第三章　土壤污染及其特点

第一节　土壤污染概述

我国虽然拥有广阔的土地面积，但由于人口逐年增多，人均占地只有1亩多，远远低于世界人均水平，是世界人均耕地面积比较少的国家，而且近年来我国这些土地随着人口的增多已经不断缩小。据统计，从20世纪50年代到80年代中耕地面积已减少了14339万亩，人均耕地已减少了近1/2。更重要的是，还在使用的土地因为长期以来的不合理使用造成了其利用率不断下降。而其中化肥等的不合理利用及其引起的土地污染已经成为主要原因。化肥、农药、地膜的大量使用，污水灌溉、固体废物堆积等原因使土壤污染和退化现象已经表现得非常严重。由于我国人多地少，为提高产量，施用化肥是大部分农民选择的重要途径。因此我国已成为世界上施用化肥、农药数量最大的国家。据报道，我国化肥平均用量为400kg/hm2，是世界公认警戒上限225kg/hm2的1.8倍以上，更是欧美平均用量的4倍以上，对土壤地下水系统长期、持续的产生污染。

一、土壤污染定义

土壤污染及其治理相比其他环境子系统的污染和净化起步较晚，其污染过程、修复机制等均存在许多尚待解决的科学与技术问题。土壤污染的定义到目前尚未有定论，比较常见的定义方式包括绝对性定义、相对性定义和综合性定义。第一种绝对性定义，基于土壤环境体系是否有外来的（包括人为和自然的原因，但主要是人为添加）物质加入，只要有外来物质进入土壤体系，改变其原有的物质构成，即视为污染的发生，美国超级基金的土壤污染及其风险评估、修复项目就是基于绝对性定义开展的；第二种相对性定义，则考虑加入的物质达到某种程度才定义为土壤受到了污染，通常认为是外源物质进入土壤环境，其含量达到或超过该元素在土壤中环境背景值加2倍标准差作为土壤受到污染的指标；而第三种综合性定义，则不仅要看土壤体系中某物质量的增加，同时这种增加还对人体或生态环境造成了或可能造成一定的危害，才称为土壤污染，此种综合性定义是基于人体健康风险评价或生态环境风险评价的定义模式，此时，土壤中污染物的总量已超出土壤环境容量。

综上，可以将土壤污染（soil pollution）定义为：人类活动或自然过程产生的有害物质进入土壤，致使某种有害成分的含量明显高于土壤原有含量，从而引起土壤环境质量恶化的现象（李发生，2009）。

在土壤污染定义相关的概念中，土壤背景值、土壤环境容量等基本概念界定出土壤污染发生的前提，对土壤定义的理解和土壤环境体系污染的发生、危害及修复均有重要的指示作用。

1.土壤背景值

环境中有害物质的自然背景值和本底值是环境科学的一项基本资料，只有掌握了环境的背景值，才能判断是否存在污染、估计污染的程度并指导后续的治理和修复工作。土壤背景值（background value of soil environment）是指未受人类污染影响的情况下，土壤在自然界存在和发展过程中其本身原有的化学组成、化学元素和化合物的含量，也称土壤本底值。目前在全球环境受到污染的条件下，要寻找绝对不受污染的背景值是很困难的。因此，土壤背景值实际上是时间和空间上的相对概念，是表示相对不受污染的情况下土壤的基本化学组成，农业土壤在化肥、农药普通施用的背景下更是如此。土壤中污染物的累积量超过土壤背景值即为土壤污染。

土壤背景值的表示方法，国内外没有统一规定。目前我国通常采用测定值的算术平均值加减一个标准差来表示。它不仅表示土壤中某一污染物的平均含量，同时还说明了该污染物的含量范围。异常值的判断方法，我国都以X0=X+2S（式中，X0为污染起始值；X为测定平均值；S为标准差）来判断。

