吴健芳，王红梅，李宇婷
（中国环境科学研究院 水生态环境研究所，北京 100012）
改革开放初期，社会整体环保意识薄弱、环境管理相对粗放，长期剧烈的人为活动导致土壤污染严重[1-3]。随着经济社会的快速发展，土壤环境质量日益受到国内外的广泛关注，成为研究热点和发展需求[4-5]。将人类生产生活排放的污染物限制在土壤环境所能容纳的范围内，形成生态环境可持续发展的良好态势，是当前我国土壤环境管理工作的核心要求。深入剖析土壤环境容量（soil environmental capacity, SEC）对国家及地方环境管理部门制订相关政策标准、污染物削减方案以及社会经济的可持续发展等均具有重要价值和影响[6-9]。
20 世纪70 年代初，日本根据环境管理需求提出环境容量概念，随着人们对环境系统的认识加深，环境容量的研究方向被细化为大气环境容量、水环境容量及SEC，但对SEC 的概念、理论及核算方法的研究较少，尚无统一的认识和量化方法[10-12]。然而，在构建土壤环境“重金属阈值”，研究土壤重金属渗透率，制定土壤重金属控制标准等方面运用了类似方法[13]。在我国，随着土壤环境污染问题的加剧和环境管理政策的完善，SEC的理论日益丰富，核算方法不断成熟，并在实践中得到广泛应用，特别是在土壤环境质量相关标准的制定、科学合理的农业种植、污染物的总量控制及累积趋势预警等领域[14-18]。本研究基于土壤环境管理政策的演变历程，系统梳理了不同阶段SEC 理论、内涵，总结归纳当前SEC 各核算模型方法的特点及典型应用，并深入探讨存在的问题，以期为进一步改进SEC 理论和核算方法提供参考，同时也为土壤环境管理提供科技支撑。
1.1 土壤环境容量概念
SEC 的概念具有发展性，目前仍没有统一的认识。按照环境容量概念的延伸，广义层面，SEC 是指有限的环境单元达到土壤标准时所能容纳的污染物最大负荷量[19-20]。狭义层面，研究者根据管理需求或保护目标对其定义进行调整。如夏增禄[21]针对农用地SEC，将其定义为一定环境单元、一定时限内、遵循环境质量标准、既保证农产品的产量和质量，同时也不使环境污染的土壤所能容纳污染物的最大负荷量。王淑莹等[22]在《环境导论》一书中提到，土壤环境所能容纳污染物的最大负荷量的前提是人类生存和自然生态系统不被破坏。可见，SEC 的内涵随研究对象的变化及人们对环境的期待值而变化，本质上SEC 源于土壤本身的自净和缓冲能力，是相对某土壤环境标准而言能够容纳污染物的量[11]。土壤SEC受限于自身的性质，也取决于其所处环境条件，反映了污染物进入土壤圈后对土壤本身、土壤生物（动物、植物或微生物）或人类产生的生态效应，同时也揭示了污染物进入土壤后对其他环境要素产生的次生环境效应[23-26]。基于此，本研究将SEC 定义为在遵循土壤环境质量标准下，一定环境单元、一定时限内，既能维持土壤生态系统的正常结构与功能、保障人类以及动植物的生产生活，又不使污染物的量超出土壤环境所能容纳污染物的最大负荷量。
1.2 土壤环境容量的类别
随着可持续发展理念的提出，人们对SEC 的认识不断深入。为满足土壤环境管理需求，SEC 被细化、归纳为土壤静态、动态、安全和相对环境容量。
（1）土壤静态环境容量：是指仅考虑当前土壤环境中污染物或元素的量而没有外源污染物干扰时，单位土壤环境所能容纳污染物最大负荷量，但其忽略了土壤环境的自净和缓冲作用，具有一定局限性[27]。土壤静态环境容量通常用来反映某一时刻的土壤环境容量。
（2）土壤动态环境容量：土壤动态环境容量是在土壤静态环境容量的基础上，综合考虑了污染物在环境中的迁移转化。指一定土壤环境单元，受外源污染物或元素干扰时，土壤环境对污染物具有的最大容纳量[28]。土壤动态环境容量不仅反映了某一时段内土壤环境中发生污染物输入—输出、累积、降解等动态变化，也能用来预测未来若干年内SEC 的变化[29]。
（3）土壤相对环境容量：土壤静态、动态环境容量仅能反映单一污染物或元素的容量，而实际土壤环境容量是多种污染物或元素共同作用的结果。由此，相对环境容量的概念被提出，即基于选定的容量标准计算出综合判断区域或土壤环境单元的多种污染物综合环境容量[14,20]。
