高砷背景土壤风险分级与管控技术研究

何 肖

（深圳市环境工程科学技术中心有限公司，广东 深圳 518001）

引言

土壤，生态环境的基石，承载着生态稳定和人类健康的重要责任。它的健康状况直接影响到我们所依赖的食物链和生物多样性。但在快速工业化和人类活动的推动下，土壤污染已成为一个日益加剧的全球问题。华南地区由于其特殊的地理和工业特点，面临着尤为严重的高砷背景土壤问题。砷，这种天然存在但具有高毒性的重金属，当其在土壤中的浓度超出某一阈值时，可能会对环境和生物造成不可逆的伤害。面对这一挑战，如何科学地对高砷背景土壤进行风险评估、分级并制定有效的管控策略，已成为环境科学家和决策者的共同关注点。因此，本文致力于对这一问题进行深入探讨，希望为相关领域的研究者和实践者提供有价值的见解和策略建议。

1 高砷背景土壤的风险分析

1.1 土壤中砷的来源及其分布特点

砷是一种在地壳中天然存在的元素，特别是在华南地区以赤红壤和红壤为主的土壤类型中，砷的高含量是土壤自然组成的一部分，而不仅仅是人类活动导致的污染物。砷的来源可以大致分为两类：自然来源和人为来源。自然来源包括岩石风化、火山活动和森林火灾，这些过程会将砷释放到大气、水和土壤中。人为来源则主要包括矿业活动、农业活动（如使用砷酸盐作为农药）和工业排放。在土壤中，砷主要以不同的化合物形式存在，其分布特点受到许多因素的影响，如土壤的pH值、有机质含量和其他矿物质的存在。在酸性土壤中，砷更容易被植物吸收；而在碱性土壤中，砷则以不溶性的形式存在，较难被植物吸收。此外，土壤中的铁、锰等矿物质也会与砷形成稳定的复合物，影响其在土壤中的分布[1]。

1.2 高砷背景土壤对环境和人体的潜在影响

高砷背景土壤对环境和生态系统产生多种影响。首先，砷会影响土壤微生物的活性和多样性，进而影响土壤的肥力和结构。其次，砷会通过食物链进入生态系统，影响各个营养级的生物。例如，植物吸收砷后，被动物食用，从而导致砷在食物链中被生物放大。对于人体来说，长时间摄入高砷食物或水会导致多种健康问题。砷是一种已知的致癌物质，长时间摄入会增加皮肤、肺和膀胱癌的风险。此外，砷还会影响心血管系统、神经系统和免疫系统，导致多种非癌性疾病[2]。

1.3 高砷背景土壤的风险评估方法

高砷背景土壤的风险评估通常涉及多个步骤，包括数据收集、风险识别、风险估算和风险评价。首先，需要收集相关数据，如土壤中的砷含量、土壤的物理化学性质、植物和动物的砷含量等。然后，基于这些数据，识别可能的风险途径，如土壤-植物-动物-人的食物链途径。接下来，通过风险估算模型，估计不同途径的风险程度。这些模型通常基于动物实验数据和人群流行病学数据，可以估计不同摄入量下的健康风险。最后，根据风险估算的结果，进行风险评价。评价结果可以为政府和公众提供决策依据，如是否需要进行土壤修复、如何管理高砷背景土壤等[3]。

2 高砷背景土壤的风险分级

2.1 风险分级的标准与方法

风险分级在环境科学和健康评估领域中是一个核心概念，它为我们提供了一个系统化的方法来评估和管理潜在的环境危害。特别是在处理土壤砷污染这类复杂问题时，风险分级为我们提供了明确的、有针对性的管理策略。对于高砷背景土壤，风险的评估和分类需要考虑多种因素。首先，土壤中砷的浓度是一个关键指标。但仅凭浓度并不能完全描述风险，还需考虑砷的生物可利用性。这是因为某些砷的形态对生物体更易吸收，从而可能导致更大的健康风险。此外，暴露途径和频率也是评估风险的重要参数，它们决定了生物体摄入砷的量和方式。基于上述因素，常见的风险分级方法是将土壤按照砷的浓度划分为低、中、高三个级别。这些阈值不是随意确定的，而是基于大量的实验室研究和流行病学数据，确保它们反映了砷的真实毒性和对生态系统、人类健康的影响。然而，单一的浓度阈值并不能全面描述所有风险。例如，某些土壤的砷浓度可能处于“低风险”范围内，但如果这些砷大部分都是高生物可利用性的形态，那么它们可能对生态系统产生的影响远远超出我们基于浓度预期的风险。因此，风险分级应当是一个综合考虑砷浓度、形态、生物可利用性以及其他相关因素的动态过程[4]。

