韓張雄，劉美美，王曦婕，劉 隆，邢 云

(1. 陜西省礦產(chǎn)資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710054； 2. 國土資源部 西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，陜西 西安 710054；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

綜合評述

土壤中重金屬元素運(yùn)移規(guī)律研究進(jìn)展

韓張雄1,2,3，劉美美1,2，王曦婕1,2，劉 隆1,2，邢 云1,2

(1. 陜西省礦產(chǎn)資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710054； 2. 國土資源部 西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，陜西 西安 710054；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

在全球氣候變化及空氣污染嚴(yán)重加劇的前提下，酸雨會加速土壤中的重金屬離子以溶解態(tài)的形式存在于土壤溶液中，從而使土壤肥力下降，造成土壤環(huán)境的污染。因此，土壤中的重金屬元素的運(yùn)移成為其污染土壤的主要原因之一，對土壤中重金屬的運(yùn)移特征及其影響因子進(jìn)行了綜述，得出重金屬在土壤中的運(yùn)移特征除了與重金屬污染物本身的活性有關(guān)外，更取決于它所進(jìn)入的土壤的性質(zhì)。

重金屬污染物；遷移轉(zhuǎn)化；影響因子

土壤作為一種典型的多孔介質(zhì)，其中所發(fā)生的溶質(zhì)運(yùn)移相對比較復(fù)雜，一直是被研究人員所關(guān)注。土壤中的溶質(zhì)運(yùn)移以金屬離子的遷移為主，前人的研究大多集中于土壤中的鹽分及養(yǎng)分的運(yùn)移過程對土壤的影響[1,-2]。伴隨著現(xiàn)代化工礦生產(chǎn)及農(nóng)藥化肥的大量施用，重金屬污染物以不同的途徑進(jìn)入土壤，并且長期殘留在土壤中，造成土壤重金屬污染，因此，土壤中重金屬污染的研究逐漸引起了人們的關(guān)注[3]。重金屬在土壤中的運(yùn)移及其對地下水和農(nóng)作物系統(tǒng)的危害使得土壤中的溶質(zhì)運(yùn)移理論在重金屬污染的研究中成為一個熱點[4]。土壤中重金屬元素的行為過程、運(yùn)移特征及其治理修復(fù)問題已引起全社會的關(guān)注，并已成為土壤、環(huán)境等科學(xué)領(lǐng)域研究的前沿和熱點[5-8]。

所謂土壤中的重金屬污染是指人類在生產(chǎn)過程中，將重金屬元素帶入土壤，使得土壤中某種重金屬元素顯著高于其本底含量，并且對周圍生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，使生態(tài)環(huán)境惡化的一種現(xiàn)象[5,9]?，F(xiàn)階段，人類的工礦業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)藥化肥的施用是土壤中的重金屬污染物的主要來源。研究顯示，重金屬污染物對土壤的危害主要表現(xiàn)為：（1）重金屬的降解周期很長，很難在較短的時期內(nèi)降解。重金屬在土壤中被土壤中有機(jī)或者無機(jī)配體結(jié)合形成絡(luò)合物，從而使其移動性降低。而某些重金屬可在微生物作用下轉(zhuǎn)化成毒性更大的金屬有機(jī)化合物[10,11]。（2）進(jìn)入土壤的重金屬污染物會對土壤微生物和動植物造成影響。大多數(shù)重金屬污染物在土壤中的存在形式都能抑制微生物的繁殖和代謝能力，研究認(rèn)為重金屬污染物對的微生物所能造成毒害順序為：Hg＞Cd＞Cr＞Pb＞Co＞Cu[12]；當(dāng)進(jìn)入土壤中的重金屬元素含量超過土壤中植物的需要量和可耐受的程度，就會影響植物的生長[13,14]；另一方面，當(dāng)土壤中重金屬含量超過一定濃度，土壤中的動物也會受到影響[15]。（3）土壤重金屬含量過高時會對周圍環(huán)境造成污染。土壤中的重金屬在淋溶條件下可進(jìn)入地表水和地下水中，加重水體污染，影響水生生物；同時土壤中的重金屬經(jīng)過化學(xué)或微生物的作用擴(kuò)散至大氣中，對大氣環(huán)境造成污染。（4）土壤重金屬含量超標(biāo)時，會對人、畜產(chǎn)生危害。其通過農(nóng)作物造成二次污染，最終進(jìn)入人體內(nèi)，對人體健康造成危害[5,16]。

