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土壤环境质量研究的回顾和展望

第28卷第1期

2009年 2月

四 川 环 境

SI CHUAN ENV I RONMENT

Vol 128,No 11February 2009

?综 述?

收稿日期:2008209202

作者简介:刘冬梅(1983-),女,成都人,现为四川大学环境科学

与工程系2006级硕士研究生,研究方向为环境生态学。

土壤环境质量研究的回顾和展望

刘冬梅1

,孙 辉1

,方自力

2

(1.四川大学环境科学与工程系,成都 610065;2.四川省环境保护科学研究院,成都 610041)

摘要:土壤环境质量作为土壤质量的重要组成部分之一,是表征土壤容纳、吸收和降解各种环境污染物的能力。目前

对土壤环境质量定义尚无统一的意见,陈怀满教授给出了土壤环境质量的参考定义,指出土壤环境质量是在一定的时间和空间范围内,土壤自身性状对其持续利用和其他环境要素,特别是对人类或其他生物的生存、繁衍以及社会经济发展的适宜性。本文从土壤污染、环境容量、污染物迁移转化、生态安全以及修复技术等角度回顾了国内外土壤环境质量的研究内容。对今后土壤环境质量的发展趋势进行了展望,指出土壤环境质量在我国的研究和应用还比较薄弱,在土壤持续污染物防治、土壤污染风险评价等方面急需加强。随着我国环境形势日益严峻,土壤环境污染机理及其防治也提上议事日程,土壤环境质量的研究和应用对于我国的农业安全、食品安全、生态安全都具有极为重要的理论和现实意义。

关 键 词:土壤环境质量;土壤污染;土壤环境容量;土壤质量

中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:100123644(2009)0120073205

Retrospect and Prospect on Research of So il Env i ronm en t a l Qua lity

L IU Dong 2mei 1

,S UN Hui 1

,F ANG Zi 2li

2

(1.D epart m ent of Environm ental Science &Engineering,S ichuan U niversity,Chengdu 610065,China;

2.S ichuan Institute of Environm ental Protection,Chengdu 610041,China )

Abstract:A s an i m portant part of s oil quality,s oil envir on mental quality indicates the capacity t o contain,abs orb and degrade

envir on mental pollutants .A s far there is no ad m itted definiti on of s oil envir on mental quality .A s a reference,D r .Chen has p r oposed that S oil Envir on mental Quality meant adap tability of the s oil,within a certain ti m e horizon and s patial di m ensi on based on its natural p r operty f or its sustainable utilizati on and concerned envir onmental fact ors affecting the survival and rep r oducti on of hu man and other living being as well as the devel opment of s ocial economy .This article revie ws the studies at home and abr oad on s oil envir on mental quality fr om the res pects of the s oil polluti on,envir on mental capacity,transference and conversi on of contam inants,ecol ogical security and re mediati on technol ogy .Besides,the future researches are p r os pected .

It is pointed out

that,in China,the work of researches on s oil envir on mental quality is still poor .Es pecially it needs urgent strengthening of sustaining pollutants p reventi on and risk assess ment of s oil polluti on .W ith the increasing s oil polluti on in China,the research and app licati on on s oil envir on mental quality will be very i m portant on agricultural security,food security,and ecol ogical security theoretically and p ractically .

Keywords:Soil envir on mental quality;s oil polluti on;s oil envir on mental capacity;s oil quality

1 前 言

近20年来,国际土壤学和环境科学越来越重

视从环境和健康的角度开拓土壤科学研究的新领域,先后于1991年和1992年召开了土壤质量问题学术讨论会,并于1994年正式出版了《Defining Soil Quality for a Sustainable Envir onment 》一书,使

土壤环境质量研究开始成为现代土壤学和环境科学发展的前沿

[1]

。Doran 和Parkin 首次从生产力、环

境质量、动物健康三个角度对土壤质量做了概括,

认为土壤质量是“在特定的生态系统和土地利用方式下,维持土壤基本功能的能力和保持土壤生物的繁殖、环境质量和促进动植物以及人类健康的能力”[2],澄清了以往对于土壤功能的单一认识,并开始关注土壤质量与环境质量之间的相互作用。赵其国院士率先将“土壤质量”方面的研究引入我国,根据我国的科学实践丰富和补充了土壤质量的定义,并特别关注土壤在维持生态系统和动植物健康以及不发生其他环境问题的能力[3],强调了土壤系统与环境质量的密切关系。随着土壤环境污染问题的日益突出,深入研究和探索土壤环境质量已经成为必然,而且十分迫切。

