《环境学导论》：土地资源的高效利用与保护方案

土地是人类生存的基地，是所有生活活动和生产活动必不可少的一种自然资源。一般说来，似乎广阔的自然界蕴藏着无穷无尽的自然资源；人们可以随心所欲地开发利用。其实，实际情况并非如此！不但不可更新的自然资源，它们被耗用多少就减少多少；即便是可更新的自然资源，不仅由于采用过度，不能恢复而用尽或灭绝，更由于可更新资源间是彼此联系相互制约的，就是说一种可更新资源受破坏，另一种可更新资源也会受损。例如砍伐森林可能造成水土流失。因此，自然资源的盲目开发和随意滥用，必然会引起自然环境的破坏和危机。

目前世界上土地资源的破坏和丧失是很严重的，其中与人类关系最大的是可耕土地。全世界适于农业生产用的耕地约占陆地面积的十分之一；而且各个国家、地区间分配极不成比例。例如，丹麦的耕地面积占全国的65％，英国占30％，美国占20％，中国占10.4％，苏联占10％，有些国家只有5—6％。沙漠化、风蚀和水的冲刷是丧失耕地和破坏农田的主要原因。据联合国沙漠化会议估计，世界上由于沙漠化而损失的农田每年约有7500—10500万亩。如不加以控制，到本世纪末，全世界的可耕地将有三分之一丧失掉。至于因风和水的侵蚀而受到破坏的土地，据称在过去一百年内达到了总耕地面积的27％左右。这些数字是很惊人的！至于工业城市的发展和地下资源的开采等也是造成土地面积缩小的另一重要因素。下面就这几方面着重加以论述。

1. 沙漠化的侵吞

地球陆地上约有三分之一是干旱的荒漠地区，其中以沙漠质的荒漠，即沙漠为主。这种地区雨水稀少而多风，土壤沙质，缺少有机物质而盐分含量高；因此大多数未被利用，一片荒凉。其边缘地带如果开发得不适当，最容易引起沙漠化，造成流沙的外侵，使更多的土地良田被它吞噬进去。据报导，非洲北部撒哈拉沙漠扩展的速度每年达30—50公里，南部流沙前沿的总长达3500公里以上，周围国家的牧场和耕地的损失小者每年30—50万亩，大者每年150多万亩。印度半岛的塔尔沙漠是由于植被受破坏而形成的，它每年以8公里的速度扩张已有半世纪之久，每年约侵吞近20万亩的土地。我国西北和华北地区也有许多沙漠，如内蒙古和陕西的毛乌素沙漠，新疆的塔克拉马干沙漠等，以前都曾经是水草丰盛的地区，现在都在流沙的覆盖之下。而解放后，发生在我国北方万里风沙线上的沙化面积达4.9亿亩。近年来每年仍以1000万亩的速度向外扩展。大片的农田和牧场被沙漠吞噬了。表17-1列出了造成北方地区沙漠化土地的原因。由表可见，其中约90％是由于滥伐、滥牧、滥垦造成的。而由水资源过度开采引起的土地沙漠化，目前更应引起足够重视。例如华北地区，如按目前状况继续抽取地下水，30年后要变成不毛之地。此外，全国还有约1亿亩的农田和草场面临沙化的威胁。在这些地区固沙造林，防止流沙外侵，保护草原不使发生沙化，是当前保护土地资源的重要措施之一。

表17-1 我国北方地区沙漠化土地成因类型

治沙首先要固沙。固沙的方法有机械的、化学的和生物的三种。机械固沙是利用干枯植物做沙障；化学固沙是利用沥青乳剂或其他高分子粘合物质，喷撒在沙层之上，以防止沙丘的移动。这两种方法都不适于大面积采用，目前应用最广泛的是生物固沙法。生物固沙是利用抗旱、适沙的乔木、灌木或草本植物，使其在流沙上生长，将沙漠固定下来，其他如开渠引水冲削沙丘以改造良田，营造防护林以抵御风沙侵蚀等等，也是治沙和防沙的有效措施。

