外，当污染秸秆用于畜牧饲料时，秸秆中的重金属会进入动物体内并富集，最终进入食物链危害人体健康。同时，动物排泄物中的重金属又会被作为有机肥施入耕地土壤，造成新一轮的重金属循环。而无机肥和农药作为提高作物产量的有效手段，其含有的重金属也不可忽视。如对1 222种磷肥的检测发现Cd的平均含量为0.75 mg·kg^–1，在土壤中长期施用也会导致重金属的积累^[31]。因此，控制污染耕地的秸秆还田或还田时期，集中处理污染秸秆，减少肥料和农药施用量等，亦是减少重金属积累的有效途径。此外，一些地区的大气污染造成的干湿沉降对土壤重金属含量的影响也不容忽视^[32，33]。

2.2 土壤污染与作物安全性关系不明

作物安全性主要受土壤中重金属的总量及赋存形态、土壤理化性质及作物类型影响。由于自然成土过程中的重金属在土壤中多以相对稳定的形态存在，导致有些土壤中的重金属总量超标，但生物有效性总体上较弱^[34]，稳定性较强，其生物富集因子明显低于人类活动带来的重金属，不易被植物吸收利用^[35]。如广西壮族自治区和浙江省部分耕地土壤中重金属元素普遍超过土壤背景值，是典型的地质高背景土壤，但是研究区水稻籽实中重金属元素（浙江研究区Cd除外）均未超标^[36]。此外，作物对污染物的吸收具有差异性，如叶类菜、茎类菜、茄果类和鲜豆类对重金属As的富集能力依次降低^[37]。基于动物试验的重金属生物有效性研究揭示了重金属对人类健康造成的风险也受到作物种类、重金属积累量、矿质元素含量和饮食方式的影响。对于重金属污染土壤的划定与管理，也需要辩证看待。如在重度Cd污染耕地，Cd低积累玉米和大豆间作可保证玉米籽粒中Cd浓度在国家标准安全范围内，但是若全株作青贮或秸秆还田则存在重金属超标和二次污染的风险^[38]。不能“一刀切”，要根据实际情况适当调整污染土壤的管理手段，这对保障我国粮食安全生产有着重要的指导意义。

2.3 多目标元素下作物的低积累特性及其稳定性较差

由于当前土壤的重金属污染具有复杂多样性，仅针对特定目标元素筛选出的低积累品种难以保证对其他重金属元素的低积累性。如低积累Pb的小麦品种对Cd和Zn呈现高积累^[39]。因此筛选可满足多目标元素的低积累品种更具实用意义。如能同时满足籽粒Cd、As、Pb和Cr低积累的大豆品种“理想M-7”和低累积水稻品种（“隆两优534”、“Y两优1号”、“袁两优908”和“渝香203”）^[40-41]，Cd/Pb低积累玉米品种“先玉335”和“大丰30”^[42]等。目前低积累作物的研究主要集中在重金属低积累农作物品种的筛选和培育，而作物对重金属的积累除作物类型及品种基因差异外，还受区域气候、土壤类型、土壤重金属污染特征、灌排水等地域环境因素及农艺管理措施的制约^[43]，这可能会导致作物的重金属低积累特性不可重复，出现甚至矛盾，遗传稳定性差，难以大面积推广。如“秀水63”的粳稻籽粒中Cd含量在浙江不同地区存在显著性差异^[44]。

2.4 原位钝化剂具有一定的施用风险

原位钝化过程并未改变污染土壤中重金属的总量，仅是改变了其在土壤中的赋存形态，当土壤环境条件如pH、Eh、可溶性有机质含量等变化时，或者发生冻融、干湿交替等环境胁迫，以及微生物对钝化剂的降解等均可能会导致重金属从土壤中缓慢释放并重新分配，再次导致土壤重金属污染^[45-47]。此外，某些钝化剂仅可降低特定重金属的生物有效性，当被施入复合污染土壤时，可能会造成其他重金属元素的活化。如磷改性生物质炭加入Cd/As/Cu复合污染土壤中，虽然降低土壤Cd/Cu的生物有效性，但提高了As的生物有效性，增加了As的生态风险^[48]。此外，某些钝化剂虽然降低了土壤中重金属的生物有效性，但有可能产生新的生态风险，如温室气体释放增加、土壤中氮磷养分流失、施用过程中的粉尘造成大气污染等问题^[49]。

