农田土壤重金属污染直接危及到生态安全、食品 安全和人体健康^{[1, 2]}。农田土壤重金属输入源有多个， 不同区域和不同种植体系存在明显差异。研究表明， 英格兰和威尔士农田土壤重金属输入源包括大气沉 降、污泥、畜禽粪、无机肥、农药、灌溉水、工业废弃物 以及固废堆肥，大气沉降对重金属贡献率占总输入量 的25%~85%之间，畜禽粪对Zn 的贡献率达37%~ 40%^[3]。对我国农田中重金属来源的总体研究表明， As、Cr、Hg、Ni 和Pb 的总输入量中，大气沉降贡献率 占43%~85% ；对于Cd、Cu 、Zn ，畜禽粪贡献率分别约为55%、69%、51%^[4]。

目前国内外关于土壤中重金属积累的研究很多， 但多是基于某一特定输入情景下的结果，缺乏综合各 输入输出情景下的研究结果。华北平原是我国的小 麦、玉米重要主产区之一，2013 年，华北地区粮食产 量约占全国粮食总产量的12.83%^[5]，其在我国粮食生 产和农产品质量安全方面占有举足轻重的地位。冬小 麦-夏玉米轮作体系是华北平原主要的粮食作物轮作 方式。保障我国华北农田生态安全和农业可持续发 展，对我国粮食安全和农产品质量安全非常重要。但 目前关于土壤重金属污染研究以针对我国南方稻田 较多，对于我国华北农田土壤重金属的输入格局以及 基于此特定区域的输入、输出预测本区域土壤重金属 累积速率特征的研究还不够。因此，本文通过文献查 阅和实地采样分析，建立针对我国华北农田土壤重金 属输入、输出数据库，分析研究华北农田土壤不同重 金属的输入源及比例，通过平衡模型计算不同情景下 土壤不同重金属累积速率并分析其积累特征，以求了 解本区域农田土壤不同重金属积累特征，为该区域农 业可持续发展制定合理的农田土壤重金属污染源头 控制技术措施提供依据。 1 材料与方法 1.1 华北农田土壤重金属输入、输出数据库建立的条件和方法

华北农田小麦-玉米轮作体系下，土壤重金属输 入源主要包括：大气沉降、畜禽粪便有机肥、磷肥和灌 溉水。输出源包括：玉米和小麦的收获。本研究体系不 包含污灌区、工矿区周围农田和施用污泥等固废的特 殊区域农田。另外，由于小麦-玉米轮作体系下农药用 量相对较少，输入源中忽略农药对土壤重金属的输入。

数据库的建立是通过2 种方法：一是查阅文献， 文献来源是以中国知网文献数据库为主，以万方数据 库为辅，文献数据时间点为近10年的数据；二是通过 实地采样分析获得。对于经由文献获得的数据，在数 据统计过程中，以文献中的一个取样点为一个样本， 如果文献中为统计结果且未列出样本量的均按一个 样本进行统计；对于实地调查采样获得的数据，在数 据统计过程中，以一个取样点为一个样本。文献筛选 的原则是采样点为非工矿企业等污染源周围，无污水 灌溉，不使用污泥等固废。

有机肥在我国传统农业中是极为重要的一个环 节，2001—2007 年间，中国农科院农业资源与农业区 划研究所在东北、华北地区作了大量农户调查，结果 显示有机肥在一季作物或一个小麦-玉米轮作周期中 一次性基施现象比较普遍^[6]。有机肥的种类很多，其中 最大项是畜禽粪尿和作物秸秆^[7]。畜禽粪便有机肥中 重金属含量数据库包含2000年后的文献数据和采样 数据，采样的范围包括我国山东、河北、北京、河南等 省（市），畜禽粪便有机肥采样数为125 个，华北区施 用的畜禽粪便主要是猪粪和鸡粪；磷肥中重金属元素 含量数据库为本课题组采集的159 个含磷肥料样品， 采集的肥料样品均为市售且使用普遍的品种，包括国 产和进口；大气沉降数据为Luo 等^[4]的大气沉降输入 重金属的文献数据，8 种重金属的样本量均为大样 本；华北地区灌溉用水约有64%以上来自地下水^[8]， 本文以地下水作为农田灌溉水的主要来源。地下水重 金属含量数据库、小麦和玉米子粒中重金属含量数据 库均从文献中获得。磷肥、有机肥的施用量参照文献 ^[9]数据、灌水量参照文献^[10]数据，小麦和玉米的产 量依据文献^[11]统计数据。具体数据见表 1中土壤重 金属输入输出源的用量或产量。

