摘 要: 隨著經濟和社會的發展, 土壤重金屬污染對糧食安全及人類的身體健康構成了巨大的威脅, 而目前廣泛采用的全量檢測法并不能準確地反映土壤重金屬的生物毒性。為了更好地了解土壤重金屬的污染情況及其生物毒性, 需快速有效檢測土壤重金屬的賦存形態及有效態含量。本文介紹了土壤有效態重金屬的定義及其在土壤-有機體系統中的轉移； 并結合國內外相關研究領域的文獻資料, 按檢測對象將土壤重金屬有效態的檢測方法分為直接檢測方法(化學檢測方法和物理檢測方法)和間接檢測方法(生物指示法), 系統闡述了化學檢測方法中的浸提法, 物理檢測方法中的梯度擴散薄膜技術和光譜分析法, 及生物指示法中的指示植物檢測法、微生物檢測法和動物檢測法的研究進展、適用范圍及優缺點, 概括了目前檢測方法存在的主要問題是不能同時滿足大面積監測和精確檢測兩個方面。并指出快速、大面積、原位測定污染物種類和含量,采取相應措施保障糧食安全及人類身體健康是目前迫切需要解決的問題。本文將土壤-植物-人作為一個整體, 了解重金屬有效態在該系統中的遷移富集機理, 認為在此基礎上選擇合適的數據處理方法及建模參數, 結合遙感、地理信息系統和全球定位系統對土壤重金屬污染進行原位立體監測, 是未來土壤重金屬有效態含量檢測與監測研究的主要發展方向。
關鍵詞: 土壤污染； 重金屬形態； 生物有效性； 含量檢測； 遙感監測
隨著人口的增加,城鎮化、工業化速度的加快,工業“三廢”的排放、城市生活污水、農藥和化肥的不合理施用等,使得大量重金屬污染物通過各種途徑進入土壤。重金屬不能被生物降解,且具有隱蔽性強、毒性大等特點,進入土壤,特別是進入農田后不僅影響作物的產量和品質,更會對人體健康造成極大危害,因此一直被世界各國環境科學工作者視為研究重點過去對重金屬有效性的研究主要集中在其全量的有效性。然而,由于土壤環境成分復雜且不均一,化學反應機理復雜,重金屬在土壤中存在多種形態,而不同形態重金屬其生物有效性不同,所以重金屬的生物毒性不僅與其總量有關,更大程度上由形態分布所決定。因此,對重金屬有效態含量進行檢測與監測,是確切了解重金屬污染程度、預測重金屬對生態系統造成的影響以及對人類健康危害的有效途徑,也是重金屬污染修復、治理的理論基礎。然而,土壤重金屬有效性的精確定義在土壤學、生物學、毒理學等學科領域間還存在較大爭議,目前并沒有可靠的用于風險評估的標準測量方法。
在此基本上,本文介紹了土壤有效態重金屬在不同學科領域的定義及其在土壤-有機體系統中的轉移,并結合國內外相關研究領域的文獻資料,按檢測對象將檢測方法分為直接檢測方法和間接檢測方法,并系統闡述了不同檢測方法的研究進展、優缺點及今后研究的主要發展趨勢,為開展土壤重金屬有效態含量檢測與監測研究提供借鑒,尤其為大面積耕地安全方面的研究提供參考。
1 重金屬有效態的定義
特定化學形態的重金屬強烈影響其化學行為,重金屬可以因形態中某一個或幾個方面不同而表現出不同的毒性和環境行為,重金屬在環境中的移動性、被有機體吸收、產生的毒害作用,無論在環境中還是在生物體內, 都是表征和了解重金屬形態的依據。然而關于重金屬的有效態(availability)至今沒有一個統一的定義,在不同的學科領域,對重金屬有效態的定義略有不同: 環境學者認為土壤重金屬的有效態為其環境生物有效態(environmental biavailability)及環境有效態(environmental availability),即土壤重金屬能被生物吸收利用或產生毒害效應的重金屬形態； 生物毒理學者則側重于土壤中重金屬的毒性生物有效態(toxicological bioavailability),即土壤重金屬直接進入生物體消化系統并可以被生物體消化道溶解吸收的部分。