土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)中有害化學(xué)物殘留及含量檢測(cè)研究

尹風(fēng)娟

（東營(yíng)市生態(tài)環(huán)境服務(wù)中心，山東 東營(yíng) 257091）

引言

有害化學(xué)物質(zhì)的持續(xù)釋放和積累，不僅損害了土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還直接威脅到人類健康和食品安全。本文旨在深入探討土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)中有害化學(xué)物殘留及含量檢測(cè)的方法與重要性。我們將討論土壤污染的來源和種類，分析有害化學(xué)物質(zhì)在土壤中的遷移機(jī)制，介紹各種監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法，并強(qiáng)調(diào)有害化學(xué)物質(zhì)殘留的生態(tài)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[1]。

1 有害化學(xué)物殘留對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的危害

1.1 生物多樣性的損害

有害化學(xué)物質(zhì)殘留對(duì)土壤中的微生物、植物和動(dòng)物群體造成了直接和間接的影響。首先，土壤中的微生物群體受到了影響，這些微生物對(duì)于土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解和養(yǎng)分循環(huán)至關(guān)重要。有害物質(zhì)可能對(duì)這些微生物產(chǎn)生毒性作用，導(dǎo)致微生物生物多樣性減少，降低了土壤的生態(tài)穩(wěn)定性；其次，土壤中的植物受到毒性化學(xué)物質(zhì)的抑制，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受阻、葉片損傷和生殖能力下降。這對(duì)土壤中的植物多樣性和植被覆蓋產(chǎn)生負(fù)面影響。

1.2 土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的改變

有害化學(xué)物質(zhì)殘留也可以改變土壤的物理特性，包括土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)。某些有害物質(zhì)可能導(dǎo)致土壤顆粒黏合，形成堅(jiān)硬的土壤層，阻礙水分滲透和根系生長(zhǎng)。這不僅限制了植物的水分獲取，還導(dǎo)致土壤侵蝕和水資源污染。此外，有害化學(xué)物質(zhì)的殘留可能改變土壤的酸堿度，破壞土壤的化學(xué)平衡，這可能導(dǎo)致土壤中有害物質(zhì)的積累，對(duì)生物多樣性和養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生負(fù)面影響，最終導(dǎo)致土壤的退化[2]。

1.3 食品安全和人類健康風(fēng)險(xiǎn)

土壤是農(nóng)作物的生長(zhǎng)介質(zhì)，有害化學(xué)物質(zhì)的殘留可能導(dǎo)致食品鏈污染，對(duì)人類健康構(gòu)成威脅。當(dāng)有害物質(zhì)進(jìn)入農(nóng)作物并被人類食用時(shí)，可能導(dǎo)致慢性中毒或其他健康問題，這對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和食品安全至關(guān)重要。有害物質(zhì)的殘留還可能導(dǎo)致土壤中的有害物質(zhì)濃度逐漸升高，從而增加了土壤修復(fù)和廢棄物處理的成本，對(duì)環(huán)境可持續(xù)性構(gòu)成挑戰(zhàn)。

2 有害化學(xué)物的殘留和遷移機(jī)制

2.1 土壤-水界面的相互作用

土壤-水界面是有害化學(xué)物質(zhì)在土壤環(huán)境中遷移和傳播的關(guān)鍵場(chǎng)所。當(dāng)有害物質(zhì)存在于土壤中時(shí)，它們可以與土壤顆粒表面的粒子相互吸附，形成可逆或不可逆的化學(xué)鍵。這種吸附作用可以影響有害物質(zhì)在土壤中的分布和遷移速度。當(dāng)降雨或灌溉水進(jìn)入土壤時(shí)，有害物質(zhì)可能會(huì)被帶入土壤孔隙中，進(jìn)而進(jìn)入地下水體。這種遷移路徑可能導(dǎo)致地下水體的污染，對(duì)水資源構(gòu)成威脅。

2.2 土壤-植物相互作用

植物與土壤中的有害化學(xué)物質(zhì)之間的相互作用對(duì)于理解這些物質(zhì)在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的遷移和生物可用性至關(guān)重要。植物的根系可以吸收土壤中的水和養(yǎng)分，同時(shí)也可能吸收有害物質(zhì)，這一過程稱為植物吸收。有害物質(zhì)在植物吸收時(shí)可能發(fā)生轉(zhuǎn)化，部分物質(zhì)被積累在植物的不同組織中，如根、莖和葉片，這可能導(dǎo)致植物對(duì)有害物質(zhì)的生物富集，進(jìn)而影響食物鏈中的有害物質(zhì)傳遞。植物的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制受多種因素影響，包括土壤條件、植物物種和有害物質(zhì)的特性[3]。

