土壤污染与“化学定时炸弹”|科普

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最早提出“化学定时炸弹”的学者为荷兰人F.A.F. De Haan，他在1978年研究荷兰砂质土壤施肥状况时，将土壤吸附重金属的饱和状态和由于土壤条件的改变使重金属再活化的过程归结为“化学定时炸弹”。

文/陈能场（广东省生态环境与土壤研究所研究员）

来源：中国经济时报  （2016年6月3日），见报题目为“土壤污染的量变到质变”。

一、从美国纽约洲的“大穆斯湖事件”谈起

大穆斯湖（Big Moose ）位于美国纽约州Androndack 山系中，处于美国工业较为集中的中西部地区风口之下，是美国接受酸类沉降物最多的地域。自1880年左右，该地区开始接受来自燃煤中的二氧化硫(SO₂)沉降。

随着该地区工业的不断发展，燃煤量逐年增长，该地区SO₂的沉降量也迅速增加，这种迅速增加的势头直到1920年前后才得到控制。

然而，湖水中的酸碱度pH值在SO₂沉降了70年后，直到1950年才迅速降低。到1980年，湖水中的pH值较当初整整降低了一个单位，导致了湖水中鲈鱼、白鱼及鳟鱼等鱼类的大量死亡直至在湖水中完全消失。这说明Big Moose 湖及其周围的土壤在70年内一直承受SO₂的投入。

当土壤承受能力达到极限时，土壤pH值就急剧下降，导致了Big Moose 湖水中pH值在不到十年内值由5.6-5.7降至5.0以下，因而产生突发的鱼类死亡事件。

大穆斯湖事件是一个被广为引用的经典案例。其他的案例还有：二十世纪八十年代早期，由于200年工业化的累积，欧洲中部土壤中pH值降至4.2以下，致使Al 大量活化，造成这一地区森林突然大面积死亡；瑞典在1900年左右海岸湿地排水导致酸性硫酸盐土壤的硫从硫化物变成硫酸，到十九世纪四十年代导致周边湖体的强烈酸化。

比利时学者CAPPUYNS等人研究了比利时北部Flanders的河流沉积物在疏浚和处置时可能带来的效应，以“河道疏浚沉积物：潜在化学定时炸弹？一个案例研究”为题目发表了文章。

该文研究表明，将河道疏浚沉积物挖出暴露20天，沉积物的pH值从8.0降低到3.5，沉积物中相当含量的镍、镉、钴、铜、铅和铬释放到了孔隙的水中，结果表明该河流的疏浚和对沉积物处置将会形成一个“化学定时炸弹”。有了对“化学定时炸弹”的认识后，经过预先的评估，一些貌似很环保的行动带来的不良后果就可以避免。

二、从量变到质变

土壤作为人类社会生存的基础，其功能之一就是通过其净化能力为人类消除废弃物，人类排泄物经过土壤的净化而成为土壤肥力的一部分。

随着经济社会的发展，特别是工业革命以来，大量不可降解的物质如重金属和难降解的有机物(POPs)被通过释放到环境中，这些物质最终被积累到土壤和水体及其下的沉积物中。

这些不可降解和难以降解的物质在土壤中的不断积累，土壤中的黏粒具有吸附这些物质的能力，当积累的量不多时，这些物质被牢牢吸附不会产生危害，但土壤的吸附能力是有限的，当吸附到饱和时土壤的很多功能就会受到损害，而当土壤的其他性质发生变化，或受外界环境因素变化影响或者有人为干扰，这些物质将快速被释放出来，导致环境灾难。

这个过程犹如人类引爆炸弹，这就是公众尚不熟悉的词汇“化学定时炸弹”。

最早提出“化学定时炸弹”的学者为荷兰人F.A.F. De Haan，他在1978年研究荷兰砂质土壤施肥状况时，将土壤吸附重金属的饱和状态和由于土壤条件的改变使重金属再活化的过程归结为“化学定时炸弹”。

1988年奥地利学者W. M. Stigliani在“生物圈可持续发展：欧洲部分”的研究中指出，“尽管目前我们减少了污染源释放有害物质的速度，但在土壤和沉积物中仍然存在大量的、过去遗留下的污染物。这些化学物质并非被永久地清除了，而在气候和土地利用发生变化时，能被重新活化。” 

1990年W. M. Stigliani给出了“化学定时炸弹”的一般概念：“化学定时炸弹的概念涉及一系列事件，其主要指随着环境（气候和土地利用）的缓慢变化，使存储土壤和沉积物中的化学物质活化，引致延缓的，而突然爆发的有害效应。

”化学定时炸弹主要有三要素起作用：土壤的脆弱度、化学物质的累积量以及土地利用。

从“化学定时炸弹”的概念可以看出，化学定时炸弹具有包括不可降解的污染物的累积(引爆) 和土壤或者外界环境因素触发(爆炸) 两个阶段。

发生于20 世纪60 年代，日本富山县通川流域的“痛痛病”事件，是由于上游的矿山开采和冶炼，导致下游灌溉含镉水的稻田镉的积累，居民长期食用含镉稻米所导致的。

这个污染过程不是立即显现的，而是一个从量变到质变的过程，也是一个化学定时炸弹的典型案例。

三、土壤重金属污染的触发因素

在“化学定时炸弹”的概念中，有一个关键的词汇Capacity Controlling Properties（容量控制属性，CCP），CCP确定了重金属的沉积容量，它并非一个固定的常数，而是动态的，随外界因素如土地利用、气候、水文的变化而变化，当CCP超过某一阈值时，原来作为土壤重金属的“汇”逆转成“源”，污染地表水、地下水或者导致粮食的重金属超标。这个逆转是难以预测的、不期待的、突然性的，也即是“爆炸”。 