表 1 华北农田小麦-玉米轮作体系施肥量、灌溉用水量和作物产量（kg·hm^-2·a^-1） Table 1 The application amount of fertilizer and the yield of wheat and corn（kg·hm^-2·a^-1）

表选项

华北农田土壤重金属主要来源包括四部分：畜禽 粪便、磷肥、灌溉水和大气沉降。对数据库中不同来源 数据统计分析内容包括：样本数，数据分布类型，重金 属含量的5%、10%、25%、50%、75%、90%、95%的分位 值。在计算土壤重金属各来源输入量和比例时，根据 数据的分布用均值或中位值。如果数据服从正态分 布，则采用算数平均值；如果数据服从对数正态分布， 则采用几何平均值；如果数据统计结果既不服从正态 分布也不服从对数正态分布（即偏态分布），则采用中 位值（50%分位值）。目前农田土壤重金属大气沉降通 量的数据较少，而对城郊或者城市重金属大气沉降通量研究较多，而Luo 等^[4]的重金属大气沉降通量数据 多来源于城郊或者城市，通过对比Luo 等^[4]的数据与 其他文献中的重金属大气沉降通量，在计算我国华北 小麦-玉米轮作体系农田土壤重金属累积速率时，大 气沉降带入重金属量使用该数据库中的最小值。通过 各输入源中的重金属含量、用量或是沉降量计算各输 入源向华北农田土壤中输入的重金属总量及不同源 占总输入量的百分比。 1.3 土壤重金属累积速率的计算方法

土壤重金属的累积量=输入总量原输出总量，重 金属元素每年向土壤中的净输入量用A 表示，输入 总量用I_Total表示，输出总量用O_Total表示，三者的单位 均为g·hm^-2·a^-1。

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上述6项的单位均为g·hm^-2·a^-1。

土壤中重金属的累积速率用a表示，

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具体计算如下：

按照农田耕层厚度为20 cm，土壤容重为1.15 g· cm^-3，则：

a=（A×10³）mg/（10⁴×10 000 cm²×20 cm×1.15 g·cm^-3÷ 10³）kg·a^-1

因此简要表示为：a=A/2 300。 畜禽粪便有机肥、磷肥和灌溉水是农田土壤重金 属主要输入源，但不同田块所用畜禽粪便有机肥、磷肥和灌溉水中重金属含量存在差异，不论是输入源用 数据库中的中位值还是均值都不足以代表所有可能 出现的情况，因此本文在计算农田土壤重金属输入量 时，计算各种可能出现的情景，即有机肥、磷肥和灌溉 水3 种输入源重金属含量不同分位值下的各种组合 （7×7×7=343 个组合）与大气沉降共同作为输入；输出 项相对变幅较小，计算时用华北农田小麦和玉米子粒 重金属含量的中位值，产量依据《中国农业统计年鉴》 （2006—2010 年）统计数据的均值。华北小麦-玉米主 产区秸秆直接还田是主要方式，预计到2010 年，秸秆 还田达到70%以上^[12]，本研究设定秸秆全部还田。依 据输入、输出计算出华北农田土壤不同投入情景下重 金属累积速率，然后依据各种情景下土壤不同重金属 累积速率作出频率分布图。累积速率频率分布图的横 坐标代表重金属元素的累积速率a，纵坐标代表不同 累积速率出现的频率，用土壤重金属累积速率的频率 分布图表征华北农田土壤重金属积累特征。 2 结果与分析 2.1 华北农田小麦-玉米轮作体系下土壤重金属输入输出数据库特征

华北平原是我国的小麦、玉米主产区，农作物多 为一年两熟，以华北平原农田为研究对象，研究华北 平原农田土壤重金属输入输出所用到的主要参数为 大气重金属沉降量、畜禽粪便有机肥中重金属含量、 磷肥中重金属含量、华北地下水重金属含量、华北小 麦子粒重金属含量、华北玉米子粒重金属含量。通过 文献查阅和实地采样，建立的该区域畜禽粪便有机 肥、磷肥和灌溉水中重金属含量数据库及对数据库中 数据的统计分析分别见表 2~表 4。

