土壤是一个开放的生态系统,它和外界进行着连续、快速、大量的物质和能量交换。在进入土壤的物质中,植物落叶和动物残骸等可以被土壤环境快速转化利用,成为维持自身功能的一部分,这些物质对于土壤环境基本上不会造成危害。有些物质可以被土壤吸附或降解并达到稳定状态,但当远远超出土壤吸附和降解能力的大量该物质进入土壤后,则可能成为土壤的污染物。此外,有些并非土壤需要的,会损坏、降低土壤质量和肥力,影响植物生物量和生长状态,以及有害人体健康的物质统称为土壤环境污染物。土壤是人类和动物赖以生存的环境,土壤污染直接影响人类和其他生物的生存,土壤污染也会导致大气和水体的污染。
(一)土壤污染的影响因素
1.土壤基本特征对土壤污染的影响
(1)土壤孔性
土壤孔性是土壤孔隙的特征,它包括土壤孔隙的数量、大小、分布状况等。土壤孔性是衡量土壤结构质量的重要指标,土壤孔性能够调节土壤的通气性、透水性和保水性,而且可以决定生物的活动性,而生物的活动性对土壤化学物质的迁移转化具有十分重要的作用。
土壤的孔隙特征对污染物的迁移有着重要影响。密实、孔隙度小的土壤,对污染物的截流效果好,同时透气性差导致生物活性不强,有机物降解能力很弱,因而容易引起有机污染。土质疏松的土壤孔隙度较大,微生物活动强烈,有机污染物迅速降解,不致产生土壤有机污染,但该类土壤不能截流污染物,污染物容易向土壤深处迁移,对于防止无机污染物和重金属扩散十分不利。
(2)土壤黏粒
土壤黏粒对污染物有很强的吸附作用,可以使污染物阻留在土壤的表层。黏粒的强吸附作用还可以降低重金属污染物的活性,使重金属的毒性降低。此外,土壤黏粒可以保持水分和肥力,含黏粒较多的土壤适合植物和微生物生长,生物活动性的增加可有效促进有机物降解。当土壤黏粒含量较低而砂粒含量较高时,土壤吸附污染物作用就很会减弱,致使污染物向深层土壤迁移;当黏粒含量很高时,土壤透气性受阻,土壤中好氧微生物的生存受到抑制。
(3)阳离子交换量
在土壤中,吸附—解吸和沉淀—溶解是化学物质迁移转化的两个重要平衡过程。如果吸附和沉淀占据主导地位,那么污染物就会向稳定形态转化,迁移能力降低、毒性下降;如果解吸和溶解占据主导地位,那么污染物活动能力增强,污染物迁移能力提高、毒性增强。
土壤阳离子交换能力是土壤胶体吸附能力的重要组成部分,阳离子交换量是表征土壤阳离子交换能力的量度。阳离子交换量与土壤黏土矿物和有机质的含量紧密相关。由于胶体和有机质常常带有较多负电荷,黏土和有机质的含量越大,则交换量就越大。在阳离子有较强吸附能力的土壤中,重金属很容易被土壤吸附,使得重金属的迁移能力下降,减少了重金属污染物扩散的可能性。
(4)氧化还原电位
土壤的氧化还原电位也是决定化学物质活动性的重要指标,它对金属元素的价态和活性具有显著影响。在氧化氛围土壤中,铬呈现高毒性的六价态,铜、铁呈现低毒性的高价稳定态;在还原条件,铬以毒性较低的三价形态存在,铜、铁则表现为活性较强的低价态。
(5)土壤有机质
土壤有机质可以被植物吸收利用,土壤有机质可以在微生物作用下分解生成比较简单的有机物(如氨基酸、脂肪酸等),或者与土壤中重金属结合生成较为稳定的形态,也可以与农药、化肥等反应,转化成其他形态。
(6)pH
pH是土壤化学性质的又一重要指标,它与土壤化学元素的状态密切相关,pH的改变可以引起化学物质的剧烈变化。当pH降低时,土壤中稳定盐金属离子能够以离子的形式释放,土壤胶体吸附的金属离子能够被氢离子取代而释放,进而土壤可溶态金属离子浓度会增加,金属对植物的危害可能随之增大;当pH升高时,土壤中金属的形态、数量和效应则会产生与上述相反的变化。
2.外界因素
(1)气候
在气候要素中,气温和降水是影响土壤环境的两个重要因素,与土壤温度和湿度直接相关,而土壤温度和湿度影响着土壤污染物化学反应的条件。当气温升高时,土壤温度也随之升高,温度升高可以直接提高化学反应的速率,也会提高微生物的活动能力,进而加快与微生物相关化学反应的速率。高强度降水可以大大提高土壤水分,进而增大土壤污染物迁移的可能性,土壤溶液中的污染物溶解量高,增强了污染物对植物的毒害作用。
(2)人为活动(www.xing528.com)
人类对土壤进行大规模改造的同时,对土壤环境也造成了严重影响。大量矿山尾矿造成土地大面积重金属污染,污水灌溉造成农田重金属污染,无节制施用化肥导致土壤理化性质发生改变,土壤沙化使土壤功能和肥力减弱,酸雨使土壤酸度升高,工业企业搬迁遗留下大量被重金属或有机物污染的场地。