因此，傳統(tǒng)上把土壤中的重金屬看作是固定的和不可動的是不合理的，當(dāng)土壤中的重金屬元素大量富集，隨著環(huán)境因素的變化，土壤中吸附的重金屬將會大量釋放到土壤水中，并隨土壤水運(yùn)移，造成地下水的污染，從而威脅到人類的生存，因此對重金屬在土壤中的運(yùn)移的研究迫在眉睫。

1　土壤中重金屬污染物運(yùn)移特征

1.1重金屬污染物在土壤中運(yùn)移的過程

土壤中重金屬污染物主要來源于生活垃圾、礦物廢棄物、交通運(yùn)輸及工礦企業(yè)的重金屬污染物，它們經(jīng)日曬、雨淋等作用而污染土壤[17]。土壤中的重金屬一般不具有揮發(fā)性，其運(yùn)移過程只受淋溶作用或生物分解或吸收作用的影響。土壤中重金屬污染物經(jīng)淋溶作用后可隨土壤溶液橫向或縱向運(yùn)移，隨著地表徑流進(jìn)入河流或者隨著滲濾液向下滲透到更深的土壤層中甚至到達(dá)地下水中，從而造成土壤的更深層次及為嚴(yán)重的污染。滯留于土壤中的重金屬污染物，一部分通過微生物分解作用，而失去原有性質(zhì)，另一部分則通過微生物和植物的吸收進(jìn)入食物鏈，從而進(jìn)入動物體或人類體內(nèi)，對動物和人體的健康造成危害。

1.2重金屬污染物在土壤中的運(yùn)移機(jī)制

重金屬污染物在土壤中很難降解，也不易被微生物分解，其污染具有持久性。土壤中重金屬的運(yùn)移過程主要是受到對流、擴(kuò)散、彌散和吸附作用的影響。重金屬污染物進(jìn)入土壤遷移過程中，最初的遷移主要受到土壤溶液對流作用的影響，隨著時間的推移，土壤溶液開始發(fā)生變化，這時對流作用減弱，擴(kuò)散和彌散的作用增強(qiáng)。隨著時間的延長，重金屬元素在土壤溶液中逐漸趨于均勻。另外，土壤和土壤中溶液的吸附作用，以及植物對土壤溶液中重金屬元素的吸收作用也是引起重金屬元素在土壤中運(yùn)移的原因。

近年來，土水介質(zhì)中污染物的運(yùn)移問題越來越引起人們的關(guān)注。重金屬與同其它污染物在土壤中的運(yùn)移一樣，均屬于土壤的溶質(zhì)運(yùn)移。土壤溶質(zhì)運(yùn)移理論及模型的應(yīng)用研究一直是土壤物理和土壤化學(xué)中研究的熱點。土壤溶質(zhì)運(yùn)移現(xiàn)象是指不同濃度的溶液間發(fā)生的混合置換的過程[18,19]。重金屬污染物作為一種溶質(zhì)在土壤中運(yùn)移的機(jī)理有三種：對流、擴(kuò)散和水動力彌散[18,20]。

（1）土壤中重金屬元素的對流運(yùn)移

重金屬在進(jìn)入土壤中后，在土壤水的帶動下完全隨土壤水流向前運(yùn)移，這種運(yùn)動稱之為土壤重金屬的對流運(yùn)移，它也屬于一種溶質(zhì)的運(yùn)動。在土壤水非飽和或非飽和狀態(tài)下都可以發(fā)生，同時也能夠在穩(wěn)態(tài)水流或非穩(wěn)態(tài)水流下進(jìn)行運(yùn)移。

（2）土壤中重金屬元素的彌散運(yùn)移

重金屬離子在土壤中形成土壤溶液，土壤溶液的擴(kuò)散和機(jī)械彌散都能引起重金屬溶液的混合和分散，進(jìn)行微觀的流動，這種微觀流速不易測定，所以造成在實際情況下彌散和擴(kuò)散結(jié)果無法區(qū)分，所以將兩者合稱為水動力彌散，這一作用在沒有流動的情況下溶質(zhì)也會從濃度高的地方擴(kuò)散到濃度低的地方。

1.3重金屬污染物在土壤中的運(yùn)移模型

不同的學(xué)者在研究過程中，根據(jù)土壤的性質(zhì)及重金屬元素的遷移方式，建立了不同的模型?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外關(guān)于重金屬污染物在土壤中運(yùn)移的模型研究主要有傳統(tǒng)微分方程模型、動水-不動水模型、隨機(jī)運(yùn)移模型、結(jié)合地理信息系統(tǒng)( GIS) 的土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型、土壤溶質(zhì)運(yùn)移的色譜塔板理論模型、平衡模型、兩點模型、多離子組分競爭交換模型（表1）。