目前,在土壤环境质量定义方面尚无统一的意见,陈怀满等给出了土壤环境质量的参考定义,指出土壤环境质量是在一定的时间和空间范围内,土壤自身性状对其持续利用和其他环境要素,特别是对人类或其他生物的生存、繁衍以及社会经济发展的适宜性[4]。土壤环境质量作为土壤质量的重要组成部分之一,是表征土壤容纳、吸收和降解各种环境污染物的能力,它一方面依赖于土壤在自然成土过程中所形成的固有的环境条件和与环境质量有关的元素或化合物的组成与含量,另一方面又直接受人类活动的影响,并能作为次生污染源影响区域大气、水环境质量。土壤环境的特殊物质组成、结构及空间位置,使得土壤具有缓冲性、净化性等重要的客观属性,这使土壤在稳定和保护人类生存环境中起着极为重要的作用,因此在某种程度上说土壤环境质量对于人类生存发展的意义并不亚于土壤肥力。

伴随着经济的不断加速发展,土壤承受着由重金属、持久性有机污染物等所带来的前所未有的压力,由土壤污染引发的农产品安全和人体健康事件更是时有发生,土壤污染问题已成为影响农业生产、人类健康和社会稳定的重要因素,回顾土壤环境质量研究的内容,评述其进展,展望其发展趋势,对于我国的农业安全、食品安全、生态安全都具有极为重要的理论和现实意义。

2 土壤环境质量研究的内容

211 土壤污染现状调查

土壤污染是人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度引起土壤环境质量恶化,并影响土壤利用功能的现象。土壤作为开放的缓冲物质体系,同外界进行物质和能量的交换,被认为是地球上各种人为的和自然的污染物的汇集,承担着环境中大约90%的污染物质[5]。土壤污染很难恢复,即使有机污染物能被降解,但一般也需要经过很长时间。

21111 重金属污染状况

重金属对土壤的污染具有隐蔽性、滞后性和累积性等特点。受土壤物理化学吸附、化学吸附和生物富集等因素的影响,土壤重金属超过土壤环境容量,污染将在很长时间内难以消除。土壤中的重金属一方面影响土壤养分转化等生化过程和平衡,降低土壤的生物学功能,另一方面影响植物的生理生态活动,降低植物的产量和品质,并通过食物链影响人类的健康。

目前世界各国土壤都存在不同程度的重金属污染,全世界平均每年排放Hg约115×104t,Cu为340×104t,Pb为500×104t,Mn为1500×104t,N i为100×104t。一些国家如英国、美国、瑞典、加拿大、澳大利亚等土壤中重金属Cd、Pb、Cu、Zn浓度与欧共体推荐的最大量相比都出现了不同程度的污染。据农业部环境监测系统近年的调查,我国24个省市城郊、污水灌溉区、工矿等经济发展较快地区的320个重点污染区中,污染超标的大田农作物种植面积为6016×104hm2,占调查总面积的20%,其中重金属含量超标的农作物种植面积约占污染物超标农作物种植面积的80%以上,尤其是Pb、Cd、Hg、Cu及其复合污染最为突出。

21112 有机污染状况

与重金属污染相比,有机物对土壤污染也不容忽视。常见土壤有机物污染物主要为有机农药类、多环芳烃(P AH s)、多氯联苯(PCB s)、二噁英(PCDD/PCDFs)以及石油类等,通过人类活动直接或者间接进入土壤,最终在土壤环境中累积、转化和迁移,危及土壤生态系统、地表水系统和地下水系统,并通过农作物和农产品威胁人类和动物健康。

目前,我国受有机污染物(农药、石油烃和P AH s)污染的农田土壤达316×107h m2,其中农药污染面积约116×107hm2,主要农产品的农药残留超标率高达16%~20%。因油田开采造成的严重石油污染土地面积达1×104h m2,石油炼化业也使大面积土地受到污染,在沈抚石油污水灌区,表层和底层土壤多环芳烃含量有的超过600mg/kg,造成农作物和地下水的严重污染[6]。随着城市化和工业化进程的加快,城市和工业区附近的土壤有机污染也日益加剧,在对天津市区和郊区土壤中10种P AH s的调查结果表明,市区土壤中P AH s含

