土壤环境质量研究现状与趋势

王　霞　沈红军

（江苏省环境监测中心 江苏南京 210008）

引言

土壤环境质量是土壤质量的组成部分，土壤环境质量及其相关的土壤环境健康研究进展一直受到普遍的关注。国际上，1991年和1992年召开的土壤环境质量学术讨论会，使土壤环境质量成为现代土壤学和环境科学发展的前沿[1]，在我国，因为城镇化、现代化、工业化的不断进行，不同来源的各种污染物源源不断进入到土壤环境中，土壤污染问题愈发严峻，土壤污染与修复也成为国内环境污染防治研究的重点。2016年5月31日，《土壤污染防治行动计划》（简称“土十条”）颁布并实施，明确了我国土壤环境保护现状及保护目标。“土十条”以2020年、2030年、2050年三个时间点为节点，明确要求到2050年，土壤环境质量全面改善，生态系统实现良性循环。2017年底，中国人大网公布了《中华人名共和国土壤污染防治法》（草案），向社会各界征求意见，“土十条”和土壤污染防治法草案的颁布表明我国的土壤污染防治事业迈上了一个新台阶，土壤环境问题越来越得到全社会的关注。土壤环境质量与农业生产、人类健康和社会稳定息息相关，对土壤环境质量研究进行回顾，了解其研究进展，展望未来土壤环境质量研究的发展趋势，对我国的农业、食品、生态安全以及实现绿色可持续发展有着极为重要的理论和现实意义。

1　土壤环境质量的概念及其研究内容

土壤环境质量是土壤学和环境科学的重要研究课题，但对于土壤环境质量的定义其实一直没有一个统一的意见，一般认为土壤环境质量是土壤容纳、吸收和降解各种环境污染物的能力。土壤环境的相关研究中，只有建立了土壤环境质量标准，才能评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　土壤环境质量标准

上个世纪50年代，全球范围内爆发了一系列环境公害事件，世界各国普遍认识到环境保护的重要性。前苏联在1968年就制定了全球第一个土壤环境质量标准，日本“骨痛病”等环境公害事件迫使日本在1970年制定了土壤污染防治法，美国自70年代开始制定“土壤中有毒元素的最高容许量”，其中大多和农田施用污泥有关[2]。我国自20世纪70年代以来制定了很多关于工业排放、水体和大气的环境标准，但真正意义上的第一个土壤环境质量标准颁布于1995年，并于1996年3月1日起正式实施[3]，这个标准统一了全国土壤环境质量评价标准，标准的制定过程中，一级标准采用的是地球化学法，主要依据“七五”期间国家重点科技攻关课题《全国土壤背景值调查研究》调查得来的数据[4]，二级标准采用的是生态环境效应法，主要依据是土壤中的污染物是否会对动植物和人体造成负面的影响[5]。但由于土壤本身的复杂性和早期基础科研工作的不足，一些标准的制定缺乏可靠依据，土壤的区域性特点也使本标准在实际应用中效果不佳。在标准的应用过程中发现了如下问题：一级标准过分强调统一、二级标准因为选取的临界含量太低导致实际应用难以操作、铅的临界含量定值偏高、有机污染物的种类又过少以及重金属对植物的效应难以反映在标准中[6]，这些问题亟待在未来修订新的土壤环境质量标准时得到解决。土壤环境质量标准颁布至今已实施了10余年，环保部后来在该标准的基础上根据不同利用类型的土地也细化出很多其他标准，如食用农产品产地环境质量评价标准、温室蔬菜产地环境质量评价标准等，这些标准也为分类型评价土壤环境质量提供了重要依据。总的来说，该标准对土壤资源的评价、预测、保护、管理与监督起到了积极的作用，促进了土壤资源的保护、管理和监督，对提高土壤环境质量有重要意义。

