土壤环境监测中有害化学物残留及含量检测研究

尹风娟

（东营市生态环境服务中心，山东 东营 257091）

引言

有害化学物质的持续释放和积累，不仅损害了土壤生态系统的稳定性，还直接威胁到人类健康和食品安全。本文旨在深入探讨土壤环境监测中有害化学物残留及含量检测的方法与重要性。我们将讨论土壤污染的来源和种类，分析有害化学物质在土壤中的迁移机制，介绍各种监测技术和方法，并强调有害化学物质残留的生态和健康风险评估[1]。

1 有害化学物残留对土壤生态系统的危害

1.1 生物多样性的损害

有害化学物质残留对土壤中的微生物、植物和动物群体造成了直接和间接的影响。首先，土壤中的微生物群体受到了影响，这些微生物对于土壤中有机物质的分解和养分循环至关重要。有害物质可能对这些微生物产生毒性作用，导致微生物生物多样性减少，降低了土壤的生态稳定性；其次，土壤中的植物受到毒性化学物质的抑制，导致植物生长受阻、叶片损伤和生殖能力下降。这对土壤中的植物多样性和植被覆盖产生负面影响。

1.2 土壤质地和结构的改变

有害化学物质残留也可以改变土壤的物理特性，包括土壤质地和结构。某些有害物质可能导致土壤颗粒黏合，形成坚硬的土壤层，阻碍水分渗透和根系生长。这不仅限制了植物的水分获取，还导致土壤侵蚀和水资源污染。此外，有害化学物质的残留可能改变土壤的酸碱度，破坏土壤的化学平衡，这可能导致土壤中有害物质的积累，对生物多样性和养分循环产生负面影响，最终导致土壤的退化[2]。

1.3 食品安全和人类健康风险

土壤是农作物的生长介质，有害化学物质的残留可能导致食品链污染，对人类健康构成威胁。当有害物质进入农作物并被人类食用时，可能导致慢性中毒或其他健康问题，这对于农产品的质量和食品安全至关重要。有害物质的残留还可能导致土壤中的有害物质浓度逐渐升高，从而增加了土壤修复和废弃物处理的成本，对环境可持续性构成挑战。

2 有害化学物的残留和迁移机制

2.1 土壤-水界面的相互作用

土壤-水界面是有害化学物质在土壤环境中迁移和传播的关键场所。当有害物质存在于土壤中时，它们可以与土壤颗粒表面的粒子相互吸附，形成可逆或不可逆的化学键。这种吸附作用可以影响有害物质在土壤中的分布和迁移速度。当降雨或灌溉水进入土壤时，有害物质可能会被带入土壤孔隙中，进而进入地下水体。这种迁移路径可能导致地下水体的污染，对水资源构成威胁。

2.2 土壤-植物相互作用

植物与土壤中的有害化学物质之间的相互作用对于理解这些物质在土壤生态系统中的迁移和生物可用性至关重要。植物的根系可以吸收土壤中的水和养分，同时也可能吸收有害物质，这一过程称为植物吸收。有害物质在植物吸收时可能发生转化，部分物质被积累在植物的不同组织中，如根、茎和叶片，这可能导致植物对有害物质的生物富集，进而影响食物链中的有害物质传递。植物的吸收和转运机制受多种因素影响，包括土壤条件、植物物种和有害物质的特性[3]。

2.3 土壤-大气相互作用

土壤与大气之间的相互作用是有害物质从土壤向大气中释放或从大气中沉降到土壤中的途径之一。有害物质可以通过蒸发、挥发和气溶胶的形式进入大气中。一些有害物质，如挥发性有机化合物（VOCs）和气溶胶颗粒，可能在大气中传输一段距离，然后在降雨或大气沉降过程中返回土壤，这种过程称为湿沉降。此外，大气中的颗粒物和气溶胶也可能在土壤表面沉积，并带有有害物质，对土壤中的有害物质含量产生影响。这些土壤-大气相互作用的复杂性取决于有害物质的特性、气象条件和土壤类型。

2.4 土壤生物学过程的影响

土壤中的生物活性对有害化学物质的残留和迁移也具有重要影响。土壤微生物在分解和降解有害物质方面发挥着关键作用。它们可以利用有害物质作为碳源和能量来源，并将其转化为无害或低毒性的代谢产物。

3 土壤环境监测技术

3.1 传统土壤采样和分析方法

3.1.1 土壤采样方法

传统土壤采样通常使用土壤钻或土壤采样器来获取土壤样品。这些方法涉及在不同深度和位置采集土壤样品，以代表性地反映土壤中的有害物质分布。采样深度通常取决于研究目的，包括表层土壤（0～15厘米）、根区土壤（15～30厘米）、深层土壤（30～60厘米）等。采样点的选择应考虑到土壤特性的空间变异性，以确保获得可靠的样品。土壤样品采集后，它们通常被送往实验室进行后续分析[4]。

