8.3.2 土壤环境容量
一、土壤环境容量的概念
土壤环境容量是指一定环境单元、一定时限内遵循环境质量标准，既保证农产品质量和生物学质量，同时也不使环境污染时，土壤能容纳污染物的最大负荷量。土壤环境容量受多种因素的影响，包括土壤性质、污染物种类和含量、污染历程等，因而土壤环境容量是通过对自然环境、社会经济、污染状况等调查，对污染物生态效应、环境效应、物质平衡等研究而确定的一个临界含量，是在区域土壤指标标准下，土壤免遭污染所能接受的污染物最大负荷。
二、土壤环境容量的理论依据
土壤环境容量的理论依据来自土壤的自净功能。
1.土壤自净功能的定义
土壤自净是指进入土壤的污染物，在土壤矿物质、有机质和土壤微生物的作用下，经过一系列的物理、化学及生物化学反应过程，降低其浓度或改变其形态，从而消除污染物毒性的现象。
土壤自净取决于污染物进入量与土壤自净能力之间的消长关系，当污染物的数量和污染速度超过了土壤自净能力时，污染物的积累过程逐渐占优势，将导致土壤正常功能失调，土壤质量下降。不同土壤对污染物的容量不同，同一土壤对不同污染物的净化能力也是不同的。
2.土壤自净机制
（1）物理净化 进入土壤中的难溶性固体污染物可被土壤机械阻留；可溶性污染物可被土壤水分稀释而减少毒性，也可被土壤固相表面吸附，也可随水迁移至地表水或地下水。另外，某些挥发性污染物可通过土壤空隙迁移、扩散到大气中。物理净化作用只能使土壤污染物在土壤中的浓度降低或转至其他环境介质，而不能使污染物从整个自然界消失。
（2）物理化学净化 土壤黏粒、土壤有机质具有巨大的表面积和表面能，有较强的吸附能力，是产生物理化学吸附的主要载体。土壤胶体通过交换吸附、专性吸附和非专性吸附等作用对污染物吸附，使得污染物浓度降低。增加土壤中胶体含量，特别是有机胶体含量，可提高土壤的这种净化能力。物理化学净化也没有从根本上消除污染物。
（3）化学净化 污染物进入土壤环境后可能发生诸如凝聚、沉淀、氧化-还原、络合-螯合、酸碱中和、同晶置换、水解、分解-化合等一系列化学反应，或经太阳能、紫外线辐射引起光化学降解反应等。通过这些化学反应，一方面，可使污染物稳定化，即转化为难溶性、难解离性物质，从而使其毒性和危害程度降低；另一方面，可使污染物降解为无毒物质。
（4）生物化学自净作用 生物化学自净作用是指有机污染物在微生物及其酶作用下，通过生物降解，被分解为简单的无机物而消散的过程。细菌、真菌、放线菌等以分解有机物为主，对有机物净化起着重要作用。土壤中的微生物可以对有机污染物进行分解，并最终将污染物转化为对生物无毒性的残留物和二氧化碳；一些无机污染物也可在土壤微生物参与下发生一系列化学反应，而失去毒性。从净化机理看，生物化学自净是真正的净化。
三、影响土壤环境净化作用的因素
1.土壤环境的物质组成
土壤环境的物质组成主要包括土壤的物质组成、有机质的种类与含量和土壤化学组成等因素。如，土壤黏土矿物的种类和数量影响着土壤的比表面积、电荷的性质及阳离子交换量等，从而影响吸附、解吸的作用。
2.土壤环境条件
土壤环境条件主要包括土壤pH值和Eh条件、水热条件等。其中，土壤pH值、电位条件直接或间接影响污染物转化，不同的pH值条件下，重金属的形态也不同，pH值的变化可改变其吸附、沉淀、配位特性，也改变其毒性，如镉在酸性环境中的活性强，其容量大小依次为草甸褐土＞草甸棕壤＞红壤性水稻土。水热条件影响污染物迁移转化过程的速度与强度。
3.土壤环境的生物学特性
土壤环境的生物学特性主要指植被与土壤生物区系的种属与数量。土壤微生物特别是土壤微生物多样性是土壤的重要生物学性质之一，是土壤生物净化的决定性因素。
4.人类活动影响
人类通过不同的土地利用方式，改变土壤的物理和化学性质，进而影响土壤的净化能力。例如，长期施肥引起土壤酸化，会降低土壤的净化能力。
四、土壤的缓冲性
土壤的缓冲性是土壤对酸碱缓冲性能的延伸，定义为“土壤因水分、温度、时间等外界因素的变化，抵御其组分浓（活）度变化的性质”。其数学表达式如下：
式中：δ——土壤缓冲性；
ΔX——某污染物浓（活）度变化；
ΔT、Δt、Δw——温度、时间和水分的变化。