其中,環境生物有效態及環境有效態主要是依據重金屬的賦存形態來區分的。國際標準化組織(International Standards Organization, ISO)將重金屬的生物有效性描述成一個動態的過程, 包括 3 個步驟: (1)土壤中的重金屬有效態(環境有效態性)； (2)被有機體吸收的重金屬(環境生物有效性)； (3)在有機體內的富集并對有機體產生毒害影響的重金屬(毒性生物有效性)。這 3 類重金屬有效態在特定的條件下可以相互轉化。
綜上, 重金屬有效態目前雖沒有一個統一的概念, 但是無論哪一種概念, 其實質都在于研究重金屬與生物體的一種潛在相互關系, 它將生物體與其周圍環境聯系起來。
2 土壤重金屬有效態含量檢測的理論、方法及成果回顧
關于土壤重金屬有效態含量檢測的報道很多, 研究內容涉及物理、化學和生物等各個領域。按照檢測對象可分為直接檢測法和間接檢測法。
2.1 直接檢測法
直接檢測法,即直接對受重金屬污染的土壤進行檢測。直接檢測主要有兩類方法: 一是化學浸提分析方法,二是物理分析方法。
2.1.1 化學浸提分析方法
化學浸提法,即化學提取法,是指采用一種適當組成與組成比例的試劑溶液(一種或幾種試劑混合),或者幾種不同的試劑溶液(浸提能力依次加強, 以一定順序依次浸提),按照一定的土液比與浸提工藝方法浸提, 最后測定浸提液中重金屬的含量。從提取試劑的使用方式上可分為一次浸提法和連續浸提法。
一次浸提法:也叫單級提取法,是指采用單一的提取試劑進行提取。一次提取法所提取的重金屬形態是指植物可利用的重金屬所有形態, 因此, 此種方法所提取的重金屬含量與植物的相關性較好, 可用來評價重金屬的短期或中期存在的危害。一次浸提常用的提取劑主要有金屬螯合劑(如 0.05 mol·L-1 EDTA、DTPA 等)、中性鹽(如 0.05 mol·L-1 CaCl2、1 mol·L-1 NaNO3等)、酸試劑(如 0.43 mol·L-1 HOAc、0.1 mol·L-1 HNO3等)等。由于浸提劑對重金屬浸提機理不同, 及重金屬賦存形態的差異, 不同浸提劑對重金屬的浸提效果也不同, 而且同一浸提劑對土壤中不同重金屬的浸提效果也有差異。因此在選用浸提劑時, 要根據具體情況而定。 連續浸提法, 也叫逐步提取法、分級淬取法, 指采用幾種不同的試劑組合成一種提取程序, 每種試劑被認為對重金屬的一種存在形態有效, 不同提取劑對同一樣品先后進行提取的一種方法。目前,
使用較多的連續浸提法有:Tessier 法(5 步提取法)、BCR 提取法(3 步提取法)、以及在這兩種方法的基礎上改進的一些方法等。這些方法從不同的研究角度出發,將重金屬分為不同的形態，并分別提取,如 Tessier 法將重金屬形態定義為 5 種形態,即可交換態、碳酸鹽結合態、鐵-錳氧化物結合態、有機結合態、殘渣態；BCR 法重金屬形態按實驗操作定義為水溶態、可交換態與碳酸鹽結合態、鐵-錳氧化物結合態和有機物-硫化物結合態。鄭冬梅等采用連續化學浸提技術對不同污染類型沉積物中的汞形態進行分析, 將汞形態分為可代換及水溶液、酸溶態、堿溶態、過氧化氫溶態和王水溶態 5大類。由于不同的提取方法, 提取的重金屬形態略有差別,因此,不同方法所提取的結果不能直接進行比較。