土壤“生病”记——无处不在的土壤污染（上）+土壤解毒术（下）
尹春梅
（中国科学院亚热带农业生态研究所）
编者按
从2013年的镉大米事件、2014年广西大新县重金属污染事件，到2015天津滨海新区爆炸事故导致的危化品泄露事件、2016年江苏常州“毒地”事件等等，这些事件不仅给人类带来了伤害，还让我们的土壤也“生病”了……
那么，土壤的“病情”有多重？它的“免疫力”有多强？“生病”的土壤会给我们带来怎样的危害？我们又该如何助力它早日“康复”？
为回答这些问题，科学大院特别推出《土壤“生病”记》。
俗话说：“万物土中生，食以土为本”。土壤是自然环境的重要组成部分, 也是生态系统的基础组成部分, 作为农业生产的基本资料, 土壤是珍贵的自然资源，是人类生存和发展的不可替代的物质基础。
然而，土壤也会生病。人们常说“病从口入”——人们吃了不洁的东西或者对身体有害的东西会生病，其实，土壤生病也与此类似，污染物就是土壤生病的罪魁祸首。
一个可怕的事实是，我们赖以生存的土壤正大面积遭受着病痛“折磨”。生病后的土壤组成、结构和功能会发生变化，进入土壤的污染物对生物、水体、空气和人体健康产生危害。
被污染的土壤
2014年4月17日,中国环境保护部、国土资源部联合发布全国土壤污染状况调查公报,简要公布了2005年4月至2013年12月开展的首次全国土壤污染状况调查的结果。
公报显示，全国土壤总的超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。污染类型以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%[1，2]。
从污染分布情况看，南方土壤污染重于北方；长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大；镉、汞、砷、铅4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。
从数字看我国土壤污染现状（新华社记者秦迎）
注：
[1] 公报中点位超标率是指土壤超标点位的数量占调查点位总数量的比例。
[2]本次调查土壤污染程度分为5级：污染物含量未超过评价标准的，为无污染；在1倍至2倍（含）之间的，为轻微污染；2倍至3倍（含）之间的，为轻度污染；3倍至5倍（含）之间的，为中度污染；5倍以上的，为重度污染。
既然土壤污染问题如此复杂多样，土壤污染都有哪些分类呢？它们都是如何形成的呢？下面就一一解答。土壤污染问题如此复杂多样，土壤污染都有哪些分类呢？它们都
无处不在的土壤污染
科学上，土壤污染大致可分为无机污染物和有机污染物两大类。
无机污染物主要包括，酸、碱、重金属，盐类、放射性元素及其化合物等，其中重金属污染物包括汞、镉、铅、钴、钒、锑、铊、锰、砷等，其中任何一种都能引起人的头痛、头晕、失眠、健忘、神经错乱、关节疼痛、结石甚至癌症。
此类污染物主要来源于冶炼、电镀、染料等工业排放的废水、污泥和废气。放射性污染物包括元素铯、锶的化合物等，主要来源为核工业的废水、废气、废渣的排放，尽管放射性污染相对来说地域性比较强，但其一旦发生即是毁灭性的打击。
有机污染物主要包括，有机农药、酚类、氰化物、石油、合成洗涤剂、苯并芘以及由城市污水、污泥及畜禽粪便、厩肥及其带来的有害微生物等。我国在20世纪60～80年代生产和使用的大多数农药品种都是属于具有持久性污染的有机氯农药，到今天在土地中还有一定的残留。
另外，根据不同的分类标准，土壤污染也可有不同的分类。
比如，按污染物特性，可分为持久性污染和非持久性污染；按污染物进入土壤的途径，可分为大气污染型、水污染型、固体废物污染型、农业污染型；按污染物的来源，可分为工业污染源（工业“三废”物质排放）、农业污染源（化肥、农药、畜禽粪便等）、生活污染源（城乡生活废水、农家肥等）和其他污染源（废弃物焚烧等）等等。
土壤的“免疫系统”
其实，当污染物进入到土壤时，并不会立刻使土壤生病，土壤会通过各种作用努力保持自身性质的稳定，土壤污染物输入、输出过程及累积作用等就称为“土壤的缓冲性能”。在缓冲阶段，土壤可以依靠其自身的“免疫系统”——即土壤的自然净化作用，维持土壤的健康与稳定。
