土壤環境質量研究現狀與趨勢

王　霞　沈紅軍

（江蘇省環境監測中心 江蘇南京 210008）

引言

土壤環境質量是土壤質量的組成部分，土壤環境質量及其相關的土壤環境健康研究進展一直受到普遍的關注。國際上，1991年和1992年召開的土壤環境質量學術討論會，使土壤環境質量成為現代土壤學和環境科學發展的前沿[1]，在我國，因為城鎮化、現代化、工業化的不斷進行，不同來源的各種污染物源源不斷進入到土壤環境中，土壤污染問題愈發嚴峻，土壤污染與修復也成為國內環境污染防治研究的重點。2016年5月31日，《土壤污染防治行動計劃》（簡稱“土十條”）頒布并實施，明確了我國土壤環境保護現狀及保護目標。“土十條”以2020年、2030年、2050年三個時間點為節點，明確要求到2050年，土壤環境質量全面改善，生態系統實現良性循環。2017年底，中國人大網公布了《中華人名共和國土壤污染防治法》（草案），向社會各界征求意見，“土十條”和土壤污染防治法草案的頒布表明我國的土壤污染防治事業邁上了一個新臺階，土壤環境問題越來越得到全社會的關注。土壤環境質量與農業生產、人類健康和社會穩定息息相關，對土壤環境質量研究進行回顧，了解其研究進展，展望未來土壤環境質量研究的發展趨勢，對我國的農業、食品、生態安全以及實現綠色可持續發展有著極為重要的理論和現實意義。

1　土壤環境質量的概念及其研究內容

土壤環境質量是土壤學和環境科學的重要研究課題，但對于土壤環境質量的定義其實一直沒有一個統一的意見，一般認為土壤環境質量是土壤容納、吸收和降解各種環境污染物的能力。土壤環境的相關研究中，只有建立了土壤環境質量標準，才能評判出哪些土壤是受污染的土壤，才知道土壤污染研究是要研究哪部分土壤。

1.1　土壤環境質量標準

上個世紀50年代，全球范圍內爆發了一系列環境公害事件，世界各國普遍認識到環境保護的重要性。前蘇聯在1968年就制定了全球第一個土壤環境質量標準，日本“骨痛病”等環境公害事件迫使日本在1970年制定了土壤污染防治法，美國自70年代開始制定“土壤中有毒元素的最高容許量”，其中大多和農田施用污泥有關[2]。我國自20世紀70年代以來制定了很多關于工業排放、水體和大氣的環境標準，但真正意義上的第一個土壤環境質量標準頒布于1995年，并于1996年3月1日起正式實施[3]，這個標準統一了全國土壤環境質量評價標準，標準的制定過程中，一級標準采用的是地球化學法，主要依據“七五”期間國家重點科技攻關課題《全國土壤背景值調查研究》調查得來的數據[4]，二級標準采用的是生態環境效應法，主要依據是土壤中的污染物是否會對動植物和人體造成負面的影響[5]。但由于土壤本身的復雜性和早期基礎科研工作的不足，一些標準的制定缺乏可靠依據，土壤的區域性特點也使本標準在實際應用中效果不佳。在標準的應用過程中發現了如下問題：一級標準過分強調統一、二級標準因為選取的臨界含量太低導致實際應用難以操作、鉛的臨界含量定值偏高、有機污染物的種類又過少以及重金屬對植物的效應難以反映在標準中[6]，這些問題亟待在未來修訂新的土壤環境質量標準時得到解決。土壤環境質量標準頒布至今已實施了10余年，環保部后來在該標準的基礎上根據不同利用類型的土地也細化出很多其他標準，如食用農產品產地環境質量評價標準、溫室蔬菜產地環境質量評價標準等，這些標準也為分類型評價土壤環境質量提供了重要依據。總的來說，該標準對土壤資源的評價、預測、保護、管理與監督起到了積極的作用，促進了土壤資源的保護、管理和監督，對提高土壤環境質量有重要意義。