表 2 华北农田所用畜禽粪有机肥中重金属含量百分位数值表（mg·kg^-1） Table 2 Concentration distribution of heavy metals in livestock manure（mg·kg^-1）

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表 3 华北农田所用磷肥（以P₂O₅计）中重金属含量百分位数值表（mg·kg^-1） Table 3 Concentration distribution of heavy metals in phosphorus fertilizer（P₂O₅，mg·kg^-1）

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表 4 华北地下水中重金属含量百分位数值表（μg·L^-1） Table 4 Concentration distribution of heavy metals in irrigation water of north China（μg·L^-1）

表选项

从表 2~表 4 中可以看出，本区域畜禽粪便有机 肥、磷肥和灌溉水中重金属含量变化范围较大，且数据分布较为分散，大多数数据呈偏态分布。对比我国 农业行业标准中有机肥料的标准（NY 525—2012），本 区域畜禽粪便有机肥中重金属含量数据库（表 2）中 As、Cd 的90%分位值和Cr 的95%分位值超过了NY 525—2012 标准中的限值，这表明本区域只有10%左 右的畜禽粪便有机肥As、Cd 超标。表 3 是本区域所 用磷肥（以P₂O₅ 计）中重金属含量数据库，比照肥料 中重金属含量国家标准GB/T 23349—2009，换算成 标准中以磷肥计的重金属含量，本区域98%的磷肥 重金属含量都不超标。由此可见，我国华北农田施用 的有机肥和磷肥大部分符合国家或行业标准。表 4 为 华北地下水中重金属含量数据库，从表 4 中可以看 出，不同重金属含量95%分位值全部符合我国农田灌 溉水质标准（GB 5084—2005）中的限值，表明本区域 地下水95%以上都符合我国农田灌溉水质标准要求。

本区域大气沉降输入^[4]和作物输出的小麦、玉米 子粒中重金属含量数据库分别见表 5、表 6。计算本区 域农田土壤重金属累积速率时用到的变量包括农田 中施用畜禽粪便、磷肥以及灌溉水的用量，华北农田 小麦和玉米的产量，数据见表 1。

表 5 华北农田土壤重金属大气沉降输入数据库表（g·hm^-2·a^-1） Table 5 Deposition input of heavy metals in farmland of north China（g·hm^-2·a^-1）

表选项

表 6 华北农田小麦和玉米子粒输出重金属数据库表（mg·kg^-1） Table 6 Content of heavy metals in wheat and corn of north China（mg·kg^-1）

表选项

表 7 是由各输入源中重金属含量的均值或中位 值和肥料年施用量计算出的华北农田小麦-玉米轮作 体系下土壤中各输入源输入的重金属年输入量和所 占总输入量的比例。从表 7 中可以看出，华北农田小 麦-玉米轮作体系下，土壤重金属的主要输入途径为 畜禽粪便有机肥和磷肥的施用，其次是大气沉降和灌溉水，不同重金属元素4 种输入途径的贡献比例差异 较大。土壤Cu、Zn、Cd、Ni、Pb、Cr 6种重金属元素的主 要输入源为畜禽粪便有机肥的施用，其占该元素总输 入量的比例分别为86.1%、83.8%、76.6%、72.5%、 64.3%和46.3%；土壤Hg、As 的主要输入源为磷肥， 其占总输入量的比例分别是52.6%和49.5%。大气沉 降输入到土壤中的Hg 占总输入量的21.7%，灌溉水 输入到土壤中As 占土壤总输入比例为29.8%。这表 明本体系和生产条件下，畜禽粪便和磷肥的施用是我 国华北农田土壤中重金属主要输入源。比较同一输入 源不同重金属元素的绝对输入量可以看出，各输入源 中Zn 的年绝对输入量都是最高的。

