土壤重金属固定与稳定化

土壤重金属固定与稳定化 土壤是独立的、复杂的、能生长植物的疏松地球表层，是连接各环境要素的基本枢纽，也是结合无机界和生物界的中心环节。土壤可以看成一个独立的历史自然体，有着自己的生成发展过程，能在物质和能量的导入和输出过程中体现一个有机体的功能。土壤是一个复杂的系统，其物质组成和结构的复杂性，使得土壤有机体中的物质和能量迁移转化过程富有物理、物理化学和生物学等方面的复杂反应。土壤因为能生长植物和提供建筑设施的基本平台使它成为了人类赖以生存的物质基础，因此，“土壤是世代相传的，人类所不能出让的生存条件和再生产条件”一一马克思《资本论》，第三卷，1061页(严健汉，詹重慈，1985)[1]。土壤在承载着人类社会进步的同时也在承载着人类生存活动中带来的巨大扰动。在扰动过程中，一些改变或破坏土壤机体功能的物质进入土壤，当超过一定容量时，则形成土壤污染。随着工农业的迅速发展，各种外源污染物通过不同途径逐渐进入土壤，使土壤最终成为大量污染物的“汇”，土壤中污染物来源广泛，主要类型包括有机污染物和无机污染物两类。有机污染物主要指石油烃污染物、有机农药和一些持久性有机污染物等；而无机类污染物主要以重金属污染物为主，同时，一些富营养废弃物、放射性核素和致病生物等也能造成土壤污染。近年来，受污染土壤面积增加的趋势日益明显，据粗略统计，在过去的五十年里，排放到全球环境中的福达2.2万吨，铜93.9万吨，铅78.3万吨，锌135万吨，其中有相当部分进入土壤，致使世界各国土壤受到不同程度的重金属污染(王新，周启星2004)[2]。目前，中国受有机污染物(农药、石油烃和PAHs)污染农田达3600万公顷，其中受农药污染的面积约1300-1600万公顷；受重金属污染的耕地多达2000万公顷，每年重金属污染的粮食多达1000万吨，江西某县多达44%的耕地受到污染，形成670公顷的“镉米”区(周启星，宋玉芳，2004)[3]。1977年美国调查了50个废物堆放场，其中43个堆放场重金属污染了附近的土壤和地下水(Rod，1995; Thoraton, 1996)[4]。另外，污水灌溉和污泥土地施用等农作实践也农田造成了大面积的污染，如沈阳张士灌区用污水灌溉20多年后，污染耕地2500多hm2，稻田含镉5-7 mg}kg 1，造成了严重的镉污染；天津近郊因污水灌溉导致2.3万hm2农田受到污染；广州近郊因为污水灌溉而污染农田2700 hm2，因施用含污染物的底泥造成1333 hm2的土壤被污染，污染面积占郊区耕地面积的46%；90年代中期对北京某污灌区进行的抽样调查表明，大约60%的土壤和36%的糙米存在重金属污染问题(仲维科等，2001)[5]。 重金属污染作为土壤污染的重要类型之一，己逐渐成为普遍现象。由于土壤重金属污染具有长期性、隐蔽性和不可逆性等特点，进入土壤中的重金属能进入食物链并在生物体内累积放大，使其对人类和其它生物产生极大的危害，也使土壤重金属污染逐渐成为人们关注的热点。 1、土壤健康及其动力学 近年来日益重视的土壤环境安全研究，暗示了土壤在发挥其生产力本质的同时，也在承受着功能上被破坏的风险。与此同时，人们对农业的理解己经发生了变化，作为农业活动的主要载体，土壤不仅仅是一个单独的操作系统，它是复杂生态系统的重要组成部分。对土壤的研究也己不能停留在一个简单意义上的承载和生产了，把土壤看作一个有机的生命体，从健康学的角度进行研究显得尤为重要。 