土壤的自然净化作用是指进入土壤的污染物, 在土壤微生物、土壤动物、土壤有机和无机胶体等土壤自身的作用下, 经过一系列的物理、化学和生物化学过程,使污染物在土壤环境中的数量、浓度或毒性、活性降低的过程。其影响因素主要为土壤质量、粘粒矿物、铁铝氧化物、碳酸钙、有机质、土壤的CEC、pH、Eh、土壤水分和温度等。
土壤的自净能力按其作用机理不同主要分为以下几种：
物理自净
污染物在土壤中的分散、稀释和转移，比如有些剧毒的有机磷农药就易于淋洗流失，但这个过程可能会产生二次污染，污染物会转移进入水体或其他土壤；
2
物理化学自净
依靠土壤颗粒表面巨大的吸附作用，吸附溶于土壤水中的气体、胶体微粒及其他物质，并将它们聚集或浓缩在土壤颗粒表面，但吸附可能是暂时的，环境发生变化时污染物还可以解析出来；重金属离子在土壤中主要运动过程就是土壤胶体颗粒的吸附与解吸。
3
化学自净
污染物进入土壤后，发生凝聚与沉淀反应、氧化还原反应、络合-螯合反应、酸碱中和反应、水解、分解化合反应，或者发生由太阳辐射能和紫外线等引起的光化学降解作用等，从而降低毒性，化学自净产生的凝聚和沉淀较稳定，一般情况下不会再释放出来。
例如铜在碱性条件下生成难溶性的氢氧化铜，生物活性下降。
4
生物自净
土壤中存在大量微生物，有些病原微生物进入土壤后，在微生物间的拮抗作用、噬菌体作用，以及植物根系分泌的杀菌素等许多不利因素的作用下而死亡，从而消除污染。
例如，有些农药在土壤微生物或分泌的酶系作用下，能分解成低毒或无毒的代谢产物。同时，土壤中微生物的生存需要依靠有机物，它们具有氧化分解有机物的巨大能力，有机污染物在各种土壤微生物（细菌、真菌、放线菌）的作用下，将复杂的有机物质逐步分解为无机物或腐殖质。有机物腐殖质化后形成的腐殖质，不但无害，还可向植物提供养料，改善土壤物理性质，促进微生物活动，因此，可以说生物自净是最为彻底、真正意义上的净化。
然而，土壤对于各种污染物的自净过程有难易快慢之分，比如挥发能力强的农药，通过土壤的自净作用，可能几天就消除了，而相对来说，对重金属污染，土壤自带的“免疫力”就收效甚微，因为重金属不能被分解或消除，被土壤胶体吸附后也可能发生解吸，且重金属具有生物累积性，可以直接威胁高等生物包括人类。
同时，已受污染土壤治理难度大，代价高，修复可能需要上百年，相当一部分重金属污染地只能通过调整种植品种或者改变土地利用方式来加以回避。
可以说，重金属污染是土壤的“毒药”。
土壤自净能力示意图
另外，土壤自净能力也是有限的，那到达什么程度土壤就自净不了，导致土壤功能失调，质量下降而“生病”了呢？
这就要看土壤的环境容量了，土壤环境容量就是指，土壤环境单元所容许承纳的污染物质的最大数量或负荷量，又称土壤负载容量。简单点说，就是作物不致受害或过量积累污染物的前提下，土壤所能容纳污染物的最大负荷量。
四种土壤自净作用的过程相互交错, 其强度的总和构成了土壤环境容量的基础。
不同土壤其环境容量是不同的，比如粘粒和有机质含量高的土壤，环境容量就相对较高；同一土壤对不同污染物的容量也是不同的，打个比方说，就好比是人能吃盐和糖的量是不一样的。
有趣的是，土壤的“免疫力”同人的一样，也是可以在一定程度上给予提高的，比如增加土壤有机质含量、砂掺粘等土壤改良措施，以增加与改善土壤胶体的种类与数量，增加土壤对有害物质的吸附能力与吸附量，从而减少污染物在土壤中的活性；发现、分离与培养新的微生物品种，以增强生物降解作用，也是提高土壤净化能力的极为重要的一招。
土壤污染与人类安全
那么，土壤污染跟人类的生命安全究竟有些什么样的千丝万缕的联系呢？
首先，人类位于食物链的顶端，而土壤又是人类食物来源的基础，且不用说直接食用从污染土壤里长出来的粮食蔬菜瓜果，由污染土壤生长的作物喂养的牲畜、污染地流域的水体中出产的水产，每一样都直指人们的餐桌；
其次，土壤中污染物的转移和扩散导致空气污染、水体污染，污染土壤区域植被破坏、环境恶化，人类生存条件恶化；
再者，病原微生物的肆虐也可以直接让土壤的“病”转移到人的身上。
虽然是土壤生病了，可确实是要人的命啊。2012年广州番禺菜地用有害物垃圾堆肥事件、2013年的镉大米事件、2014年广西大新县重金属污染事件、2015天津滨海新区爆炸事故导致的危化品泄露事件、2016年江苏常州“毒地”事件，哪一件不是触目惊心，哪一件不是性命攸关？
土壤污染与人体健康关系