Maiz 等利用 3 步提取法提取了 3 種不同土壤中的 Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb 和 Zn 的不同狀態含量,并將結果與 Tessier 的 5 步提取法及Ure 的 4 步法的結果進行比較,結果表明,很難將 3種方法的結果進行直接比較,但是每種方法所提取到的最活躍的重金屬都為 Cd,其次是 Pb 和 Zn。采用化學提取法檢測土壤重金屬的有效性雖然具有簡單、精度高等優點,但該方法多是異位分析方法,需要進行試驗或田間采樣,費時費力,并且利用浸提劑提取出來的有效態雖可以評估出土壤中重金屬的有效性,但僅表示元素有效態含量與植物吸收重金屬的量呈正相關,不表示萃取劑萃取的有效態就是植物吸收的那部分,還需要進行進一步的分析,找出它們的相關性。
2.1.2 物理分析方法
用物理方法分析土壤中重金屬形態,是指借用一些物理原理對土壤中重金屬形態進行分析,目前研究較多的是運用擴散原理(如梯度擴散薄膜技術)和光學原理(如光譜分析)來分析重金屬形態。梯度擴散薄膜技術(diffusive gradients in thin-films, DGT)。DGT 技術是英國科學家 Davlson 等于 1994 年發明并推廣使用, 該技術以 Fick 第一擴散定律為其理論基礎,通過對在特定時間內穿過特定厚度的擴散膜的某一離子進行定量化測量計算而獲得準確的某一離子的濃度值。DGT 裝置的核心由擴散相和結合相兩部分組成,擴散相一般由水凝膠構成,其作用是保證溶液中的離子自由擴散進入DGT 裝置；結合相是由帶有能提供配位電子對官能團的高分子化合物構成,其作用是與擴散過來的金屬進行配位。它引入了一個動態概念:所測定的有效態濃度不僅包括土壤溶液中的重金屬含量,還包括測量期間從土壤固相動態釋放的重金屬含量,而植物根部對重金屬的吸收導致概況附近土壤溶液中的重金屬濃度下降,并促使土壤顆粒態重金屬補充給土壤溶液,這個動態反應過程對于重金屬的生物有效性評價是不可忽略的,因此它是模擬生物吸收, 預測金屬生物有效性較好的技術。近年來,DGT 技術已廣泛應用于水體、沉積物、土壤中重金屬有效態的原位采樣以及生物有效性的研究中。其應用于土壤重金屬監測,主要用于測定土壤環境中重金屬的有效態和重金屬的生物有效性,但其在測定重金屬生物有效性方面并沒有得到一致的結論:Koster 等比較了 DGT 法提取的土壤中 Zn的含量與 3 種植物中 Zn 含量的相關性,結果表明在萵苣(Lactuca sativa)和藍花萵苣(L.perenne)中,Zn的累積與 DGT 有效態濃度有很好的相關性,而在羽扇豆(Lupinus nanus)中 Zn 的累積與 Zn 的 DGT 有效態濃度則沒有很好的相關性。這表明 DGT 技術測定重金屬的生物有效性的準確性可能會受植物種類的影響。此外,國內外大量研究將 DGT 方法與傳統化學方法在檢測土壤重金屬生物有效性方面進行了比較, 如
姚羽等對比研究了 DGT 技術與 5 種傳統化學提取方法(土壤溶液法、0.11 mol·L?1醋酸、0.05 mol·L-1 EDTA、0.01 mol·L?1 CaCl2和 1 mol·L-1 NaAc)評價鉛鎘復合污染情況下土壤鎘的生物有效性, 結果表明: DGT 法與土壤溶液法和 CaCl2法測定的土壤有效態Cd 均與植物體內 Cd 含量呈現顯著正相關關系。Sonmez 等采用 DGT 法評價土壤中 Zn 對高粱(Sorghum vulgare var. Sudanese)的生物有效性, 并與CaCl2提取法對比, 發現兩者的評價結果相似。Nolan等采用 DGT 法和 0.01 mol·L?1 CaCl2法對小麥