3.1.2 土壤分析方法

（1）元素分析：常用于测定土壤中的重金属元素，如铅、镉、铬、汞等。这些元素的测定通常使用原子吸收光谱、电感耦合等离子体质谱等仪器方法进行。（2）有机物分析：用于检测土壤中的有机污染物，如农药、挥发性有机化合物（VOCs）和多环芳烃（PAHs）。这些物质的分析通常使用气相色谱质谱联用（GC-MS）、高效液相色谱（HPLC）等技术进行。（3）pH和养分分析：土壤的酸碱度（pH）和养分含量对于植物生长和土壤生态系统的健康至关重要。传统的pH测定通常使用玻璃电极法，而养分分析包括测定土壤中的氮、磷、钾等元素[5]。（4）有机质含量分析：有机质是土壤的关键组成部分，对土壤保持水分和养分供应起着重要作用。有机质含量通常使用色度法或燃烧法进行分析。

3.2 先进的分析技术和仪器

3.2.1 质谱分析

质谱分析是一种广泛用于检测土壤中有害化学物质的高级技术。它基于分子的质量-电荷比，可用于确定土壤中的元素、化合物和有机物质。质谱分析方法包括质子转移质谱（PTRMS）、电子喷雾质谱（ESI-MS）、串联质谱（MS/MS）等。这些技术具有极高的分析灵敏度，可以检测到极低浓度的有害物质，使其在土壤监测中发挥着重要作用。质谱分析还能提供有关有害物质的分子结构和同位素信息，有助于追踪它们的来源和迁移路径。

3.2.2 光谱分析

光谱分析是一种无损、实时的土壤监测方法，它基于土壤中物质与不同波长的光相互作用的原理。近红外光谱（NIRS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）是两种常用的光谱技术，它们可以用于测定土壤中的有机质、养分含量、水分含量以及有害物质的类型和浓度。这些技术具有非侵入性和高效的特点，能够在野外和实验室环境中实时监测土壤性质，帮助研究人员更全面地了解土壤的特性和变化[6]。

3.2.3 生物传感器

生物传感器是一种新兴的土壤监测工具，利用生物材料（如微生物、植物或酶）与土壤中有害物质之间的相互作用来检测污染物。这些生物传感器可以集成到土壤中，通过生物反应产生可测量的信号，从而实现对有害物质的监测。例如，利用荧光标记的细菌来检测重金属离子，或者通过植物根系的生理变化来监测土壤污染。生物传感器具有高度的特异性和敏感性，可以用于实时监测土壤中的有害物质，帮助及早发现和干预土壤污染事件。

3.3 土壤监测自动化技术

3.3.1 传感器网络

传感器网络是一种自动化监测土壤条件的方法，它使用分布在不同地点的传感器来实时监测土壤参数。这些传感器可以测量土壤的温度、湿度、pH、养分含量等关键参数，甚至包括土壤中的有害化学物质浓度。通过将这些传感器连接到数据采集系统，监测人员可以实时访问土壤状况数据，并进行远程监测和控制。传感器网络可用于各种应用，包括农业管理、土壤保护和污染监测。

3.3.2 卫星遥感技术

卫星遥感技术是一种能够实现大范围土壤监测的自动化方法。通过卫星传感器获取的遥感数据，可以用于监测土壤覆盖、土壤湿度、土壤温度等土壤特性。这些数据可以提供广泛的土壤信息，用于农业决策、干旱监测、土壤侵蚀控制等应用。卫星遥感技术具有广泛的应用潜力，尤其是在大范围土壤监测和土壤管理方面[7]。

4 有害化学物残留的生态和健康风险评估

4.1 生态风险评估方法

生态风险评估用于确定土壤中有害化学物质对生态系统的潜在威胁。在评估生态风险时，通常采用以下方法：（1）暴露评估：首先，需要确定有害物质在土壤中的浓度，以及其在土壤中的分布情况。这可以通过土壤采样和分析来实现，或者利用遥感和地理信息系统（GIS）等技术来辅助确定土壤污染的程度和范围。（2）敏感性评估：确定土壤中生物体的敏感度是生态风险评估的重要一步。这包括确定哪些生物体会受到有害物质的直接或间接影响，以及它们在不同生活阶段中可能面临的潜在威胁。（3）风险特征和剂量响应关系：研究人员需要确定不同有害物质的毒性特征，以及暴露于这些物质的生物体的响应情况。这有助于建立风险特征和剂量响应关系，进一步评估不同暴露水平下的风险。（4）风险评估和决策：将暴露、敏感性和风险特征结合起来进行生态风险评估，确定土壤中有害物质对生态系统的潜在风险。这些信息可用于制定土壤修复计划或采取其他管理措施，以减少生态风险。