2.3 土壤-大氣相互作用

土壤與大氣之間的相互作用是有害物質(zhì)從土壤向大氣中釋放或從大氣中沉降到土壤中的途徑之一。有害物質(zhì)可以通過蒸發(fā)、揮發(fā)和氣溶膠的形式進(jìn)入大氣中。一些有害物質(zhì)，如揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）和氣溶膠顆粒，可能在大氣中傳輸一段距離，然后在降雨或大氣沉降過程中返回土壤，這種過程稱為濕沉降。此外，大氣中的顆粒物和氣溶膠也可能在土壤表面沉積，并帶有有害物質(zhì)，對(duì)土壤中的有害物質(zhì)含量產(chǎn)生影響。這些土壤-大氣相互作用的復(fù)雜性取決于有害物質(zhì)的特性、氣象條件和土壤類型。

2.4 土壤生物學(xué)過程的影響

土壤中的生物活性對(duì)有害化學(xué)物質(zhì)的殘留和遷移也具有重要影響。土壤微生物在分解和降解有害物質(zhì)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們可以利用有害物質(zhì)作為碳源和能量來源，并將其轉(zhuǎn)化為無害或低毒性的代謝產(chǎn)物。

3 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 傳統(tǒng)土壤采樣和分析方法

3.1.1 土壤采樣方法

傳統(tǒng)土壤采樣通常使用土壤鉆或土壤采樣器來獲取土壤樣品。這些方法涉及在不同深度和位置采集土壤樣品，以代表性地反映土壤中的有害物質(zhì)分布。采樣深度通常取決于研究目的，包括表層土壤（0～15厘米）、根區(qū)土壤（15～30厘米）、深層土壤（30～60厘米）等。采樣點(diǎn)的選擇應(yīng)考慮到土壤特性的空間變異性，以確保獲得可靠的樣品。土壤樣品采集后，它們通常被送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)分析[4]。

3.1.2 土壤分析方法

（1）元素分析：常用于測(cè)定土壤中的重金屬元素，如鉛、鎘、鉻、汞等。這些元素的測(cè)定通常使用原子吸收光譜、電感耦合等離子體質(zhì)譜等儀器方法進(jìn)行。（2）有機(jī)物分析：用于檢測(cè)土壤中的有機(jī)污染物，如農(nóng)藥、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）和多環(huán)芳烴（PAHs）。這些物質(zhì)的分析通常使用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）、高效液相色譜（HPLC）等技術(shù)進(jìn)行。（3）pH和養(yǎng)分分析：土壤的酸堿度（pH）和養(yǎng)分含量對(duì)于植物生長(zhǎng)和土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康至關(guān)重要。傳統(tǒng)的pH測(cè)定通常使用玻璃電極法，而養(yǎng)分分析包括測(cè)定土壤中的氮、磷、鉀等元素[5]。（4）有機(jī)質(zhì)含量分析：有機(jī)質(zhì)是土壤的關(guān)鍵組成部分，對(duì)土壤保持水分和養(yǎng)分供應(yīng)起著重要作用。有機(jī)質(zhì)含量通常使用色度法或燃燒法進(jìn)行分析。

3.2 先進(jìn)的分析技術(shù)和儀器

3.2.1 質(zhì)譜分析

質(zhì)譜分析是一種廣泛用于檢測(cè)土壤中有害化學(xué)物質(zhì)的高級(jí)技術(shù)。它基于分子的質(zhì)量-電荷比，可用于確定土壤中的元素、化合物和有機(jī)物質(zhì)。質(zhì)譜分析方法包括質(zhì)子轉(zhuǎn)移質(zhì)譜（PTRMS）、電子噴霧質(zhì)譜（ESI-MS）、串聯(lián)質(zhì)譜（MS/MS）等。這些技術(shù)具有極高的分析靈敏度，可以檢測(cè)到極低濃度的有害物質(zhì)，使其在土壤監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用。質(zhì)譜分析還能提供有關(guān)有害物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和同位素信息，有助于追蹤它們的來源和遷移路徑。

3.2.2 光譜分析

光譜分析是一種無損、實(shí)時(shí)的土壤監(jiān)測(cè)方法，它基于土壤中物質(zhì)與不同波長(zhǎng)的光相互作用的原理。近紅外光譜（NIRS）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）是兩種常用的光譜技術(shù)，它們可以用于測(cè)定土壤中的有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量、水分含量以及有害物質(zhì)的類型和濃度。這些技術(shù)具有非侵入性和高效的特點(diǎn)，能夠在野外和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤性質(zhì)，幫助研究人員更全面地了解土壤的特性和變化[6]。

