王麗君

（運(yùn)城農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西運(yùn)城044000）

土壤是指陸地表面所具有的能不斷供應(yīng)和調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)過(guò)程中所需要的水分、養(yǎng)分、空氣和熱量的物質(zhì)，即能夠生長(zhǎng)植物的疏松表層，其厚度為2 m左右[1]。重金屬一般指相對(duì)密度大于5 g/cm3的金屬。填埋于地下的有毒有害廢棄物中的重金屬大部分經(jīng)表層土壤和水的滲透?jìng)鬏斒股顚油寥朗艿轿廴荆?jīng)常導(dǎo)致農(nóng)作物受污染、減產(chǎn)等，每年造成的糧食損失分別達(dá)到1 200萬(wàn)和1 000 萬(wàn) t[2]。

1 重金屬在土壤環(huán)境中的分布

1.1 分布情況

土壤作為人類(lèi)生存環(huán)境的重要組成部分，近年來(lái)持續(xù)受到含有重金屬的工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)公共基礎(chǔ)設(shè)施所排出來(lái)的廢水、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛施用的各種農(nóng)藥、化肥及大氣降塵等的污染。其中，污水的農(nóng)田灌溉、污泥的農(nóng)業(yè)利用、畜禽廢棄物和無(wú)機(jī)肥料的施用等導(dǎo)致土壤被重金屬污染而造成肥力退化、作物產(chǎn)量和品質(zhì)不斷降低。汞、鎘、鉻、鉛等重金屬是土壤的重要污染源之一[3-4]。

人們通過(guò)各種手段對(duì)土壤中重金屬的分布狀況進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在同一條件下，各種重金屬的分布是不一致的。其中，鎘集中在地表20 cm左右的耕作層內(nèi)，尤其在10 cm內(nèi)的土層中濃度最高。土壤環(huán)境中鎘的容量最小，如果受到污染，表層土壤里鎘的濃度則大增，直接污染農(nóng)作物[5]。我國(guó)遼寧沈陽(yáng)張士灌區(qū)因?yàn)殚L(zhǎng)期引用工業(yè)廢水進(jìn)行灌溉，導(dǎo)致稻米中鎘含量嚴(yán)重超標(biāo)，人畜不能食用。日本受鎘污染的農(nóng)田占重金屬污染面積的80%以上。汞因不易在土壤中稀釋、擴(kuò)散和遷移，往往會(huì)造成局部污染。曾檢測(cè)出一種槐花蜂蜜含有汞，原因是槐花含有微量汞，追究起因是槐樹(shù)生長(zhǎng)地區(qū)的土壤被汞污染，這是由于該地區(qū)有生產(chǎn)樹(shù)脂的化工廠需用汞鹽作催化劑。

1.2 影響因素

影響重金屬在土壤環(huán)境中分布的因素有2個(gè)。（1）外部環(huán)境。巖石的風(fēng)化、火山爆發(fā)、風(fēng)暴、人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)等都可使重金屬不斷從其他地方向土壤中轉(zhuǎn)移。（2）內(nèi)部環(huán)境。由土壤自身決定，如沙質(zhì)或黏質(zhì)、有機(jī)質(zhì)的含量及土壤的酸堿性、氧化還原性等都會(huì)在很大程度上影響重金屬的分布。重金屬離子被土壤膠體吸附是其從液相轉(zhuǎn)入土壤固相的最重要途徑之一[6]。離子與黏土的締合方式及土壤膠體特別是有機(jī)體的吸附都在很大程度上決定著土壤中重金屬的分布以及富集狀況[7]。

2 重金屬在土壤環(huán)境中的污染

2.1 重金屬的污染特點(diǎn)

重金屬在土壤環(huán)境中的污染特點(diǎn)是毒性效應(yīng)強(qiáng)，極低的濃度即顯示較強(qiáng)的毒性，特別是汞、鎘、鉛、鉻等具有顯著的生物毒性[8]。它們難以被微生物降解，其所發(fā)生的系列變化僅限于化合價(jià)和化合物的種類(lèi)，主要發(fā)生各種形態(tài)間的相互轉(zhuǎn)化和分散、富集，基本性質(zhì)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性改變，因而能夠長(zhǎng)期停留和積累在土壤環(huán)境中，很難被徹底清除[9]。另外，土壤中的重金屬還可被微生物在一定條件下轉(zhuǎn)化成毒性更大的物質(zhì)，如甲基汞即為無(wú)機(jī)汞經(jīng)微生物的作用而生成的有機(jī)汞[10]。