2.1土壤健康的概念 近年来土壤健康(Soil health)和土壤质量(Soil quality)这样的术语经常出现在一些科技文献中。人们对怎样区分土壤健康和土壤质量这两个概念各陈其辞。美国学者Doran认为，土壤质量和土壤健康在广义上指土壤实现其功能的潜力，在自然和人工生态系统边界内能够维持生物的生产力，改善环境质量和促进水体、空气以及动植物健康的功能(John and Doran, 2001)[6]。Pankhurst[7](1995)在其论文中把土壤健康和土壤质量定义为三个部分:持续的生物生产力、植物和动物健康水平的提高、环境质量的维持。目前大多数人所接受的土壤健康的概念为:土壤作为重要的生命系统行使各种功能的能力，也即在生态系统水平和土地利用的边界范围内，维持生产植物性和动物性产品的能力，维持或改善水和大气质量的能力，以及促进植物和动物健康的能力(周启星，2005)。 有人认为，科学家偏向于使用“土壤质量”，而生产者则更倾向于使用“土壤健康”，这并没有体现出土壤健康和土壤质量两者间本质上的区分。科学家常使用“土壤质量”是因为他们可用一些可以计量的内在指示因子来描述土壤在物理、化学和生物学上的特征(Doran et al., 1996)；而生产者和一些环境研究者常用土壤健康，是他们把土壤看作一个具备完整功能的整体，通过其功能在动植物等载体上的表现来描述土壤健康的动态变化。White[9]曾经这样定义土壤健康：反映出土壤作为一个生物系统；说明土壤在景观中的基本功能；比较特定土壤对其在气候、景观和植被格局中独特潜能的条件；设法能够提出有意义的趋势评价(梁文举等，2001)。大多数学者都接受土壤健康应从土壤生态功能的角度加以定义，土壤作为一个有机整体在自然和人为扰动下使其在生态系统中功能受损，我们称为土壤健康遭到破坏。可见，土壤健康和土壤质量在其定义上存在着一定的差别。 动物和人体均以土壤上生长的植物为食，因而动物和人体的健康与土壤健康息息相关。由于人们越来越注重饮食与健康，所以土壤健康的观点越来越广泛地在土壤研究和实践生产中得到关注。与此同时，土壤在陆地生态系统中的地位和作用以及土壤健康与大气和水健康的关系也逐渐被人们所认识。土壤健康不仅又植物的生长效率及品质有影响，而且对水体健康和大气健康都有影响。土壤抗准蚀的能力、作为地表水和地下水的过滤器、土壤吸附性能等都使土壤和水体环巷之间有着密切的关系;土壤还是陆地生态系统中最大的碳库和氮库，可以促进夕气分室中的碳向土壤分室转移，减少氮氧化物从土壤中的释放。从健康的角度习定义土壤生态系统功能，己经不能仅仅局限于其生产性，而应该将其与生态系统及环境联系起来，与土壤保护及持续农业联系起来。综上所述，我们认为，土壤质量通常被指为维持生态系统生产力和动植物健康而不发生土壤退化及其它生态环境问题的能力；而土壤健康强调的是土壤作为活生命体的功能，即一个健康的土壤既能持续生产出丰富而优质的作物产品，又能作为环境的重要组成部分供生态系统的服务功能。土壤健康不仅是维系植物健康生长与发育的基础，而与水体健康和大气健康有密切关系，并成为人体健康和动物健康的基本动力。 2.2土壤健康的基本要素 土壤具有为植物生长提供介质、调节和储藏水资源、为人类生活提供平台、以及作为环境缓冲器的服务功能。正是土壤的这四项主要功能，构成了土壤健康的基本要素。任何一个影响或改变土壤健康的因素都是以先作用在土壤健康这四个基本要素上为基础的。 