3.2.3 生物傳感器

生物傳感器是一種新興的土壤監(jiān)測(cè)工具，利用生物材料（如微生物、植物或酶）與土壤中有害物質(zhì)之間的相互作用來檢測(cè)污染物。這些生物傳感器可以集成到土壤中，通過生物反應(yīng)產(chǎn)生可測(cè)量的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)有害物質(zhì)的監(jiān)測(cè)。例如，利用熒光標(biāo)記的細(xì)菌來檢測(cè)重金屬離子，或者通過植物根系的生理變化來監(jiān)測(cè)土壤污染。生物傳感器具有高度的特異性和敏感性，可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤中的有害物質(zhì)，幫助及早發(fā)現(xiàn)和干預(yù)土壤污染事件。

3.3 土壤監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)

3.3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)土壤條件的方法，它使用分布在不同地點(diǎn)的傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤參數(shù)。這些傳感器可以測(cè)量土壤的溫度、濕度、pH、養(yǎng)分含量等關(guān)鍵參數(shù)，甚至包括土壤中的有害化學(xué)物質(zhì)濃度。通過將這些傳感器連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)人員可以實(shí)時(shí)訪問土壤狀況數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于各種應(yīng)用，包括農(nóng)業(yè)管理、土壤保護(hù)和污染監(jiān)測(cè)。

3.3.2 衛(wèi)星遙感技術(shù)

衛(wèi)星遙感技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍土壤監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化方法。通過衛(wèi)星傳感器獲取的遙感數(shù)據(jù)，可以用于監(jiān)測(cè)土壤覆蓋、土壤濕度、土壤溫度等土壤特性。這些數(shù)據(jù)可以提供廣泛的土壤信息，用于農(nóng)業(yè)決策、干旱監(jiān)測(cè)、土壤侵蝕控制等應(yīng)用。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用潛力，尤其是在大范圍土壤監(jiān)測(cè)和土壤管理方面[7]。

4 有害化學(xué)物殘留的生態(tài)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4.1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估用于確定土壤中有害化學(xué)物質(zhì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的潛在威脅。在評(píng)估生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，通常采用以下方法：（1）暴露評(píng)估：首先，需要確定有害物質(zhì)在土壤中的濃度，以及其在土壤中的分布情況。這可以通過土壤采樣和分析來實(shí)現(xiàn)，或者利用遙感和地理信息系統(tǒng)（GIS）等技術(shù)來輔助確定土壤污染的程度和范圍。（2）敏感性評(píng)估：確定土壤中生物體的敏感度是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要一步。這包括確定哪些生物體會(huì)受到有害物質(zhì)的直接或間接影響，以及它們?cè)诓煌铍A段中可能面臨的潛在威脅。（3）風(fēng)險(xiǎn)特征和劑量響應(yīng)關(guān)系：研究人員需要確定不同有害物質(zhì)的毒性特征，以及暴露于這些物質(zhì)的生物體的響應(yīng)情況。這有助于建立風(fēng)險(xiǎn)特征和劑量響應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步評(píng)估不同暴露水平下的風(fēng)險(xiǎn)。（4）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和決策：將暴露、敏感性和風(fēng)險(xiǎn)特征結(jié)合起來進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定土壤中有害物質(zhì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。這些信息可用于制定土壤修復(fù)計(jì)劃或采取其他管理措施，以減少生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 人體暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

人體暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估旨在確定土壤中的有害化學(xué)物質(zhì)對(duì)人類健康的潛在威脅。以下是人體暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的一般步驟：（1）暴露評(píng)估：首先，需要確定人類接觸有害物質(zhì)的途徑和方式，例如通過食物鏈、直接接觸或空氣吸入。這需要考慮土壤中有害物質(zhì)的濃度、土壤的使用方式、食品和飲用水的來源等。（2）劑量評(píng)估：劑量評(píng)估是確定人體實(shí)際吸收的有害物質(zhì)量的過程。這需要考慮有害物質(zhì)的生物可利用性、吸收速率和生物轉(zhuǎn)化過程等因素。（3）風(fēng)險(xiǎn)特征和劑量響應(yīng)關(guān)系：類似于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，人體暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也需要建立有害物質(zhì)的毒性特征和劑量響應(yīng)關(guān)系。這有助于確定不同暴露水平下的健康風(fēng)險(xiǎn)。（4）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和決策：將暴露、劑量評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)特征結(jié)合起來，進(jìn)行人體暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定土壤中有害物質(zhì)對(duì)人類健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)。這些信息可用于制定風(fēng)險(xiǎn)管理策略，例如土壤修復(fù)、土壤管理或監(jiān)測(cè)措施。

5 土壤污染防治和修復(fù)方法

5.1 土壤修復(fù)技術(shù)

