高砷背景土壤風險分級與管控技術研究

何 肖

（深圳市環境工程科學技術中心有限公司，廣東 深圳 518001）

引言

土壤，生態環境的基石，承載著生態穩定和人類健康的重要責任。它的健康狀況直接影響到我們所依賴的食物鏈和生物多樣性。但在快速工業化和人類活動的推動下，土壤污染已成為一個日益加劇的全球問題。華南地區由于其特殊的地理和工業特點，面臨著尤為嚴重的高砷背景土壤問題。砷，這種天然存在但具有高毒性的重金屬，當其在土壤中的濃度超出某一閾值時，可能會對環境和生物造成不可逆的傷害。面對這一挑戰，如何科學地對高砷背景土壤進行風險評估、分級并制定有效的管控策略，已成為環境科學家和決策者的共同關注點。因此，本文致力于對這一問題進行深入探討，希望為相關領域的研究者和實踐者提供有價值的見解和策略建議。

1 高砷背景土壤的風險分析

1.1 土壤中砷的來源及其分布特點

砷是一種在地殼中天然存在的元素，特別是在華南地區以赤紅壤和紅壤為主的土壤類型中，砷的高含量是土壤自然組成的一部分，而不僅僅是人類活動導致的污染物。砷的來源可以大致分為兩類：自然來源和人為來源。自然來源包括巖石風化、火山活動和森林火災，這些過程會將砷釋放到大氣、水和土壤中。人為來源則主要包括礦業活動、農業活動（如使用砷酸鹽作為農藥）和工業排放。在土壤中，砷主要以不同的化合物形式存在，其分布特點受到許多因素的影響，如土壤的pH值、有機質含量和其他礦物質的存在。在酸性土壤中，砷更容易被植物吸收；而在堿性土壤中，砷則以不溶性的形式存在，較難被植物吸收。此外，土壤中的鐵、錳等礦物質也會與砷形成穩定的復合物，影響其在土壤中的分布[1]。

1.2 高砷背景土壤對環境和人體的潛在影響

高砷背景土壤對環境和生態系統產生多種影響。首先，砷會影響土壤微生物的活性和多樣性，進而影響土壤的肥力和結構。其次，砷會通過食物鏈進入生態系統，影響各個營養級的生物。例如，植物吸收砷后，被動物食用，從而導致砷在食物鏈中被生物放大。對于人體來說，長時間攝入高砷食物或水會導致多種健康問題。砷是一種已知的致癌物質，長時間攝入會增加皮膚、肺和膀胱癌的風險。此外，砷還會影響心血管系統、神經系統和免疫系統，導致多種非癌性疾病[2]。

1.3 高砷背景土壤的風險評估方法

高砷背景土壤的風險評估通常涉及多個步驟，包括數據收集、風險識別、風險估算和風險評價。首先，需要收集相關數據，如土壤中的砷含量、土壤的物理化學性質、植物和動物的砷含量等。然后，基于這些數據，識別可能的風險途徑，如土壤-植物-動物-人的食物鏈途徑。接下來，通過風險估算模型，估計不同途徑的風險程度。這些模型通常基于動物實驗數據和人群流行病學數據，可以估計不同攝入量下的健康風險。最后，根據風險估算的結果，進行風險評價。評價結果可以為政府和公眾提供決策依據，如是否需要進行土壤修復、如何管理高砷背景土壤等[3]。

2 高砷背景土壤的風險分級

2.1 風險分級的標準與方法

風險分級在環境科學和健康評估領域中是一個核心概念，它為我們提供了一個系統化的方法來評估和管理潛在的環境危害。特別是在處理土壤砷污染這類復雜問題時，風險分級為我們提供了明確的、有針對性的管理策略。對于高砷背景土壤，風險的評估和分類需要考慮多種因素。首先，土壤中砷的濃度是一個關鍵指標。但僅憑濃度并不能完全描述風險，還需考慮砷的生物可利用性。這是因為某些砷的形態對生物體更易吸收，從而可能導致更大的健康風險。此外，暴露途徑和頻率也是評估風險的重要參數，它們決定了生物體攝入砷的量和方式。基于上述因素，常見的風險分級方法是將土壤按照砷的濃度劃分為低、中、高三個級別。這些閾值不是隨意確定的，而是基于大量的實驗室研究和流行病學數據，確保它們反映了砷的真實毒性和對生態系統、人類健康的影響。然而，單一的濃度閾值并不能全面描述所有風險。例如，某些土壤的砷濃度可能處于“低風險”范圍內，但如果這些砷大部分都是高生物可利用性的形態，那么它們可能對生態系統產生的影響遠遠超出我們基于濃度預期的風險。因此，風險分級應當是一個綜合考慮砷濃度、形態、生物可利用性以及其他相關因素的動態過程[4]。

