我国土壤环境面临的问题

我国土壤环境面临的问题 徐立芹 （德州学院生物系 山东德州 253023） 摘 要： 综述了土壤圈的功能及人类与土壤圈的关系，概述了土壤污染的原因及土 壤污染对人体健康的影响和土壤污染的防治，并概述了另一重要意义上的土壤环境问题 土壤退化。展望了今后应予以加强的研究方向，为进一步开展土壤环境与人类关系及土 壤保护的研究提供参考。 关键词： 土壤圈 ; 土壤环境 ; 土壤退化 ; 土壤污染 ; 地氟病 ; 土壤 健康质量 ; 引言： 土壤是自然环境要素的重要组成部分之一，它是处于岩石圈最外面的一层 疏松的部分，具有支持植物和微生物生长繁殖的能力，称为土壤圈，土壤还具 有同化和代谢外界进入土壤的物质能力 1，所以土壤又是保护环境的重要净化 机。这是土壤的两个重要功能. 但目前，我国的土壤污染问题较严重，据初步 统计，全国至少 13001600 万公顷耕地受到农药污染，每年因土壤污染减产粮 食 1000 多万吨，因土壤污染而造成的各种农业经济损失合计约 200 亿美元 2。 目前人们较为关心的土壤环境问题主要有如下三个方面 1： 1：人类大规模生产，生活活动改变了影响土壤发育的生态环境，使土壤本 身的自然循环状态受到影响或破坏，如人类对森林，草原等天然植被的破坏引 起土壤侵蚀，水土流失，土地沙化和贫瘠，由此引干旱，沙尘暴，河流断流地 下水位水下降等一系列生态环境问题。 2：现代化农业生产对农药，化肥的大量使用，使土壤遭受长期污染。 3：现代城市发展以及现代工业排放的大量废气，废水和废渣中各种污染物， 常常经由不同途径污染土壤。 下面将对我国的土壤环境问题进行论述。 一：土壤环境质量 土壤环境质量的好坏可以根据土壤的不同用途，从不同的角度进行调查 和评价。一般认为土壤的物质组成，含量，物理性质和化学性质等决定 质量， 2 2 包括土壤及其成土母质的结构，密度，渗透性能，透气性能持水性能，收缩膨 胀性能，以及各种无机物和有机物的含量，肥力生物活性等。土壤环境质量， 它包括土壤及其成土母质的结构，密度，渗透性能，透气性能持水性能，收缩 膨胀性能，以及各种无机物和有机物的含量，肥力生物活性等。 1 土壤污染源 土壤是一个开放体系，土壤与其他环境要素间进行着不间断的物质和能 量交流。因而造成土壤污染的物质来源是极为广泛的。大致可以将土壤污 染分为以下几类： （1） 工业污染源 在工业废水，废气和废渣中，含有多种污染物，其浓度一般都比较高， 一旦进入农田造成土壤污染，在短期内即可引起对作物的危害。一般直接由 工业“三废”引起的大面积土壤污染仅局限于工业区中数千米，数十米范围 内。工业“三废”引起的土壤污染往往是间接的，是由于以废渣等作为肥料 施入农田，或以污水灌溉等长期作用使污染在土壤中长期积累引起的。 （2） 农业污染源 农业生产本身产生的土壤污染包括化学农药，化肥，除草剂等污染，这 些物质的使用范围在不断扩大，数量和品种在不断增加。喷撒农药时，有相 当一部分直接落于土壤表面，一部分则通过落叶，降雨而进入土壤。农药的 大量使用是土壤中污染物的一个重要来源。 （3） 生活污染源 人类尿及畜禽排除的废物长期以来被看做是重要的土壤肥来源问题外，也 会产生严重的土壤和水体污染问题。含有人畜遗弃，排泄物的生活污水和被 污染的河水等均含有致病的各种病菌和寄生虫，将这种未经处理的肥源施与 土壤，会引起严重的生物污染。 此外，自然因素也会造成土壤污染。例如，强烈的火山喷发，富含某些重 金属或放射性元素的矿床附近地区的土壤，由于含矿物质（岩石，矿物）的 风化分解和传播，可使有关元素在自然界的作用下向土壤中迁移，引起土壤 污染。 2 土壤污染物质 德州学院 生物系 2007 界 生物科学专业 毕业论文（设计） 3 土壤污染物质是指的进入土壤并影响正常性能 ，能够对土壤起作用的物 质，即能使土壤成分发生改变，降低作物生产的数量 质量并对人体健康产生 危害的那些物质。