表 7 不同来源输入重金属所占比例 Table 7 The percentage of heavy metals amount of each input

表选项

华北农田小麦-玉米轮作体系下，依据土壤重金属 主要输入项磷肥、畜禽粪便有机肥和灌溉水重金属含 量不同分位值组合计算的土壤中重金属累积速率频 率分布见图 1。畜禽粪便有机肥、磷肥和灌溉水重金 属含量不同分位值的组合每个元素共有343 个组合， 累积分布频率表示横坐标各累积速率下的累积频率。

图 1 我国华北小麦-玉米轮作体系农田土壤中重金属累积速率的累积频率分析 Figure 1 Frequency distribution of annual accumulation of heavy metals in wheat-corn field system of north China

图选项

由图 1a看出，我国华北农田小麦-玉米轮作体系下 土壤Cd累积速率的中位值是0.002 38 mg·kg^-1·a^-1，其 累积速率集中分布在2个范围，即0.000 246~0.008 73 mg·kg^-1·a^-1 和0.019 0~0.212 mg·kg^-1·a^-1。由此可知， 华北平原50% 的农田土壤中Cd 的累积速率低于 0.002 38 mg·kg^-1·a^-1，80%的农田土壤中Cd 的累积速 率低于0.008 73 mg·kg^-1·a^-1，95%的农田土壤中Cd 的 累积速率低于0.019 8 mg·kg^-1·a^-1。

由图 1b 看出，我国华北农田小麦-玉米轮作体系 下土壤As 累积速率的中位值是0.029 8 mg·kg^-1·a^-1， 其累积速率分散分布在0.002 24~0.119 mg·kg^-1·a^-1范 围内，低于90%部分分布较均匀，高于90%分位部分 分布较分散。华北平原50%农田土壤中As的累积速 率低于0.029 8 mg·kg^-1·a^-1，80%的农田土壤中As 的 累积速率低于0.060 6 mg·kg^-1·a^-1，95%的农田土壤中 As的累积速率低于0.082 1 mg·kg^-1·a^-1。

由图 1c 看出，我国华北农田小麦-玉米轮作体系 下土壤Hg累积速率的中位值是0.001 09 mg·kg^-1·a^-1， 其累积速率集中分布在2 个范围：0.000 046~0.003 4 mg·kg^-1·a^-1，0.00865~0.010 1 mg·kg^-1·a^-1。华北平原50% 的农田土壤中Hg 的累积速率低于0.001 09 mg·kg^-1· a^-1，80%的农田土壤中Hg 的累积速率低于0.002 18 mg·kg^-1·a^-1，95%的农田土壤中Hg 的累积速率低于 0.008 87 mg·kg^-1·a^-1。

由图 1d 看出，我国华北农田小麦-玉米轮作体系 下土壤Pb 累积速率的中位值是0.050 7 mg·kg^-1·a^-1， 其累积速率分散分布在0.005 33~0.170 mg·kg^-1·a^-1范 围内，在高于90%分位的部分分布较稀疏。华北平原 50%的农田土壤中Pb 的累积速率低于0.050 7 mg·kg^-1·a^-1，80%的农田土壤中Pb的累积速率低于0.092 0 mg·kg^-1·a^-1，95%的农田土壤中Pb 的累积速率低于 0.132 mg·kg^-1·a^-1。

由图 1e 看出，我国华北农田小麦-玉米轮作体系 下土壤Cr 累积速率的中位值是0.050 2 mg·kg^-1·a^-1， 其累积速率分散分布在0.010 4~0.343 mg·kg^-1·a^-1 范 围内。华北平原50%的农田土壤中Cr 的累积速率低 于0.050 2 mg·kg^-1·a^-1，80%的农田土壤中Cr 的累积 速率低于0.091 8 mg·kg^-1·a^-1，95%的农田土壤中Cr 的累积速率低于0.264 mg·kg^-1·a^-1。

由图 1f 看出，我国华北农田小麦-玉米轮作体系 下土壤Cu 累积速率的中位值是0.110 mg·kg^-1·a^-1，集 中分布在2 个范围：0~0.408 mg·kg^-1·a^-1，0.889~1.31 mg·kg^-1·a^-1。华北平原50%的土壤中Cu 的累积速率 低于0.110 mg·kg^-1·a^-1，80%的农田土壤中Cu 的累积 速率低于0.918 mg·kg^-1·a^-1，95%的农田土壤中Cu 的 累积速率低于1.18 mg·kg^-1·a^-1。