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量超标,其中二环萘的超标程度最严重,强致癌物质苯并芘的超标情况也不容乐观[7]。

212 土壤环境容量

21211 土壤环境容量理论

土壤环境容量,又称为土壤对污染物的临界负荷,对它的研究可获取土壤可持续发展质量指标,是实现土壤可持续管理的有效途径[8]。伴随着对土壤重金属和持久性有机污染物的深入研究,环境容量这个概念已用于土壤污染的预防和控制。欧洲效应研究工作组及效应研究合作中心制定了土壤重金属和P OPs临界负荷的计算导则,并认为“土壤重金属或P OPs临界负荷”为“对人体健康或生态系统结构和功能不产生有害效应时土壤所能承受的最大污染物总输入率(大气沉降、化肥、其他人为输入源)”[9]。

土壤环境容量研究是一类具有重要理论和实际意义的应用基础研究,构建临界负荷估算模型是研究土壤环境容量的重要方法。按照土壤环境容量的定义,模型应该能够描述土壤的污染动态特征以及土壤环境生态因子和土壤污染动态的关系。目前这方面的模型主要有两种,即基于效应的质量平衡模型[8]和恒静态方法,这两种平衡模型的主要不同点在于空间规模(田块、农场、区域和国家)、时间规模(静态或动态)以及相关有效的模型数据库。事实上模型的选择与构建务必依实际情况、具体要求和研究目标来确定。

21212 土壤环境容量应用

土壤环境容量不仅能指示生态系统污染物的含量,预防污染物的人为输入,同时也具有指示生态系统潜在风险的作用,可用于制定土壤环境质量标准,区域性污灌水质标准,控制污染物排放总量,指示和评价土壤污染风险以及指导场地管理等。日本从防止重金属对人体的毒性和水稻的危害出发建立了水稻中镉、铜和砷的最大允许值;美国用农业土壤最大忍受浓度表示土壤对污染物的允许容纳量;德国根据土壤的理化性质与吸附性能研究了重金属的化学容量与渗透容纳量;澳大利亚用土壤中有毒元素最大允许量(kg/ha)等表示土壤对污染物的允许容纳量[10]。我国“七五”期间将土壤环境容量研究列入了国家科技攻关项目,在此基础上制订了土壤镉、汞、砷、铅、铬和铜标准。

213 污染物在土壤中迁移转化过程与机理

21311 重金属的迁移和转化

重金属元素在土壤中的迁移转化是重金属对土壤环境造成污染的必要途径,认识和研究土壤中重金属污染的行为是保护土壤环境可持续发展的主要课题之一。近年来,核磁共振、等离子质谱等现代分析技术的运用,土壤重金属形态及行为的研究得到了快速发展。重金属在物理、化学、生物作用下,经过吸附解吸、溶解沉淀、氧化还原、络合、质子化等生物地球化学行为,在土壤内部及其环境之间发生迁移转化。研究表明土壤中重金属对食物链和水体的污染都与重金属在土壤中的形态有关,不同形态的重金属被释放的难易程度不同,其在土壤中的迁移难易程度差异也较大。可交换态的重金属在中性条件下最为活跃,易被释放,也容易发生反应转化为其它形态;而残渣态的重金属与沉积物结合最牢固,活性最小,只能通过漫长的风化过程释放。有研究表明,一般情况下在旱作农田中,重金属向下迁移的深度大约在20~60c m,在成熟度高、分层性好、地表有机质与重金属含量相对丰富的土壤中,重金属能迁移至地表下60~100c m 处[11]。

21312 有机污染物的迁移和转化

多氯联苯(PCB s)、多环芳烃(P AH s)和多氯代二噁英(PCDD/PCDFs)等难降解有机污染是近年来最引人关注的几种典型污染物,其在土壤环境中的迁移转化是研究的热点。

土壤是PCB s在环境中的重要归宿[12],Stuart &Harrad对英国的土壤、淡水、海水、沉积物、牧草等介质中PCB s的含量、来源、分布、迁移、归宿等环境行为进行了研究,发现残留于环境中的PCB s其中9311%都留存在土壤中[13]。土壤中的PCB s很难随滤过的水渗漏出来,特别是在含粘土高的土壤中,有研究表明PCB s在土壤中的迁移性很弱,并且随着土壤深度的增加PCB s含量迅速降低[14]。