特别值得注意的是，土壤资源的数量是有限的、不可再生的。土壤一旦污染, 修复难度大, 费力、费钱、费时, 有的甚至无法复原。因此, 必须重视保护土壤资源。
更重要的是, 随着时间的推移, 当地的土壤外部污染源虽然可以有所控制, 土壤中存留的污染物的清除却是一个艰难而漫长的过程，而且一些污染物还可通过长距离传输, 有可能不断地进入土壤。
土壤“生病”记（上）：无处不在的土壤污染
两篇文章合并了土壤“生病”记：（下）土壤解毒术
近年来，由于工业“三废”的排放、化肥与农药的不合理使用以及污水灌溉和污泥农用等原因，土壤重金属污染日趋严重。我们前面曾提到，重金属污染因其在土壤中一般很难被降解，易富集，对环境和人类健康造成危害，故称为“土壤的毒药”。那么土壤中毒后还有救吗？可有解毒良方？今天我们就来盘点一下治理土壤重金属污染的“土壤解毒术”。
重金属元素一般是指原子密度大于4.59g/cm3的金属元素，普遍存在于环境中，只有当其在生物体内富集到一定量时才会产生毒害作用。目前，重金属元素普遍超标，这对土壤和各种生物体的生存发展带来严峻挑战。治理重金属土壤污染迫在眉睫。
治理重金属土壤污染，目前主要有以下几种方式：
工程修复技术
工程修复以挖掘填埋方式为主，即客土法、深翻耕法和填埋法等。这种技术简单直接，但工作量大，且并不是一个永久措施，只是把环境问题从高危害区转移到低危害区，填埋法还存在占用土地、渗漏、污染周边环境等负面影响，因此在当今的土壤修复中使用较少。
工程修复实例1：易地解毒回填法
工程修复实例2：施用稳定剂+客土法联合修复
电动力学修复技术
电动力学修复是利用土层和污染物电动力学性质对环境进行修复的新兴技术。电动力学修复技术的基本原理类似电池，在施加直流电场后，带正电荷的重金属离子开始向阳极迁移，其迁移速度比同方向流动的电渗析流快得多。一般采用惰性的炭电极，以避免额外物质的导入。重金属离子最终可能沉淀在电极上或者被抽取出来另行处置。
电动修复是一种原位修复技术，近年来发展很快，在一些欧美国家已进入商业化。但事实上，实验室采用一种金属离子的溶液做模拟试验常能有效地去除土壤中的金属离子，有时也得到相反的结果。许多学者在这方面仍在孜孜不倦的努力，并改进了实验装置，相信在不久的将来电动修复将在土壤重金属修复上发挥更大的作用。
电动力学修复过程示意图
除此以外，土壤修复还有物理的淋洗法、化学的表面活性剂清洗法等，把土壤固相中的重金属转移到土壤液相，或者水体，再通过提取剂将液相中的重金属污染物提取出来。工艺较为复杂，对土壤的理化结构可能造成破坏，还有二次污染的可能，可谓“杀敌一千自损八百”，需谨慎使用。
以上这些方法或多或少都会有不少的问题出现，可以说，它们并不是土壤污染治理的良策。
植物修复技术
近年来植物修复技术逐渐被人们所认知和重视，它具有原位修复、价格便宜、还对周边环境影响小等优点。俗话说，“一物降一物”，大自然中就有这样特别神奇的存在，当人们正为被重金属污染的土壤寸草不生而苦恼，却发现某些重金属严重超标的矿山附近，有些植物生长得好好的。这是何解？
原来植物在长期的生长进化中会对环境胁迫产生抗性。就重金属胁迫而言，植物主要通过“避”、“耐”、“吸”3个途径获得对重金属的抗性。
“避”
“避”是指植物从土壤中吸收水分和养分时，可以限制或者禁止重金属离子进入植株的本领。其原理是植物及其根际微生物的分泌作用螯合、沉淀土壤中的重金属，以降低其生物有效性和移动性，并防止其进入地下水和食物链，减少对环境和人类健康危害的风险。
比如，植物的根系分泌物主要通过改变根际环境的pH值和氧化还原电位(Eh) 值、螯合重金属等途径来控制重金属进入植物体内。而禾秆蹄盖蕨则把进入体内的重金属Cd都限制在根尖细胞壁上。
在这个过程中，植物有着双重功能，一方面可以保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏从而防止重金属污染物的淋移；另一方面，通过在根部积累和沉淀或根表吸收，从而加强了土壤中污染物的固定。
能避Cd而生的禾秆蹄盖蕨
刚开始，人们将这项技术用于矿区重金属污染的治理，后来人们进一步发现，有些花卉品种躲避重金属伤害的能力也非同一般，从而为重金属污染土壤的治理又开辟了一条新路——带毒利用。
花卉作为重金属治理的新秀，优势也非常明显，既能保证污染土壤的植被覆盖，还有观赏价值，通过食物链富集对人体的危害也几乎可以忽略不计，简直太完美了有没有！这项技术已经开始应用于城市中重金属污染土壤的治理了。