按污染性质大致可分为以下几类： （1） 重金属 在环境科学领域相关研究中提及的重金属元素主要指一些密度大于 4（有的文献为大于 5）的微量金属（含个别半金属）元素，主要有 Cr Co Mn Co Zn Rb Sr Zr Mo Ag Cd Sn Sb Cd Os 及半金属 20 多种。实际中，较常见的一些重金属污物为 Hg Cd Pb Cu Zn Ni Co Se As 等 3。重金属不能为土壤微生物分解，而且可为微生物富 集。因此土壤一旦被重金属污染，难于彻底消除，会对土壤形成长时间的威 胁。重金属主要通过以下几条途径进入土壤：使用含重金属的农药制剂等； 含金属的粉尘沉降进入土壤。 （2） 工业与城市废水对土壤的污染 这种污染大都来自不科学的污水灌溉。合理的使用污水灌溉农田，本 来可以充分利用水肥源，特别是污水中的氮，磷和钾，并可利用土壤的净 化能力，减少水体中的污染物浓度，保护土壤环境。但如污水未经必要的 处理，任意灌溉，即会将污水中的有害物质带进农田，污染土壤。 （3） 农药与化肥对土壤的污染 农药与化肥是重要的生产资料，如果使用适当，对农作物有显著的效果。 但是，如果使用不当，将会带来许多副作用。其中之一，是造成土壤污染， 使用氮肥太多时被植物吸收的数量相对减少，大部分残留在土壤中，经过分 解转化，变成硝酸盐成为地下水和河流的污染源随着化肥用量的增加这种污 染的深度和广度越来越重，由于大量农药在土壤中积累，特别是含有过去使 用的含铅，汞，砷制剂，毒性大，在土壤中残留时间长，有的农药在土壤中 残留时间长达 10-30 年，残留农药被植物吸收，积累在果实茎叶和根部， 通过食物链进入动物和人体，危害健康。使用农药消灭的同时也会有益于农 业的微生物，昆虫和鸟类遭受毒害。而某些农业害虫却由于产生了抗药性， 更加蔓延和猖獗，据世界粮农组织调查，1965 年使昆虫和螨类产生抗药的有 182 种，1968 增加到 228 种，到 1979 年增加到 364 种。美国加利福尼亚州的 4 4 农场中的 25 种主要农业害虫中，有 17 种已经对一种或对几种杀虫剂具有抗 药性，而害虫的天敌数目却减少了，具有抗药的害虫每年给这个洲的农业造 成几千万美元的损失。随着农药量的增加，土壤中农药残留量越来越多，粮 食被农药污染的程度也相应的增加，所以，农药使用量不能无止境的增加 4 。 （4） 废气对土壤的污染 大气中的有害气体如硫氧化物和氮氧化物，通过沉降或形成酸雨降落地 面使土壤酸化。某些有害粉尘通过沉降也会污染土壤。例如，在生产磷肥氟 化物炼铅等工厂附近的土壤，容易受到粉尘的污染。磷肥厂用的磷矿石含矿 石含氟量一般为 24%，如果对排出的废气处理不当，可能使周围上千平方 米工里的土地受到氟污染。在有色金属工厂附近，由于废气中含有大量的铅， 铬，铜等有害物质，常使附近土壤受到这些有毒物质的污染。 （5） 生物对土壤的污染 造成投入生物污染的污染源主要是未经处理的粪便，垃圾，医院废水， 生活废水，屠宰场等。其中危害最大的是传染病医院未经处理和消毒的污水 和废物。他们含有各种病菌，如伤寒杆菌，痢疾细菌肝炎及蛔虫病等。有些 病原菌和寄生虫由于不适应土壤中的环境，可以自然净化或消失，但有时则 在投入中繁殖。人们在生吃瓜果时，难免传染上疾病。 （6） 固体废物对土壤的污染 固体废物来源可以分为矿业固体废物，工业固体废物，城市垃圾，农业 废物和放射性固体废物。他们的种类繁多，所含有毒物质各不相同：矿业固 体废物与工业固体废物中往往含有各种有毒物质；城市垃圾中含有各种病原 菌和寄生虫；农业固体废物中含有各种腐烂有机物和残留农药；放射形固体 废物中含有铀，铯等放射性元素。这些固体废物任意堆放，经雨水浸淋，河 川湖泊的地下水。