（4）土壤安全容量：在一定安全系数范围内，既保证土壤环境质量不被损害，又不致影响初级生产者的质量和产量以及人与自然的可持续发展，土壤环境所能容纳污染物的最大负荷量称为土壤安全容量[30]。通常用于指导土壤安全利用或评估对人和环境是否产生了危害。
1.3 影响土壤环境容量的因素
SEC 是土壤环境特性与功能作用的结果，是一个范围值，属于土壤的基本属性。SEC 随土壤性质、环境因素以及污染物等要素的变化而变化。
（1）土壤类型：不同区域、不同土壤类型、物质组成（如土壤阳离子交换量及有机质含量等）均存在差异，并与SEC 具有显著相关性。夏增禄[31]根据生物气候条件将我国土壤分为硅铝质土区域、富铝质土区域、石膏钙质干旱土区域、高山土区域四个区域，并发现As、Cd、Cu、Pb 的SEC 在四个区域中分布差异显著。蔡士悦等[32]也证实了这一点，发现不同土壤类型的物质组成中的有机质，通过影响重金属在土壤中的行为、效应来调整土壤对重金属的容纳能力。
（2）污染物的性质、种类：物质的组成决定性质，性质决定其在土壤环境中的迁移转化能力。有研究发现相比于Cd 和Cu，重金属As 在土壤中溶解性大、活性强、有效性相对大，表明污染物的类似影响其在土壤环境中的容量[31]。单一污染物的SEC亦受共存元素所制约。陈怀满等[26]发现单一污染物存在时，水稻对其吸收量上升；
在多种元素共存时，一旦元素的种类、比例发生改变，吸收量将有所变化。
（3）植物及土壤微生物：传统意义上SEC 是由污染物的输入—输出决定，而土壤植物、微生物直接或间接影响着污染物迁移转化。一方面，土壤植物、动物可以直接利用其富集能力，吸收土壤中的重金属并转运到植物地上部分，以达到提高SEC，改善土壤质量的目的[33]；
另一方面，土壤微生物—动物通过调控土壤有机质、pH等因素对SEC 产生一定影响。潘飞等[34]发现蚯蚓的粪便具有较多的有机质，提高了氯代苯酚在土壤中的吸附容量，从而降低土壤中的SEC。
（4）环境因素：土壤的环境容量不仅受限于土壤的性质，还与土壤客观环境条件有关，如土壤温度、水分、pH 等。研究发现As 的SEC，随pH 增大和温度降低而呈现显著性降低，也有学者发现植物对一些重金属的吸收为被动吸收，受温度、水分影响较大[20,35]。土壤环境的温度、pH 通过直接调控污染物在土壤中的活性或间接影响土壤植物的吸收、富集能力来调控污染物或元素的SEC。
（5）人为活动：不合理的农药、化肥使用加剧了农田重金属污染。植物对污染物的吸收在一定范围内随浓度增加而上升，但污染严重的土壤直接损害植物根系使得植物的富集能力减弱[14]。
“环境容量”的概念最早由日本为了满足环境管理的需求而提出。当时环境容量研究主要集中在大气、水环境的容量，对土壤相关研究较少[23,36]。随着土壤污染问题日益突出，SEC 相关研究应运而生，其概念、核算方法于20 世纪70 年代相继在日本、澳大利亚、美国等国家被提出，并得到发展[37]。有学者通过土地系统的净化性能，计算出单位土壤内某种污染物的负荷量，归纳总结提出SEC 核算数学模型，并得到实践[38]；
也有学者利用地块土壤的理化性质，对重金属的物理、化学容量展开深入研究[29]。总体而言，国际上关于SEC 相关研究工作、成果的报道较少，但上述研究工作和成果不同程度为我国SEC 的研究和发展奠定了基础，指明了方向。
与国外相比，SEC 在我国起步较晚，直到20 世纪80 年代末才得到一定的发展。随着环境管理目标由提高农作物产量到保障农产品质量和人居环境安全的转变，我国土壤污染管控模式大致经历了“排放浓度控制——排放总量控制——污染源监管、风险预警”三个阶段，与此同时，SEC 的相关理论和应用也在不断完善，总体而言，我国土壤环境容量相关研究经历以下四个时期（图1）。
图1 中国土壤环境容量研究发展史
