农业土壤铜污染：来源、环境影响与修复的文献计量分析及PRISMA-guided系统综述

《Agriculture》：Copper Pollution in Agricultural Soils: A Bibliometric Analysis and PRISMA-Guided Systematic Review of Sources, Environmental Impacts, and Remediation

　　

由多种人为输入导致的农业土壤铜（Cu）累积可对土壤性质、作物生产力及环境质量产生不利影响。因此，有效的监测与可持续修复对于污染土壤的管理具有重要意义。本综述将系统文献计量分析与定性主题综合相结合，以考察农业土壤Cu污染的研究进展。文献检索自Scopus与Web of Science数据库，并依据PRISMA指南进行筛选。经去重与合格性评估后，最终数据集包含726篇出版物，覆盖1988—2025年期间。采用文献计量与主题分析以识别出版趋势及七大研究领域，涉及Cu来源与赋存、分析方法、环境与生物效应、复合污染及修复。文献计量结果显示，该研究领域地理分布多样，以环境科学与农业科学为主导，突出主题包括Cu污染、金属相互作用、生态效应、作物吸收及修复。定性综合表明，Cu累积可改变土壤微生物群落与养分循环并损害作物生长，但其影响程度取决于土壤条件、Cu有效性及暴露水平。固定化、生物炭、植物修复、微生物辅助途径及先进监测技术在管理Cu污染土壤方面显示出潜力，其有效性取决于场地条件及用于评估修复效果的终点指标。可持续管理需要来源特异性监测、适当的环境与暴露风险评估，以及由长期田间研究支撑的综合修复策略。