土壤对污染物缓冲性的主要机理是土壤的吸附与解吸、沉淀与溶解。其影响因素应包括土壤质量、黏粒矿物、铁铝氧化物、CaCO3、有机质、土壤pH值和Eh值、土壤水分和温度等。就重金属而言，土壤主要通过影响重金属在土壤中存在形态而影响重金属的生物有效性。具体如下。
（1）pH值 pH值的大小显著影响土壤中重金属的存在形态和土壤对重金属的吸附量。土壤胶体一般带负电荷，而重金属在土壤-植物体系中大多以阳离子的形式存在，因此，土壤pH值越低，重金属被解吸得越多，其活动性就越强，但对部分以阴离子形式存在的重金属而言，情况正好相反。此外，pH值升高，土壤对重金属的吸附量增加。如pH=4时，土壤中镉的溶出率超过50%；当pH值达到7.5时，镉就很难溶出；pH＞7.5时，94%以上的水溶态镉进入土壤中，这时的镉主要以黏土矿物和氧化物结合态及残留态形式存在。
（2）土壤质地 土壤质地影响着土壤颗粒对重金属的吸附。一般来说，质地黏重的土壤对重金属的吸附力强，降低了重金属的迁移转化能力。
（3）土壤的氧化还原电位 土壤的氧化还原电位影响重金属的存在形态，从而影响重金属化学行为、迁移能力及对生物的有效性。一般来说，在还原条件下，很多重金属易产生难溶性的硫化物，而在氧化条件下，溶解态和交换态含量增加。以镉为例，CdS是难溶物质，但在氧化条件下CdSO4的溶解度要大很多。(https://www.daowen.com)
（4）土壤中有机质含量 土壤中有机质含量影响土壤颗粒对重金属的吸附能力和重金属的存在形态，有机质含量较高的土壤对重金属的吸附能力高于有机质含量低的土壤。研究表明，土壤中各种元素的含量都与有机质含量呈正相关，但重金属各组分占全量的比例一般与有机质含量的大小没有密切关系。
五、土壤环境容量的计算
在实际工作中，将土壤环境容量分为静容量和动容量。
1.土壤静容量
土壤静容量是指在一定的环境单元和一定的时限内，假定污染物不参与土壤圈物质循环情况下所能容纳污染物的最大负荷量，其通式可表示如下：
式中：Q1——土壤静容量（mg/hm2）；
Si——某污染物i的允许限值（mg/kg）；
CBi——土壤中某污染物i的环境背景值（mg/kg）；
M——每公顷耕层平均土壤质量，2.25×106 kg/hm2
由式（8-5）可知，在一定区域的土壤特性和环境条件下，CBi是一定的，Q1的大小取决于Si。土壤环境允许限值大，土壤环境容量也大；反之，容量则小。
静容量模型计算出来的土壤容量，仅反映了土壤污染物生态效应和环境效应所容许的水平，没有考虑土壤中污染物的输入与输出，吸附与解析、固定与释放、累积与降解的净化过程及土壤的自净作用。将这部分净化的量（Q2）加上土壤静容量（Q1）才是土壤动态的、全部容许的量，即土壤环境容量Q，也有人称为土壤环境动容量。用数学式表示即为Q=Q1+Q2。
2.土壤动容量
动态容量的计算公式如下：
式中：Si——若干年后土壤中元素i含量的允许限值（mg/kg）；
Ci——土壤中元素i的现状值（mg/kg）；
K——污染物残留率（%）；
Qin—土壤中元素i的年动态容量（kg/hm2）；
M——每公顷耕作层的土壤质量，取值为2.25×106 kg/hm2；
n——控制年限。
六、土壤环境容量的应用
1.制定土壤环境标准/风险管控标准
通过对土壤环境容量的研究，在以生态效应为中心，全面考察环境效应、化学形态效应、元素净化规律的基础上提出各元素的土壤基准值，能更好地为区域性土壤环境标准或风险管控标准的制定提供依据。
2.制定农田灌溉用水水质和水量标准
制定农田灌溉水质标准，把水质控制在一定浓度范围是避免污水灌溉引起污染的重要措施。用土壤环境容量制定农田灌溉水质标准，既能反映区域性差异，也能因区域性条件的改变而制定地方标准。
3.制定污泥施用量标准
污泥农用带入农田的污染物不可忽视。一般来说，污泥中污染物含量决定着污泥允许施入农田的量，但实质上，其允许每年施用的量决定于每年每公顷农田容许输入的污染物最大量，即土壤动容量或每年容许输入量。
4.区域土壤污染物预测和土壤环境质量评价
土壤污染预测是防止土壤污染的重要依据。土壤环境容量模型可用于土壤污染预测，如预测若干年后土壤中重金属累计的量。