用了污染的水灌溉农田，就会改变土质和土壤结构，影响 投入中微生物活动，妨碍根系生长，影响作物产量。 3 土壤污染对人体健康的影响 土壤中元素背景值与土壤污染和地方病的关系 德州学院 生物系 2007 界 生物科学专业 毕业论文（设计） 5 地球上的生物都是在地壳物质上生长繁育起来的。研究表明，人体血液与地 壳中的 18 用元素含量 （Fe、Zn、I、Co、V、Mn、Cr、Mo、Sn、Cu、Al、As、Sb、Pb、Cd、Ni、Hg） 呈显著性相关，而与海水无相关性。我国学者的研究也发现，在一定的环境单 元内，岩石、土壤与植物的水下底泥之间，土壤与植物和水下底泥之间，其铜、 锌、镍、锰、铅、铬元素含量皆呈极显著正相关。水体中的元素含量与土壤、 植物和底泥都不相关，只与岩石成分有正相关趋势，说明土壤与环境和生物的 密切关系。 土壤中各元素与生命活动的密切关系，是通过食物链组建起来的。根据土 壤元素含量及其对生物的作用，可将土壤分为两大类：生物必须元素和非必需 元素。在必需元素中，有的对所有生物（动、植物和人类）都必需，有的只对 植物必需，如硼；有的只对动物和人类需要，如鈷、硒。不过，必须与非必需 元素的界限，是随着生物与环境之间的相互作用的发展而转变的，也是随着科 学技术水平提高而逐渐被发现或认识的，从现在必需元素的确定历史过程可以 说明这一点。例如就对植物的元素来说，最早只认识为碳、氢、氧、磷、钾、 硫、镁、钙、铁等十种元素是必需的，后来才逐渐认识锰、硼、锌、铜、钼、 氯对植物的必需性。必需元素含量过低时，生命活动不能正常进行；过高时， 对生命活动又不利，他们只能维持在一定的浓度范围之内，才能使生命活动正 常运行。非必需元素在土壤环境中含量过低时，对生命尚无明显不利作用，但 稍稍升高会导致严重的后果，例如汞、镉等 5。因此，土壤元素背景含量的波 动都会在生物（包括植物、动物和人类）体上反映出来 ，土壤中某些元素的含 量的变化以经引起了明显的病变，即所谓的地方性疾病。目前已经基本明确病 因的地方性疾病有甲状腺肿、氟病、大骨节病及克山病等，它们都是由于土壤 中某一个或几个元素背景含量异常 （过高或过低）而引起的。另外，有现代人为活动应起的环境污染所导致的污 染也很突出。下面对几种地方病情况经行讨论。 （1） 地方性甲状腺肿 这是由地区性土壤环境中碘元素含量过低（如山区），或含量过高（如 沿海），所造成的。表现为地方性甲状腺组织增生与肥大，因病变位于颈部， 6 6 又叫大脖子病。世界上许多国家都与这种病，全球约 2 亿患者。主要流行与亚 洲的喜马拉雅山，非洲的刚果和流域，南美洲的安地斯山区等，我国西北，东 北，华北和西南等地区的山区及丘陵地区最重。我国学者曾提出国内土壤碘的 地理分布与地方性甲状腺肿分布的一般模式：从湿润地区到干旱地区，从内陆 到沿海，从山岳到平原，从河流到上游到下游，土壤环境中的碘由淋溶转为积 累。因此，缺碘的地方性甲状腺肿的流行强度由山地丘陵到平原渐减，最后消 失。相反，干旱，半干旱气候和沿海地区，又往往发生高碘的地方性甲状腺肿。 （2） 地方性氟病 包括龋齿与地方性氟中毒。由于氟的水迁移性强，所以在高温多雨与淋 溶性地区易于产生缺氟病，如山地，丘陵，酸性淋溶的林地等区域，氟的积 累则往往是相对干燥地带，它们或是干旱与半干旱的富钙地球化学环境，或 是半湿润的富铁地球化学环境 6。 （3） 克山病 为一种地方性心肌病，最早在我国黑龙江克山县发现，故名为克山病。 据研究这是与钼和硒含量有关的地方性疾病 7。病区的土壤环境是气候湿润 多雨的低山丘陵，土壤为棕壤，褐土系列，富含腐殖质。 （4） 水俣病 因人体摄入过量的汞尤其是甲基汞所引起的脑损伤，于 1953 年在日本九 州岛水俣湾首次发现。最初是在动物体上发现的，后来在人体上发现。