2.2 重金屬的污染傳播

土壤中的重金屬污染傳播是在地下水的攜帶下，伴隨著吸附、解吸、吸收、轉(zhuǎn)化等過(guò)程。其中，與地下水動(dòng)力特征和土壤特性有關(guān)的重金屬的吸附和解吸聯(lián)系較為緊密。主要有幾個(gè)方面：（1）因與腐殖質(zhì)和重金屬離子特性有關(guān)的吸附沉淀作用而富集于土壤中。不同的土壤類(lèi)型，具有不同類(lèi)型的膠體，對(duì)重金屬的吸附性不同。一般有機(jī)體即腐殖質(zhì)膠體含量多的土壤吸附作用強(qiáng)，而無(wú)機(jī)膠體相對(duì)吸附較弱。（2）水中所含有的各種無(wú)機(jī)配位體（如 Cl-，SO42-，OH-等）和有機(jī)配位體會(huì)與其生成絡(luò)合物或螯合物，導(dǎo)致重金屬有更大的水溶解度而大量地進(jìn)入土壤。如Pb2+，Cd2+，Zn2+，Hg2+在水解時(shí)羥基與金屬的配位作用會(huì)大大提高重金屬氫氧化物的溶解度。（3）重金屬的價(jià)態(tài)不同，其活性與毒性不同，其形態(tài)又隨外部條件而變化。

3 重金屬在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化及影響因素

3.1 重金屬的遷移與轉(zhuǎn)化

污染物在環(huán)境中所發(fā)生的空間轉(zhuǎn)移及其引起的富集、分散和消失的過(guò)程稱(chēng)為污染物的遷移；而污染物在環(huán)境中通過(guò)物理、化學(xué)或生物的作用改變存在形態(tài)或轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為污染物的轉(zhuǎn)化。遷移和轉(zhuǎn)化常常是相伴進(jìn)行的。土壤中2個(gè)最活躍的組分是微生物和土壤膠體，它們對(duì)污染物的遷移轉(zhuǎn)化及生物降解有重要的作用[11]。

重金屬污染物的遷移能力很大程度上由它們的化學(xué)形態(tài)和結(jié)合狀態(tài)所決定。重金屬向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移的過(guò)程與重金屬的種類(lèi)、價(jià)態(tài)、存在形式以及土壤和植物的種類(lèi)、特性有關(guān)，這些都決定了各種重金屬的生物有效性和對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害程度不同。如離子態(tài)的鎘可被植物吸收，經(jīng)食物鏈對(duì)人體造成危害，非水溶性或難溶性的鎘化合物不易遷移，也不易被植物所吸收[12-13]。

3.2 影響因素

重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律與土壤結(jié)構(gòu)及其理化性質(zhì)相關(guān)。土壤的pH值、溫度、濕度、離子交換能力、微生物種類(lèi)和通氣狀況等是影響重金屬轉(zhuǎn)化的因素。重金屬在土壤中處于不同的結(jié)合形態(tài)，而不同形態(tài)的重金屬在土壤中的遷移能力是不同的。如汞在沙質(zhì)或有機(jī)質(zhì)少的土壤中較易遷移，在黏性或有機(jī)質(zhì)多的情況下因較難遷移而累積。這是由于黏性礦物質(zhì)和腐殖質(zhì)等有機(jī)質(zhì)和汞的親和力較大。

3.2.1 土壤的pH值 由于土壤是一個(gè)復(fù)雜的體系，其中存在著各種化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)，因而表現(xiàn)出不同的酸堿性。

重金屬往往是以酸、堿的離子和鹽類(lèi)形式存在。正常土壤pH值在5～8之間，若土壤自身的pH值偏?。s為4）呈現(xiàn)酸性時(shí)，重金屬離子較易與水結(jié)合而呈現(xiàn)離子狀態(tài)，并且酸性越強(qiáng)，離子的溶解度就越高，越容易被植物吸收或遷移；而土壤pH值偏大（約為7.76）呈現(xiàn)堿性時(shí)，多數(shù)重金屬離子易與堿性物質(zhì)化合生成難溶的氫氧化物或不溶性鹽類(lèi)而形成沉淀，進(jìn)而使植物難以吸收。試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，當(dāng)土壤pH值為5.3時(shí)，糙米中鎘含量為0.3 mg/kg，而當(dāng)土壤pH值為8.0時(shí)，鎘含量?jī)H為0.06 mg/kg。