(Triticum aestivum)中 Zn、Cd 和 Pb 的生物可利用性進行評價, 結果表明: DGT 法可以很好地預測 3 種重金屬在小麥體內的累積。由此可見, DGT 技術在測定重金屬的生物有效性方面不一定比化學浸提法更精確, 但仍有著不同于化學分析方法的優勢: 一方面, DGT 技術是一項原位分析技術, 操作簡單, 可以選擇性地吸收檢測特定形態的重金屬, 不僅能很好地預測土壤重金屬的生物有效性, 其測定結果還可以提供更多的關于土壤重金屬的信息,包括獲取重金屬在土壤中從固相到液相釋放的動力學過程； 另一方面其測量值不易受土壤理化性質的影響。 但該技術目前還基本處于實驗室研究階段, 且并不能完全包含植物生長過程中所受的各種影響因素, 所表示的有效態會受結合相的影響, 結合相不同, 其累積和測定的被監測物質的有效態也有所不同。
光譜分析。光譜分析技術是指利用光譜學原理和實驗方法, 以確定物質的結構和化學成分的方法[, 在土壤重金屬污染檢測中應用廣泛, 常常配合其他提取方法用于檢測樣品中重金屬的含量。傳統的光譜分析方法有原子吸收光譜法、紫外-可見吸收光譜法、紅外光譜法、等離子體光譜法等, 其中等離子體光譜法是目前國內外應用最多的方法。這類方法靈敏度高, 但不能直接檢測土壤中重金屬的形態, 只能測定樣品中重金屬的總量[或檢測不同提取方法(如前文介紹的化學浸提法, EDT法等)所提取的各形態重金屬的含量[, 且樣品需要進行前處理。隨著現代分析技術的發展, 一些結構和形態的光譜分析技術逐漸應用于土壤固相重金屬的形態分析領域, 如常用于鑒定一些金屬尾礦沉積物中重金屬的形態電子探針技術[, X 射線衍射技術(XRD), 同步輻射 X 射線熒光光譜(SXRFS)等。這類方法檢測速度快, 不需要樣品前處理, 但其檢測靈敏度較上述傳統的光譜檢測方法低, 主要應用于礦物、礦床研究方面,一般不用于農田土壤重金屬污染檢測。20 世紀 80 年代發展起來的高光譜遙感技術, 以其高光譜分辨率和連續的光譜波段預測土壤重金屬含量, 實現非破壞性和非接觸快速測樣。其原理
是利用土壤有機質、黏土礦物、鐵錳氧化物、碳酸鹽礦物等主要組分對重金屬的吸附作用, 通過這些重金屬吸附物對光譜曲線的影響來反演土壤中不同重金屬的含量。Zabcic 等利用機載高光譜數據對黃鐵礦尾礦進行了監測。李淑敏等利用 ASD FieldSped Pro 光譜儀分析了北京地區農業土壤重金屬光譜特征, 表明土壤重金屬含量與反射光譜之間存在顯著相關關系。
傳統的光譜分析方法, 分析速度快, 靈敏度高, 且操作簡便, 但多與其他方法聯合使用, 直接用于農田土壤重金屬有效態含量檢測的研究還鮮見報道, 而且光譜定量分析是建立在相對比較的基礎上, 必須有一套標準樣品作為基準, 這常常為實際操作帶來不便。高光譜遙感技術應用于土壤污染檢測還處于探索階段, 由于土壤成分十分復雜, 土壤質地、濕度、有機質、氧化鐵等的含量都會對土壤光譜特征產生影響, 因此, 目前用光譜分析方法直接分析土壤重金屬含量的精度往往不是太高。但由于其具有快速、無損傷, 大面積檢測與監測的優勢,在土壤污染檢測和監測中有廣泛的應用前景。
2.2 間接檢測法
間接檢測法是指不直接將土壤作為檢測對象, 而是通過檢測生長或生活在該土壤環境中生物的反映來間接檢測受污染土壤中重金屬的有效性。間接檢測法主要是指生物檢測法。土壤重金屬污染的生物檢測是指利用生物個體、種群或群落對土壤重金屬污染所產生的反應,從生物學角度對環境污染狀況進行檢測和評價的一門技術,包括指示植物檢測法、微生物檢測法、動物檢測法等。