1.2　土壤污染防治

土壤研究一个非常热门的研究领域就是土壤污染防治与土壤修复。根据环保部和国土部在2014年联合发布的全国土壤污染状况调查公报显示我国耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出[7]。鉴于如此严重的土壤污染现状，展开对于土壤污染的形成机理、土壤污染的防治、污染土壤的修复等方面的研究是十分必要的。上个世纪60、70年代，欧美发达国家最早开始了化学物质在土壤中的持留/释放与运移研究，这与他们开始土壤保护立法是同步进行的[8]，之后一段时间对于土壤污染过程的机理研究一直在进行，主要研究热点集中在土壤污染过程、修复机理与技术、恢复方法等方面，1998年的第16届国际土壤科学大会上国际土壤科学联合会（IUSS）正式成立了国际土壤修复专业委员会[9]，虽然之前各国的土壤修复工作一直在进行，但国际土壤修复专业委员会的成立标志着土壤修复正式成为世界各国普遍关注的一个重要议题，而中国土壤学会土壤修复专业委员会直到2015才成立，时间上与西方相比已经落后了将近20年。西方发达国家的土壤污染问题发现早，治理也早，因为土壤污染深深的影响到了民众的生活水平和经济发展，他们着重研究重金属、多环芳烃、农药、多氯联苯等类型污染物在土壤中的迁移积累和生态效应，同时也提出了很多针对这些污染的控制修复措施。同时，研究主要集中在宏观尺度上污染物在环境中的迁移转化，对土壤中污染物在分子尺度上的行为了解甚少。近年来，土壤环境与污染修复研究的国际前沿集中在“重金属污染与生物累积效应”、“土壤有机污染与生物降解”两个方面；而在修复技术上，目前的主流仍是以物理和化学修复技术为主，主要包括热脱附[10]、微波加热[11]和蒸气浸提等技术,应用在多环芳烃等有机污染物的土壤修复中，固化-稳定化技术则被应用于重金属污染土壤修复中。

而我国的土壤污染研究起步较晚，80年代才组织了全国范围的土壤环境背景值调查[12]，土壤环境污染的研究正式提上日程。进入21世纪，国家对于环境污染问题十分重视，设立了一系列基础研究发展项目和行业公益性项目，“863”计划中也有土壤污染修复技术的课题，在一些经济较发达地区和主要农作物产区开展了土壤污染调查与评价工作，包括东北老工业基地、京津冀地区、长江三角洲、珠江三角洲和香港地区等。我国对土壤污染物的研究同样集中在重金属和有机污染物两大类型，通过对重金属元素在土壤中的迁移规律及其在土壤中的化学形态变化研究[13]。对于有机污染物的研究主要是探究土壤胶体对有机污染物的吸附机制，粘土矿物对有机污染物的吸附研究得到了较大发展[14]，对于重金属和有机污染物的复合污染研究也在进行[15]。总体来说，我国土壤污染机理研究虽然起步晚，但是国家对此比较重视，支持也比较大，与国际水平并没有很大差距，但是在土壤污染修复技术方面，我国因为起步较晚，且资金投入不够大，与国外发达国家相比仍有相当大的差距[16]。生物修复技术具有成本低、效果好、操作简单等优势，而且不会形成二次污染，也不会破坏土壤结构，但生物修复技术距离形成产业，工业化大规模应用还有一段距离。土壤污染领域越来越热门，无论是近年来在该领域的发文量还是土壤污染修复的专利申请量都在年年增高，国家一直对土壤污染和土壤修复也很重视，各项政策和规划层出不穷，但与大气污染治理和水污染治理相比，实在是“雷声大、雨点小”。的确，我国目前在土壤污染和修复的基础研究领域取得了很多成果，但这些成果并不能得到很好地应用，究其原因，也是土壤本身的复杂性导致的，土壤不像大气和水，大气污染要治理的最好办法就是控制排放，这个通过政策和相关技术支持很容易做到，水污染也是，建立污水处理厂，应用最新最先进的技术来处理污水即可，以上措施的可实施性都是很大的，但土壤不一样，如果要对土壤进行修复，就必然会对该块土地上居住的人进行的经济生产活动造成影响，现有的异位修复技术，需要将土层剥离，运输到别处进行修复处理，工程量大且耗资巨大，不易实施，即使是原位修复技术也不可避免的要对土地上的人与社会造成影响，最关键的是，土壤污染地区一般面积巨大，牵连的面很广，要对土壤进行修复就只能靠政府出面、出钱来做这个工程，因为工程资金需求大，一般的中小型企业也没有可能承接此类任务，因此土壤修复形成一个完成规范的市场遥遥不可期，而仅仅依靠行政力量来进行推动一个产业是不太可能的。因此土壤修复虽然口号一直喊得很响，但要真正做起来还是难，最大的希望就是未来的土壤污染基础研究能得到大的突破，给我们带来一项清洁、便宜、简单的土壤修复技术。