1.2　土壤污染防治

土壤研究一個非常熱門的研究領域就是土壤污染防治與土壤修復。根據環保部和國土部在2014年聯合發布的全國土壤污染狀況調查公報顯示我國耕地土壤環境質量堪憂，工礦業廢棄地土壤環境問題突出[7]。鑒于如此嚴重的土壤污染現狀，展開對于土壤污染的形成機理、土壤污染的防治、污染土壤的修復等方面的研究是十分必要的。上個世紀60、70年代，歐美發達國家最早開始了化學物質在土壤中的持留/釋放與運移研究，這與他們開始土壤保護立法是同步進行的[8]，之后一段時間對于土壤污染過程的機理研究一直在進行，主要研究熱點集中在土壤污染過程、修復機理與技術、恢復方法等方面，1998年的第16屆國際土壤科學大會上國際土壤科學聯合會（IUSS）正式成立了國際土壤修復專業委員會[9]，雖然之前各國的土壤修復工作一直在進行，但國際土壤修復專業委員會的成立標志著土壤修復正式成為世界各國普遍關注的一個重要議題，而中國土壤學會土壤修復專業委員會直到2015才成立，時間上與西方相比已經落后了將近20年。西方發達國家的土壤污染問題發現早，治理也早，因為土壤污染深深的影響到了民眾的生活水平和經濟發展，他們著重研究重金屬、多環芳烴、農藥、多氯聯苯等類型污染物在土壤中的遷移積累和生態效應，同時也提出了很多針對這些污染的控制修復措施。同時，研究主要集中在宏觀尺度上污染物在環境中的遷移轉化，對土壤中污染物在分子尺度上的行為了解甚少。近年來，土壤環境與污染修復研究的國際前沿集中在“重金屬污染與生物累積效應”、“土壤有機污染與生物降解”兩個方面；而在修復技術上，目前的主流仍是以物理和化學修復技術為主，主要包括熱脫附[10]、微波加熱[11]和蒸氣浸提等技術,應用在多環芳烴等有機污染物的土壤修復中，固化-穩定化技術則被應用于重金屬污染土壤修復中。

而我國的土壤污染研究起步較晚，80年代才組織了全國范圍的土壤環境背景值調查[12]，土壤環境污染的研究正式提上日程。進入21世紀，國家對于環境污染問題十分重視，設立了一系列基礎研究發展項目和行業公益性項目，“863”計劃中也有土壤污染修復技術的課題，在一些經濟較發達地區和主要農作物產區開展了土壤污染調查與評價工作，包括東北老工業基地、京津冀地區、長江三角洲、珠江三角洲和香港地區等。我國對土壤污染物的研究同樣集中在重金屬和有機污染物兩大類型，通過對重金屬元素在土壤中的遷移規律及其在土壤中的化學形態變化研究[13]。對于有機污染物的研究主要是探究土壤膠體對有機污染物的吸附機制，粘土礦物對有機污染物的吸附研究得到了較大發展[14]，對于重金屬和有機污染物的復合污染研究也在進行[15]。總體來說，我國土壤污染機理研究雖然起步晚，但是國家對此比較重視，支持也比較大，與國際水平并沒有很大差距，但是在土壤污染修復技術方面，我國因為起步較晚，且資金投入不夠大，與國外發達國家相比仍有相當大的差距[16]。生物修復技術具有成本低、效果好、操作簡單等優勢，而且不會形成二次污染，也不會破壞土壤結構，但生物修復技術距離形成產業，工業化大規模應用還有一段距離。土壤污染領域越來越熱門，無論是近年來在該領域的發文量還是土壤污染修復的專利申請量都在年年增高，國家一直對土壤污染和土壤修復也很重視，各項政策和規劃層出不窮，但與大氣污染治理和水污染治理相比，實在是“雷聲大、雨點小”。的確，我國目前在土壤污染和修復的基礎研究領域取得了很多成果，但這些成果并不能得到很好地應用，究其原因，也是土壤本身的復雜性導致的，土壤不像大氣和水，大氣污染要治理的最好辦法就是控制排放，這個通過政策和相關技術支持很容易做到，水污染也是，建立污水處理廠，應用最新最先進的技術來處理污水即可，以上措施的可實施性都是很大的，但土壤不一樣，如果要對土壤進行修復，就必然會對該塊土地上居住的人進行的經濟生產活動造成影響，現有的異位修復技術，需要將土層剝離，運輸到別處進行修復處理，工程量大且耗資巨大，不易實施，即使是原位修復技術也不可避免的要對土地上的人與社會造成影響，最關鍵的是，土壤污染地區一般面積巨大，牽連的面很廣，要對土壤進行修復就只能靠政府出面、出錢來做這個工程，因為工程資金需求大，一般的中小型企業也沒有可能承接此類任務，因此土壤修復形成一個完成規范的市場遙遙不可期，而僅僅依靠行政力量來進行推動一個產業是不太可能的。因此土壤修復雖然口號一直喊得很響，但要真正做起來還是難，最大的希望就是未來的土壤污染基礎研究能得到大的突破，給我們帶來一項清潔、便宜、簡單的土壤修復技術。