对于重金属，土壤中重要的控制属性即性质有：阳离子交换量（ＣＥＣ）、ＰＨ值、氧化还原电位（Ｅｈ）、有机质含量、盐度和微生物活性。它们是相互依存的，直接或间接地与土壤的物理条件相关联。

如，ＣＥＣ的大小受到土壤矿物类型、有机质含量和土壤质地等的影响，ＣＥＣ高，则重金属吸附容量大，Ｅｈ则受土壤水分含量的影响，Ｅｈ降低时土壤铁锰氧化物被溶解，导致吸附在铁锰氧化物上的重金属被溶出，在处于强还原状态（Ｅｈ＜100毫伏）时，重金属通常与硫等还原物质形成极难溶解的金属硫化物，而在氧化状态下，金属硫化物被氧化，重金属有效性大大提高。土壤的水传导率和土壤的抗侵蚀能力也起着关键作用，而这些能力又受到土壤质地、结构和水分的影响。

5月31日国务院印发的《土壤污染防治行动计划》的重点无疑是在控制和消除“存储土壤和沉积物中的化学物质”。且“针对典型受污染农用地、污染地块，分批实施200个土壤污染治理与修复技术应用试点项目”。

但据2014年《全国土壤污染状况调查公报》，我国耕地的点位超标率为19.4％，重污染企业及周边土壤超标点位为36.3％，镉的点位超标率为7.0％。在这样的污染现状和修复进程面前，我们要在消除和控制土壤重金属等污染物积累的同时，要更加注意土壤内因如ＰＨ值、有机质等的变化以及环境外因如土地利用、气候、水文、酸雨等的变化带来的粮食安全和人居环境安全的影响。

四、“缓变型地球化学灾害”的提出

“化学定时炸弹”一词是由院士谢学锦1993年引入中国的，随后中国学者也积极地开展了这方面的研究工作。1995年11月由谢学锦、刘东生院士主持召开的以“化学定时炸弹”为主题的“香山第46次科学讨论会”则体现了我国已有许多有识之士认识和理解了“化学定时炸弹”的概念及其有可能产生的潜在威胁。

中国科学院南京土壤研究所研究员龚子同于1998年发表了《关于土壤中“化学定时炸弹”及其触爆因素的探讨》一文，从内因和外因两方面来讨论“化学定时炸弹”的触发。

从内因看，化学物质进入土壤体系后经历吸附和解吸两个重要过程。外因则包括气候变化、土壤退化、采矿和冶炼等，并把土壤中的“化学定时炸弹”分成地带性、泛地带性和特殊成土作用导致的潜在“化学定时炸弹”三种，探讨土壤中潜在的“化学定时炸弹”的空间分布、形成原因和污染物类型和性质。

国家地质实验测试中心陈明及其他国内专家发表文章认为“化学定时炸弹”这个概念缺乏科学严肃性、严密性和完整性，需要重新命名和定义，并建议改为“缓变型地球化学灾害”。

原因有二，首先，“定时炸弹”通常与暴力、战争和恐怖活动等联系在一起，“化学定时炸弹”的称呼过于耸人听闻， 普通民众的第一反应往往是“太吓人了”，容易引起误会乃至恐慌。

其次，作为一种地球化学灾害，“化学定时炸弹”虽然可以进行预测，但并不能“定时爆发”。灾害的爆发仅仅是整个灾变过程的一小部分，用它来概括“积累—爆发—弛豫”的整个过程是不完整的。“化学定时炸弹”的形成不仅仅与土壤或沉积物中的化学物质总量有关，而且与元素的形态或存在状态密切相关。

考虑到“化学定时炸弹”的积累过程、形成机理、爆发过程及其严重后果，根据谢学锦院士的建议，陈明于2005年正式提出用“缓变型地球化学灾害”的概念来涵盖“化学定时炸弹”。

五、“土十条”的实施就是个“拆弹”行动

上个世纪８０年代的改革开发以来，中国经济得到快速发展，但资源和环境受到了严重冲击。

对于土壤，一方面大量的重金属等污染物质通过大气、水体和农业生产资料进入土壤，导致了重金属在土壤的积累，另一方面大量的化肥的施用、一些不合理的耕作管理导致了土壤酸化、土壤侵蚀、土壤沙化等的土壤破坏。

从以上分析可以得出，“化学定时炸弹”或者确切的土壤的“缓变型地球化学灾害”正在慢慢产生和形成。

所幸，国家对土壤问题给予了极大的关注，自从２０１１年起，“土壤环境保护”得到了更高层面的重视。

目前，土壤环境质量标准在加紧修订中，土壤污染防治法也在紧锣密鼓地起草中，而5月31日国务院印发的《土壤污染防治行动计划》，作为一个从源头控制到污染治理的全方位土壤保护和防治规划，无疑可以理解为“防弹”行动和“拆弹”行动。

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