可以在锰污染土壤中生长的紫茉莉
“耐”
“耐”是指植物可以将吸收到植物体内的重金属重新排出体外。有些植物耐重金属污染的本领很“魔性”，它们可以将污染物吸收到体内后将其转化为气态物质释放到大气中，也就是将土壤中的污染物转移到大气中——主要是易挥发的非金属元素硒和金属元素汞。
烟草、香蒲等植物都有将土壤中的汞吸收转化释放入大气中的能力。尽管这种方法无需人们再动手就可去除土壤中的污染物，但是将污染物转移到大气中，对人类和其他生物具有一定的风险，也要小心为之。
能将汞挥发的香蒲
“吸”
“吸”是指植物的根系可从土壤中吸取一种或多种重金属，并将其转移、贮存到地上，然后人们通过收割从而去除土壤中重金属。这类植物我们称之为富集或超富集植物，这项技术称为植物提取修复。
植物提取修复是目前研究最多、且最有发展前途的一种植物修复技术，可以说是目前土壤重金属污染修复的明星方法，具有原位修复、价格便宜、还对周边环境没有伤害等优点。很多时候人们谈及植物修复的时候，实际上指的就是植物提取修复。
超富集植物，一般生长在重金属污染比较严重的区域，如采矿区附近等。它们仿佛练就了针对某些重金属元素的“吸星大法”，其体内的重金属含量一般达到设定的临界点( 如Cd 达到100 mg /kg，Ni、Pb、Co、Cr、Cu 达到1 000 mg /kg，Mn 和Zn 达到10000 mg /kg) 以上，且植物地上部分的重金属含量应高于根部，植株生长良好。
至今，国内外研究发现的超富集植物达700多种，其中大多数为Ni的超富集植物，并且主要是十字花科植物。我国对超富集植物的筛选研究虽然起步较晚，但已取得较大进展，陆续发现了一系列超富集植物，如As的超富集植物蜈蚣草和大叶井口边草，Cd的超富集植物宝山堇菜和龙葵，Cr的超富集植物李氏禾，Cu的超富集植物海州香薷和鸭跖草，以及Zn的超富集植物东南景天等。
As的超富集植物蜈蚣草（蜈蚣草对土壤As有超富集作用，地上部积累量是一般植物的20倍，蜈蚣草中的砷含量可以达到其自身干物质重量的1%-2%，而且多集中于地上部分，一年可以收割三次之多，是典型的超富集理想植物。）
除此以外，不同的植物组合使用效果更佳：比如将重金属超富集植物与低累积作物玉米套种，超富集植物提取重金属的效率比单种超富集植物明显提高，同时玉米能够生产出符合卫生标准的食品或动物饲料或生物能源，是一种不需要间断农业生产、较经济合理的治理方法。
另外，随着生物科技的发展，将一整套外来的，参与重金属代谢、吸收及累积途径的所有酵素，利用转基因等技术送进植物体内，我们就可以得到耐重金属污染的作物、对重金属污染吸收效率更高、吸收种类更多的超富集植物，甚至可以控制污染物进入植株的部位等等。
虽然植物在重金属污染修复方面的应用越来越广，但其缺点也很明显：植物修复需要的时间长，去除效率不高，对富集重金属的植物需要进行及时收割且对收割植物需要妥善处理，否则会造成二次污染。同时，若使用螯合剂等辅助修复，需要注意化学试剂本身的环境风险。
结语：不论污染修复技术如何发展，人类也不该推卸自己的责任，土壤中的污染物排放来自于我们的工业化发展，保护土壤资源，是我们每个人的责任，而治理污染本身，就是减少排放。
参考文献（上）
《全国土壤污染状况调查公报》，中华人民共和国环境保护部和国土资源部，2014.04
韩冬梅，金书秦.我国土壤污染分类、政策分析与防治建议.经济研究参考，2014，43：42-48
黄静， 靳孟贵，程天舜.论土壤环境容量及其应用.安徽农业科学，2007，35(25)：7895-7896，7953
参考文献（下）
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[3] 杨学军1 陈凯进2. 花卉植物对重金属污染土壤修复能力的研究[J/OL]. 河南农业,2017,(20):1
[4] 孙鹏轩. 土壤重金属污染修复技术及其研究进展[J]. 环境保护与循环经济，2012,32（11）：48-51,75
[5] 仲灿,葛晓敏,倪云,唐罗忠. 植物对土壤Cd、Pb污染的修复与抗性机理研究进展[J/OL]. 世界林业研究,2017,30(01):37-43.
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