2. 水和风的侵蚀

首先应该指出，在自然状态下，纯粹由自然因素引起的地表侵蚀过程，速度非常缓慢，表现很不显著，常和自然土壤形成过程处于相对稳定的平衡状态。但是，由于人类的活动，特别是破坏了坡地上的植被，就会加速和扩大自然因素（如风和水）的作用，使土壤受到严重的侵蚀。由此而丧失的农田面积也是惊人的。在美国，由于水的冲涮，农田每年损失土壤约30亿吨；有些地方一亩裸露坡地上的雨水，一年就能从表土冲走10卡车土壤。仅密西西比河每年就带走65万吨磷、163万吨钾、2250万吨钙和250万吨镁。

苏联在六十年代受水侵蚀的耕地和饲料地，都在15亿亩以上，每年被水冲涮的土壤达5～6亿吨，氮和磷损失约700万吨。据调查，目前全国耕地有2/3处于受水蚀的地区。

风蚀给土壤带来更大的损失。美国1933年、1934年和1937年发生了三次黑风暴；如1934年的一次黑风暴以每小时100多公里的速度，从西海岸一直刮到东海岸，形成东西长2400公里，南北宽1400公里，高达3公里的灰黄色尘土带。此次风暴刮走尘土3亿吨，相当于200万亩耕地的耕层土壤，实际受害的土地达数千万亩以上。风暴过处昏天暗日，纽约市区白天不得不开电灯。此次风灾前后持续三天。美国历史上出现三次黑风暴的根本原因是美国三十年代在西部进行滥垦、滥牧的结果。

苏联1960年刮了两次黑风暴，受灾面积达6000万亩以上，1963年的黑风暴影响更大，受害的耕地达30亿亩，以后又多次发生过这种风暴，损失极大。

南美一些国家的土地风蚀损失也极严重。如委内瑞拉经常受灾的土地达4350万亩，占可耕地总面积的64％；又如智利，受风蚀的面积为5400万亩，占总可耕地的55％。

我国水土流失的面积也很大。据估计全国水土流失的面积已达150万平方公里，占全国总面积的1/6左右。每年损失的土壤达50多亿吨，被水冲走的氮、磷、钾四千多万吨。其中以黄河中游的黄土高原最为严重，这是众所周知的；长江则不然，江水中的含砂量过去一直远低于黄河，就是说长江流域的水土流失较轻。可是近年来情况已发生明显变化，特别是1981年四川连续发生两次特大水灾，它波及全省135个县、市（四川全省共182个县），1180多万人口，其中53个县以上的域市，580个村镇，2600多个工厂企业和1250多万亩农作物受淹，房屋倒塌160万间，人畜伤亡较大，直接经济损失在20亿元以上。造成四川1981年洪灾的原因是多方面的，但主要的是二条：首先，也是最重要的原因，是近几年来长江上游乱砍滥伐森林，自然生态平衡遭到严重破坏，失去保持水土的能力。回顾五十年代初期，四川是全国森林较多的一个省，覆盖率占全省总面积的19％以上，但是1955年以后，全省森林覆盖率降到只有9％，而川中农业地区的53个县，几乎近半数县覆盖率不到3％，有的甚至不到1％。第二个原因是河道淤塞、渲泄能力下降。这是由于近年来在“向江河要粮”、 “改河造田”、 “绿化河滩”的错误思想指导下，在江中任意垦植，拦江造田，甚至发展了许多桑园、村庄，严重堵塞河道造成的。我们应该从四川的惨痛教训中，充分认识到绿化造林，保持水上的重要性和紧迫性。

3. 工业和城市的蚕食

国外由于工业迅速发展和城市不断扩大，工矿企业、交通运输、旅游业、军用设施等等建设占用大量的土地。在美国，工业和城市发展每年占地约600多万亩；1976年以前，靶场和军用设施占地约1亿亩；到1980年止，由于采矿损坏的土地面积达3亿亩。英国和苏联等每年因开采地下资源而破坏的地表，都在30～45万亩之间。意大利农业用地每年被工业、城市建筑和新的公路等吞食的，相当于罗马市区的面积，约七十万亩。