5.1.1 生物修復(fù)

（1）微生物修復(fù)：微生物修復(fù)通過引入特定的細(xì)菌、真菌或其他微生物，來降解土壤中的有機(jī)污染物。這些微生物可以利用有機(jī)污染物作為碳源和能量來源，將其轉(zhuǎn)化為無害的代謝產(chǎn)物。生物修復(fù)通常更適用于有機(jī)污染物，如石油烴類、多環(huán)芳烴等。這種方法具有高效、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。（2）植物修復(fù)：植物修復(fù)利用植物的吸收、積累和轉(zhuǎn)移有害物質(zhì)的能力。一些植物（稱為超積累植物）可以在其組織中富集重金屬，而其他植物則可以促進(jìn)土壤中有機(jī)污染物的生物降解。

5.1.2 物理修復(fù)

（1）土壤挖掘：將受污染的土壤挖掘出來，然后運(yùn)送到處理或處置設(shè)施進(jìn)行處置。這是一種迅速有效的方法，適用于大面積嚴(yán)重污染的場(chǎng)地。然而，它可能導(dǎo)致土壤侵蝕和環(huán)境破壞。（2）土壤滲濾：土壤滲濾是通過將水或其他溶劑通過污染的土壤，將有害物質(zhì)沖洗出來的方法。這種方法常用于水溶性污染物的去除，但它可能需要大量的水資源，并且可能導(dǎo)致次生污染。（3）土壤蒸汽提取：土壤蒸汽提取是通過向土壤中注入蒸汽來升華和揮發(fā)有機(jī)污染物，然后通過抽吸將其收集。這是一種適用于揮發(fā)性有機(jī)物的方法，但需要復(fù)雜的設(shè)備和操作。

5.1.3 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)方法使用化學(xué)物質(zhì)來改變土壤中有害物質(zhì)的化學(xué)特性，從而減少其毒性或遷移性。（1）pH調(diào)整：通過添加堿性物質(zhì)來提高土壤的pH，以促進(jìn)重金屬的沉淀和固定。這可以減少重金屬的可溶性和生物可利用性。（2）氧化還原修復(fù)：氧化還原修復(fù)涉及使用氧化劑或還原劑來改變有害物質(zhì)的化學(xué)狀態(tài)。例如，還原劑可以將有機(jī)氯化物還原成無害的化合物。（3）吸附劑：吸附劑是一種材料，可以吸附有機(jī)和無機(jī)污染物，將其從土壤中去除。這包括活性炭、氧化鐵和各種土壤改良材料。

5.2 污染源控制和減排措施

（1）工業(yè)廢物管理：工業(yè)廢物是常見的土壤污染源之一。為了控制工業(yè)廢物的排放，政府和企業(yè)應(yīng)制定嚴(yán)格的廢物管理計(jì)劃，包括廢物處理、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)規(guī)定。使用最佳的可行性技術(shù)和清潔生產(chǎn)方法可以減少工業(yè)廢物的生成，從源頭上控制污染。（2）農(nóng)業(yè)實(shí)踐改進(jìn)：農(nóng)業(yè)活動(dòng)是導(dǎo)致土壤污染的重要因素之一。農(nóng)業(yè)實(shí)踐的改進(jìn)包括合理使用農(nóng)藥和化肥，采用節(jié)水灌溉、輪作和植被覆蓋等可持續(xù)農(nóng)業(yè)技術(shù)。這些措施有助于減少農(nóng)藥和養(yǎng)分流失到土壤中，減輕土壤污染風(fēng)險(xiǎn)。（3）城市排水管理：城市排水是另一個(gè)常見的土壤污染來源。采用雨水管理措施，如雨水收集和處理系統(tǒng)，可以減少城市排水中的有害化學(xué)物質(zhì)流入土壤和水體。此外，定期檢查和維護(hù)污水處理設(shè)施以確保其有效運(yùn)行也至關(guān)重要。

6 結(jié)語

現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是先進(jìn)的分析技術(shù)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)和遙感技術(shù)，為土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了更準(zhǔn)確、高效和實(shí)時(shí)的方法。這些工具能夠更全面地理解土壤中有害化學(xué)物質(zhì)的分布、遷移和影響，從而制定更有效的土壤保護(hù)和修復(fù)策略。然而，土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)仍然面臨著挑戰(zhàn)，包括監(jiān)測(cè)技術(shù)的成本、數(shù)據(jù)解釋的復(fù)雜性以及政策、法規(guī)的制定與實(shí)施。為了有效應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要跨學(xué)科的合作和持續(xù)的研究工作，以不斷改進(jìn)土壤監(jiān)測(cè)方法和推動(dòng)可持續(xù)土壤管理的實(shí)踐。