土壤背景值是评价环境质量、计算污染物质的土壤环境容量和进行土壤污染预测预报的基础资料，亦是研究制定土壤污染指标和拟定土壤污染防治措施的基本依据。因此，开展土壤背景值的研究是环境土壤学的一项重要基础工作。我国已经开展了区域土壤背景值的研究，并提出了一些地区的土壤背景值，对于防治区域性水土病、提供工矿企业等工农业布局规划、土壤环境质量评估、土壤污染防治等方面均可起到指导作用或提供科学依据。

2.土壤环境容量

土壤环境容量（soil environmental capacity）是指土壤生态系统中某一特定的环境单元内，土壤所允许容纳污染物质的最大数量。也就是说在此土壤时空内，土壤中容纳的某污染物质不致阻滞植物的正常生长发育，不引起植物可食部分中某污染物积累到危害人体健康的程度，同时又能最大限度地发挥土壤的净化功能和承载能力。

土壤环境容量包括土壤静容量和土壤动容量，主要差别为是否考虑输入土壤中污染物的动态变化。

（1）土壤静容量

土壤静容量以静止的观点来度量和确定土壤的容纳通力，即不考虑污染物随时间的自然衰减等土壤环境容量的影响。

　　（3.1）

式中　Qi——土壤静容量；

M——耕层土壤质量，kg；

Ci——i元素的土壤临界含量，常取土壤环境标准值，mg/kg；

CBi——i元素的土壤背景量，mg/kg。

若实际土壤中已受到人为污染，则其现存容量应减去人为污染而增加的元素的量。土壤静容量虽然没考虑动态的输入与输出，但是其参数简单，计算简便，在实际应用中经常是评价环境污染和饱和程度的指标。

（2）土壤动容量

土壤动容量是指在一定土壤环境单元一定时限内，考虑特定物质参与土壤环境物质循环时，土壤所能容纳的污染物的最大负荷，其通式可用下式表示：

　　（3.2）

式中　Qdi——土壤动容量；

M——耕层土壤质量，kg；

Ci——i元素的土壤临界含量，常取土壤环境标准值，mg/kg；

Cpi——i元素的实测浓度，mg/kg。

I和O各分项则为涉及该物质的在土壤环境中动态的输入和输出项，如人为施入土壤量、降雨和大气沉降输入量，淋溶输出量、径流输出量、作物富集输出量等，各输入和输出项可分别建立各自的子函数方程，进行求解后计算特定土壤环境下的动容量。

对于有机污染物污染土壤，基于其相对于重金属等容易被生物利用而降解，可采用净化模型考虑其在土壤体系中的动态输出等容量变化。

土壤环境容量计算与研究在土壤环境领域有广泛的应用，包括制定区域性农田灌溉水质标准、制定和调整土壤环境标准、进行土壤污染预测，还可用于污染物排放总量控制，近年土壤环境受人为污染与影响很大，故其动容量的研究更是广受关注。

3.土壤自净作用

土壤是一个半稳定状态的复杂物质体系，对外界环境条件的变化和外来的物质有很大的缓冲能力。从广义上说，土壤的自净作用是指污染物进入土壤后经生物和化学降解变为无毒害物质，或通过化学沉淀、络合和螯合作用、氧化还原作用变为不溶性化合物，或为土壤胶体牢固地吸附，植物难以利用而暂时退出土壤生态系统生物小循环，脱离食物链或排出土壤。狭义的土壤自净能力则主要是指微生物对有机污染物的降解作用，以及使有毒有害化合物转变为难溶性化合物的作用。但是，土壤在自然净化过程中，随着时间的推移，土壤本身也可能会遭到严重污染。因为土壤污染及其去污，决定于污染物进入量与土壤天然净化能力之间的消长关系，当污染物的数量和污染速度超过了土壤的净化能力时，破坏了土壤本身的自然动态平衡，使污染物的积累过程逐渐占优势，从而导致土壤正常功能失调，土壤质量下降。在通常情况下，土壤的净化能力决定于土壤物质组成及其特性，也和污染物的种类和性质有关。不同土壤对污染物质的负荷量（或容量）不同，同一土壤对不同污染物的净化能力也是不同的。应当指出，土壤的净化速度是比较缓慢的，净化能力也是有限的，特别是对于某些人工合成的有机农药、化学合成的某些产品以及一些重金属，土壤是难以使之净化的。因此，必须充分合理地利用和保护土壤的自净作用。