1)植物健康生长 对于农业生产来说，健康土壤或是质量好的土壤，应该是肥沃和适合耕种白土壤，能够在正常条件下生产出高质量的农产品。因此，土壤健康的首要条件是为作物种子发芽和根生长提供适宜的介质，包括不存在过酸或过碱等不宜生态条件以及对植物生长有害的其它条件；平衡地供给植物的营养;能够获得、接受储藏并及时释放供植物利用的水分；能够通过动植物残体的降解作用使营养物得以再循环;对有助于提高植物抵抗各种疾病的微生物群落起支持作用。 2)水分调控与储藏 土壤的蓄水能力不能看作土壤的单一作用，与生长其上的植物所组成的土壤—植物系统是保证土壤蓄水能力的基础。健康的土壤机体与植物之间在水分调主和储藏上相互依存。良好的水分调控与储藏能力能为植物发达根系提供条件，植物的根系也能使土壤机体调控与储藏水分成为可能。反之，土壤容易陷入贫痔板结、侵蚀、沙化和难以生长植物的恶性循环。雨水或雪水到达地面或进入土壤后有若干归宿：一是渗入土体中，然后在土壤中储藏起来，或者被植物吸收；二是直接穿过土体进入地下水中；三是作为径流沿着地表或表层土壤进行迁移进入到溪流或河流等更大的水域。土壤储水量往往取决于所获得的降水量，但是，一个健康土壤或者质量好的土壤，当有足够的降水量时，土壤作为活机体，能够储藏足够的水分，从而最大限度地促进作物的健康生长和发育，最终获得高质量的农产品。与此同时，产生的地表径流最小，带走的土壤沉积物最少(周启星，2005)。 3)为人类居住提供平台 土壤是人类环境重要的组成因素。土壤由于具有多方面作用，从而成为人类生存和发展的历史舞台。它一直在上演人类文明的兴衰与成败。历史上伟大的文明总是从肥沃健康的土壤上孕育而来，如古代尼罗河流域埃及王朝的繁荣，我国的长江和黄河流域，底格里斯河和幼发拉底河的谷地土壤，都是灿烂文明的诞生地。人类的居住环境也正是以这些健康土壤为基础。但当人口剧增，工业飞速发展时，土壤健康也在经历着前所未有的挑战。一些曾经肥沃的土壤受到严重的污染，污染物通过直接或间接的途径进入人体，人们在这样的土壤上居住，无疑增加了受害的风险，适合人类居住的土壤平台也在逐渐减少。 4)环境缓冲器 土壤不但能接纳并保持一定数量的营养物质源源不断地供给植物，而且在一定程度上，健康土壤还能使一些有毒有害污染物转化为低毒的形态或降解为对动物、植物和微生物无毒的成分，同时对地表水和地下水不会构成污染。但是，土壤实施这一功能的能力是有限的，而且对于健康状况受损的土壤进行功能修复也是有限的。因此，必须控制大量外来污染物进入土壤，否则，将对土壤健康产生危害，影响土壤机体的功能(周启星，2005)。 2.3土壤健康动力学的定义 土壤健康动力学是指土壤组分及其生态系统服务功能在时间上的动态变化，以维持土壤生产力的有益元素动态过程、促进动植物健康的土壤组分实践响应以及影响人体健康的土壤污染物归趋循环来表征土壤健康变化的动力学过程。从系统论观点来看，土壤是一个复杂、多相、多层次结构和开放性的动态系统。也就是说，不同层次的土壤变化都是土壤中物理的、化学的、生物的等各个动态过程的综合体现。在各个动态过程中，土壤的有机质含量、团粒结构、容重、pH、肥力和对外源物质的负载能力等都将随着时间变化而变化，尤其是在自然和人为因素的影响下，土壤的健康状态处于动态过程中。土壤健康状况的变化响应着土壤各种理化性状在时间上的动态变化，不同性质的土壤变化的时间尺度也不同，通常有可逆和不可逆的，瞬时的和延续性的，良性的和恶性的类型之分。因此，