1.3　土壤環境質量評價

土壤環境質量評價也是因為土壤污染日益嚴重，影響到人類的生產生活而催生出的一項研究，人們迫切需要了解某一地區的土壤環境質量，才能更好的指導在當地進行的生產生活活動。依據評價目的可以分為土壤環境質量的現狀評價和影響評價[17]；依據其評價的內容又可分為土壤環境污染評價、土壤生態評價和綜合評價。土壤環境質量評價最重要的兩個問題就是評價標準和評價方法。評價標準方面，需要的是一個科學的同時具有一定普適性的標準，最重要的，標準要對有害性做出詳細解釋，以前在制定標準時主要考慮的是污染物超標對人體和動植物的影響，而這樣的考慮是有一點片面的，沒有考慮到污染物在土壤中會產生怎樣潛在的影響，近年來很多國家在制定土壤環境質量標準時已經意識到這個問題，并且將其納入考慮。評價方法方面，一般就是選取很多項指標，分析權重后進行加權計算，按得分來評定等級，這樣得出的結果可以反映出大概的土壤環境質量水平，但因為土壤環境本身的復雜性，用一個簡單的模型去概括整個污染過程不太合適。因此也需要評價方法的一些創新，土壤污染機理研究取得了很多進展，將研究形成的污染模型應用于對污染水平的評判也是十分必要的，也有將機器學習技術應用于土壤環境質量評價的，比如人工神經網絡技術應用于土壤環境質量評價中[18][19]。

1.4　土壤環境質量監測

與大氣環境質量監測和水環境質量監測一樣，土壤環境質量監測的目的是為了實時掌握我國土壤環境的狀況，只有全面掌握我國土壤質量現狀，才能根據不同的環境質量狀況，采取切實有效的措施進行治理和保護，這就需要利用現有的監測技術和手段對各類型土壤進行樣品采集、處理和分析。我國土壤環境質量監測開展較晚，目前采用的土壤環境質量監測技術路線，是確立大量國控采樣點，通過對這些采樣點土壤進行分析、測試、評價等方式，進行采樣點地區的土壤環境質量監測。但目前我國的土壤環境質量檢測也有很多問題，首先評價標準過時，且可操作性差，再就是檢測儀器配置不全導致監測分析方法太少。最重要的，公眾對于土壤環境保護的重要性認識偏低，社會各界對于水體污染和大氣污染都有相當程度的認識，但在土壤污染方面還處于非常初級的階段，急需加大土壤環境保護的宣傳教育。

2　土壤環境質量領域的研究趨勢

2.1　土壤環境的相關政策領域

首先，我國的土壤環境質量標準需要得到重新修訂，10多年過去了，我國的土壤污染狀況與十幾年前相比已經有了很大變化，應結合我國國情和歐美國家修訂標準的經驗，建立基于風險評估的健全的土壤環境質量標準體系，同時，各地也可以根據自己的情況結合全國的土壤環境質量標準建立自己的標準，與全國標準一起形成一個互相補充的標準體系。相應的，土壤環境質量監測水平也要得到提高，建立一個完善的土壤環境質量監測體系需要大量的資金投入，這方面，可以借鑒科研課題的方式，將中央資金和地方資金配套使用，取得的成果共享，有了資金支持，儀器設備缺少、監測人員素質不高、資金匱乏等問題都會得到較好的解決，土壤環境質量監測工作也會開展得更好。同時，雖然土壤環境質量標準頒布較早，但與之相匹配的土壤污染防治法卻遲遲沒有出臺，2016年上半年國務院印發了《土壤污染防治行動計劃》，為我國的土壤污染治理事業設立了一個時間表，但是要真正推動土壤污染治理仍然需要配套法律的強力支持，2017年全國人大網已經公布《土壤污染防治法》（草案），向社會各界征求意見，但真正頒布實施還未可知，缺少配套法律的支持，事實上也對土壤污染防治事業造成了阻礙，因為沒有土壤保護相關法律，很多土壤污染行為無法定性，同樣的，還有很多已經被污染的土壤，未經修復就直接作為生產建設用地，最后危害到人體健康，也是因為缺乏相關法律，無法追究責任。以上這些情況的發生都表明，土壤立法迫在眉睫。

2.2　土壤污染領域

西方發達國家因為土壤污染發現早，治理早，土壤污染問題已經得到了相當程度的改善，而我國因為各各個方面起步都比較晚，而且土壤污染的狀況非常嚴峻，對于土壤污染機理和土壤修復技術的研究應該繼續加大力度。今后我國的土壤污染研究應該可以著重以下幾個方向：