二、土壤污染来源

自然环境中，包气带土壤作为与生态、水、气系统之间物质和能量交换的重要构成单元，其物质组成、结构、性质和功能等体系要素在与外部环境的物质和能量交换过程中发生变化，以适应外部环境的改变，维持体系的稳定。土壤所具有的表生生态环境维持、水分输送、耗氧输酸、物质储存与输移、物化-生物作用等功能是维持体系稳定性的重要保障。由于受到人类频繁的生产、生活等活动的影响，显著改变土壤与外部环境的物质和能量交换过程与强度，引起土壤特征要素的改变，进而对其他环境介质产生巨大作用与影响。土壤污染的来源多种多样，可按多种方式进行划分。

1.按产生污染的来源分

（1）天然源　自然界自行向环境排放有害物质或造成有害影响的场所，如活动火山。

（2）人为源　人类活动所形成的污染源，是土壤污染的主要来源。

2.按污染的种类分

（1）农业源　农药、化肥、禽畜排泄物。

（2）工业源　工业废水、废渣浸出物、工业粉尘，工业污染场地（土壤）是目前污染土壤中危害大，关注度高的场地类型。

（3）生活源　生活污水、生活垃圾。

3.按污染源的形式分

（1）点源　工业废水、城市生活污水，各类工业源为典型的点源，加油站等对土壤和地下水的污染也是重要的点源类型。

（2）面源　也称非点源污染或分散源污染，是指溶解和固体的污染物从非特定的地点，在降水或融雪的冲刷作用下，通过径流过程而汇入土壤环境并引起土壤有机污染、重金属污染或有毒有害等其他形式的污染。农田区土壤污染是我国面源污染的重要类型。

4.按污染物进入土壤的途径分

（1）污水灌溉　污灌是指利用污水、工业废水或混合污水进行农田灌溉。据统计，我国污灌面积1978年约为4000km2，到2003年就已经接近3×104km2，约占全国总灌溉面积的10%。同时全国80%以上的城市污水未经任何处理就直接排入水体，已造成1/3以上的河段受到污染，进而引起农灌水水质恶化，进而对我国的耕地造成了很大的威胁。

（2）固体废物的利用　含煤灰、砖瓦、陶瓷、金属、玻璃等成分的生活垃圾长期施用于农田会逐步破坏土壤的团粒结构和理化性质；含重金属的城市垃圾会使土壤中重金属含量升高。

（3）农药和化肥的施用　农药和化肥作为现代农业必不可少的两大增产手段，其不合理施用与过量施用造成的化肥污染，使土壤养分平衡失调，是造成富营养化的重要原因，而有些施用的肥料中含有有害物质，如我国每年随磷肥带入土壤的总Cd量是一种长期潜在的威胁。农药的残留和危害，包括生物放大、生物残留等通过食物链给人体和生态系统带来的影响已不胜枚举。

（4）大气沉降物　气源重金属微粒是土壤重金属污染的途径之一，酸沉降亦是对土壤-植物系统产生危害的主要途径。如90Sr在土壤中的浓度与当地降雨量成正比，公路两侧的含量随距离的增加而减少。

（5）交通　城市主干道、高速公路、铁路等交通运输线由于机动车尾气排放、大气沉降等对周边土壤造成了不同程度的污染和危害。研究结果表明，不同地区、不同交通形式及路段周边的土壤重金属污染的程度有较大差异。总体说来，距离路面2～5m的土壤中重金属污染为重度污染，远离30～50m处的土壤为轻度污染，基本达到土壤背景值。

