中国耕地土壤中镉污染的流域尺度风险评估：灌溉输入与洪水驱动传输的双重途径

《Journal of Environmental Sciences》：Watershed-scale risk assessment of cadmium contamination in Chinese cropland soils: Dual pathways of irrigation input and flood-driven transport

镉污染在九大流域农田土壤中的风险评估及驱动机制分析，基于灌溉与洪水事件对镉输入的影响，揭示东南部流域高污染风险（贡献67.1%粮食产量），提出流域尺度协同治理策略。

　　

施华定|沈志成|孙在金|徐静文|王世豪|杨丽英

中国生态环境部土壤、农业与农村生态与环境技术中心，北京100012

摘要

灌溉和洪水事件是将镉（Cd）从工业源传输到流域尺度农田土壤的关键途径，是中国农田土壤中镉污染的主要驱动因素。本研究评估了中国九大河流流域范围内农田土壤中镉污染的风险，重点关注灌溉和洪水事件的贡献，并对关键风险因素进行了敏感性分析。评估框架考虑了危害性、暴露程度和脆弱性等因素。结果表明，中国东南部的许多流域面临着由灌溉实践和洪水事件共同导致的农田土壤镉污染风险。被归类为高-高、高-中等或中等-高风险的流域对中国粮食生产至关重要，这些流域占全国耕地面积的67.1%和粮食产量的66.4%。研究建议在中国流域尺度上采取局部策略来管理农田土壤的镉污染风险，并加强中国东南部的跨区域合作。

引言

在全球范围内，农田土壤污染已成为一个严重的环境问题，其中重金属污染是最紧迫的问题之一（Hou等人，2020年）。在中国，受重金属影响的农田面积庞大且分布广泛，使其成为受影响最严重的国家之一（Hou等人，2019年；Hu等人，2016年）。全国农业用地调查显示，镉（Cd）是中国农田土壤中的主要污染物（Wu等人，2022年；Zeng等人，2019年）。大量区域研究表明，受污染的农田与河流系统存在明显的空间关联（Chen等人，2024年；Gong等人，2022年；Liu等人，2024年；Xue等人，2022年）。近年来，中国政府和社会科学界越来越重视流域尺度上的农田土壤水污染问题，认识到其在预防重金属污染以及保障粮食安全和生态系统健康方面的重要作用。

流域是水文和物质循环的基本单位，通常表现为相对封闭的系统。流域内的水文和水动力条件在污染物（包括重金属）的区域传输中起着关键作用（Jo和Park，2010年；Wang等人，2019年；Zhang等人，2020年）。在流域尺度上管理农田土壤中的重金属污染越来越受到重视（Derakhshan-Babaei等人，2022年；Hao等人，2024年；Zhou等人，2023年）。最近的研究不仅限于简单的污染地图绘制，而是发展出了更综合的风险框架，考虑了污染源动态、暴露途径以及生态或社会后果。例如，一些研究将受体模型（如PMF）与空间分析相结合，以确定河流流域中自然来源和人为来源的重金属分布（Pan等人，2024年；Wu等人，2025年；Zhou等人，2024年），还有一些研究将SWAT等水文模型与沉积物地球化学相结合，以量化农业景观中的扩散金属负荷（Jiao等人，2014年）。重要的是，新兴研究强调总金属浓度往往高估了实际风险；相反，生物可利用性、灌溉实践和洪水驱动的重新分布现在被认为是农田中暴露的关键决定因素（Liu等人，2023年；Wang等人，2025年；Zhou等人，2024年）。尽管取得了这些进展，大多数评估仍集中在生态毒性或人类健康终点上，而对流域特定的危害压力（如点源排放）和农业水文暴露途径如何在不同的农业脆弱性水平下共同影响风险关注有限。

由于快速的经济发展和密集的人类活动，重金属排放和沉积在中国的主要河流系统中变得普遍。沉积水平从北到南逐渐增加，珠江的沉积量最高，其次是长江、黄河、海河和辽河（Cao等人，2018年）。人为排放的重金属在河流流域及其子流域内迁移，并通过灌溉和洪水进一步进入农田土壤，这被广泛认为是中国流域尺度上农田土壤镉污染的主要驱动因素（Ciszewski和Grygar，2016年；Cui等人，2018年；Drewry等人，2024年；Fu等人，2021年；Liu等人，2005年；Meng等人，2016年）。例如，在中国南部地区，如湖南和江西省，通过洪水携带的沉积物引入的重金属被认为是农田土壤广泛污染的主要驱动因素（Liu等人，2022年；Yang等人，2024年）。对流域尺度上灌溉水和洪水对农田土壤的重金属输入风险进行全面评估对于了解污染状况、完善区域预防策略以及协调中国的国家努力至关重要。然而，此类研究仍然有限。

为了解决这一研究空白，本研究评估了中国流域尺度上灌溉和洪水影响下农田土壤镉污染的风险和敏感性。此外，还探讨了管理镉污染风险的策略。评估基于包括含镉废水排放点、农田分布、粮食生产、灌溉用水和洪水淹没情况在内的综合数据集，同时整合了危害性、暴露程度和脆弱性等关键因素。

研究区域

研究区域

本研究主要关注中国九大河流流域的219个子流域（图1），包括松辽河流域（SLRB）、黄河流域（YERB）、海河流域（HARB）、淮河流域（HURB）、长江流域（YARB）、珠江流域（PERB）、东南河流域（SERB）、西南河流域（SWRB）和大陆河流域（CORB）。这些流域的农田土壤和作物中的镉污染程度各不相同。

数据

本研究使用的数据

中国农田面积和含镉废水排放点的空间分布特征

中国主要河流流域的农田面积和含镉废水排放点存在显著差异（图S2）。长江流域的农田面积最大（26.9%），其次是松辽河流域（21%）和淮河流域（12.4%）。其他流域的比例分别为11.3%（黄河流域）、8.4%（海河流域）、7.6%（珠江流域）、7.5%（大陆河流域）、2.5%（东南河流域）和2.4%（西南河流域）（图S2a）。长江流域的排放点也最多（33.7%），其次是珠江流域（15.4%）和淮河流域（12.4%）。其他流域的比例分别为10%（松辽河流域）、9.5%（海河流域）、9.4%

由灌溉和洪水驱动的农田土壤中镉污染风险的空间分布特征

土壤中镉的积累是一个涉及多种输入和输出途径的复杂过程（Hu等人，2016b）。本研究特别关注通过灌溉和洪水途径进入农田土壤的镉输入风险，因为在中国有明确的观察表明，严重污染的农田主要分布在河流网络沿线。其他暴露途径（如大气沉降、肥料施用）也可能导致土壤中镉的积累。

结论

本研究系统地评估了中国流域尺度上由灌溉和洪水驱动的农田土壤镉污染风险，分析了风险因素（包括危害性、暴露程度和脆弱性）的敏感性。结果表明，珠江流域和长江流域的子流域风险水平最高，而西南河流域和大陆河流域的子流域风险最低。在中国东南部，特别是在长江下游和珠江三角洲，许多子流域面临双重高风险

作者贡献声明

施华定：撰写——初稿，资金获取。沈志成：撰写——审稿与编辑，方法学。孙在金：数据整理。徐静文：软件应用。王世豪：正式分析。杨丽英：数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点技术研发计划（编号2022YFC3704805）和中国国家自然科学基金（编号42377259）的支持。