**1. Introduction**

铜（Cu）是植物及其他生物必需的微量营养元素，参与光合作用、呼吸作用、电子传递及多种酶的活性。然而，Cu的有益效应取决于其浓度，过量水平可诱导氧化胁迫与毒害。作为地壳的天然组分，Cu在土壤中的浓度因母质、成土过程及环境条件而异。铜基杀菌剂被广泛用于防治农作物真菌与细菌病害，尤其在葡萄栽培及其他多年生种植体系中。由于其重复施用且Cu不可降解，其持久性取决于土壤性质与环境过程，因而可导致Cu在表层土壤中的长期累积。Cu在土壤中的环境行为强烈受其化学形态及与土壤组分相互作用的影响。Cu可赋存于土壤溶液中、交换位点上、与铁（Fe）、铝（Al）、锰（Mn）氧化物结合、进入原生与次生矿物晶格，或与土壤有机质及生物体结合。Cu污染的来源与暴露时长可改变其在不同土壤地球化学组分间的分配，进而影响其迁移性与生物有效性。这些过程在农业系统中尤为重要，因为Cu累积可长期持续并逐渐改变土壤化学与生物学性质。尽管Cu为多种必需生化功能所必需，但过量浓度可对土壤生物、植物及水生系统产生毒害效应。Cu是参与微生物代谢的多种酶的辅因子，但过量Cu可扰乱微生物生理过程、改变微生物群落组成与多样性，并降低参与养分循环与有机质分解的土壤酶活性。这些效应的程度取决于Cu浓度、化学形态、土壤pH、有机质含量、暴露时长及所涉生物的敏感性。农业实践是Cu进入土壤及邻近水系统的重要途径。铜基杀菌剂与杀虫剂的重复施用可导致残留物在农业土壤中累积。长期Cu累积可导致土壤退化、植物毒害、微生物功能改变及土壤肥力下降。Cu污染土壤表现出团聚体稳定性降低，使其更易受侵蚀与压实，并可能增加Cu从污染土壤向地表水与地下水迁移的潜力。土壤动物可能对持续性Cu输入尤为敏感。杀菌剂施用带来的重复Cu输入可能对土壤动物（包括蚯蚓）产生不利影响，但其响应程度取决于Cu暴露、土壤条件及物种特异性敏感性。由于蚯蚓在土壤结构、有机质周转及养分循环中发挥重要作用，其减少可能进一步影响土壤功能。Cu污染还可直接影响植物生长与生产力。过量Cu浓度可抑制根系伸长、损害膜完整性、诱导氧化胁迫并干扰植物养分吸收，其严重程度取决于植物物种、Cu有效性及土壤条件。这些响应可降低植物生长与生产力，尤其当Cu暴露超过作物的耐受限度时。Cu与其他土壤组分的相互作用促成了这些效应。在土壤中，Cu可与有机质、黏土矿物及Fe、Al、Mn的水合氧化物强烈结合。此类相互作用可改变必需元素的分布与有效性，并可能降低其对植物吸收的有效性。同时，经污染土壤迁移的Cu可能对地下水质量构成风险。农业Cu污染的影响超出土壤过程与植物生产，因为Cu可通过污染作物及其他环境途径进入食物链。升高的Cu暴露与对人体健康的不利影响相关，包括对肝脏与肾脏的潜在影响。Wilson病患者（一种遗传性铜排泄障碍）对Cu摄入尤为敏感。然而，在许多条件下，与Cu相关的膳食健康风险被认为相对较低，因为Cu在人体内不会大量生物累积，且植物毒害效应可能发生在限制植物累积的浓度下。土壤污染及其对人体健康影响的评估需要对污染物浓度、环境有效性、暴露途径及潜在暴露人群特征进行综合评价。土壤相关健康风险可通过直接土壤接触、偶然摄入、污染粉尘吸入及食用污染土壤上种植的作物而产生。然而，污染物的存在本身并不能证明已发生有害暴露。因此，风险表征应将环境测量与污染物迁移及实际或估计暴露的证据相结合。风险评估需要考虑Cu浓度、化学形态、土壤性质、植物吸收、暴露途径及污染持续时间，而非仅考虑总Cu浓度。因此，理解Cu在农业土壤中的归趋、迁移性与生物有效性对于评估污染风险及选择适当管理策略至关重要。研究Cu行为的传统方法包括质量平衡计算与连续提取程序，可提供Cu在不同土壤组分间分布的信息。近年来，基于⁶⁵Cu/⁶³Cu比值的稳定Cu同位素分析已成为研究环境系统中人为Cu来源、归趋与迁移的补充方法。此类方法可改进Cu来源识别，并提供关于控制其环境行为过程的额外信息。农业土壤中Cu累积的日益增多促进了修复与风险削减策略的发展。当农业土壤与植物中出现过量Cu浓度时，降低Cu有效性与吸收对于维持安全作物生产具有重要意义。修复途径可根据污染强度、土壤特征、土地利用及经济考量采用原位或异位技术实施。在现有途径中，固定化与植物修复作为恢复Cu污染土壤及降低重金属相关环境风险的潜在有效方法受到相当关注。植物修复包括多种基于植物的策略，特别是植物提取与植物稳定。植物提取涉及种植能够吸收Cu并将其浓缩于可收获组织中的植物，随后将其从污染场地移除。该方法对中低水平污染土壤尤为有用，因为极高金属浓度可能限制植物生长并降低修复效率。使用耐金属或超富集植物可提高污染土壤Cu去除效率。相比之下，植物稳定旨在通过将金属保留或固定于土壤—根系系统而非从场地移除来降低Cu的迁移性与生物有效性。土壤改良剂是降低Cu迁移性与植物有效性的另一重要策略。黏土、碳酸盐、磷酸盐及铁氧化物等材料已被研究其稳定污染土壤中Cu的能力。这些改良剂可促进相对稳定的Cu碳酸盐与羟基氧化物的形成或沉淀，或促进Fe与Al羟基氧化物表面阴阳离子复合物的形成，从而降低可供植物吸收的Cu组分。此类途径的有效性取决于土壤特征、改良剂性质、Cu浓度与形态及环境条件。因此，修复应在土壤化学、生物过程、作物生产及长期环境可持续性的更广泛背景下加以考虑。若干综述文章此前已考察农业土壤污染，而其他综述则专门聚焦于土壤或植物中的Cu。这些出版物为土壤污染及Cu的环境行为与生物效应提供了重要背景。然而，其主题范围与本综述不同。针对农业土壤污染的综述提供了污染物来源与影响的更广泛视角，而专门聚焦土壤或植物中Cu的研究则涉及其赋存、行为或生物效应的特定方面。本综述在这些贡献基础上，专门考察农业土壤中的Cu污染，并将其来源与累积途径同土壤地球化学过程、迁移性与生物有效性、对土壤生物与植物的影响、对水质与农业生产力的影响及修复选项相结合。特别关注Cu输入、土壤性质、生物响应与修复有效性之间的关系，以及持续性Cu累积对长期农业可持续性的影响。这一综合视角旨在通过将Cu的环境行为与其生态后果及污染农业土壤的实际管理相联系，补充既有综述。因此，本综述旨在对农业土壤Cu污染提供综合评价，特别强调：(i) Cu累积的主要自然与人为来源及途径；(ii) Cu在农业土壤中的赋存、形态、迁移性与生物有效性；(iii) Cu污染对土壤性质、微生物、土壤动物、植物及水质的影响；(iv) 对农业生产力和环境与人类健康的潜在影响；(v) 当前原位与异位修复途径，包括固定化、植物修复、植物提取、植物稳定及土壤改良剂；(vi) 可持续管理Cu污染农业土壤的新兴途径与研究优先方向。通过整合这些方面，本综述力求识别控制农业系统中Cu持久性与风险的主要机制，并突出未来研究与修复实践的有前景方向。