我国耕地的利用情况又如何呢？全国土地面积960万平方公里，2/3为山地，其余为1/3（相当于48亿亩）。1949年我国原有耕地14.6亿亩，三十年来开垦荒地4.8亿亩，二者合计19.4亿亩，可是有些地区由于生态平衡遭到破坏，沙漠扩大，反而损失了2亿多亩。居住环境的扩大以及公路、工业用地又占去了2亿多亩，现在实有耕地面积只有15亿亩，占全国总面积的10.4％（见表17-2），较解放初所增无几。而由于人口的增加，人均耕地则由五十年代的2.7亩减少到八十年代的1.5亩。由表17-2可见，除非冒破坏生态平衡而引起土地沙漠化的风险，扩大耕地面积的潜力实已甚微。但是，城市人口却迅速增长。据估计，到2000年，我国人口为12亿，其中城市人口占40％，接近于5亿人。目前我国城市人口只有2亿1千万，用于居住环境（包括工交、城镇）的土地面积约10亿亩，占总面积的6.9％。城市人口的增加，势必占用耕地，而且势必占用那些离城较近，水源较丰富，已为人们长期耕种，土地比较平整、土壤肥沃，比较利于耕作的好地。如以北京为例， 1949年耕地面积为910万亩（人口165万），而1978年则只有耕地640万亩（市区人口540万）。因人口增加和工交事业的发展占去的耕地270万亩，约相当于原有耕地的1/3，平均每年减少耕地近10万亩。这也就是近年来北京市蔬菜供应比较紧张的一个重要原因。由于人类的食物目前基本上是直接或间接地来源于土地，所以对于一定数量的人口，必须保证一定数量的农产品用地。就我国而言，每减少二亩耕地就等于减少一个人的生物食品来源；增加一亿人口就相当于要增加二亿亩耕地。因此，对于那种不合理地使用土地和错误地发展工业城市的政策，目前已为越来越多的人所认识，引起了人们的重视，并正在寻求解决的措施。例如1983年底竣工的京秦铁路，通过架设旱桥等措施，尽量做到不占耕地或少占耕地，特别是不占好地，共节约耕地1000多亩，并设法保存原有的农田和灌溉系统，是发展交通运输业与保存耕地互相兼顾的一个例子。

表17-2 我国土地的利用情况

4. 土壤的污染与净化

（1）什么是土壤和土壤污染？

土壤就是位于陆地表面具有肥力的疏松层。它具有独特的组成、结构和功能。土壤的组成包括矿物质、有机质（活有机质、土壤生物等）、水份和空气；并且固态、液态和气态三个相共存而形成有一定层次的结构。因此，土壤的功能也不同于其他自然系统。第一，土壤具有肥力，也就是具有供应和协调植物生长所需要的营养条件（水分和养分）和环境条件（温度和空气）的能力；第二，土壤具有同化和代谢外界输入物质的能力，输入的物质在土壤中经过复杂的迁移转化，再向外界输出。土壤的这两个功能是相辅相成的。土壤的功能，使它成为一种宝贵的资源。

但是，土壤资源的可更新性已经受到破坏。例如，施用化肥过多，使土壤变得板结不透气，植物无法生长，土壤失去其原有的功能，也就是人类生活的环境遭到破坏；其他如土壤污染，也会带来相同的恶果。这同样是土壤资源遭受破坏的一个不容忽视的原因。

所谓土壤污染，就是人类在生产和生活活动中产生的“三废”物质直接或通过大气、水体和生物间接地向土壤系统排放，当排入土壤系统的“三废”物质数量，破坏了土壤系统原来的平衡，引起土壤系统成分、结构和功能的变化，即发生土壤污染。这里，值得注意的是，受污染的土壤还可以通过生物的新陈代谢，或以植物的果实、根、茎和叶给动物提供食物的途径向环境输出污染物，又使大气、水体和生物进一步受到污染。