4.2 人体暴露风险评估方法

人体暴露风险评估旨在确定土壤中的有害化学物质对人类健康的潜在威胁。以下是人体暴露风险评估的一般步骤：（1）暴露评估：首先，需要确定人类接触有害物质的途径和方式，例如通过食物链、直接接触或空气吸入。这需要考虑土壤中有害物质的浓度、土壤的使用方式、食品和饮用水的来源等。（2）剂量评估：剂量评估是确定人体实际吸收的有害物质量的过程。这需要考虑有害物质的生物可利用性、吸收速率和生物转化过程等因素。（3）风险特征和剂量响应关系：类似于生态风险评估，人体暴露风险评估也需要建立有害物质的毒性特征和剂量响应关系。这有助于确定不同暴露水平下的健康风险。（4）风险评估和决策：将暴露、剂量评估和风险特征结合起来，进行人体暴露风险评估，确定土壤中有害物质对人类健康的潜在风险。这些信息可用于制定风险管理策略，例如土壤修复、土壤管理或监测措施。

5 土壤污染防治和修复方法

5.1 土壤修复技术

5.1.1 生物修复

（1）微生物修复：微生物修复通过引入特定的细菌、真菌或其他微生物，来降解土壤中的有机污染物。这些微生物可以利用有机污染物作为碳源和能量来源，将其转化为无害的代谢产物。生物修复通常更适用于有机污染物，如石油烃类、多环芳烃等。这种方法具有高效、环保和经济的特点。（2）植物修复：植物修复利用植物的吸收、积累和转移有害物质的能力。一些植物（称为超积累植物）可以在其组织中富集重金属，而其他植物则可以促进土壤中有机污染物的生物降解。

5.1.2 物理修复

（1）土壤挖掘：将受污染的土壤挖掘出来，然后运送到处理或处置设施进行处置。这是一种迅速有效的方法，适用于大面积严重污染的场地。然而，它可能导致土壤侵蚀和环境破坏。（2）土壤渗滤：土壤渗滤是通过将水或其他溶剂通过污染的土壤，将有害物质冲洗出来的方法。这种方法常用于水溶性污染物的去除，但它可能需要大量的水资源，并且可能导致次生污染。（3）土壤蒸汽提取：土壤蒸汽提取是通过向土壤中注入蒸汽来升华和挥发有机污染物，然后通过抽吸将其收集。这是一种适用于挥发性有机物的方法，但需要复杂的设备和操作。

5.1.3 化学修复

化学修复方法使用化学物质来改变土壤中有害物质的化学特性，从而减少其毒性或迁移性。（1）pH调整：通过添加碱性物质来提高土壤的pH，以促进重金属的沉淀和固定。这可以减少重金属的可溶性和生物可利用性。（2）氧化还原修复：氧化还原修复涉及使用氧化剂或还原剂来改变有害物质的化学状态。例如，还原剂可以将有机氯化物还原成无害的化合物。（3）吸附剂：吸附剂是一种材料，可以吸附有机和无机污染物，将其从土壤中去除。这包括活性炭、氧化铁和各种土壤改良材料。

5.2 污染源控制和减排措施

（1）工业废物管理：工业废物是常见的土壤污染源之一。为了控制工业废物的排放，政府和企业应制定严格的废物管理计划，包括废物处理、储存和运输的相关规定。使用最佳的可行性技术和清洁生产方法可以减少工业废物的生成，从源头上控制污染。（2）农业实践改进：农业活动是导致土壤污染的重要因素之一。农业实践的改进包括合理使用农药和化肥，采用节水灌溉、轮作和植被覆盖等可持续农业技术。这些措施有助于减少农药和养分流失到土壤中，减轻土壤污染风险。（3）城市排水管理：城市排水是另一个常见的土壤污染来源。采用雨水管理措施，如雨水收集和处理系统，可以减少城市排水中的有害化学物质流入土壤和水体。此外，定期检查和维护污水处理设施以确保其有效运行也至关重要。

6 结语

现代技术的不断进步，尤其是先进的分析技术、自动化监测技术和遥感技术，为土壤环境监测提供了更准确、高效和实时的方法。这些工具能够更全面地理解土壤中有害化学物质的分布、迁移和影响，从而制定更有效的土壤保护和修复策略。然而，土壤环境监测仍然面临着挑战，包括监测技术的成本、数据解释的复杂性以及政策、法规的制定与实施。为了有效应对这些挑战，需要跨学科的合作和持续的研究工作，以不断改进土壤监测方法和推动可持续土壤管理的实践。