**2. Materials and Methods**

本综述采用混合方法，将系统文献计量分析与定性主题综合相结合，以考察关于农业土壤铜（Cu）污染的科学文献。方法学框架旨在识别与农业生态系统中Cu累积、迁移性、毒性与管理相关的出版趋势、研究热点、地理格局、主要科学进展及新兴研究主题，同时确保透明度与可重复性。

**2.1. Bibliometric Assessment**

**2.1.1. Literature Search Strategy**

采用两个国际公认的科学数据库进行系统文献检索：Scopus及通过Web of Science（WoS）平台获取的科学引文索引扩展版（SCI-Expanded）。选择这些数据库是因其在环境科学、土壤科学、农业科学、生态毒理学、污染研究及可持续土地管理领域的同行评审文献覆盖广泛。检索聚焦于探讨农业土壤中铜污染、累积及环境影响的出版物。核心检索词包括"copper pollution""copper contamination""copper accumulation"与"agricultural soils"的组合。为拓宽范围并捕获相关研究，附加关键词包括铜毒性、重金属、痕量金属、土壤污染、金属迁移性、土壤—植物相互作用、作物吸收、植物毒性、生物有效性、土壤修复、风险评估、农业生态系统及可持续管理实践。文献检索与研究选择过程遵循系统综述与荟萃分析优先报告条目（PRISMA）2020框架。检索在Scopus及通过Web of Science（WoS）平台的科学引文索引扩展版（SCI-Expanded）中进行，检索完成于2026年5月20日。检索时未施加出版年份限制，因此检索覆盖所选数据库截至检索结束日期索引的所有记录。工作流程示意图中显示的时间区间代表出版物按出版年份的分布，用于描述性分析而非作为合格性限制。数据库特异性检索式报告于第2.1.2节以便重复。检索于2026年5月20日进行，无出版年份限制，使用Scopus与Web of Science核心合集（SCI-Expanded）。初步检索在去重前从Scopus检索到624条记录，从WoS SCI-Expanded检索到353条记录。由于部分宽泛检索词可能检索到提及金属但未专门研究铜的记录，主题相关性在标题与摘要筛选中评估，并随后通过全文评估核实。