2.2.1 指示植物檢測法
指示植物檢測法是判斷污染土壤中重金屬有效性的一種經濟、簡便且可靠的方法, 由于其不可比擬的優越性而備受科研工作者的青睞。該方法一般通過以下兩方面來研究重金屬的有效性: 一是植物的受害癥狀,包括植物根、莖、葉在色澤、形狀等方面的變化, 植物葉片葉色素含量、氮素含量的變化等； 二是植物體內污染物的含量。 通過植物的受害癥狀來判斷土壤重金屬的有效性是一種快速、簡便且不會對植物和土壤造成損傷的方法。張紀伍等研究表明, 復合污染會使水稻的植株高度減小、分蘗數減少、莖葉及稻谷產量降低。蔣先軍等研究發現, 印度芥菜(Brassica juncea)在含 Cd 200 mg·kg-1的土壤上會導致葉片失綠出現黃化癥狀。 但該方法不能定量檢測土壤重金屬有效態, 并且因重金屬污染具有隱蔽性, 植物受重金屬脅迫后往往用肉眼很難識別。如匡少平等研究發現, 即使在高鉛含量(>4 000 mg·kg-1)的土壤中, 作物對鉛發生強烈吸收后也沒有導致植株出現宏觀病癥。因此, 該方法需要借助先進的儀器設備與分析技術才能得以實現定量分析。與光譜直接檢測一樣,高光譜遙感在間接檢測土壤重金屬污染方面也有廣泛的應用前景, 該方法間接檢測土壤重金屬污染情況的基本原理為: 植物葉片的反射光譜與葉子形態學和生理學上的特征有關, 當植物受到某種物質污染或脅迫后, 其內部結構、葉綠素和水分含量就會發生不同程度的變化, 光譜反射特征也隨之變化, 一般情況下, 污染或脅迫越嚴重, 這種變化就越大。但由于光譜易受環境因素影響, 且該技術還沒有系統的數據處理和分析方法, 定量估測精度還有待提高, 目前該方法僅適應重度重金屬污染土壤監測, 一般輕微、輕度和中度重金屬污染土壤難以實現監測需求, 其監測值僅可作為參考, 不能夠作為農田重金屬污染普查、農產品產地重金屬污染監測等依據。如, 關麗等系統分析了受鎘污染的水稻葉片中葉綠素含量變化及其與高光譜遙感數據的響應關系, 并探討了水稻冠層的葉綠素遙感監測參數對鎘污染程度的響應模型, 響應系數為 0.59。
通過植物體內污染物含量來判斷土壤中重金屬的有效性早已有相關報道: 薛澄澤等利用黑麥(Secale cereale)幼苗法測定了全國污灌區 12 個土樣中 Cd 元素的生物有效性、陜西紫陽縣富硒區土壤中Se 的有效性及西安污水廠污水污泥中重金屬的生物有效性, 結果表明, 黑麥幼苗法可以應用于土壤污染化學的研究。孟昭福等采用室內培養的方法,研究了小麥替代黑麥測定土壤中重金屬生物有效性的植物, 結果表明, 小麥是黑麥的較佳替代植物。楊維等將土壤重金屬的生物可利用態含量與植物中重金屬的含量結合起來, 研究受污染土壤對植被的作用, 表明植物吸收的重金屬不僅包括可交換態和碳酸鹽結合態, 還包括在一定條件下釋放出來的鐵錳氧化物態和有機結合態。Meers 等利用菜豆(Phaseolus vulgaris)對重金屬的富集, 研究了土壤中重金屬的植物有效性。該方法考慮到了土壤和植物之間的相互關系, 可以很好地反映特定重金屬對特定植物的生物有效性, 但該方法與化學檢測方法一樣, 需要進行采樣分析, 且受植物生長周期長的限制, 只能作為輔助檢測方法。
2.2.2 微生物檢測法