表1　國內(nèi)外關(guān)于重金屬污染物在土壤中運(yùn)移的主要模型Table 1 Models of the migration of heavy metal in the soil

2　影響土壤中重金屬運(yùn)移的主要因素

重金屬元素進(jìn)入土壤后，其運(yùn)移過程主要受到重金屬自身性質(zhì)以及其所賦存土壤介質(zhì)的性質(zhì)影響。土壤中重金屬自身性質(zhì)主要包括在土壤中重金屬的賦存形態(tài)及其與土壤中各種官能團(tuán)的結(jié)合價態(tài)。土壤中重金屬的賦存形態(tài)是指其原子和分子組成形式，即元素的各種存在形態(tài)，包括游離態(tài)、共價結(jié)合態(tài)、絡(luò)合配位態(tài)、超分子結(jié)合態(tài)等。土壤中重金屬不同的化學(xué)形態(tài)及其與土壤物質(zhì)的結(jié)合形式是影響其在土壤環(huán)境中運(yùn)移和生物有效性的主要因素[28]。土壤中重金屬元素的結(jié)合價態(tài)指的是重金屬以不同化合價離子存在于土壤中。土壤中重金屬離子價態(tài)不僅僅可以影響重金屬的遷移轉(zhuǎn)化，還可以影響到重金屬元素在土壤中的毒性大小。其價態(tài)越高，電荷越多，越易吸附；同等價態(tài)，與金屬離子的種類有關(guān)，離子半徑越大，水合半徑相對越小，越易吸附。重金屬元素在土壤中可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)，具有一定的可變價態(tài)；重金屬的價態(tài)影響其在土壤中的活性和毒性，不同價態(tài)的重金屬元素對土壤及生物危害相差很大。

重金屬在土壤中的運(yùn)移過程不僅僅受到土壤中重金屬本身的性質(zhì)影響，更加會受到土壤的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和土壤微生物性質(zhì)的影響(表2)。

表2　土體性質(zhì)對重金屬污染物在土壤中運(yùn)移特征的影響Table 2 Effects of soil properties on heavy metal transformation in the soil

3　結(jié)束語

重金屬污染物在土壤中的運(yùn)移過程可分為吸附、溶解沉淀、絡(luò)合和螯合，這些過程均發(fā)生在土壤溶液中，這就決定了這些過程是可逆的，而決定這些可逆過程的主要因素有土壤重金屬物質(zhì)在土壤溶液中的性質(zhì)及土壤本身的性質(zhì)，而土壤的性質(zhì)則決定了重金屬污染物進(jìn)入土壤后的所呈現(xiàn)的各種化學(xué)狀態(tài)，進(jìn)而制約重金屬在土壤中的運(yùn)移行為。所以，重金屬在土壤中的運(yùn)移過程除了與重金屬在土壤中的理化性質(zhì)有關(guān)外，更決定于土壤的性質(zhì)。

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Research Progress in Migration Regularity of Heavy Metal Elements in Soil

HAN Zhang-xiong1,2,3, LIU Mei-mei1,2, WANG Xi-jie1,2, LIU Long1,2, XING Yun1,2
（1. Shaanxi Key Laboratory of Exploration and Comprehensive Utilization of Mineral Resources, Shaanxi Xi’an 710054, China; 2. Xi’an Testing and Quality Supervision Center for Geological and Mineral Products, The Ministry of Land and Resource, Shaanxi Xi’an 710054, China; 3. College of Environment and Resource, Northwest A&F University, Shaanxi Yangling 712100, China ）

As global climate warms and air pollution aggravates, acid rain can increase the heavy metal content in soil as ion form, which will decline the fertility of soil and pollute the soil. Therefore, migration of heavy metal elements in soil becomes one of main reasons to contaminate soil. In this paper, features of the migration of heavy metals in soil and its influencing factors were analyzed. The results show that, migration characteristics of heavy metals in the soil are related to their own activities of heavy metal pollutants, and it also depends on the soil character.

Heavy metals; Migration and transformation; Impact factor

X 131

A

1671-0460（2014）12-2621-03

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃資助項目，項目批準(zhǔn)號 : 2014JM5217； 陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃資助項目, 項目批準(zhǔn)號：2012JM2018。

2014-06-05

韓張雄 (1982- )，男, 陜西佳縣人，工程師，碩士, 2009年畢業(yè)于中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所水土專業(yè)，研究方向：主要從事土壤重金屬污染治理及植物逆境培育風(fēng)險評價方面的研究。E-mail：han10260@163.com。