3.2.2 土壤的氧化還原狀態(tài) 氧化還原反應(yīng)是指無(wú)機(jī)物和有機(jī)物發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化并對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響的化學(xué)過(guò)程，其能力的大小可以用土壤的氧化還原電位的高低來(lái)衡量。土壤中主要的氧化劑有O2，NO3-和高價(jià)金屬離子，還原劑為有機(jī)質(zhì)和低價(jià)金屬離子[14]。此外，植物根系和土壤微生物也是反應(yīng)的重要參與者。

土壤自身所處的氧化還原條件控制著重金屬污染物的存在狀態(tài)。土壤中的氧氣充足表示處于氧化狀態(tài)，氧氣缺乏則表示處于還原狀態(tài)。土壤的氧化或還原條件決定著重金屬的轉(zhuǎn)化和存在狀態(tài)。例如氧氣充足時(shí)，即砷元素在旱地氧化條件下的砷化物多為5價(jià)；而在氧氣缺乏時(shí)，即還原條件下砷元素在水田中的砷化物則為3價(jià)（亞砷酸鹽），毒性比前者大得多。因?yàn)橥寥捞幱谶€原狀態(tài)時(shí)，重金屬離子常與硫酸鹽形成金屬硫化物，因其難溶解于水而被固定于土壤中。

3.2.3 土壤腐殖質(zhì)的吸附和螯合作用 土壤腐殖質(zhì)具有膠體性質(zhì)，能通過(guò)物理—化學(xué)遷移的形式大量吸附重金屬離子，使其通過(guò)配位作用和螯合作用實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，從而穩(wěn)定地被留在土壤中[15-16]。如在腐殖質(zhì)火山灰土壤中加入汞、鎘、鉻、鉛、銅等重金屬元素后，觀察其對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，鎘影響水稻的根系發(fā)育，使其活性降低，而鉛幾乎無(wú)影響。這是由于腐殖質(zhì)與鉛結(jié)合而被固定，使其向水稻體內(nèi)轉(zhuǎn)移大為減弱。而鎘的狀況則恰好相反。

3.2.4 重金屬形態(tài) 隨著對(duì)重金屬元素遷移和積累行為研究的深入，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到重金屬的生物毒性不僅與其總量有關(guān)，更大程度上是由其形態(tài)分布所決定。重金屬的存在形態(tài)受其自身性質(zhì)和含量、土壤的組分、土壤所處的環(huán)境條件共同決定[17]。不同的重金屬形態(tài)的毒性、遷移及其在生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)過(guò)程存在顯著差異。常見(jiàn)的重金屬的生物有效性依次表現(xiàn)為鎘、鋅、銅、鉛。

通過(guò)各種手段對(duì)土壤中重金屬的形態(tài)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在同一條件下，各種重金屬在不同形態(tài)間的分布是不一致的，以殘?jiān)鼞B(tài)存在最多。研究結(jié)果表明，鎘主要以水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵-錳氧化物結(jié)合態(tài)為主；鉛主要以殘?jiān)鼞B(tài)為主；鋅主要以殘?jiān)鼞B(tài)和水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)為主；銅在土壤中的形態(tài)分布與其在土壤中的含量有關(guān)。

如空心菜中重金屬富集系數(shù)大小表現(xiàn)為鎘＞鋅＞銅＞鉛，空心菜地下部分4種重金屬富集系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地上部分。如將含有相同鎘量的硫酸鹽、磷酸鹽2種鹽和硫化物加入無(wú)鎘污染的土壤中進(jìn)行水稻生長(zhǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)水稻生長(zhǎng)的抑制程度與鎘鹽的溶解度有關(guān)。

重金屬對(duì)土壤環(huán)境的污染會(huì)影響土壤的生態(tài)平衡，進(jìn)而降低農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量，必須引起高度重視。

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