**2.1.2. Search Syntax**

为便于重复，下文提供两个数据库中使用的确切检索式。检索于2026年5月20日进行，检索阶段无出版年份限制或附加文献类型筛选。Scopus（高级检索；TITLE-ABS-KEY字段）：TITLE-ABS-KEY (("agricultural soil*" OR cropland* OR farmland* OR "cultivated soil*" OR "agricultural land*") AND ("copper pollution" OR "copper contamination" OR "copper accumulation" OR "copper content" OR "copper concentration" OR "Cu concentration" OR "copper toxicity" OR "copper bioavailability" OR "copper mobility" OR "copper remediation"))。Web of Science核心合集—SCI-Expanded（高级检索；Topic字段）：TS = (("agricultural soil*" OR cropland* OR farmland* OR "cultivated soil*" OR "agricultural land*") AND ("copper pollution" OR "copper contamination" OR "copper accumulation" OR "copper content" OR "copper concentration" OR "Cu concentration" OR "copper toxicity" OR "copper bioavailability" OR "copper mobility" OR "copper remediation"))。检索式经协调以在两个数据库间使用等效概念与布尔逻辑，并采用数据库特异性字段语法。检索词明确将农业土壤情境与铜特异性概念相结合，以减少检索到涉及无关金属污染的记录。适当使用通配符以捕获词汇变体。检索在去重前从Scopus检索到624条记录，从WoS SCI-Expanded检索到353条记录。记录导出以供后续去重、筛选、合格性评估及文献计量处理。尽管检索策略旨在识别专门探讨农业土壤中铜的研究，个别记录的相关性在筛选与全文评估中予以确认。检索直接在相应数据库平台使用上述字段与布尔运算符执行。检索日期、数据库覆盖范围、所施筛选及检索记录数均已为每个数据库记录。检索结果从Scopus与WoS核心合集导出以供后续筛选、去重及文献计量处理。未施加出版年份筛选。由于宽泛的金属相关术语可能检索到铜非主要研究对象的文献，主题相关性在标题与摘要筛选中确立并在全文评估中核实。为便于重复，最终检索日期及去重前从各数据库检索的记录数应报告如下：Scopus n = 624；WoS SCI-Expanded n = 353。

**2.1.3. Search Limits and Eligibility**

数据库检索时未施加出版年份限制。检索包括Scopus与WoS核心合集（SCI-Expanded）截至2026年5月20日索引的记录。考虑英文撰写的出版物。合格出版物类型包括同行评审研究论文、综述论文、会议论文及能够确立出版物类型、同行评审状态与主题相关性的书籍章节。会议摘要仅在符合预设出版物类型与同行评审要求时被视为合格。社论、学位论文及其他非同行评审出版物被排除。合格性根据出版物类型、语言、方法透明度及与农业土壤铜污染的相关性确定。当研究探讨农业土壤或陆生耕作系统中铜的来源、累积、分布、迁移性、生物有效性、毒性、作物吸收、生态风险或修复时，视为相关。仅附带提及铜或未实质性研究农业土壤中铜相关过程的记录被排除。

**2.1.4. Data Cleaning and De-Duplication**

通过两阶段程序去除重复记录。首先，使用Microsoft Excel基于数字对象标识符（DOIs）与精确标题对应进行自动匹配。其次，进行人工核实以解决与缺失DOI、作者姓名变体或轻微标题差异相关的不一致。随后核实元数据质量，包括出版标题、摘要、作者姓名、机构隶属、出版年份、期刊标题、关键词及研究类别。应用标准化程序以统一作者与机构名称，提高后续文献计量分析的一致性。从两个数据库检索的记录数、去除的重复记录数及保留供筛选的独特记录数分别记录。重复识别基于DOI匹配与精确标题匹配，随后在出现差异时进行人工核实。所有清理与去重决策记录于Microsoft Excel以维持选择过程的可审计记录。最终计数转移至PRISMA 2020流程图（Figure 1）。

**2.1.5. Selection Criteria and Screening Procedure**

研究选择遵循两阶段：标题与摘要筛选，随后全文评估。两名评审员根据预定义合格标准独立筛选标题与摘要。任一评审员认为潜在相关的记录进入全文评估。全文由两名评审员独立评估。分歧通过讨论解决，必要时咨询第三名评审员。纳入标准：符合第2.1.3节规定出版物类型要求的同行评审研究论文与综述论文，以及会议论文与书籍章节；英文撰写的出版物；研究农业土壤中铜污染、污染、累积或分布的研究；探讨铜来源、环境行为、土壤化学、生物有效性、毒性、作物吸收、生态风险或修复策略的研究；提供足够信息以确立其相关性并支持预期综合的出版物。排除标准：非同行评审出版物及合格标准之外的出版物类型；与农业土壤或陆生耕作系统无关的研究；仅聚焦工业、水生或其他非农业环境中铜的研究；铜仅被附带提及且非实质性研究重点的研究；无法获取全文的记录；缺乏足够信息以确定合格性或支持有意义解释的出版物。筛选决策与排除原因记录于Microsoft Excel。评审员间一致性采用百分比一致性评估。在全文阶段，排除原因使用以下类别记录：(A) 超出范围；(B) 非同行评审或不合格出版物类型；(C) 相关信