2.2.1土壤污染修復技術的發展

經過十幾年的研究與應用，以及國家的大力支持，我國已經形成了一個包括生物修復、物理修復、化學修復及其聯合修復技術在內的污染土壤修復技術體系，熱脫附技術、蒸氣浸提技術、淋洗技術已經開始應用在我國一些污染礦區的土壤修復中，但這些修復技術成本較高，而且很難治治理土壤深層的污染，因此發展綠色與環境友好的土壤修復技術是十分必要的，修復技術也應向異位修復技術發展，減少土壤修復成本，研究使用方式簡單快捷的環境功能修復材料也是未來土壤修復技術發展的重點，在污染土壤的修復決策上，也由基于污染物總量控制的修復目標發展到基于污染風險評估的修復導向[20]。同時，設備化的修復技術是土壤修復走向市場化和產業化的基礎。要做到這一點，就要加快修復材料、修復技術的設備化，研制出符合市場預期的土壤修復設備。

2.2.2土壤消納污染物的生物機理

土壤本身對污染物是有一定的承受能力的，承受能力的來源主要是土壤生物對污染物的吸收轉化，污染物對土壤生物系統有脅迫毒害的作用，而土壤生物則對污染物進行消納轉化，土壤生物可以直接改變重金屬物質的化學形態來減弱重金屬物質的毒性，也可通過分泌有機絡合物來影響重金屬的生物有效性，還可以通過酶來對污染物進行脫毒，或通過一些特定的代謝途徑降解有機污染物。很多植物的根系以及根系周圍的微生物群落都對污染物有一定的消納能力[21]，了解這些土壤生物消納污染物的機理，應用先進的分子生物學技術分離出特定菌群或特定化學物質，也是未來生物修復技術的重要發展方向。

2.2.3數據模型在土壤污染中的應用研究

應用數學原理和方法，以及計算機技術，來構建一個土壤污染數學模型，是土壤環境研究領域的基本方法，土壤污染是一個比較復雜的過程，涉及影響因子很多，各種影響因子對于土壤環境質量的影響方式也不盡相同，比較適合使用機器學習中的無監督學習方法，將各項指標和各種污染模型導入，由機器算法來自動分類，從而得知土壤環境質量的等級。以前就有過用機器學習相關的知識開始這方面的嘗試,如長株潭地區利用支持向量機模型來預測土壤環境質量[22]，長春市羊草溝煤礦應用支持向量機來評價土壤環境質量[23]。2016年是人工智能技術和概念大爆發的一年，如果機器學習的技術能夠用于土壤環境質量評價研究，那我們也有理由相信深度學習和卷積神經網絡技術應用于土壤污染研究是大有可為的。

2.3　土壤污染監測領域

生物監測是最近幾年出現的一種新的監測方式，即利用土壤中一些對污染物較為敏感的生物來反映土壤中污染物的含量變化，生物監測相比傳統監測方法，能夠準確反映環境污染對生物產生的綜合效應或專性效應，以及污染物在土壤中的動態轉化，最重要的一點，生物監測可以很直觀的反映土壤污染的毒害性，比起測得污染物濃度再與標準對比來判斷毒性，生物監測更快捷。土壤微生物對于污染物的敏感度很高，污染物進入土壤會使土壤微生物產生特殊的應對機制，而這些微生物的行為一般都是可觀測的，通過活體微生物來監測土壤污染將會是未來的主要發展方向，進行土壤環境質量監測的目的就是要了解土壤污染水平，是否會影響到動植物和人類的健康，傳統方法來進行監測只會得出土壤環境中該項污染物的含量是否超標，如果通過微生物群落來監測，就可以迅速得知土壤污染會對生物造成多嚴重的影響，污染帶來的影響更直觀，但是，通過微生物群落來進行監測畢竟是一項比較前沿的技術，要應用到實際中尚需時日，現在已經有通過微生物傳感器來對土壤中的有機砷和無機砷進行區分[24]，來監測砷在土壤中的轉化，以后更多種類污染物的微生物傳感器也將會出現。

結語

我國對于土壤環境問題的關注焦點，從如何利用土壤到如何更好得利用土壤最后到如何保護土壤實現土壤的可持續利用進行轉變，究其原因就是因為現在土壤污染問題太過嚴重，對于土壤環境的保護刻不容緩，然后土壤污染問題卻沒有得到足夠的關注，談到大氣污染，公眾知道PM2.5，談到水污染，公眾知道生活污水、工業廢水，談到土壤污染，大多數人卻沒有一個基本概念，土壤是人類一切活動的基石，保護土壤環境的切實行動應該趕快實施起來，過時的土壤環境質量標準要得到修訂，完整的土壤環境質量監測網絡也應該建立起來，并實時向公眾通報質量狀況，土壤污染的機理研究也應該加大資金和人員的投入力度，土壤安全與我國可持續發展的戰略目標并且在本世紀中葉實現中華民族的偉大復興是息息相關的，只有合理利用、保護好土壤才能推進生態文明建設，共建和諧美麗中國。

[1]陳懷滿，鄭春榮，周東美，王慎強，林玉鎖.土壤環境質量研究回顧與討論[J].農業環境科學學報.