5.按污染物属性分

（1）土壤有机物污染　可分为天然有机污染物和人工合成有机污染物，一般指后者，包括有机废弃物、农药等污染。

（2）土壤无机物污染　随地壳变迁、火山爆发、岩石风化等天然过程进入土壤；随人类生产和消费活动进入土壤。目前关注较多的为重金属如汞，铅，类金属砷，无机物如氟等。

（3）土壤生物污染　一个或几个有害的生物种群，从外界环境侵入土壤，大量繁衍，破坏原来的动态平衡，对人类健康和土壤生态系统造成不良影响。如未经处理的粪便、垃圾、污水、饲养场和屠宰场污物等，近年来医疗垃圾中生物污染物进入土壤生态系统亦造成污染与危害。

（4）土壤放射性物质污染　指人类活动排放出的放射性污染物，使土壤的放射性水平高于天然本底值。如放射性废水排放、放射性固体废物埋藏、放射性核事故等。

三、土壤污染的产生与去向

（一）土壤污染的产生原因

近年来，由于人口急剧增长，工业迅猛发展，固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒，有害废水不断向土壤中排放和渗漏，大气中的有害气体及飘尘也不断随雨水降落在土壤中，导致了土壤污染的产生。

土壤作为污染物迁移、滞留的重要场所，承受着从各种渠道而来的固态、液态和气态的污染物。这些污染物在土壤中经过物理、化学和生物作用，不断地发生稀释或富集，分解或化合，迁移或转化等作用，与其他环境介质进行传递和交换，进入循环。通过这种循环，可对污染物质具有输送或过滤作用、土壤植物吸收和富集作用、土壤微生物和动物的分解和转化作用等，能够显著降低污染物质含量，减少交换过程中对外部环境的影响，保持生态与环境的良性发展与演化。问题是，无节制性和不合理的人类活动，造成大量污染物质输入土壤系统，污染负荷远远超过土壤体系自身所具有的承受和净化能力，造成污染物质在土壤环境中大量积累，土壤功能降低，破坏正常的物质与能量交换程序。如果进入土壤的污染物的数量和速度超过了土壤净化作用速度，破坏积累和净化的自然动态平衡，就使积累过程逐渐占了优势。当污染物质积累达到了一定数量，就会引起土壤正常功能受到妨碍，使土壤质量下降，影响植物正常生长发育，并且通过植物吸收，通过食物最终影响人体健康，这种现象就属于土壤污染。如果污染物进入土壤的数量和速度没有超过土壤的自净能力，虽然土壤中已含有污染物，但不致影响土壤的正常功能和植物的生长发育，而且植物体内污染物的含量维持在食用标准之内，就不会影响人体健康。

（二）土壤污染物的去向

进入土壤的污染物，因其类型和性质的不同而主要有固定、挥发、流失和淋溶等不同去向。重金属离子，主要是能使土壤无机和有机胶体发生稳定吸附的离子，包括与氧化物专性吸附与胡敏酸紧密结合的离子，以及土壤溶液化学平衡中产生的难溶性金属氢氧化物、碳酸盐和硫化物等，将大部分被固定在土壤中而难以排除；虽然一些化学反应能缓和其毒害作用，但仍是对土壤环境的潜在威胁。化学农药的归宿，主要是通过气态挥发、化学降解、光化学降解和生物降解而最终从土壤中消失，其挥发作用强弱主要取决于自身的溶解度和蒸汽压，以及土壤的温度、湿度和结构状况。例如，大部分除草剂均能发生光化学降解，一部分农药（有机磷等）能在土壤中产生化学降解，目前使用的农药多为有机化合物；同时也可产生生物降解，即土壤微生物在以农药中的碳素作能源的同时，就已破坏了农药的化学结构，导致脱烃、脱卤、水解和芳环烃基化等化学反应的发生使农药降解。土壤中的重金属和农药都可随地面径流或土壤侵蚀而部分流失，引起污染物的扩散；作物收获物中的重金属和农药残留物也会向外界环境转移，即通过食物链进入家畜和人体等。施入土壤中过剩的氮肥，在土壤的氧化还原反应中分别形成N、N和N2、N2O；前两者易于淋溶而污染地下水，后两者则易于挥发而造成氮素损失并污染大气。