P AH s在土壤中可以被土壤吸附、迁移以及被微生物所降解。P AH s进入土壤后,根据土壤的水文特征可由液态迁移引发下层土壤污染和溶进地下水,有研究表明P AH s的垂直分布特征为距土壤表面15c m以上浓度最大,20c m以下浓度较小[15]。

PCDD/PCDFs进入土壤后可通过微生物分解、光降解、挥发、作物蒸腾作用、淋溶等途径损失降解。有研究表明PCDD/PCDFs最初的移动取决于载体溶剂的体积及其粘性、土壤的孔隙度、PCDD/ PCDFs在载体与土壤间的分配系数[16]。有学者在研究被木材防腐油污染的土壤中发现PC DD/PC DFs可

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1期 刘冬梅等:土壤环境质量研究的回顾和展望

能存在于油相饱和的地下土层,在没有油相的地方,PCDD/PCDFs很易分布在土壤表面,而且不能被水溶液浸出[17]。

214 土壤污染对人体健康和生态系统的效应土壤处于大气圈、岩石圈、水圈和生物圈之间的过渡地带,是联系有机界和无机界的中心环节。随着经济快速发展和人类活动加剧,土壤污染日益严重,受污染的土壤系统会向环境输出物质和能量,引起大气和水体的二次污染,同时污染物质影响农作物的产量和品质,并通过食物链、饮水、呼吸或直接接触等多种途径危害动物和人类的身体健康。

21411 土壤污染对人体健康的影响

目前土壤污染对人体健康的影响已受到越来越多的关注[18]。土壤中污染物主要是通过食物链富集、饮水、呼吸或直接接触等途径危害人类的身体健康,其中食物链是最重要的影响途径。当前中国很多菜地土壤已受到了不同程度的重金属污染,蔬菜中重金属含量普遍超标,给人体健康带来了极大的威胁。研究表明,Pb、Cd、Zn等重金属进入人体后会损坏内脏器官,干扰正常代谢,并使细胞组织发生癌变或突变。同时,进入土壤的持久性有机污染物随着食物链进入人体,在人体内脏器官中富集,干扰机体内分泌系统的功能,导致人体的内分泌系统、免疫系统、神经系统等出现异常,产生各种毒效应。

21412 土壤污染对生态安全的影响

土壤污染对生态系统的影响主要表现在土壤中的污染物可以通过径流和淋洗作用进入水体,污染地表水和地下水,或者是在风的作用下以扬尘进入大气环境。据报道,全世界施用于土壤的肥料的30%~50%会经淋溶作用进入地下水中,使地下水受到硝酸态氮的污染;部分有机污染物和Hg等则多以气态或甲基化形式挥发进入大气环境,通过核探针研究大气颗粒物的指纹特征,表明上海市大气颗粒物中大约有31%来自土壤扬尘[19]。

其次,土壤中的污染物会影响土壤微生物的生长繁殖以及新陈代谢过程[20],导致土壤微生物群落,土壤酶活性,土壤代谢和生化过程等正常生理生态功能失调,农作物产量和品质下降[21]。当前农田土壤污染是导致农产品品质不良的重要根源,赵其国院士认为,“只有保证了‘净土’、才能保证‘洁食’,才能保证人类生命的健康与安全,我国应该刻不容缓地对待和解决我国当前面临的土壤与环境污染问题”。

215 污染土壤的修复技术

污染土壤的修复治理一直是国际上的难点与热点研究课题。近年来开发的污染土壤治理方法主要有物理法、化学法和植物修复等,其中物理和化学方法对土壤生态破坏性很大,而植物修复技术具有成本低、处理效果好、环境影响小、无二次污染等优点,被认为最有发展前景。

21511 物理修复

物理修复是最先发展起来的修复技术之一,对于污染重、面积小的土壤修复效果明显,但对于污染面积较大的土壤需要消耗大量的人力和财力,而且物理修复容易导致土壤的结构破坏和肥力下降,给土壤带来二次污染。常用的物理修复技术主要有改土换土法、热修复法[22]、通风去污法[23]以及电动修复等,随着生物修复及复合技术的发展,物理修复中的一些技术,例如改土换土法等已经逐渐被取代。21512 化学修复