（2）土壤受污染的途径和主要的上壤污染物

① 土壤受污染的途径：由于土壤是农业生产的对象和生产的手段，所以上壤污染是与其特殊的地位和功能相联系的。首先，施用化肥和农药就是污染土壤的主要途径，这在粮食问题一章中已经提到；其次，垃圾、废渣、污水都以土壤作为处理场所，这里包括不合理的污灌，也会造成土壤污染；最后，污染物还可以通过大气、水体的迁移转化而进入土壤，例如大气中的SO2、重金属，可以经“干降”和“湿降”而进入土壤、使土壤“酸化”造成重金属污染。

② 主要的土壤污染物：我们不能认为大气、水体中的一切污染物，最后都回归土壤，但其种类是基本相同的，即包括下述几类：

ⅰ）有机物质，其中主要是农药、除莠剂等，其次是一般有机物、如酚、苯并芘、油类等。(www.xing528.com)

1）氮、磷化肥。

ⅲ）重金属，如砷、镉、汞、铬、铜、锌、铅、镍等。

ⅳ）放射性元素，铯-137，锶-90等。

ⅴ）污泥、矿渣、粉煤灰。

ⅵi）有害的微生物，如肠细菌、肠寄生虫、结核杆菌等。

（3）土壤污染量指标

是否一旦有污染物进入土壤，就算是土壤污染呢？显然不是。那么，什么样的土壤才算被污染了？污染到什么程度？要回答这些问题，就得有一些衡量土壤污染的指标。目前采用的指标，主要有三种：

① 土壤的背景值（或本底值）。这里有两种不同的概念。其一是按地区考虑，一个国家或一个地区土壤中某元素的平均含量称为本底值，并与污染区同一元素含量作比较，超过本底值者即为污染。超过越多，污染越重。此概念的缺点在于，同一地区不同类型土壤中某元素的含量可能极不相同，用平均值表示，与实际情况往往出入较大。第二种土壤本底值概念是根据土壤类型考虑的。它规定未被污染的某一类型土壤中某元素的平均含量定为本底值，并与受污染的同一类型土壤中相同元素的平均含量相比，即可得出该土壤受污染程度的结论。

② 植物中污染物的含量。根据质量作用定律，植物中某有害元素或污染物的量与土壤中相应毒害物的量成正比，所以只要测定植物中污染物的含量，便可作为土壤污染的指标。例如铀工厂周围的稻米、蔬菜都有较高的铀含量，说明该区域内的土壤受到某种程度的铀污染。不过，必须注意，同一土壤中的不同植物，对同一毒害物的吸收量是不同的；即使是同一植物的不同器官（或部位），对不同毒物的积储量也是不同的。例如北京东南郊小麦中的镉含量为0.019毫克/公斤干重，而白菜则只有0.005毫克/公斤干重；又在同一地区内，水稻中的有机汞几乎全部集中在根和茎中，而叶中有机汞含量极微。所以，对什么样的土壤，用什么植物的什么器官作为土壤污染的指标，必须作具体的研究。

③ 生物指标。即根据生物对土壤污染物的反应，例如植物生长发育受到抑制或促长；或生态发生明显变异；或土壤微生物区系（种类和数量）发生改变；或人食受污染植物后，危害人体健康的程度，都可判断土壤受污染的程度。例如一个世纪前，日本明治中期的足屋铜山事件，就是因为铜矿山废水排入农田、使土壤含铜量高达200ppm，在这种受污染的土壤上，种植水稻、株高仅10厘米，生长得象“小老头”，以致稻米大幅度减产。这就是从生物的反应判断土壤受污染的事例。但是，由于影响生物生长的因素十分复杂，而且进行毒理试验难度很大，所以采用生物指标衡量土壤污染，难度较大。

经验证明，量度土壤污染时，最好将上述三种指标结合起来考虑。而把土壤的本底值一般作为土壤污染的起始值指标使用。

（4）受污染土壤的净化

污染物质进入土壤以后，如何排出土壤之外而使其恢复原来的状态呢？显然主要不是靠外力（人）的作用，而是靠土壤本身，也包括生长在其上的植物或土壤生物等的功能，才能使土壤污染物迁出土壤。也就是说，污染物质进入土壤后，与土壤的固相、液相和气相物质之间发生一系列物理、化学、物理化学和生物化学反应，在土壤中进行迁移转化的结果。在“土壤处理系统”一节中提到的土壤六种净化作用，都可以包括在这过程中。现对这四个过程的作用原理和条件作进一步的介绍：