水俣 病是以脑组织损伤为特征，轻度患者症状为鼻，唇，舌，足麻木，语言不清， 记忆力减退，动作笨拙，步态不稳；严重患者全身瘫痪，痉挛，吞咽困难， 最后死亡。这种病的发生与水环境中汞污染物通水生生物进入人体引起的 8。 （5） 疼痛病 由镉中毒引起。表现为腰疼，背疼，膝关节疼，步行困难，呈摇摆状态； 镉中毒，主要损害肾脏和骨骼，使人体内钙质排出体外，引起钙不足导致骨 质疏松和骨骼软化。神通川流域疼痛病的发生主要是因为矿山开采，使下游 德州学院 生物系 2007 界 生物科学专业 毕业论文（设计） 7 河流和地下水都受到镉污染，用污染河水灌溉农田，使水稻，蔬菜中都含有 较高的镉，当地居民食用这些含镉的稻米，导致镉中毒 9。 （6） 砷中毒 砷中毒是由人体摄入过量所致，已成为一个世界环境问题，各国都非常 重视。砷的来源很广，如开矿，冶炼，农药使用和高背景区物质迁移影响所 致。砷主要危害神经细胞使细胞代谢失调，主要表现为食欲不振，恶心，眩 晕，肝肿大，皮肤色素高度沉着，还可致癌 10。 （7） 铅中毒 人体摄入过量的铅，会引起神经系统，造血系统和消化系统的综合症状， 表现为食欲减退，头晕，失眠，记忆力减退，贫血及便秘等。幼儿影响智力 11。 4 土壤污染的防治措施 对于土壤污染，必须贯彻“以防为主，防止结合”的环保方针。首先要 控制和消除污染源。同时看到土壤具有强大的净化能力，在防治土壤污染时 应充分利用这一特点。 （1） 控制和消除土壤污染源 控制和消除土壤污染源，是防治污染的根本途径。土壤对污染所具有的 净化能力相当于一定的处理能力。控制土壤污染源，即控制进入土壤中 的污染物的数量和速度，通过其自然净化作用防治土壤污染。 1） 控制土壤和消除工业“三废” 大力推广闭路系统，无度工艺，以减少和消除污染物的排放。对工 业“三废”回收处理，化害为利。对所排放的“三废”要进行净化处理， 并严格控制污染物排放量和浓度，使之符合排放标准。 2） 加强污灌区的监测和管理 对污水进行灌溉的污染区，要加强对灌溉区的水质监测，了解水中 污染物的成分，含量及其动态，避免带有不易降解的高残留的污染物随 水进入土壤，引起土壤污染。 3） 合理使用 化肥和农药 8 8 禁止或限制使用剧毒，高残留农药，大力发展高效，低残留农药， 发展生物防治措施。例如，禁止使用虽是低残留，但急性，毒性大的农 药。禁止使用高残留的有机氯农药。根据农药特性，合理使用，制定使 用安全间隔期。采用综合防治措施，既要防治病虫害对农作物的威胁， 又要把农药对环境限制在最低程度。 4） 增加土壤容量和提高土壤净化能力 增加土壤有机质含量，砂掺粘改良性土壤，增加和改善土壤胶体的 种类和数量，增加土壤对有还物质的吸附能力和吸附量，从而减少污染 物在土壤中的活性。发现，分离和培养新的微生物品种，以加强生物降 解作用，是提高土壤净化能力的极为重要的一环。 5） 建立监测系统网络，定期对土壤环境质量进行监测，建立系统的档案 资料，要规定优先检测的土壤污染物和检测的标准方法，这方面可参考有关国 际组织的建议和我国国情来编制土壤环境污染的目标，按照预先次序优先进行 调查，研究及实施对策。 （2） 防治土壤污染的措施 1） 施加改良剂 施加改良剂的目的是加速有机物的分解和使重金属固定在土壤中，如 添加有机质可加速土壤中农药的降解，减少农药的残留量。使用重金属吸 收抑制剂，即向土壤施加改良抑制物（如石灰，磷灰盐，硅酸盐，硅酸钙 等它与重金属污染物作用生成难溶的化合物，降低重金属在土壤及土壤植 物体内的迁移能力，这种方法起到临时性的抑制作用，时间过长会引起污 染物的积累，并在条件变化时重金属又转变成可溶性，因而只在污染较轻 的地区尚能使用。 2） 控制土壤氧化还原状态 控制土壤氧化还原条件，也是减轻重金属污染危害的措施。据研究， 在水稻抽穗到成熟期，无机成分大量向穗部转移，淹水可明显地抑制水稻 对镉的吸收，落干则促进水稻对镉的吸收。