1.3　土壤环境质量评价

土壤环境质量评价也是因为土壤污染日益严重，影响到人类的生产生活而催生出的一项研究，人们迫切需要了解某一地区的土壤环境质量，才能更好的指导在当地进行的生产生活活动。依据评价目的可以分为土壤环境质量的现状评价和影响评价[17]；依据其评价的内容又可分为土壤环境污染评价、土壤生态评价和综合评价。土壤环境质量评价最重要的两个问题就是评价标准和评价方法。评价标准方面，需要的是一个科学的同时具有一定普适性的标准，最重要的，标准要对有害性做出详细解释，以前在制定标准时主要考虑的是污染物超标对人体和动植物的影响，而这样的考虑是有一点片面的，没有考虑到污染物在土壤中会产生怎样潜在的影响，近年来很多国家在制定土壤环境质量标准时已经意识到这个问题，并且将其纳入考虑。评价方法方面，一般就是选取很多项指标，分析权重后进行加权计算，按得分来评定等级，这样得出的结果可以反映出大概的土壤环境质量水平，但因为土壤环境本身的复杂性，用一个简单的模型去概括整个污染过程不太合适。因此也需要评价方法的一些创新，土壤污染机理研究取得了很多进展，将研究形成的污染模型应用于对污染水平的评判也是十分必要的，也有将机器学习技术应用于土壤环境质量评价的，比如人工神经网络技术应用于土壤环境质量评价中[18][19]。

1.4　土壤环境质量监测

与大气环境质量监测和水环境质量监测一样，土壤环境质量监测的目的是为了实时掌握我国土壤环境的状况，只有全面掌握我国土壤质量现状，才能根据不同的环境质量状况，采取切实有效的措施进行治理和保护，这就需要利用现有的监测技术和手段对各类型土壤进行样品采集、处理和分析。我国土壤环境质量监测开展较晚，目前采用的土壤环境质量监测技术路线，是确立大量国控采样点，通过对这些采样点土壤进行分析、测试、评价等方式，进行采样点地区的土壤环境质量监测。但目前我国的土壤环境质量检测也有很多问题，首先评价标准过时，且可操作性差，再就是检测仪器配置不全导致监测分析方法太少。最重要的，公众对于土壤环境保护的重要性认识偏低，社会各界对于水体污染和大气污染都有相当程度的认识，但在土壤污染方面还处于非常初级的阶段，急需加大土壤环境保护的宣传教育。

2　土壤环境质量领域的研究趋势

2.1　土壤环境的相关政策领域

首先，我国的土壤环境质量标准需要得到重新修订，10多年过去了，我国的土壤污染状况与十几年前相比已经有了很大变化，应结合我国国情和欧美国家修订标准的经验，建立基于风险评估的健全的土壤环境质量标准体系，同时，各地也可以根据自己的情况结合全国的土壤环境质量标准建立自己的标准，与全国标准一起形成一个互相补充的标准体系。相应的，土壤环境质量监测水平也要得到提高，建立一个完善的土壤环境质量监测体系需要大量的资金投入，这方面，可以借鉴科研课题的方式，将中央资金和地方资金配套使用，取得的成果共享，有了资金支持，仪器设备缺少、监测人员素质不高、资金匮乏等问题都会得到较好的解决，土壤环境质量监测工作也会开展得更好。同时，虽然土壤环境质量标准颁布较早，但与之相匹配的土壤污染防治法却迟迟没有出台，2016年上半年国务院印发了《土壤污染防治行动计划》，为我国的土壤污染治理事业设立了一个时间表，但是要真正推动土壤污染治理仍然需要配套法律的强力支持，2017年全国人大网已经公布《土壤污染防治法》（草案），向社会各界征求意见，但真正颁布实施还未可知，缺少配套法律的支持，事实上也对土壤污染防治事业造成了阻碍，因为没有土壤保护相关法律，很多土壤污染行为无法定性，同样的，还有很多已经被污染的土壤，未经修复就直接作为生产建设用地，最后危害到人体健康，也是因为缺乏相关法律，无法追究责任。以上这些情况的发生都表明，土壤立法迫在眉睫。

