淺析土壤環(huán)境中的重金屬污染

王麗君

（運城農業(yè)職業(yè)技術學院，山西運城044000）

土壤是指陸地表面所具有的能不斷供應和調節(jié)植物生長過程中所需要的水分、養(yǎng)分、空氣和熱量的物質，即能夠生長植物的疏松表層，其厚度為2 m左右[1]。重金屬一般指相對密度大于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表層土壤和水的滲透傳輸使深層土壤受到污染，經常導致農作物受污染、減產等，每年造成的糧食損失分別達到1 200萬和1 000 萬 t[2]。

1 重金屬在土壤環(huán)境中的分布

1.1 分布情況

土壤作為人類生存環(huán)境的重要組成部分，近年來持續(xù)受到含有重金屬的工業(yè)生產和社會公共基礎設施所排出來的廢水、農業(yè)領域廣泛施用的各種農藥、化肥及大氣降塵等的污染。其中，污水的農田灌溉、污泥的農業(yè)利用、畜禽廢棄物和無機肥料的施用等導致土壤被重金屬污染而造成肥力退化、作物產量和品質不斷降低。汞、鎘、鉻、鉛等重金屬是土壤的重要污染源之一[3-4]。

人們通過各種手段對土壤中重金屬的分布狀況進行研究發(fā)現，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，尤其在10 cm內的土層中濃度最高。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，直接污染農作物[5]。我國遼寧沈陽張士灌區(qū)因為長期引用工業(yè)廢水進行灌溉，導致稻米中鎘含量嚴重超標，人畜不能食用。日本受鎘污染的農田占重金屬污染面積的80%以上。汞因不易在土壤中稀釋、擴散和遷移，往往會造成局部污染。曾檢測出一種槐花蜂蜜含有汞，原因是槐花含有微量汞，追究起因是槐樹生長地區(qū)的土壤被汞污染，這是由于該地區(qū)有生產樹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。（1）外部環(huán)境。巖石的風化、火山爆發(fā)、風暴、人類的生產活動等都可使重金屬不斷從其他地方向土壤中轉移。（2）內部環(huán)境。由土壤自身決定，如沙質或黏質、有機質的含量及土壤的酸堿性、氧化還原性等都會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

重金屬在土壤環(huán)境中的污染特點是毒性效應強，極低的濃度即顯示較強的毒性，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和化合物的種類，主要發(fā)生各種形態(tài)間的相互轉化和分散、富集，基本性質沒有實質性改變，因而能夠長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化成毒性更大的物質，如甲基汞即為無機汞經微生物的作用而生成的有機汞[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、轉化等過程。其中，與地下水動力特征和土壤特性有關的重金屬的吸附和解吸聯系較為緊密。主要有幾個方面：（1）因與腐殖質和重金屬離子特性有關的吸附沉淀作用而富集于土壤中。不同的土壤類型，具有不同類型的膠體，對重金屬的吸附性不同。一般有機體即腐殖質膠體含量多的土壤吸附作用強，而無機膠體相對吸附較弱。（2）水中所含有的各種無機配位體（如 Cl-，SO42-，OH-等）和有機配位體會與其生成絡合物或螯合物，導致重金屬有更大的水溶解度而大量地進入土壤。如Pb2+，Cd2+，Zn2+，Hg2+在水解時羥基與金屬的配位作用會大大提高重金屬氫氧化物的溶解度。（3）重金屬的價態(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)境中的遷移轉化及影響因素