（1）第一阶段（1981—1991 年）：概念引入与探索期。随着经济社会的快速发展，人口增加与粮食、土地资源紧缺、环境污染的矛盾日益突出。我国土壤污染防治工作的重心侧重于综合防治和生物防治。提倡合理利用污水灌溉，防止土壤和农作物的污染，但研究发现仅浓度达标排放还不足以控制污染[39]。由此，土壤环境容量的理念被提出。随后，我国学者对SEC 的理论、结构、研究方法以及核算模型等进行深入探究，并在实践中得到验证[19,40]。为促进大范围的推广使用，杨志忠[30]、诸叶平等[41]基于SEC 理论和系统学方法从数学模型角度出发，构建土壤环境容量计算机模拟实验系统，对广州、湛江等地区不同污染物的SEC 计算分析。
（2）第二阶段（1992—1999 年）：发展与实践期。土壤环境管理在“六五”“七五”期间，提出需要开展农业土壤背景值、全国土壤环境背景值和土壤环境容量等基础研究。这一时期，SEC 相关研究得到迅速的发展，从基础理论性研究到模型估算等方面取得一系列的研究成果。有关学者对SEC 的内涵、核算模型及影响因子等深入分析[21,42-44]。揭示了自然因素和人为活动对土壤环境容量的影响，并基于SEC 理论、核算方法分别探讨农业土壤重金属及油区土壤石油环境容量，为土壤防治污染提供科学依据。
（3）第三阶段（2000—2013 年）：土壤环境容量研究的停滞期。自2007 年，我国相继印发《关于加强土壤污染防治工作的意见》《重金属污染综合防治“十二五”规划》《近期土壤环境保护和综合治理工作安排》，开展了一系列的土壤污染调查及修复治理试点示范，出台相关政策法律法规，重心也由“污染总量控制”到“加强污染源监管”和“修复治理”。这一时期土壤污染科学防治得到深入开展，而SEC 理论和方法相关研究基本停滞，其侧重于应用相关方法估算不同省份、不同土地类型污染物环境容量，科学地评价了污染现状，并为合理土地利用提供建议[20,35,45-46]。
（4）第四阶段（2014 年至今）：以风险预警为核心的探索期。2014年《全国土壤污染状况调查公报》公开以来，随着《土壤污染和防治行动计划》和《中华人民共和国土壤污染防治法》相继颁布，以及环境管理模式的不断更新完善，我国土壤污染管控工作逐渐由现状治理转向风险预警，SEC 也在实践中不断地被丰富与完善。已有研究通过SEC 环境背景值与污染临界值“双值”管控，实现区域土壤重金属污染的精准预警[13,47-48]。
构建精确的数学模型是研究与核算土壤环境容量最为重要的手段之一，现有SEC 核算数学模型主要分为两类：一是基于污染物在土壤中残留累积的动态性特征构建土壤污染动力学模型；
二是基于输入—输出守恒关系构建的物质平衡线性模型。
3.1 土壤污染动力学模型
土壤污染是一个复杂的过程，其涉及的因素众多。本质上可概括为污染物输入—输出过程，其中污染物通过大气沉降、化肥投入、畜禽粪便、灌溉水、污泥农用、工业废弃物等途径输入，而经植物富集、地表排水、径流等方式输出。微观上土壤环境时刻发生着物理、化学及生物反应[49-50]。某一时间段间隔内，污染物变化量为公式（1）。
式中：Si为污染物i在土壤中的累积量；
Si(t)为t时刻污染物i在土壤中的累积量；
Si(t+Δt)为t+Δt时刻污染物i在土壤中的累积量。周杰等[12]详细阐述了该模型的构建，但由于其主观性较强、影响因素较多，在数据获取上难度系数较大，难以广泛推广。
3.2 物质平衡线性模型
物质平衡线性模型是在假定污染物输入、输出之间呈现线性关系，且单元土壤环境污染物量的变化负荷物质平衡方程，当前污染物累积量=前一时刻累积量+输入量-输出量，现有研究在物质平衡理论基础上，又将其细分为其静态环境容量法、动态环境容量法、环境容量综合指数法。
3.2.1 静态环境容量法
静态环境容量法由夏增禄[19]、王世耆等[51]提出，是以静态视角表征土壤容纳污染物或元素的能力。静态环境容量可细分为静态环境总容量和现存环境容量。前者指无外源污染物干扰下，土壤对污染物或元素具有的容纳量，是在不考虑有外源输入，通过土壤背景值与现状值来计算。但目前大多土壤已受到人为或自然活动的干扰，难以获得污染物或元素的背景值则需要对静态环境容量进行修正。基于土壤污染物现状值，计算被输入污染物消耗后剩余的部分，称为静态现存环境容量。其计算公式如下[35,47,52]，静态总环境容量：
静态现存环境容量：
式中：Qtotal为静态总环境容量（kg/hm2）；
Qextant为被外源污染物干扰后土壤的现存环境容量；