2.2　土壤污染领域

西方发达国家因为土壤污染发现早，治理早，土壤污染问题已经得到了相当程度的改善，而我国因为各各个方面起步都比较晚，而且土壤污染的状况非常严峻，对于土壤污染机理和土壤修复技术的研究应该继续加大力度。今后我国的土壤污染研究应该可以着重以下几个方向：

2.2.1土壤污染修复技术的发展

经过十几年的研究与应用，以及国家的大力支持，我国已经形成了一个包括生物修复、物理修复、化学修复及其联合修复技术在内的污染土壤修复技术体系，热脱附技术、蒸气浸提技术、淋洗技术已经开始应用在我国一些污染矿区的土壤修复中，但这些修复技术成本较高，而且很难治治理土壤深层的污染，因此发展绿色与环境友好的土壤修复技术是十分必要的，修复技术也应向异位修复技术发展，减少土壤修复成本，研究使用方式简单快捷的环境功能修复材料也是未来土壤修复技术发展的重点，在污染土壤的修复决策上，也由基于污染物总量控制的修复目标发展到基于污染风险评估的修复导向[20]。同时，设备化的修复技术是土壤修复走向市场化和产业化的基础。要做到这一点，就要加快修复材料、修复技术的设备化，研制出符合市场预期的土壤修复设备。

2.2.2土壤消纳污染物的生物机理

土壤本身对污染物是有一定的承受能力的，承受能力的来源主要是土壤生物对污染物的吸收转化，污染物对土壤生物系统有胁迫毒害的作用，而土壤生物则对污染物进行消纳转化，土壤生物可以直接改变重金属物质的化学形态来减弱重金属物质的毒性，也可通过分泌有机络合物来影响重金属的生物有效性，还可以通过酶来对污染物进行脱毒，或通过一些特定的代谢途径降解有机污染物。很多植物的根系以及根系周围的微生物群落都对污染物有一定的消纳能力[21]，了解这些土壤生物消纳污染物的机理，应用先进的分子生物学技术分离出特定菌群或特定化学物质，也是未来生物修复技术的重要发展方向。

2.2.3数据模型在土壤污染中的应用研究

应用数学原理和方法，以及计算机技术，来构建一个土壤污染数学模型，是土壤环境研究领域的基本方法，土壤污染是一个比较复杂的过程，涉及影响因子很多，各种影响因子对于土壤环境质量的影响方式也不尽相同，比较适合使用机器学习中的无监督学习方法，将各项指标和各种污染模型导入，由机器算法来自动分类，从而得知土壤环境质量的等级。以前就有过用机器学习相关的知识开始这方面的尝试,如长株潭地区利用支持向量机模型来预测土壤环境质量[22]，长春市羊草沟煤矿应用支持向量机来评价土壤环境质量[23]。2016年是人工智能技术和概念大爆发的一年，如果机器学习的技术能够用于土壤环境质量评价研究，那我们也有理由相信深度学习和卷积神经网络技术应用于土壤污染研究是大有可为的。

2.3　土壤污染监测领域

生物监测是最近几年出现的一种新的监测方式，即利用土壤中一些对污染物较为敏感的生物来反映土壤中污染物的含量变化，生物监测相比传统监测方法，能够准确反映环境污染对生物产生的综合效应或专性效应，以及污染物在土壤中的动态转化，最重要的一点，生物监测可以很直观的反映土壤污染的毒害性，比起测得污染物浓度再与标准对比来判断毒性，生物监测更快捷。土壤微生物对于污染物的敏感度很高，污染物进入土壤会使土壤微生物产生特殊的应对机制，而这些微生物的行为一般都是可观测的，通过活体微生物来监测土壤污染将会是未来的主要发展方向，进行土壤环境质量监测的目的就是要了解土壤污染水平，是否会影响到动植物和人类的健康，传统方法来进行监测只会得出土壤环境中该项污染物的含量是否超标，如果通过微生物群落来监测，就可以迅速得知土壤污染会对生物造成多严重的影响，污染带来的影响更直观，但是，通过微生物群落来进行监测毕竟是一项比较前沿的技术，要应用到实际中尚需时日，现在已经有通过微生物传感器来对土壤中的有机砷和无机砷进行区分[24]，来监测砷在土壤中的转化，以后更多种类污染物的微生物传感器也将会出现。

