2．外源物质在土壤环境系统中的反应行为

外源物质包括化学物质和外来生物，它们在土壤环境系统中的迁移、转化、效应、归属及其影响因素的研究是环境土壤学的重要研究内容。土壤是重要的环境仓，高负载容量的土壤与低负载容量的土壤相比，能够容纳更多的某一特定的外源物质。土壤中毒害物质的生物有效性依赖于它们在环境中的反应行为和归属。控制土壤中化学物质归宿的过程包括吸附、解吸、沉淀、溶解、氧化、还原、配位、催化、异构化、光化学反应和生物过程等，研究这些过程及其影响因素有助于加深对土壤负载容量这一系统工程的理解。在研究中应注意茹粒矿物的表面效应，土壤组分和性质与污染物迁移、转化、危害的关系，有机污染物的结构、性质与在土壤中持留、降解的关系，元素或物质之间的交互作用及反应动力学等。在综合研究的基础上确立土壤环境质量的标准和指标体系，相关物质(特别是优先污染物)在土壤中迁移、转化的数学模型，并在实践中进行检验与修正，使其具有较为准确而可靠的预测、预报性。现以重金属为例，在其土壤环境行为的研究中应该考虑：

(1)生物配体模型

采用生物配体模型(BLM)研究重金属的生物有效性和毒性是近年来环境与风险评价、标准制订中的热门课题(王学东等2006，孙晋伟等2008，罗小三等2008，陈中智等2009), BIN是一种机理性模型，模型理论起源于自由离子活度模型(FIRM)和鱼鳃络合模型(GSIM)，考虑了自由金属离子的活度以及自然环境存在的其他离子(如Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺和H⁺)、非生物配体(如可溶性有机质、氯化物、碳酸盐、硫酸盐)和生物配体的竞争，并在实验室模拟条件下取得了较为满意的结果。最近，BLM呈现出向土壤环境中拓展的趋势，发展能预测重金属对土壤生物毒性的陆地生物配体模型(t-BLM)正成为新的研究热点，并有着良好的开端。采用模拟土壤溶液的方法(罗小三等2007)，以土壤溶液中的主要阳离子Mg²⁺为例，通过单因素浓度控制、恒pH营养液培养和陆生植物根伸长抑制试验，定量探讨了不同Mg²⁺浓度存在下，铜离子(Cu²⁺)对小麦(Tritieum aestivurlz)根的毒性。结果表明，Mg²⁺浓度升高显著减弱了Cu²⁺对小麦根的毒性，证实了陆地生态系统中存在阳离子对重金属植物毒性的保护效应，支持了BLM中阳离子和重金属离子在生物配体上存在竞争结合的假设，即BLM概念在特定条件下亦适用于陆生植物。定量分析表明，小麦根生长抑制的毒性效应指标pEC₅₀(以自由铜离子活度Cu²⁺表示)与自由镁离子活度(Mg²⁺)间存在良好的相关性，线性回归方程为：

pFC₅₀＝-0.36(Mg²⁺)+6.47     (r²＝0.997)       (1-4)

式中，EC₅₀为导致48 h暴露后小麦根生长减少50％的自由铜离子活度。Mg²⁺对Cu²⁺毒性的影响强度可以通过该方程进行预测。该研究积累了铜对典型陆生受试植物小麦的毒性数据，探讨了t-BLM的构建方法。

(2)双亲和力吸收方程模型

生物配体模型的提出和发展具有重要的理论和现实意义，并在土壤中己经有良好的示例，该模型具有广阔的研究和应用空间；另一方面，生物配体模型综合了金属吸收的化学、生理学和生物学等方面的成果，这些学科的发展也为模型的完善提供了基础；而模型的构建也对这些学科的发展提出了新的要求。然而，目前生物配体模型是特定条件下的结果，在构建过程中存在许多假设与简化，因而使得该模型的应用具有一定的局限性，特别在陆地生态系统中土壤、生物和金属相互作用的复杂性使得该模型的预测更加困难，它的研究有待于进一步完善与深化。

一个值得关注的假设是有关金属离子与金属配合物之间的平衡问题，BLM是基于金属离子与结合在吸收位点上的金属(M-BL)之间存在化学稳态平衡，认为金属离子从本体溶液向生物表面扩散速率相对于生物转运吸收速率来说是一个很快的阶段，总过程受生物吸收速率控制，但这种假设近年来受到质疑。因为对于一个配位度(ML/M)很高的复杂环境，当自由金属离子不能满足生物体(如对金属具有高亲和力的生物)需要时，将会在生物体表面扩散层形成自由离子浓度梯度。这种浓度梯度将可能引发不稳定金属配合物的解离，不断供给金属自由离子，因此，对生物有效的金属离子不仅仅来自自由离子，还可能来自这个时间尺度内解离的金属配合物。因此考察金属生物有效性或毒性时不能单纯只考虑自由态离子，还必须包括动力学过程。最近的研究工作(Wang et al. 2009)将发生在根表的物理过程(扩散运输)、化学过程(动态解离)和生物过程(转运吸收)综合考虑，同时与根表的双亲和力吸收系统结合起来，提出了双亲和力吸收方程模型(TPU-Model)，该模型在预测络合介质中植物吸收重金属Zn时取得了很好的结果。