M为耕作层土壤重量[48,53]，2.25×106kg/hm2；
Cic为污染物i的土壤环境质量标准值（mg/kg）；
Cib为该地区污染物i的土壤背景值（mg/kg）；
Ci为污染物i的输入的含量（mg/kg），Cii=Cib+Ci，即为土壤中该污染物的现状值（mg/kg）。
由于相关参数容易获得，计算简便，静态容量法被广泛应用于农田土壤重金属污染现状评估，筛选主要污染因子，为土壤环境管理提供了科学指导[43,54-56]。静态环境容量法是在不考虑污染物输入前提下，土壤背景值或现状监测值与土壤环境质量标准的差值，其大小取决于土壤质量标准，标准越宽松，SEC 越大；
反之标准越严格，则容量越小。该方法的前提条件是将土壤环境视为静态，其本质忽略土壤系统本身具有的自净和缓冲性能，且对迁移效应较强的污染物具有一定局限性，仅能反映土壤污染物的生态效应和环境效应所容许的水平，适用于土壤环境中稳定性好污染物SEC 的核算。
3.2.2 动态环境容量法
动态环境容量法本质上是一种改进的静态容量法，其充分考虑土壤环境中元素或污染物的累积过程中输入和输出、固定和释放、累积和降解等行为[57-58]。污染物或元素在土壤环境中保持动态平衡归因于两点，其一土壤生态系统本身具有一定的缓冲和净化性能；
其二污染物的输入、输出是一个多途径、连续性过程。因此，土壤所能容纳的量是一个变动的范围，即土壤动态环境容量[51,59]。计算公式如下。
式中：Wt为单元土壤环境，预期某污染物或元素的总量（kg/hm2）；
W0为初始污染物或元素的总量（kg/hm2）；
Qt为土壤年均环境动态容量[kg/(hm2·a)]；
n为控制年限；
K为污染物年平均残留率（与污染物种类、浓度、形态、性质以及自然环境、植物生长状态等有关）。
动态环境容量法是在宏观—微观尺度下模拟污染物在土壤环境系统中的动态过程，因其可模拟SEC 随时间变化，反馈土壤环境实际变化，故而得到广泛应用。于光金等[35]探究不同植被类型土壤重金属环境容量发现，平均动态年容量是静态年容量的7 ～20 倍，并由此推算出安全利用年限。马辉英等[48]基于SEC 模型估算精河县土壤重金属动态环境容量，发现土壤动态净化过程中污染物本身的物理化学性质起着主要影响因素。虽然动态环境容量法一定程度上弥补了静态环境容量模型的缺陷，但在实际应用中仍存在一些不足。由于缺乏长期实验验证，选择参数时忽视了其差异性，使得计算结果出现偏差。另外，现有研究多关注于单一污染物SEC 研究，而对复合污染型土壤环境容量研究较少，实际土壤环境中存在多种重金属、有机污染物协同存在[60-62]。
3.2.3 环境容量综合指数法
环境容量综合指数法是在静态环境容量法的基础上，通过所选标准中污染物临界值与土壤本底值之间的双界面过程控制，来计算土壤中单因子污染物的容量指数和多种污染物的综合指数[63]。通常可分为单因子容量指数（Pi）、多因子容量综合指数（PI），该方法将土壤污染物的容量分为五个等级，可对单因子、多因子进行综合性评估，从而能更全面地反映出实际土壤环境容量现状。计算公式[46,64]如下：
多因子容量综合指数法公式：
式中：Qi代表现存环境容量；
Qib代表静态总环境容量；
Pi为土壤中元素i的单项环境容量指数；
M为每公顷0 ～20 厘米层土壤重量取2.25×106kg/hm2；
Cic为土壤中元素i的风险基准值（mg/kg）；
Cip为土壤中元素i的现状实测值（mg/kg）；
Cib为土壤中元素i的背景值（mg/kg）；
n为元素的种类。
环境容量综合指数法是在静态、动态环境容量的基础上建立指数评价体系，用于单一或多种污染物的容量核算、分级，进而筛选出主要污染因子和污染管控区。如安外尔·艾力等[47]、麦尔哈巴·图尔贡等[65]基于环境容量综合指数，对葡萄园不同容量级别土壤面积进行排序，并分析了土壤重金属空间分布规律，划分了SEC等级（表1），该方法虽能单一或综合评估多种污染物SEC，但不能直观地反映出区域容量大小，无法满足土壤环境管理的分功能、量化控制的需求。
表1 土壤综合环境容量指数