相对于其他污染土壤修复技术来讲,化学修复技术发展较早,在通常情况下根据污染物类型和土壤特征,当生物修复法在速度和广度上不能满足污染土壤修复的需要时才选择化学修复方法。目前进行土壤污染修复的化学技术主要有化学淋洗技术[24]、化学还原与还原脱氯修复技术[25]、化学氧化修复技术[26]、溶剂浸提技术[27]和土壤性能改良修复技术[28]等。化学修复法费用较低,操作人员不会直接接触污染物,但其适用的范围较窄,一般用于砂壤等渗透系数大的土壤,而且由于引入的清洗剂等化学试剂,极易造成二次污染[29]。

21513 植物修复

植物修复是目前土壤污染治理的新技术,具有成本低廉、技术简单、原位修复、土壤生态不被破坏、适于大面积污染土壤的修复等优点。目前国外围绕有关植物修复污染土壤的研究工作主要集中在植物修复的概念和优势[30]、植物修复机理和修复技术[31]、超富集植物修复机理[32]、筛选以及一些速生木本植物修复的试验[33]等。我国国家863计划已将植物修复土壤重金属污染列为专项,这必将推动我国污染土壤修复技术的发展。目前国内学者对土壤植物修复的研究多集中在重金属[34],在有机污染的植物修复方面的研究还相对较少[35,36]。

3 土壤环境质量研究展望

随着土壤污染形势的日益严峻,土壤环境质量

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问题正在不断得到世界范围内的关注,并成为当代土壤科学和环境科学研究的前沿。结合当前实际,土壤环境质量研究亟需在以下几个方面系统开展工作。

311 污染物在土壤中迁移与转化及其生物有效性的研究

目前缺乏对污染物在土壤中的反应转化机理和迁移行为等的深入研究,其描述大多停留于“黑箱”阶段。随着新的监测手段与技术的发展,人们应该加强研究,建立连接实验与实际之间的桥梁,将实验室里的观测与模拟研究运用于定量和预测污染物在土壤的迁移转化及最终归趋,建立污染物的归宿模型。同时,长期定位研究和在线检测,以及稳定同位素示踪等技术,对于揭示污染物在土壤中的过程与行为提供了新的手段。此外,土壤污染物的生物有效性研究也需要关注和加强,以便于了解污染物沿食物链传递规律,定量计算和预测食物链暴露水平,确保农产品质量安全。

312 地理信息系统等新技术和手段在土壤环境质量研究和监测中的应用

针对日益严重的土壤污染问题,必须采用快速高效的方法对污染进行现状分析和预测警报,当前随着3S技术等的发展,为建立区域尺度的土壤环境质量动态变化观察平台和定量可视化预测预警系统提供了好方法。一方面计算机信息技术使得收集和管理土壤污染的信息和数据更为快捷和方便,为土壤污染评价及预测提供基础资料,另一方面能够集成与土壤污染评价和预测相关的各种模型,快速实现对土壤污染物污染的预测预警。

313 土壤污染快速高效的修复技术

开展土壤重金属及有机物污染的生物修复技术研究,探索土壤修复发展的新技术和新工艺。考虑到物理修复、化学修复等往往会破坏污染场地土壤的理化性质,甚至造成环境的二次污染,利用生物修复技术治理土壤污染逐渐成为当前环境科学研究的重点,生物修复具有治理效率高、治理费用低和现场可操作性强的特点,随着生物技术的发展以及转基因手段的成熟,生物修复技术治理污染土壤将有很大发展潜力和市场前景。

生态修复是污染土壤修复的最新途径。但是目前生态修复理论和技术的研究还处于起步阶段。从生态修复的近期发展来看,核心内容仍然是重金属超积累植物与有机污染物高效降解微生物的物种筛选和基因工程育种,修复机理的系统研究,基于植物与微生物联合修复的根际圈效应研究,以广义生物修复为核心的联合修复,以及修复强化措施的研究等方面的工作。

314 土壤污染风险评估与调控对策

当前,我国绝大多数污染场地并未进行风险评估,这不便于土壤污染物的风险控制与管理。根据我国当前污染土壤的实际状况与环境研究的理论基础,可优先开展Cd、A s、Pb、Hg等重金属以及持久性有机污染对农业土壤污染的风险评估,以及这些污染物沿食物链传递的风险、土壤中挥发性有机污染物风险等进行评估,制定污染风险控制和管理措施,预警机制和响应方式。污染土壤风险评估中尤其需要关注高风险污染物,如部分农业地区土壤中已经监测到的二噁英类物质等。

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1期 王计平等:基于社区居民调查的海岸带资源和环境感知研究———以江苏盐城市为例

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