就材料本身而言，有机钝化剂通常源于动物粪便与尸体、农林废弃物等，有可能将其包含的重金属、持久性有机污染物、潜在的人类病原体（肠道细菌、寄生虫、病毒和真菌等）和新兴污染物（抗生素抗性基因、内分泌干扰物、微塑料等）引入土壤，进而对生态环境和人体健康产生一定风险^[50]。而某些无机钝化剂如石灰、磷矿石、粉煤灰、沸石等，可能会降低作物对养分的吸收，抑制作物生长^[51]，还可能会造成地表水的富营养化^[52]。因此，对进入市场的钝化剂进行监管，建立完善及科学的钝化剂施用方法，并对其安全性和安全利用效果进行长效性评估，有利于保证粮食安全生产和人体健康。

2.5 其他问题

我国幅员辽阔，不同地区污染状况及土壤性质的差异，导致污染情况复杂多变，现有的土壤治理措施无法满足所有地区的治理需求，缺乏可直接套用的专业指导体系。此外，我国现有的土壤重金属污染治理技术多为单项技术，跨部门、行业（包括企业）的联动差，技术推广被局限在小范围内，难以大规模推广。此外，耕地污染通常面临着责任主体不清，农户配合积极性差的窘境，这与当前的治理过程中经费补贴标准过低、项目单一有关。重度污染耕地的调查也依旧存在采样点位不足、区域划分边界有待厘清、类别划分及动态调整不健全等问题。

3 中国重金属污染耕地土壤安全利用过程中的改进建议 3.1 完善污染土壤划定标准与管理手段

利用现有农用地土壤污染详查和土壤环境质量类别，开展土壤-农产品协同加密监测，采用重金属有效态浓度代替总量的模型对土壤中污染物的污染程度进行精准划分和风险评价，优化类别划分方法，全面厘清污染耕地的范围和程度，精准圈定污染风险重点管控区。此外，应制定更加严格、精准且明确的农用地重金属污染防治标准，可更好地对土壤污染现状和污染程度进行监督、检查和管理，更加科学合理地指导农用地安全利用，保障农产品质量安全。在此过程中，建议各地政府加大土壤污染防治投入力度，建立土壤污染防治基金，健全土壤污染防治资金投入长效机制，为打好土壤污染攻坚战提供强有力的支撑和保障。

3.2 健全污染土壤防控体系

为从源头上遏制土壤污染，除对重点企业行业进行严格监管外，相关部门还须结合实际情况，对重金属污染耕地中的秸秆还田或作为畜牧饲料实行监控和管理，如将污染区的秸秆单独收集和处置，严禁其再次进入耕地或作为饲料进入食物链。对于低重金属浓度的污染秸秆也可通过加入土壤钝化剂缓解污染土壤中秸秆还田造成的作物重金属超标的风险^[27]。此外，需对农业生产过程中的农药和化肥的类型、质量及使用量进行明确规定，并制定针对性的法律法规，减少农业生产过程中重金属在土壤中的积累，进一步协调土、水、气、固废等不同的污染防控主体，形成立体化的防控体系。

3.3 优化污染土壤安全利用技术

第一，加强不同安全利用技术的研发力度：寻找稳定性高的重金属低积累品种，建立低积累品种种质资源库；筛选或通过改性制备高效价廉并具有持久效果的土壤钝化剂；研发稳定高效的叶面阻控剂和微生物制剂等；针对重度污染土壤，寻找和培育更多对重金属耐性较强的经济作物。第二，优化土壤安全利用技术：对轻中度污染土壤，协同两种或两种以上安全利用方法，形成联合安全利用技术体系模式，提高污染土壤的安全利用效率。如对Cd和As复合污染土壤展开联合修复，结合当地的耕种特点和土壤污染状况，通过筛选低积累水稻品种，施加石灰、生物质炭等钝化剂，并适时喷洒叶面阻控剂，高效实现污染耕地的安全生产；针对重度污染耕地进行种植结构调整，选择适宜的种植模式，种植经过安全评估的特定食用农产品，并结合其他高效修复技术，实现重度污染耕地的风险管控。当受污染耕地修复达标后，需及时进行类别调整，使耕地得到充分有效的利用。

4 结论

本文介绍了重金属污染耕地安全利用的常见手段，并对安全利用过程中存在的问题及建议进行了梳理，其中秸秆还田作为土壤中重金属农业源输入的影响不容忽视，在评估和界定土壤的污染程度时需结合作物和土壤中的重金属浓度综合评价，大力发展重金属复合污染土壤的安全利用手段，筛选低施用风险的钝化剂。最后需在政策及资金支持的前提下，结合农户意愿，对污染土壤进行全链条式设计，如考虑钝化剂施用量与施用频率、效果稳定性、成本、生态风险、对土壤肥力的影响等，研发形成较低廉、高效率、强稳定、全适应、易操作、可持续的污染耕地土壤安全利用技术体系及模式，确保重金属污染耕地土壤的安全利用。