(二)土壤环境背景值
土壤环境背景值是指未受人类活动或受很少人类活动及污染影响的土壤环境本身化学元素的组成及其含量。土壤环境背景值不是一个不变的量,是随成土因素、气候条件和时间变化的。当今世界,人类的影响几乎遍及世界每一个角落,地球已经很难找到没有人类活动影响的土壤,土壤环境背景值一般是相对的、并具有历史范畴的一组值。土壤环境背景值是土壤的重要属性和特征,研究土壤环境背景值可以为土壤环境质量评价提供科学依据,为确定土壤环境容量和土壤环境标准提供服务。
(三)土壤环境容量
土壤环境容量也称污染物的土壤负载容量,是指在一定环境单元、时限内遵循环境质量标准,既能保证土壤质量,又不产生次生污染时,土壤所能容纳污染物的最大负荷量。如从土壤圈物质循环角度来考虑,土壤环境容量也可定义为“在保证土壤圈物质良性循环的条件下,土壤所能容纳污染物的最大允许量”[3]。由于影响因素的复杂性,土壤环境容量不是一个固定值,而是一个范围值。
(四)土壤环境自净能力
土壤环境自净作用即土壤环境的自然净化作用(或净化功能的作用过程),指在自然因素作用下的土壤通过自身作用使土壤环境中污染物的数量、浓度或毒性、活性降低的过程。
土壤环境的自净作用按照其作用机理的不同,可以分为物理净化作用、物理化学净化作用、化学净化作用和生物净化作用4种过程。
1.物理净化作用
物理净化作用就是利用土壤多相、疏松、多孔的特点,通过吸附、挥发、稀释、扩散等物理过程使土壤污染趋于稳定,减小毒性或活性,甚至排出土壤的过程。土壤是一个犹如天然过滤器的多相多孔体,固相中的各类胶态物质——土壤胶体颗粒具有很强的表面吸附能力,土壤难溶性固体污染物可被土壤胶体吸附;可溶性污染物也能被土壤固相表面吸附(指物理吸附),被土壤中水分稀释而迁移至地表水或地下层,如硝酸盐、亚硝酸盐有较大迁移能力;某些污染物可挥发或转化成气态物质从土壤空隙中迁移扩散至大气。这些物理过程不能降低污染物总量,有时还会使其他环境介质受到污染。土壤物理净化效果取决于土壤的温度、湿度、质地、结构及污染物性质。
2.化学净化作用
化学净化作用主要是通过溶解、氧化、还原、化学降解和化学沉降等过程,使污染物迁移出土壤之外或转化为不被植物吸收的难溶物,不改变土壤结构和功能。在土壤中,污染物可能发生凝聚与沉淀反应、氧化还原反应,或者发生由太阳辐射中紫外线等能量引起的光化学降解作用等化学变化。污染物转化成难溶或难解离的物质,或者发生光化学降解。
3.物理化学净化作用
土壤物理化学净化作用,是指污染物的阳、阴离子与土壤原来吸附的离子交换吸附的作用。
此种净化作用为可逆的离子交换反应,且服从质量作用定律(同时,此种净化作用也是土壤环境缓冲作用的重要机制)。其净化能力的大小用土壤阳离子交换量或阴离子交换量衡量。污染物的阳、阴离子被交换吸附到土壤胶体上,降低了土壤溶液中这些离子的浓度,相对减轻了有害离子对植物生长的不利影响。由于一般土壤中带负电荷的胶体较多,因此,一般土壤对阳离子或带正电的污染物净化能力较强。当污水中污染物离子浓度不大时,经过土壤净化作用后,就能得到很好的净化效果。增加土壤中胶体的含量,特别是有机胶体的含量,可以相应提高土壤的物理化学净化能力。此外,土壤pH增大,有利于对污染物的阳离子进行净化;pH降低,则有利于对污染物阴离子的净化。对于不同的阳离子、阴离子而言,其相对交换能力大的,则更容易被土壤物理化学作用净化。
除此之外,还需要指出的是,物理化学作用的净化效果与胶体自身的性质和污染物离子的性质有关。
4.生物净化作用
生物净化作用主要是指依靠土壤生物使土壤有机污染物发生分解或化合而转化的过程。当污染物进入土壤中后,土壤中大量微生物体内酶或分泌酶可以通过催化作用发生各种各样的分解反应,这是土壤环境自净的重要途径之一。
由于土壤中的微生物种类繁多,各种有机污染物在不同条件下的分解形式也是多种多样,主要有氧化、还原、水解、脱烃、脱卤、芳香烃基化、环破裂等过程,最终转化为对生物无毒的残留物和二氧化碳。在土壤中,某些无机污染物也可以通过微生物的作用发生一系列变化而降低活性和毒性。
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