2.2 不同風險級別的土壤特點與影響

土壤砷污染的風險分級體現了砷在土壤中的濃度、形態和生物可利用性等因素對生態系統和人體健康的潛在影響。根據這些因素，土壤可被劃分為低、中、高三個風險級別，每個級別都有其獨特的特點和相關的風險。低風險土壤的主要特點是砷的濃度相對較低，并且絕大部分存在于不易被生物吸收的形態，如不溶性或低生物可利用性的形式。這意味著這類土壤對生態系統和人體的直接威脅較小。然而，由于環境條件的變化可能導致砷的釋放和轉化，對這類土壤仍需進行長期的監測和管理，確保砷不會因積累或形態轉變而增加風險。中風險土壤中砷的濃度處于一個中間值，或者即使濃度不高，但由于其高生物可利用性或特定的暴露途徑，使其潛在風險提高。這類土壤的砷可能對某些較為敏感的植物和微生物產生直接的毒性效應。同時，通過食物鏈，砷可能進一步影響到上層食物鏈的生物，如昆蟲、小型動物甚至人類。高風險土壤則是重點關注的，因為這類土壤中的砷濃度高并且大部分都是生物可利用的形態。這意味著它們對整個生態系統，包括土壤微生物、植物、動物和人類都構成了直接的威脅。高砷濃度可能導致土壤的生物活性降低、植物生長受到抑制、動物健康出現問題，并最終通過食物鏈影響到人類健康[5]。

2.3 風險分級的實際應用與效果評估

風險分級作為一種科學的管理工具，已廣泛應用于環境保護和健康風險管理領域，為決策者提供了清晰、分層的風險信息，以指導實際操作和資源分配。在環境污染的應對策略中，風險分級為各種污染場景提供了針對性的解決方案。例如，對于被評定為高風險的土壤，可能需要采取緊急的修復措施，如化學修復或生物修復，以迅速降低砷的濃度和生物可利用性。而對于中等或低風險的土壤，更多的是進行持續監測，評估其風險變化，并在必要時進行干預。風險分級的實際效果評估是確保管理措施有效性的關鍵。在實施了某項修復或管理措施后，需要定期對土壤的砷濃度、形態轉化、生物可利用性進行檢測，同時監測其對生態系統的潛在影響。這不僅可以評估措施的即時效果，還能確保其長期的穩定性和可持續性。此外，風險分級還在風險溝通和公眾參與方面發揮了重要作用。將風險分為清晰、可理解的級別，能夠幫助公眾更好地認識到問題的嚴重性，從而更加主動地參與到風險管理的決策過程中。這種透明度和參與性不僅增強了風險管理的社會可接受性，還為有效的風險管理提供了更廣泛的社會支持[6]。

3 高砷背景土壤的管控技術研究

3.1 砷的化學性質及其在土壤中的遷移途徑

砷，作為地殼中廣泛分布的元素，其特有的化學性質為其在土壤及其他環境介質中的行為和命運奠定了基礎。它可以存在于多種氧化態，尤其是三價（As（Ⅲ））和五價（As（V））形態，這兩種形態在環境中最為常見。這些化學形態決定了砷與土壤中其他組分的互作，進而影響其在土壤中的分布和遷移。具體地說，砷可以以無機或有機的形式存在，或與土壤礦物形成固定化合物。這些不同的形態決定了砷的生物可利用性，也影響了它對生態系統的潛在風險。在土壤中，砷的遷移是一個復雜的過程，受到多種因素的控制。從土壤到水的遷移通常涉及砷的溶出、吸附和沉淀過程，這些過程又受到土壤pH值、有機質含量以及其他土壤化學性質的影響。例如，酸性條件下，砷更容易被釋放到土壤溶液中。而從土壤到植物的遷移則涉及植物根部的吸收過程。這一過程受到砷的化學形態、植物種類以及生長環境的影響。有些植物可以積累大量的砷，而其他植物則對砷的吸收顯示出抗性。至于土壤到大氣的遷移，這一過程相對較少，但在某些條件下，例如干燥、風化等，砷可能會以氣態或顆粒物的形式進入大氣。

3.2 現有的土壤砷去除技術

砷污染的土壤對環境和生物健康構成了顯著威脅。為應對這一問題，研究者和工程師們已開發了多種砷去除技術，每種技術都有其獨特的優點和局限性。

3.2.1 化學沉淀法

這是最直接的處理方法之一，涉及向受污染的土壤中添加特定的化學試劑，如鐵鹽或鋁鹽。這些試劑與土壤中的砷反應，形成不溶性的沉淀物，進而隔離和固定砷。該技術的優點在于快速有效，但可能會改變土壤的某些化學性質，影響土壤健康。

3.2.2 吸附法

吸附法利用特定的材料，如活性炭、硅膠或某些天然礦物，將土壤中的砷吸附到其表面。這種技術尤其適用于低濃度的砷污染場景，但需注意，隨著時間的推移，吸附劑可能會飽和，需要更換。