由图 1g 看出，我国华北农田小麦-玉米轮作体系 下土壤Zn 累积速率的中位值是0.348 mg·kg^-1·a^-1，其 累积速率分散分布在0~2.00 mg·kg^-1·a^-1的范围内。可 知华北平原50%的土壤中Zn 的累积速率低于0.348 mg·kg^-1·a^-1，80%的农田土壤中Zn 的累积速率低于 1.11 mg·kg^-1·a^-1，95%的农田土壤中Zn 的累积速率低 于1.62 mg·kg^-1·a^-1。

由图 1h 看出，我国华北农田小麦-玉米轮作体系 下土壤Ni 累积速率的中位值是0.039 3 mg·kg^-1·a^-1， 其累积速率分散分布在0.009 81~0.112 mg·kg^-1·a^-1的 范围内。华北平原50%的土壤中Ni的累积速率低于 0.039 3 mg·kg^-1·a^-1，80%的农田土壤中Ni 的累积速率 低于0.060 3 mg·kg^-1·a^-1，95%的农田土壤中Ni 的累 积速率低于0.087 2 mg·kg^-1·a^-1。 3 讨论

农田土壤重金属被植物吸收后沿食物链进入人 体，威胁人类健康。同时，重金属污染还会导致土壤肥 力下降、农产品产量降低和作物品质下降^[57]。由于土 壤重金属污染有蓄积性、隐蔽性、不可逆性和长期性， 并且重金属在土壤中的迁移性差，土壤一旦被重金属 污染就会十分难治理，因此，了解我国不同区域农田 土壤不同种植体系下重金属输入的主要途径，通过技 术措施从源头上控制和减少重金属进入农田生态系 统，保护农产品的质量安全和农产品产地安全是非常 重要的手段。 3.1 华北农田土壤重金属来源比例

本文通过数据库计算的华北农田土壤重金属的 输入贡献顺序为：畜禽粪便>磷肥>灌溉水>大气沉 降，其中Cu、Zn、Cd 的来源比例与Yang 等^[58]对我国 东部地区部分温室蔬菜种植土壤的研究结果相似，即 畜禽粪便有机肥的施用是这3 种重金属元素的最大 来源，占总输入的50%以上。统计结果也表明，自然界 和人类活动向大气中排放Hg 逐年增加，对人类健康 造成威胁，大气沉降也成为土壤中Hg 的重要来源， 这与本文计算所得结论也相符合^{[59, 60]}；由于大气污染 的日益严峻，大气沉降也成为土壤中重金属的重要来 源，本文计算得出大气沉降对土壤Hg、Cr、Ni、Pb、Cd 总输入的贡献率在8%~22%范围内，输入元素种类与 Luo等^[4]对我国农田总体状况的研究结果基本一致， 但贡献率有所差异。另外，在化肥与灌溉水2 个来源 对土壤中重金属的相对贡献率大小上，本文与章明奎 等^[61]对绍兴平原的研究结果存在一定差异，这可能是 由于南北方施肥方式的差异以及环境质量的差异所 致。在现代畜禽集约化养殖业中，含重金属的饲料添 加剂广泛使用^{[62, 63]}，由于金属元素吸收比例低，大部分 重金属元素动物直接排出体内，导致重金属元素在动 物粪便中的含量提高，Kornegaye 等^[64]研究发现，进入 畜禽体内90%的Cu 元素将从粪便中排出。我国每年 使用重金属元素饲料添加剂为1.5×105~1.8×105 t ，由 于其生物利用率低，大约有10×105 t 未被利用而随粪 尿排出^{[65, 66, 67, 68, 69, 70]}。本文的数据结果表明，畜禽粪便对所研究 8 种重金属的输入总量占农田重金属总输入量的 19.6%~86.1%。磷肥的施用也是农田重金属的一个重 要来源，我国磷肥消费量居世界首位，约占世界磷肥 消费量的25%。2000—2005 年，磷肥产量年均递增 11.2%，表观消费量年均递增7.0%^[71]，华北地区重金 属输入源中磷肥的贡献率仅次于畜禽粪便为6.06%~ 52.6%。华北地区主要用地下水灌溉，地下水虽然比较 洁净，但是也含有一定量的重金属元素，本文数据中 灌溉水对土壤8 种重金属的贡献率范围为1.84%~ 29.8%，由于北方旱作灌溉水量大，其向农田中带入的 重金属也不容忽视。许多工业发达国家，大气沉降对 土壤系统中重金属累积贡献率在各种外源输入因子 中排在首位^[72]，大气污染越严重的地区由大气沉降输 入土壤的重金属累积量越多。而本文的数据结果表 明，大气沉降对所研究8 种重金属的贡献率范围为 1.05%~21.7%，这是由于我国小麦-玉米轮作体系农 田与蔬菜地不同，一般相对离城市较远，其大气沉降量占的比例相对较少。华北农田土壤重金属主要来源 于畜禽粪便和磷肥的施用，因此源头控制的有效措施 是合理施用肥料和严格控制肥料中重金属含量。 3.2 关于华北农田土壤重金属累积速率