土壤环境容量是一个具有明显经济效益和社会效益的自然资源。它有助于合理地开发、利用土壤本身所具有的潜在自净能力，为土壤污染源的防控提供依据，同时也能为修复治理提供合理的指导，降低土壤治理成本。
4.1 相关土壤管理标准的制订
土壤环境容量可作为指导制定区域污灌水质、污泥施用标准参数。SEC 可以推算出区域环境能够容许输入污染物最大浓度，从而灵活地为农田灌溉水及农用污泥调试合适处理量，同时，该指标也可用来制定肥料和粉煤灰及其他固体废物的农用标准[16,66]。“七五”期间，我国在SEC 研究的基础上制定了多种土壤重金属标准[15]。
4.2 科学农业种植，化肥农药的合理施用
农药、化肥的使用是农田土壤重金属污染及质量下降的一个重要原因[67]。相关学者通过模拟重金属或含氮化合物土壤环境容量变化趋势对农作物质量—产量的影响，以土壤安全容量为目标，严格管控有机肥的施用量及施用年限，从而保障土壤环境质量和农产品以及人类的安全[18,68]。由于缺乏科学的指导，在农业种植过程中农药、化肥的使用缺乏规范性，使得耕地土壤质量下降。通过科学评估农田的SEC，利用土壤的自净能力，以达到规范、量化农药和化肥的合理使用。
4.3 土壤污染现状评估及风险预警
通过土壤环境容量数学模型估算出土壤污染一定年限后土壤污染物可积累的程度，并推算出安全利用，同时基于土壤背景值与风险阈值的双重标准实现地区重金属污染的精准预警。目前，已有学者模拟农田污染物输入—输出，结合静态、动态土壤环境容量计算不同省份农田土壤重金属环境容量，评估了土壤污染等级[46,69]，并进一步预测不同重金属元素在未来几十或几百变化年的趋势[47-49,70]，为土壤污染差别化环境保护和管理提供依据。
4.4 合理的场地修复
随着工业化和城市化进程的不断加快，大量工业企业搬迁拆除，遗留下的土壤污染问题备受关注[71]。2014年全国土壤污染状况调查公报显示，我国部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，其中，工矿业废弃地土壤重金属污染问题较为突出。因此，在工业城市发展的过程中充分了解、利用土壤环境的容量变得越来越必要。奉大博等[72]对矿区土壤重金属环境容量深入剖析，筛选出重点污染地块及污染元素，避免了“一刀切式”的过度场地修复和不必要的成本投入，但目前相关研究、应用较少。
随着土壤污染问题和土壤管控目标、政策的变化，土壤环境容量的理论、核算方法不断成熟和完善。目前，SEC 相关研究多侧重于静态年总环境容量、动态年总环境容量及综合环境容量估算，在参数的选择、复合型污染SEC 量化等方面存在一定的局限性，无法满足当前土壤污染特征及精细化管控、合理修复措施的需求。结合上述问题，建议未来土壤环境容量研究重点关注以下三方面。
（1）基于多目标耦合技术优化SEC 核算方法。探讨在健康损害、生态破坏等多种因素约束下SEC 核算方法。SEC 可用来指示土壤环境中污染物的含量，管控人为输入，同时还能指示潜在风险。但指示物、计算参数的选择直接影响着SEC 的大小。土壤环境容量受土壤性质、指示物之间的差异、化合物的类型等多种因素的影响。因此，需考虑多种要素的影响，构建基于多目标、多因素约束下修正的SEC 算法。
（2）构建复合污染型土壤的SEC 量化核算方法。环境容量综合指数法可综合评估区域土壤环境容量，但其未能量化区域的SEC，而静态环境容量、动态环境容量核算法仅能反映单一污染物或元素SEC。实际环境污染问题中，尤其土壤污染往往是多种污染物协同作用的结果，因此，需要针对复合污染型土壤构建可量化SEC的核算方法。
（3）进一步扩展土壤环境容量的内涵，推动区域SEC 动态预警。土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出，但目前我国SEC 相关研究多侧重农用地重金属环境容量现状评估，而对区域环境不同功能土地利用，如工业、农业、建设用地的SEC 研究较为有限。结合我国相关环境管控要求，推动区域SEC动态预警，科学评估场地修复范围和程度，减少不必要的成本投入和避免过度修复。
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