微生物與土壤微環境親密接觸, 在許多情況下,其質量與活性都可以作為土壤污染的理想檢測指標。微生物檢測即用微生物的一些特性指標, 如微生物的生物量、群落結構[、代謝熵等的變化來反映土壤重金屬污染的一種檢測方法。馬小凡等研究了長春市土壤微生物的生化作用強度與多種重金屬化學形態的關系, 結果表明, 長春城區土壤中不同重金屬的各種化學形態對微生物生化作用強度的影響明顯不同, 交換態 Pb 抑制纖維素分解作用強度、促進呼吸作用強度, 而有機結合態 Ni抑制固氮作用。土壤微生物對土壤變化高度敏感,是目前可用的最敏感的生物標記之一, 因為土壤中的微小變動均會引起其多樣性的變化, 但目前應用土壤微生物指標的主要障礙是: 缺乏對一般土壤過程與土壤微生物群落結構或特性間關系的了解, 對具體指標好與壞的基線與閾值也并不十分清楚。
2.2.3 動物檢測法
與植物檢測法和微生物檢測法相比, 動物檢測法檢測的多為重金屬的毒性生物有效性, 已有的研究多是以土壤重金屬全量作為其有效態。如孫賢斌等研究了淮南煤礦和發電廠灰場周圍土壤中重金屬對土壤動物的影響, 結果表明, 土壤動物群落的個體和類群數隨著距灰場水平距離的縮小和污染的加重而減少, 隨著重金屬污染的加重, 土壤動物群落多樣性指數、均勻性指數、密度-類群指數均趨于減小。白義等調查了臺州市路橋區土壤重金屬污染對土壤動物群落結構的影響, 結果表明, 重金屬污染能對土壤動物多樣性構成嚴重影響, 土壤動物群落的類群和個體數量隨污染程度的加重而減少。從目前研究來看, 動物檢測一般只用于對土壤污染程度的定性研究。
,3 土壤重金屬有效態檢測與監測的問題與發展趨勢
3.1 土壤重金屬有效態檢測的問題
直接檢測方法可以獲取土壤在某一時間、某一剖面上的瞬間污染信息, 可以確定污染物種類、污染深度及污染程度, 且檢測精度高, 但由于建立在
污染對象的物理、化學采樣及分析基礎上而造成對污染對象的破壞, 且傳統的直接檢測方法具有“滯后”性, 在測出土壤受到污染的同時或之前, 污染物已經對污染對象造成了影響, 土壤-植物系統重金屬中毒已到一定程度。同時, 直接檢測方法對農田生態環境信息的綜合分析能力較弱, 難以發展成為高效簡便且時效性強的土壤重金屬污染檢測技術。
間接檢測法考慮到了土壤和生物之間的相互關系, 在實際應用中更具有價值, 但有周期長、檢測精度相對低、不能直接確定污染物種類等缺點。
因此, 在提取和檢測土壤重金屬有效性的方法中, 無論是傳統的檢測方法還是借助先進分析儀器的現代檢測方法都有其適用范圍和局限性, 在選擇檢測與監測方法時應根據具體評價要求的精確度、評價時間的限定、評價條件等各方面因素加以選擇, 由于目前還沒有統一的檢測與監測方法, 可以將上述方法聯合使用, 以提高評價結果的準確性。
3.2 土壤重金屬有效態檢測與監測的發展趨勢
土壤-植物系統是陸地生態系統最基本的結構單元, 也是生態系統物質和能量循環的樞紐及環境要素的重要組成部分, 土壤中重金屬的積累, 特別是耕地土壤重金屬污染, 一方面對現代農業和社會經濟的可持續發展、農業生態環境安全和農產品質量安全構成了嚴重威脅； 另一方面, 重金屬以各種農作物為中轉站, 通過食物鏈進入人體, 引發各種疾病, 最終危害人體健康。因此, 對土壤重金屬污染進行檢測與監測, 并制定修復方案, 以保障糧食安全和人類身體健康是目前迫切需要解決的問題。目前還沒有統一的方法來檢測與監測土壤有效態重金屬含量, 今后應加強以下幾方面的研究:
1)原位檢測與監測。前文所介紹的方法, 大都屬于異位檢測方法, 該過程費時、費力、費錢, 且在采集土壤的過程中, 會對土壤的結構造成破壞, 從長遠來說, 并不是一種經濟可行的辦法。而原位檢測與監測技術則克服了上述缺點, 并且原位檢測與監測反映的是生物體在土壤中生長的實際情況, 更具有現實意義, 而現有的原位分析技術不能現場對污染物的種類進行很好的識別, 因此, 對受污染土壤進行原位檢測與監測, 對不同種類重金屬進行實時準確識別, 將是未來發展的一個重要方向。