[2]張紅振,駱永明,夏家淇,章海波.基于風險的土壤環境質量標準國際比較與啟示[J].環境科學，2011，32(03):795-802.

[3]王絳輝,陳凱,馬義兵,劉洪對.土壤環境質量標準的有關問題探討[J].山東農業科學,2007(05):131-134.

[4]魏復盛,陳靜生,吳燕玉,鄭春江.中國土壤環境背景值研究[J].環境科學,1991(04):12-19+94.

[5]蔡彥明,劉鳳枝,王躍華,師榮光,劉銘,劉保峰.我國土壤環境質量標準之探討[J].農業環境科學學報,2006(S1):403-406.

[6]何忠俊,梁社往,洪常青,熊俊芬.土壤環境質量標準研究現狀及展望[J].云南農業大學學報,2004(06):700-704.

[7]環境保護部,國土資源部.全國污染狀況調查公報,2014(04).

[8]溫志良,莫大倫.土壤污染研究現狀與趨勢[J].重慶環境科學,2000(03):55-57.

[9]駱永明，章海波，涂晨，滕應.中國土壤環境與污染修復發展現狀與展望.中國科學院院刊.2015：115-124.

[10]Lee W J,Shih S I,Chang C Y,et al.J.Hazard.Mater.,2008,160(1):220)227]

[11]Jones D A,Lelyveld TP,Mavrofidis S D et al.,Resour.Conserv.Recy.,2002,34(2):75)90.

[12]張紅振,董璟琦,高勝達,王金南.中國土壤修復產業健康發展建議[J].環境保護,2017,45(11):58-61.

[13]錢春香,王明明,許燕波.土壤重金屬污染現狀及微生物修復技術研究進展[J].東南大學學報(自然科學版),2013,43(03):669-674.

[14]朱潤良.黏土礦物污染控制材料及其高效利用[A].中國礦物巖石地球化學學會.中國礦物巖石地球化學學會第15屆學術年會論文摘要集（1）[C].中國礦物巖石地球化學學會:2015:1.

[15]吳志能,謝苗苗,王瑩瑩.我國復合污染土壤修復研究進展[J].農業環境科學學報,2016,35(12):2250-2259.

[16]王夢姣,楊國鵬,喬帥,鄧百萬,陳文強.植物-根際微生物協同修復有機物污染土壤的研究進展[J].江蘇農業科學,2017,45(01):5-8.

[17]王煜,廖文坤,廖燕真.土壤環境質量評價及其研究進展[J].北京農業,2014(03):227-228.

[18] 趙玉杰,師榮光,高懷友,王躍華,白志鵬,傅學起.基于MATLAB6.x的BP人工神經網絡的土壤環境質量評價方法研究[J].農業環境科學學報,2006(01):186-189.

[19]胡焱弟,趙玉杰,白志鵬,高懷友,師榮光.土壤環境質量評價的徑向基函數神經網絡的模型設計與應用[J].農業環境科學學報,2006(S1):5-12.

[20]駱永明.污染土壤修復技術研究現狀與趨勢[J].化學進展,2009,21(Z1):558-565.

[21]盛月慧.菲降解細菌在植物根表的成膜作用及其對植物吸收菲的影響[D].南京農業大學,2015.

[22]吳塹虹,王關金,戴塔根,侯木舟.土壤環境質量支持向量機預測模型初探—以湖南長沙、株洲、湘潭地區為例[J].地學前緣,2008(05):97-102.

[23]姜雪,盧文喜,楊青春,趙海卿.應用支持向量機評價土壤環境質量[J].中國環境科學,2014,34(05):1229-1235.

[24]Chen M J，Ogunseitan OA.Removing As，Ba，Cu and Zn from waste plasma display panel glass by eleetrokineties//Li J H．Hu H L，eds．Selected Proceedings of the Eighth International Conference on Waste Management and Technology．Shanghai：ICWMT，2014：393-398．