3.1 重金屬的遷移與轉化

污染物在環(huán)境中所發(fā)生的空間轉移及其引起的富集、分散和消失的過程稱為污染物的遷移；而污染物在環(huán)境中通過物理、化學或生物的作用改變存在形態(tài)或轉變?yōu)榱硪环N物質的過程稱為污染物的轉化。遷移和轉化常常是相伴進行的。土壤中2個最活躍的組分是微生物和土壤膠體，它們對污染物的遷移轉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形態(tài)和結合狀態(tài)所決定。重金屬向植物體內轉移的過程與重金屬的種類、價態(tài)、存在形式以及土壤和植物的種類、特性有關，這些都決定了各種重金屬的生物有效性和對生態(tài)環(huán)境的危害程度不同。如離子態(tài)的鎘可被植物吸收，經食物鏈對人體造成危害，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化規(guī)律與土壤結構及其理化性質相關。土壤的pH值、溫度、濕度、離子交換能力、微生物種類和通氣狀況等是影響重金屬轉化的因素。重金屬在土壤中處于不同的結合形態(tài)，而不同形態(tài)的重金屬在土壤中的遷移能力是不同的。如汞在沙質或有機質少的土壤中較易遷移，在黏性或有機質多的情況下因較難遷移而累積。這是由于黏性礦物質和腐殖質等有機質和汞的親和力較大。

3.2.1 土壤的pH值 由于土壤是一個復雜的體系，其中存在著各種化學和生物化學反應，因而表現出不同的酸堿性。

重金屬往往是以酸、堿的離子和鹽類形式存在。正常土壤pH值在5～8之間，若土壤自身的pH值偏?。s為4）呈現酸性時，重金屬離子較易與水結合而呈現離子狀態(tài)，并且酸性越強，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）呈現堿性時，多數重金屬離子易與堿性物質化合生成難溶的氫氧化物或不溶性鹽類而形成沉淀，進而使植物難以吸收。試驗測定結果表明，當土壤pH值為5.3時，糙米中鎘含量為0.3 mg/kg，而當土壤pH值為8.0時，鎘含量僅為0.06 mg/kg。

3.2.2 土壤的氧化還原狀態(tài) 氧化還原反應是指無機物和有機物發(fā)生遷移轉化并對土壤生態(tài)系統(tǒng)產生重要影響的化學過程，其能力的大小可以用土壤的氧化還原電位的高低來衡量。土壤中主要的氧化劑有O2，NO3-和高價金屬離子，還原劑為有機質和低價金屬離子[14]。此外，植物根系和土壤微生物也是反應的重要參與者。

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化和存在狀態(tài)。例如氧氣充足時，即砷元素在旱地氧化條件下的砷化物多為5價；而在氧氣缺乏時，即還原條件下砷元素在水田中的砷化物則為3價（亞砷酸鹽），毒性比前者大得多。因為土壤處于還原狀態(tài)時，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 土壤腐殖質的吸附和螯合作用 土壤腐殖質具有膠體性質，能通過物理—化學遷移的形式大量吸附重金屬離子，使其通過配位作用和螯合作用實現轉化，從而穩(wěn)定地被留在土壤中[15-16]。如在腐殖質火山灰土壤中加入汞、鎘、鉻、鉛、銅等重金屬元素后，觀察其對水稻生長的影響，結果表明，鎘影響水稻的根系發(fā)育，使其活性降低，而鉛幾乎無影響。這是由于腐殖質與鉛結合而被固定，使其向水稻體內轉移大為減弱。而鎘的狀況則恰好相反。

3.2.4 重金屬形態(tài) 隨著對重金屬元素遷移和積累行為研究的深入，人們已經認識到重金屬的生物毒性不僅與其總量有關，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)過程存在顯著差異。常見的重金屬的生物有效性依次表現為鎘、鋅、銅、鉛。

通過各種手段對土壤中重金屬的形態(tài)進行研究發(fā)現，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，以殘渣態(tài)存在最多。研究結果表明，鎘主要以水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)和鐵-錳氧化物結合態(tài)為主；鉛主要以殘渣態(tài)為主；鋅主要以殘渣態(tài)和水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(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。

如空心菜中重金屬富集系數大小表現為鎘＞鋅＞銅＞鉛，空心菜地下部分4種重金屬富集系數遠遠高于地上部分。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鎘污染的土壤中進行水稻生長試驗，結果表明，對水稻生長的抑制程度與鎘鹽的溶解度有關。

重金屬對土壤環(huán)境的污染會影響土壤的生態(tài)平衡，進而降低農作物的質量和產量，必須引起高度重視。

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