2.2 不同风险级别的土壤特点与影响

土壤砷污染的风险分级体现了砷在土壤中的浓度、形态和生物可利用性等因素对生态系统和人体健康的潜在影响。根据这些因素，土壤可被划分为低、中、高三个风险级别，每个级别都有其独特的特点和相关的风险。低风险土壤的主要特点是砷的浓度相对较低，并且绝大部分存在于不易被生物吸收的形态，如不溶性或低生物可利用性的形式。这意味着这类土壤对生态系统和人体的直接威胁较小。然而，由于环境条件的变化可能导致砷的释放和转化，对这类土壤仍需进行长期的监测和管理，确保砷不会因积累或形态转变而增加风险。中风险土壤中砷的浓度处于一个中间值，或者即使浓度不高，但由于其高生物可利用性或特定的暴露途径，使其潜在风险提高。这类土壤的砷可能对某些较为敏感的植物和微生物产生直接的毒性效应。同时，通过食物链，砷可能进一步影响到上层食物链的生物，如昆虫、小型动物甚至人类。高风险土壤则是重点关注的，因为这类土壤中的砷浓度高并且大部分都是生物可利用的形态。这意味着它们对整个生态系统，包括土壤微生物、植物、动物和人类都构成了直接的威胁。高砷浓度可能导致土壤的生物活性降低、植物生长受到抑制、动物健康出现问题，并最终通过食物链影响到人类健康[5]。

2.3 风险分级的实际应用与效果评估

风险分级作为一种科学的管理工具，已广泛应用于环境保护和健康风险管理领域，为决策者提供了清晰、分层的风险信息，以指导实际操作和资源分配。在环境污染的应对策略中，风险分级为各种污染场景提供了针对性的解决方案。例如，对于被评定为高风险的土壤，可能需要采取紧急的修复措施，如化学修复或生物修复，以迅速降低砷的浓度和生物可利用性。而对于中等或低风险的土壤，更多的是进行持续监测，评估其风险变化，并在必要时进行干预。风险分级的实际效果评估是确保管理措施有效性的关键。在实施了某项修复或管理措施后，需要定期对土壤的砷浓度、形态转化、生物可利用性进行检测，同时监测其对生态系统的潜在影响。这不仅可以评估措施的即时效果，还能确保其长期的稳定性和可持续性。此外，风险分级还在风险沟通和公众参与方面发挥了重要作用。将风险分为清晰、可理解的级别，能够帮助公众更好地认识到问题的严重性，从而更加主动地参与到风险管理的决策过程中。这种透明度和参与性不仅增强了风险管理的社会可接受性，还为有效的风险管理提供了更广泛的社会支持[6]。

3 高砷背景土壤的管控技术研究

3.1 砷的化学性质及其在土壤中的迁移途径

砷，作为地壳中广泛分布的元素，其特有的化学性质为其在土壤及其他环境介质中的行为和命运奠定了基础。它可以存在于多种氧化态，尤其是三价（As（Ⅲ））和五价（As（V））形态，这两种形态在环境中最为常见。这些化学形态决定了砷与土壤中其他组分的互作，进而影响其在土壤中的分布和迁移。具体地说，砷可以以无机或有机的形式存在，或与土壤矿物形成固定化合物。这些不同的形态决定了砷的生物可利用性，也影响了它对生态系统的潜在风险。在土壤中，砷的迁移是一个复杂的过程，受到多种因素的控制。从土壤到水的迁移通常涉及砷的溶出、吸附和沉淀过程，这些过程又受到土壤pH值、有机质含量以及其他土壤化学性质的影响。例如，酸性条件下，砷更容易被释放到土壤溶液中。而从土壤到植物的迁移则涉及植物根部的吸收过程。这一过程受到砷的化学形态、植物种类以及生长环境的影响。有些植物可以积累大量的砷，而其他植物则对砷的吸收显示出抗性。至于土壤到大气的迁移，这一过程相对较少，但在某些条件下，例如干燥、风化等，砷可能会以气态或颗粒物的形式进入大气。

3.2 现有的土壤砷去除技术

砷污染的土壤对环境和生物健康构成了显著威胁。为应对这一问题，研究者和工程师们已开发了多种砷去除技术，每种技术都有其独特的优点和局限性。

3.2.1 化学沉淀法

这是最直接的处理方法之一，涉及向受污染的土壤中添加特定的化学试剂，如铁盐或铝盐。这些试剂与土壤中的砷反应，形成不溶性的沉淀物，进而隔离和固定砷。该技术的优点在于快速有效，但可能会改变土壤的某些化学性质，影响土壤健康。

3.2.2 吸附法

吸附法利用特定的材料，如活性炭、硅胶或某些天然矿物，将土壤中的砷吸附到其表面。这种技术尤其适用于低浓度的砷污染场景，但需注意，随着时间的推移，吸附剂可能会饱和，需要更换。