畜禽粪便和磷肥中重金属含量数据库表明，我国 华北农田施用的畜禽粪便有机肥和磷肥中重金属的 含量绝大部分没有超过国家标准的限定值，但若长期 大量施用导致的土壤中重金属不断累积仍然会对人 类健康造成很大威胁。本文中计算的各元素累积速率 大小（中位值）的顺序为：Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>As>Cd>Hg。 Hu 等^[73]通过元素平衡法对南京郊区蔬菜地重金属的 来源比例与累积速率的研究也得到相似结论，长期大 量的施用有机肥是土壤表层重金属累积的主要原因， Cu、Zn的累积量大于Cd、Pb。但是由于不同元素的危 害程度有所差异，评价各元素的潜在危害应参照我国 土壤环境质量标准。如果依然延续现在的种植体系和 施肥方式，按照各重金属元素累积速率的中位值计算 可知，华北农田土壤中的重金属元素中容易超标的是 Cd、Cr、Ni，其中Cd 最易超标，按此累积速率42 年后 就会超过土壤环境质量II 级标准（pH 6.5~7.5）的限 值，经过168 年的累积会超过土壤环境质量II 级标 准（pH>7.5）的限值；Cr 含量经过220 年就会超过土 壤环境质量II 级标准（pH 6.5~7.5）的限值，经过319 年的累积会超过土壤环境质量II 级标准（pH>7.5）的 限值；Ni 含量经过255 年就会超过土壤环境质量II 级标准（pH 6.5~7.5）的限值，经过509 年的累积会超 过土壤环境质量II 级标准（pH>7.5）的限值。而土壤 中Pb 最不容易超过土壤环境质量II 级标准。根据本 文统计的数据显示，Cd、Cr、Ni 的最大输入源均为畜 禽粪便有机肥的施用。因此，控制农田土壤污染的关 键是畜禽粪便有机肥的合理施用和严格控制所施用 的畜禽粪便有机肥中的重金属含量。 4 结论

（1）我国华北农田小麦-玉米轮作体系，地下水灌 溉和秸秆还田条件下，土壤Cu、Zn、Cd、Ni、Pb、Cr 6种 重金属元素的主要输入源为畜禽粪便有机肥，其占该 元素总输入量的比例分别是86.1%、83.8%、76.6%、 72.5%、64.3%和46.3%；土壤Hg、As 的主要输入源为 磷肥，其占总输入量的比例分别是52.6%和49.5%。 灌溉水也是As 的重要输入源，占总输入量的29.8%， 大气沉降占Hg 总输入量的21.7%。

（2）我国华北农田小麦-玉米轮作体系，地下水灌 溉和秸秆还田条件下，土壤各重金属元素的累积速率 的中位值分别为：Cd 0.002 38 mg·kg^-1·a^-1，As 0.029 8 mg·kg^-1·a^-1，Hg 0.001 09 mg·kg^-1·a^-1，Pb 0.050 7 mg·kg^-1· a^-1，Cr 0.050 2 mg·kg^-1·a^-1，Cu 0.110 mg·kg^-1·a^-1，Zn 0.348 mg·kg^-1·a^-1，Ni 0.039 3 mg·kg^-1·a^-1。在这8 种元 素中，相对我国土壤环境质量标准限值，Cd、Cr、Ni 最 容易超标，在土壤重金属污染防治中应重点关注。