① 物理过程：就是利用土壤具有多相、疏松多孔的特点，通过挥发、稀释、扩散等物理过程，使污染物移出土壤体外。其净化效果取决于土壤的温度（温度高挥发量大）、湿度、土壤的质地和结构；同时也与污染物的性质有关。

通过物理过程而迁移的污染物主要是农药。其中有些农药主要通过气体扩散而迁移；另一些农药则主要通过水扩散而迁移。前者称为气扩散型农药；后者称为水扩散型农药。一般以农药在等体积水和空气中溶解量的比值R来区分农药的扩散类型：

R＜1×104的农药定为气扩散型农药；

R＞3×104的农药定为水扩散型农药。

必须指出，农药在水中的扩散作用非常缓慢，一般比蒸发扩散的速度低10000倍。

② 化学过程：主要包括溶解、氧化还原、化学降解和化学沉降作用，使污染物迁出土壤之外或变成难溶物不被植物吸收，而不改变土壤的结构和功能。

因溶解而使污染物迁移的作用，与土壤体系的pH值、配位体存在与否以及污染物自身的性质有关。当土壤体系的pH小于6时，可溶解迁移的元素有：铜、锌、镍、锰、铬、镉当pH值大于或高于7时，可溶解迁移的元素是：钒（Ⅴ）、（Ⅳ）、钼、砷、铬（Ⅵ）等；在广泛pH值范围内可溶解迁移的元素则是：锂、铷、铯等。如果土壤体系中存在各种有机或无机配位体，而且数量较大，则污染物可通过络合、螯合作用而溶解迁移。例如羟基可与Hg2＋、Cd2＋、Pb2＋、2n2＋等离子发生络合作用；腐植质可与铁、铝、钛、钒、铀等元素生成可溶于中性、弱酸性、弱碱性土壤溶液中的螯合物。

由于土壤中常常含有自由氧气、高价金属离子和少量硝酸根等氧化剂，以及有机物质、低价金属离子等还原剂，而能使可变价的污染物质如铁、锰、硫、砷、汞、铬、钒、铀等因变价发生氧化还原反应，并配合络合、螯合作用而溶解迁移。

因化学降解而消除污染的土壤污染物，主要是农药。农药会因化学降解而被破坏、失去原来的危害性。

③ 物理化学过程：主要是通过胶体的吸附和解吸作用，使污染物在土壤中迁移转化。胶体吸附能力的大小，与胶体自身的性质和金属离子的性质以及土壤的性质都有关。例如粘土胶体吸附金属离子的顺序是：Cu2＋＞Pb2+＞Ni2＋＞Co2＋＞Zn2＋＞Ba2＋＞Rb2＋＞Sr2＋＞Ca2＋＞Mg2＋＞Na＋＞Li＋；有机胶体对金属离子的吸附顺序是：Pb2＋＞Cu2＋＞Cd2＋＞Zn2＋＞Ca2＋＞Hg2＋；不同土壤对污染物吸附能力的差别，可参看我国土壤对砷的吸附顺序：红壤＞砖红壤＞黄棕壤＞黑土＞碱土＞黄土。

④ 生物化学过程：主要依靠土壤生物的主体，即土壤微生物使土壤中的有机污染物质发生分解或化合作用而转化的过程。其中农药的微生物降解就是最重要的转化作用。例如性质稳定的农药DDT，长期残存于土壤中，也会因微生物的降解作用而脱氯，生成DDD；甚至还会脱氢而生成DDE。不过DDE仍具有慢性毒性，不等于污染物已实现完全的转化。

通过上述物理的、化学的、物理化学的和生物化学的过程，使土壤中污染物的含量下降的作用，就是土壤的自净能力。这种自净能力与土壤的性质、组成及污染物的种类和性质有关。