(3)细胞膜表面电势和毒性强度方程

细胞膜(配体)表面电势对重金属有效性或毒性亦有明显的影响，细胞膜表面电势为研究毒性离子(重金属阳离子和阴离子)的生物有效性或毒性提供了一个新的视角(Wanget al. 2008)。有关共存的阳离子如Ca²⁺，Mg²⁺和H⁺等能缓解金属阳离子毒性的机理，即BLM认为共存阳离子通过与重金属离子竞争BL上毒性作用位点来缓解金属毒性的问题，亦一直存在着争议。首先，致毒并不一定是由重金属离子与表面的BL相互作用引起的(表面结合致毒)，亦可能是由重金属离子通过离子通道而进入、并累积于细胞内而产生的(细胞内致毒)。其次，如果认为生物毒性是由金属离子与生物体表面毒性作用位点结合引起的，缓解效应也必须要求缓解性阳离子与同一个毒性作用位点结合，但目前尚无这方面的实验证据可以说明这一点。此外，“竟争说”也不能解释阳离子对砷酸根和硒酸根等阴离子毒性的影响。研究结果表明，在Ca²⁺、Mg²⁺和H⁺等阳离子影响铜离子和砷酸盐的植物毒性过程中，起主要作用的是细胞膜表面电势，并不是离子之间的竞争。因此，在预测重金属铜离子的毒性时，应该将细胞膜表面电势纳入生物配体模型中。在细胞膜表面电势和毒性强度方程的基础上建立的砷酸根离子的毒性预测模型具有良好的结果。

(4)钓对土壤整体质量的影响

对外源物质在土壤环境系统中反应行为的研究应关注其对整体土壤质量的影响。重金属污染土壤退化机理的研究表明，在我国红壤地区，除了重金属自身所带来的毒性外，对营养元素N、P、K的迁移和转化均可带来明显的负面影响，它使N的矿化受到明显的抑制、P的固定增加、K的淋溶加强，从而造成土壤肥力的退化。这一结果表明，土壤肥力的退化是污染土壤退化的重要原因之一。

(5)根际效应

在进行土壤环境系统中外源物质反应行为的研究中，应重视根际(rhizosphere)环境的研究。根际微区是一个只有0. 1～4 mm左右的区域，在该区域中，由于植物根系的存在，从而在物理、化学和生物特征方面产生有异于土壤本体的现象。根际特征可归纳为微型性、特殊性、复杂性、动态性和开放性，根际环境中的酸-碱反应、氧化-还原反应、配位-离解反应、生化反应、活化-固定以及吸附-解吸等行为的变化最终将表现为特定物质的形态变化，从而改变生物有效性和生物毒性。根际效应的研究是揭示外源物质环境行为的重要组成部分，对认识土壤-水植物系统污染物的迁移、转化及归宿至关重要，当前对污染物根际效应的研究偏重于重金属，且大多为现象的描述，缺乏对反应机理和过程的深刻探讨；因而加强机理性研究应是今后污染物根际效应关注的重点。

3．土壤环境与人体健康

主要研究土壤异常与地方病的关系，研究与人类和动物健康有关的疾病和营养问题的土壤因素，这些因素与土壤环境化学、矿物学和生物学等性质有关。土壤胶体(包括有机胶体、无机胶体和有机-无机复合胶体)是微量元素和持久性有机污染物(包括环境激素)的储藏库，土壤胶体能影响微量元素和有机污染物的生物有效性和动态变化，而许多微量元素和有机化合物同动物营养、人类的健康、繁衍与幸福有关。

4．人为活动对土壤环境的冲击

注重点源与面源污染对整体环境质量的影响；研究土壤与温室效应和全球变化的关系；经济开发与土壤生态和环境的演变；工矿开发和重大工程对土壤环境质量的影响；土壤质量变化及其对其他环境要素、社会经济、人文环境、生态结构和功能影响等方面的基础性与应用基础性研究；同时注重其研究成果在生态恢复、环境治理和持续发展等方面的应用。

5．土壤环境工程

城市建设、工业和农业园区土壤环境质量的监测与评价；有机食品、绿色食品和清洁生产中的土壤环境建设；污染土壤的物理、化学、微生物和植物修复；土壤净化功能的开发，特别是污水和固体废弃物的土地利用和土地处理；与土壤有关的地下设施的腐蚀与防护等。

(三)研究方法特点

环境土壤学是一门多学科和跨学科的科学，目前已初步形成自己的学科体系和独特的方法论，当然在一个很长的时间内还需不断地充实与完善。它的研究方法承袭与融合了土壤学、化学、环境科学、生态学和数学等学科，体现了自身的研究特点。

(1)分析测试技术要求高

由于土壤是一个十分复杂的体系，测试工作的预处理难度大。对测试仪器要求其敏感度高、干扰少，定性与定量准确；且监测过程中的时空观念强。

(2)宏观与微观相结合

注重量化，采用系统分析的原理与方法，比较全面地观察与研究土壤圈所发生的能流、信息流与物质循环过程，在工作中既有宏观区域的定点观察，又有微观机理的深入剖析。

(3)模型与模拟

充分发挥模型与模拟的作用，不断提高研究成果在宏观决策与实践中的应用，这就要求提高模型与模拟的准确性与可靠性，逐步从经验模型向理论模型与仿真模型发展。

(4)人员素质要求高

要求高素质的综合性人才和研究群体。由于研究工作涉及的学科多、知识面广，单一学科的研究很难适应环境土壤学研究的需要，因而培养综合性人才和组织综合性人才研究群体便成为当今环境土壤学发展的重要任务。

相关链接：环境土壤学的产生与研究内容（一）