重金属元素均能与土壤中的硫 化氢反应生成硫化物沉淀。因此，加强水浆管理，可有效减少重金属的危 害。但砷相反，随着土壤氧化还原电位的降低而毒性增加。 德州学院 生物系 2007 界 生物科学专业 毕业论文（设计） 9 3）改变耕作制度 通过土壤耕作改变土壤环境条件，可消除某些污染物的危害。旱田该 水田，DDT 和六六六在旱田中的降解速度慢，积累明显；在水田中 DDT 的讲解速度加快，利用这一性质实行轮作，是减轻或消除农业污染的有效 措施。 4）客土深翻污染土壤的排除 特别是重金属的土壤污染，在土壤中产生积累，阻碍作物的生长发育 防治的根本方法是彻底挖去污染土壤土层，换上新土和客土法，以根除污 染物。但如果是地区性的污染，实际采用客土法是不现实的。 5）采用农业生态工程措施在土壤上繁殖非食用的种子种经济作物或种属， 从而减少污染物进入食物链的途径。或利用某些特定的动物和微生物较 快的吸收或降解土壤中的物质，而达到净化土壤的目的。 6）工程治理利用物理（机械） 物理化学原理治理污染土壤，主要有隔离法，清洗法，热处理，电化 法等，是一种最为彻底，稳定，治本的措施。但投资大，适于小面积的重 度污 染区。近年来把其他工业领域，特别是污水，大气污染治理技 术引入土壤治理过程中，为土壤污染治理研究开辟了新途径。如磁分离技 术，阴阳离子膜代换法，生物反映器等。虽然大多数处于试验探索阶段， 但积极吸收，转化新技术，新材料，在保证治理效果的基础上降低成本， 提高工程实用性，有着重要的实际意义。 ） 制定农药的容许残留量 根据农药的“最大一日容许摄取量”（容许摄取量/kg*d ）,用 ADI 值表示）乘以安全系数（一般定为 1/100） 残留容许量=ADI*体重(kg)/食品系数kg/(人*d) 总之在防治土壤污染的措施上，必须考虑到因地制宜，采取可行 的办法，即消除土壤环境的污染，也不致引起其他环境的污染问题。 ） 植树造林，保护生态环境 土壤污染是大气污染和水质污染为媒介的二次污染为主。森林是个天 然的吸尘器，对于污染大气的各种粉尘和飘尘都被森林阻挡，过滤和吸附， 10 10 从而净化空气，避免了有大气污染而引起的土壤污染。此外，森林在涵养 水源调节气候，防止水土流失等方面也发挥着重要的作用。所以，提高森 林覆盖率，维护森林生态系统的平衡是关系到保护土壤质量的大问题，应 当给予足够的重视。 二：土壤退化问题 土壤退化是一个宏观意义上的土壤环境问题。 一般认为，在人类经济活动和各种自然因素的长期作用和影响下，土壤 生态平衡遭到破坏，从而导致土壤或人为因素影响下发生及其可持续性的降 低甚至完全丧失。土壤物理的，化学的，生物的退化过程，是土壤 退化的中 心环节。依据土壤退化的表现形式可分为显形和隐形两大类型。前者系指退 化过程可导致 显的退化结果；后者指退化过程已经开始或已经进行较长时间但未导致明显 的退化11。从土壤圈与地球表层系统其它圈层之间的相互作用角度，特别 是人类因素诱发的土壤退化的发生机制与演化过程，时空分布规律来研究土 壤退化，预测与恢复土壤质量是人类面临的一项具挑战性的紧迫任务。 三：展望 土壤圈未来变化的预测 土壤圈是全球百年化的“记录本”，对现在土壤记忆信息的正确解读， 是区分过去和现在的土壤变化，并预测未来变化的依据。 土壤圈变化具有及广泛的意义，包括土壤各种性状，特点，迁移转化过 程，一直土壤类型，利用状况等方面的定性，定量变化，也有规则的周期性 （循环）变化和趋势变化，具有一定的趋势，呈直线或呈“螺旋形”的下降 或上升。土壤变化的方向和过程的在很大程度上取决于它的可逆性(即土壤恢 复原状的可能性和速率)目前主要通过土壤发生的现在环境和未来环境变化 趋势，如全球气候变化，人类活动等大致了解与推断土壤如何，何时何地对 环境的作用和影响，