3.2.3 电动力修复法

这是一种创新技术，通过施加电场，使土壤中的砷沿电场方向迁移，从而集中并去除。这种方法可以迅速去除土壤中的大部分砷，但由于可能会改变土壤的其他性质，如pH和离子浓度，需要进行后续的土壤恢复处理。

3.2.4 植物修复法

植物修复利用某些能够吸收和积累砷的植物，如芦苇或莎草，从土壤中提取砷。随后，这些植物可以被收割并安全处理，从而将砷从土壤中移除。这种方法的优势在于它是生态友好的，能够恢复土壤的生态功能，并有助于提高土壤的健康性。

选择哪种技术取决于多种因素，如污染的严重程度、土壤类型、经济预算等。综合应用多种技术可能会获得最佳的去除效果。

3.3 新型管控技术的研发与应用

随着土壤砷污染问题的加剧，传统的修复方法已经难以满足现实需求。因此，多种新型的管控技术应运而生，为砷污染土壤的修复提供了新的思路和方法。

3.3.1 纳米技术

纳米技术在环境修复领域的应用已经得到了广泛关注。特别是利用纳米材料，如纳米零价铁、纳米硫化物等，可以高效地吸附和固定土壤中的砷。由于纳米材料具有大的比表面积和独特的化学活性，它们对砷的去除效率显著优于传统的吸附材料。此外，纳米材料还可以与其他修复技术结合，如生物修复，进一步提高去除效果。

3.3.2 生物技术

微生物在砷的去除和转化中发挥着关键作用。某些细菌和真菌可以有效地吸附土壤中的砷或将其转化为不同的化学形态，从而降低其毒性。例如，某些微生物能够将砷的毒性形态转化为低毒或无毒的形态，或通过生物矿化过程产生不溶性的砷化合物。这种生物技术不仅能够去除砷，还能恢复土壤的生态功能[7]。

3.3.3 组合技术

为了提高土壤砷的去除效率，研究者们已经开始探索多种技术的组合应用。例如，化学沉淀可以先用于去除大部分砷，然后使用植物修复进一步减少残留砷的浓度。或者，纳米技术和生物技术可以结合使用，充分发挥两者的优势。

总的来说，新型管控技术为砷污染土壤的修复提供了更多的可能性。这些技术不仅提高了修复效率，还对保护和恢复土壤生态环境起到了积极作用。

3.4 管控技术的效果评估与优化

对于任何环境治理技术，仅仅实施并不足够，确保技术的有效性和持久性是至关重要的。这就需要对施行的管控技术进行精确的效果评估和持续的优化。

3.4.1 效果评估

土壤砷浓度监测：这是评估的基础，需要定期采样并利用先进的仪器技术（如原子吸收光谱法）进行浓度测定。

砷形态分析：不同形态的砷对生态系统的影响差异巨大。需要了解治理后土壤中砷的化学形态，评估其生物可利用性及潜在的生态风险。

生态和健康风险评估：除了直接测量土壤砷浓度外，还需要对其可能带来的生态和健康风险进行评估，如评估土壤砷对土壤微生物、植物、土壤动物和人体健康的潜在影响。

3.4.2 技术优化

参数调整：对于化学、物理或生物技术，其效果很大程度上取决于操作参数。例如，化学沉淀的反应时间、温度、试剂种类和添加量都可能影响沉淀效果。

材料选择：选择更高效的吸附材料或具有高砷吸收能力的植物种类，可以显著提高去除效率。

方法组合：有时单一技术可能难以达到预期的效果，结合两种或多种技术可能会产生协同效应，实现更高的去除效率。

总之，对高砷背景土壤的管控不仅仅是一个技术实施的问题，更是一个持续的、系统的工程。只有不断地评估和优化，才能确保技术的有效性和可持续性，为土壤健康和人类健康提供长期的保障。

4 结语

随着工业化的推进和人类活动的扩展，土壤砷污染已成为华南地区乃至全球的一个突出环境问题。通过对高砷背景土壤的风险分析，我们深入了解了砷在土壤中的来源、分布特点以及其对环境和人体的潜在影响。针对这一问题，本研究还提出了风险分级的标准和方法，并对不同风险级别的土壤特点和影响进行了详细描述。在管控技术方面，除了对传统的土壤砷去除技术进行了深入探讨之外，本文还关注了新型的管控技术，如纳米技术、生物技术和组合技术，并对其效果进行了评估与优化。这些技术在实际应用中展现出了良好的效果，为高砷背景土壤的修复和管理提供了新的思路。总体上，本研究为高砷背景土壤的风险管理和技术创新提供了有力的支持。然而，土壤砷污染是一个复杂的系统问题，仍需要进一步的研究和探讨。建议未来的研究应更加关注砷污染的长期效应、污染源的控制以及跨学科的综合管理策略，以期为实现土壤的可持续管理和人类健康的保障提供更为坚实的科学依据。