3.2.3 電動力修復法

這是一種創新技術，通過施加電場，使土壤中的砷沿電場方向遷移，從而集中并去除。這種方法可以迅速去除土壤中的大部分砷，但由于可能會改變土壤的其他性質，如pH和離子濃度，需要進行后續的土壤恢復處理。

3.2.4 植物修復法

植物修復利用某些能夠吸收和積累砷的植物，如蘆葦或莎草，從土壤中提取砷。隨后，這些植物可以被收割并安全處理，從而將砷從土壤中移除。這種方法的優勢在于它是生態友好的，能夠恢復土壤的生態功能，并有助于提高土壤的健康性。

選擇哪種技術取決于多種因素，如污染的嚴重程度、土壤類型、經濟預算等。綜合應用多種技術可能會獲得最佳的去除效果。

3.3 新型管控技術的研發與應用

隨著土壤砷污染問題的加劇，傳統的修復方法已經難以滿足現實需求。因此，多種新型的管控技術應運而生，為砷污染土壤的修復提供了新的思路和方法。

3.3.1 納米技術

納米技術在環境修復領域的應用已經得到了廣泛關注。特別是利用納米材料，如納米零價鐵、納米硫化物等，可以高效地吸附和固定土壤中的砷。由于納米材料具有大的比表面積和獨特的化學活性，它們對砷的去除效率顯著優于傳統的吸附材料。此外，納米材料還可以與其他修復技術結合，如生物修復，進一步提高去除效果。

3.3.2 生物技術

微生物在砷的去除和轉化中發揮著關鍵作用。某些細菌和真菌可以有效地吸附土壤中的砷或將其轉化為不同的化學形態，從而降低其毒性。例如，某些微生物能夠將砷的毒性形態轉化為低毒或無毒的形態，或通過生物礦化過程產生不溶性的砷化合物。這種生物技術不僅能夠去除砷，還能恢復土壤的生態功能[7]。

3.3.3 組合技術

為了提高土壤砷的去除效率，研究者們已經開始探索多種技術的組合應用。例如，化學沉淀可以先用于去除大部分砷，然后使用植物修復進一步減少殘留砷的濃度。或者，納米技術和生物技術可以結合使用，充分發揮兩者的優勢。

總的來說，新型管控技術為砷污染土壤的修復提供了更多的可能性。這些技術不僅提高了修復效率，還對保護和恢復土壤生態環境起到了積極作用。

3.4 管控技術的效果評估與優化

對于任何環境治理技術，僅僅實施并不足夠，確保技術的有效性和持久性是至關重要的。這就需要對施行的管控技術進行精確的效果評估和持續的優化。

3.4.1 效果評估

土壤砷濃度監測：這是評估的基礎，需要定期采樣并利用先進的儀器技術（如原子吸收光譜法）進行濃度測定。

砷形態分析：不同形態的砷對生態系統的影響差異巨大。需要了解治理后土壤中砷的化學形態，評估其生物可利用性及潛在的生態風險。

生態和健康風險評估：除了直接測量土壤砷濃度外，還需要對其可能帶來的生態和健康風險進行評估，如評估土壤砷對土壤微生物、植物、土壤動物和人體健康的潛在影響。

3.4.2 技術優化

參數調整：對于化學、物理或生物技術，其效果很大程度上取決于操作參數。例如，化學沉淀的反應時間、溫度、試劑種類和添加量都可能影響沉淀效果。

材料選擇：選擇更高效的吸附材料或具有高砷吸收能力的植物種類，可以顯著提高去除效率。

方法組合：有時單一技術可能難以達到預期的效果，結合兩種或多種技術可能會產生協同效應，實現更高的去除效率。

總之，對高砷背景土壤的管控不僅僅是一個技術實施的問題，更是一個持續的、系統的工程。只有不斷地評估和優化，才能確保技術的有效性和可持續性，為土壤健康和人類健康提供長期的保障。

4 結語

隨著工業化的推進和人類活動的擴展，土壤砷污染已成為華南地區乃至全球的一個突出環境問題。通過對高砷背景土壤的風險分析，我們深入了解了砷在土壤中的來源、分布特點以及其對環境和人體的潛在影響。針對這一問題，本研究還提出了風險分級的標準和方法，并對不同風險級別的土壤特點和影響進行了詳細描述。在管控技術方面，除了對傳統的土壤砷去除技術進行了深入探討之外，本文還關注了新型的管控技術，如納米技術、生物技術和組合技術，并對其效果進行了評估與優化。這些技術在實際應用中展現出了良好的效果，為高砷背景土壤的修復和管理提供了新的思路。總體上，本研究為高砷背景土壤的風險管理和技術創新提供了有力的支持。然而，土壤砷污染是一個復雜的系統問題，仍需要進一步的研究和探討。建議未來的研究應更加關注砷污染的長期效應、污染源的控制以及跨學科的綜合管理策略，以期為實現土壤的可持續管理和人類健康的保障提供更為堅實的科學依據。