结语

我国对于土壤环境问题的关注焦点，从如何利用土壤到如何更好得利用土壤最后到如何保护土壤实现土壤的可持续利用进行转变，究其原因就是因为现在土壤污染问题太过严重，对于土壤环境的保护刻不容缓，然后土壤污染问题却没有得到足够的关注，谈到大气污染，公众知道PM2.5，谈到水污染，公众知道生活污水、工业废水，谈到土壤污染，大多数人却没有一个基本概念，土壤是人类一切活动的基石，保护土壤环境的切实行动应该赶快实施起来，过时的土壤环境质量标准要得到修订，完整的土壤环境质量监测网络也应该建立起来，并实时向公众通报质量状况，土壤污染的机理研究也应该加大资金和人员的投入力度，土壤安全与我国可持续发展的战略目标并且在本世纪中叶实现中华民族的伟大复兴是息息相关的，只有合理利用、保护好土壤才能推进生态文明建设，共建和谐美丽中国。

[1]陈怀满，郑春荣，周东美，王慎强，林玉锁.土壤环境质量研究回顾与讨论[J].农业环境科学学报.

[2]张红振,骆永明,夏家淇,章海波.基于风险的土壤环境质量标准国际比较与启示[J].环境科学，2011，32(03):795-802.

[3]王绛辉,陈凯,马义兵,刘洪对.土壤环境质量标准的有关问题探讨[J].山东农业科学,2007(05):131-134.

[4]魏复盛,陈静生,吴燕玉,郑春江.中国土壤环境背景值研究[J].环境科学,1991(04):12-19+94.

[5]蔡彦明,刘凤枝,王跃华,师荣光,刘铭,刘保峰.我国土壤环境质量标准之探讨[J].农业环境科学学报,2006(S1):403-406.

[6]何忠俊,梁社往,洪常青,熊俊芬.土壤环境质量标准研究现状及展望[J].云南农业大学学报,2004(06):700-704.

[7]环境保护部,国土资源部.全国污染状况调查公报,2014(04).

[8]温志良,莫大伦.土壤污染研究现状与趋势[J].重庆环境科学,2000(03):55-57.

[9]骆永明，章海波，涂晨，滕应.中国土壤环境与污染修复发展现状与展望.中国科学院院刊.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]张红振,董璟琦,高胜达,王金南.中国土壤修复产业健康发展建议[J].环境保护,2017,45(11):58-61.

[13]钱春香,王明明,许燕波.土壤重金属污染现状及微生物修复技术研究进展[J].东南大学学报(自然科学版),2013,43(03):669-674.

[14]朱润良.黏土矿物污染控制材料及其高效利用[A].中国矿物岩石地球化学学会.中国矿物岩石地球化学学会第15届学术年会论文摘要集（1）[C].中国矿物岩石地球化学学会:2015:1.

[15]吴志能,谢苗苗,王莹莹.我国复合污染土壤修复研究进展[J].农业环境科学学报,2016,35(12):2250-2259.

[16]王梦姣,杨国鹏,乔帅,邓百万,陈文强.植物-根际微生物协同修复有机物污染土壤的研究进展[J].江苏农业科学,2017,45(01):5-8.

[17]王煜,廖文坤,廖燕真.土壤环境质量评价及其研究进展[J].北京农业,2014(03):227-228.

[18] 赵玉杰,师荣光,高怀友,王跃华,白志鹏,傅学起.基于MATLAB6.x的BP人工神经网络的土壤环境质量评价方法研究[J].农业环境科学学报,2006(01):186-189.

[19]胡焱弟,赵玉杰,白志鹏,高怀友,师荣光.土壤环境质量评价的径向基函数神经网络的模型设计与应用[J].农业环境科学学报,2006(S1):5-12.

[20]骆永明.污染土壤修复技术研究现状与趋势[J].化学进展,2009,21(Z1):558-565.

[21]盛月慧.菲降解细菌在植物根表的成膜作用及其对植物吸收菲的影响[D].南京农业大学,2015.

[22]吴堑虹,王关金,戴塔根,侯木舟.土壤环境质量支持向量机预测模型初探—以湖南长沙、株洲、湘潭地区为例[J].地学前缘,2008(05):97-102.

[23]姜雪,卢文喜,杨青春,赵海卿.应用支持向量机评价土壤环境质量[J].中国环境科学,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．