2)重金屬對植物的脅迫機理及形態學影響的研究。植物從土壤中吸收重金屬并將其轉移和積累到地上部分, 使植物從形態學上表現出脅迫癥狀, 要經過一系列的生理生化過程, 了解這一過程及產生脅迫癥狀的機理, 有助于挑選或尋找合適的檢測與監測方法, 精確檢測土壤有效態重金屬含量。雖然, 現代分子生物學技術的發展, 使人們從分子水平上闡明植物對金屬離子的吸收、積累及脅迫機理成為可能, 但仍然處于探索階段, 未來還需要進行進一步的深入研究。
3)將土壤-植物-人作為系統進行研究。重金屬的生物有效性是土壤、重金屬、植物、人相互作用的綜合效應, 一種重金屬生物有效性不僅與土壤的組成及性質有關, 而且和元素在植物及人體內的遷移過程和機理有關, 并且隨著時間的變化遷移過程也是變化的。因此, 將土壤-作物-人系統作為一個整體, 研究重金屬在土壤-植物-人系統的遷移轉化規律, 揭示影響重金屬有效性的關鍵因子, 對合理評估土壤重金屬的污染程度及提出治理方案有重要意義。
4)重金屬污染的大面積立體監測。以往土壤重金屬有效性研究側重于野外采樣, 實驗室檢測或實驗室試驗檢測階段, 其研究結果局限于點檢測與監測, 時空代表性受到一定限制。針對我國農田土壤污染較突出的現狀, 應綜合利用便攜式高光譜儀、航空遙感、航天遙感等現代化檢測技術。今后研究的重點應放在研發面源重金屬污染快速精準檢測、監測技術和裝備, 開展由點到面, 立體動態監測。基于遙感、地理信息系統和 GPS 的高光譜遙感技術在檢測與監測土壤重金屬全量方面已有諸多報道, 將是土壤重金屬有效態含量的快速、大面積立體監測的重要研究方向。
5)高光譜遙感技術及數據處理技術的發展。成像光譜儀的出現已使從便攜式成像光譜儀到飛機到衛星平臺獲取高光譜分辨率圖像數據成為可能, 現在高光譜數據處理技術也越來越多, 如應用于反射光譜的連續統去除(continuum removal)、倒數對數、微分、小波變換等光譜預處理技術及應用于高光譜圖像的光譜匹配、混合像元分解等技術。通過植被的光譜特征來監測土壤重金屬污染的主要方法, 就是通過分析光譜數據或光譜圖像, 找出對脅迫變化敏感的光譜參數及光譜指數, 利用單因素回歸、主成分分析、偏最小二乘回歸、模糊神經網絡等分析方法, 找出光譜參數及光譜指數與土壤重金屬含量的相關關系, 并構建模型來間接反映土壤重金屬污染狀況。但由于不同植物對同種重金屬的吸收不同, 甚至同種作物對不同種金屬的吸收也存在顯著差異, 目前利用高光譜遙感技術監測土壤重金屬污染研究還處于探索階段, 研究模型沒有統一的標準, 如何提取最優光譜參數及如何構建光譜指數等沒有指導性的方法, 如現有的光譜指數大多是基于有限物種的小的獨立數據集來構建, 甚至在不同的研究中, 相同的重金屬用不同的指數來估測, 這使模型的選擇和應用上沒有一致性, 因此設計一個規范的高光譜數據轉換及處理方法也是今后重要研究方向之一。此外, 光譜指數的應用還受尺度的影響, 即直接將葉片光譜指數應用于冠層尺度或區域尺度通常不可行, 因為遙感數據會受大氣環境、光照強度、景觀異質性等因素的影響； 同時, 這些因素的存在, 也會影響遙感估測的精度, 如何進一步提高遙感技術估測精度和其實際應用能力, 還要依賴于遙感科學和其他相關研究人員的共同努力。
（周衛紅, 張靜靜, 鄒萌萌, 杜小龍, 張穎, 楊悅, 李建龍. 土壤重金屬有效態含量檢測與監測現狀、問題及展望[J]. 中國生態農業學報, 2017, 25(4): 605-615）