土壤重金屬元素Pb的地球化學(xué)行為的影響因素

馬全良　張紅濤

摘 要：諸多因素可能影響土壤中重金屬Pb元素的地球化學(xué)行為，人們要積極探索其影響規(guī)律，尋找綜合有效的治理土壤中Pb污染的手段。本文主要分析了土壤的pH值、有機(jī)物含量、黏粒物質(zhì)、土壤粒徑、氧化還原電位（Eh值）、磷酸鹽含量和Pb元素性質(zhì)等因素，總結(jié)了前人的相關(guān)研究成果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各個(gè)因素互相影響。這一機(jī)理目前是研究的薄弱環(huán)節(jié)，值得人們今后深入研究。

關(guān)鍵詞：土壤;重金屬;Pb;地球化學(xué)行為;影響因素

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）23-0130-03

Factors Affecting the Geochemical Behavior of Heavy

Metal Elements Pb in Farmland Soil

MA Quanliang ZHANG Hongtao

（School of Earth Science and Resources， Chang'an University，Xi'an Shaanxi 710054）

Abstract： Many factors may affect the geochemical behavior of heavy metal Pb in soil. People should actively explore its influence law and find comprehensive and effective means to control Pb pollution in soil. This paper mainly analyzed the soil pH value， organic matter content， clay material， soil particle size， oxidation reduction potential （Eh value）， phosphate content and Pb element properties， and summarized the relevant research results. It was found that various factors influenced each other. This mechanism is currently a weak link in research and deserves further study in the future.

Keywords： soil;heavy metal;Pb;geochemical behavior;influence factors

隨著中國(guó)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，采礦、化工等產(chǎn)業(yè)的廢棄物、養(yǎng)殖業(yè)排放物、化肥和農(nóng)藥等對(duì)環(huán)境的破壞越來(lái)越大。土壤重金屬污染問(wèn)題與人類生活息息相關(guān)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)受重金屬污染的耕地面積約2.0×107 hm2，占耕地總面積的五分之一[1]。土壤重金屬污染引起的食品安全問(wèn)題越來(lái)越多[2，3]。

工農(nóng)業(yè)排放的廢棄物和生活污水中的重金屬通過(guò)排水系統(tǒng)進(jìn)入農(nóng)田，這對(duì)農(nóng)田土壤造成很大的破壞，會(huì)打破土壤中的微生物平衡，影響酶的活性。植物吸收過(guò)多的重金屬后，生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)受到一定影響。人們食用生長(zhǎng)在重金屬污染土壤中的植物后，重金屬會(huì)富集在體內(nèi)，對(duì)身心健康有極大的危害。因此，研究農(nóng)田土壤重金屬元素的地球化學(xué)行為及其治理方法不僅有很大的科學(xué)意義，還關(guān)系到每個(gè)人的健康。

根據(jù)Pb在土壤中的化學(xué)形態(tài)，一般情況下，其含量大小順序?yàn)椋核軕B(tài)>腐殖酸結(jié)合態(tài)>鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)>殘?jiān)鼞B(tài)>強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)>離子交換態(tài)。這說(shuō)明Pb對(duì)環(huán)境和食品安全的威脅很大。本文重點(diǎn)研究了土壤中相對(duì)活潑的重金屬元素Pb。

除了Pb元素的性質(zhì)外，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外主要研究土壤pH值、黏粒物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)重金屬元素Pb的地球化學(xué)行為影響[4]。另外，農(nóng)田土壤的粒徑對(duì)重金屬Pb的地球化學(xué)行為也有較大的影響。

1 土壤pH值對(duì)重金屬元素Pb的地球化學(xué)行為影響

王崇臣、王鵬配制了不同pH值的土壤溶液，其在設(shè)定的溫度下靜置，該研究采用原子吸收分光光度法測(cè)定上清液中Pb的含量，酸性和強(qiáng)堿性環(huán)境有利于鉛的溶出[5]。

有研究對(duì)河北省農(nóng)田土壤和玉米籽實(shí)進(jìn)行采樣，采用相關(guān)分析法、回歸分析法等多元統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析[4]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH保持在6～9時(shí)，Pb元素的離子交換態(tài)與全量的比值隨pH值增加而下降，呈負(fù)相關(guān)，而Pb水溶態(tài)與全量的比值與pH呈正相關(guān)，當(dāng)pH值升高時(shí)，水溶態(tài)比例上升，當(dāng)pH值為8.5時(shí)，Pb的離子交換態(tài)占全量的比例基本穩(wěn)定在1.0%，Pb的水溶態(tài)占全量的比例基本穩(wěn)定在0.15%，在這個(gè)pH值范圍內(nèi)，鉛元素不易被玉米吸收。

通過(guò)研究湖南洞庭湖地區(qū)水稻土壤中的Pb元素化學(xué)行為，人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤呈弱酸性或弱堿性時(shí)，Pb在土壤中主要呈殘?jiān)鼞B(tài)和鐵錳氧化態(tài)等穩(wěn)定形態(tài)，離子交換態(tài)含量基本在2%以下，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)危害性很小。當(dāng)土壤開始酸化時(shí)，即pH值<7時(shí)，離子交換態(tài)Pb值占總量的比例直線上升;當(dāng)土壤呈堿性時(shí)，Pb離子交換態(tài)占總量的比例也呈上升趨勢(shì)，原因是專性吸附的Pb開始解吸[6]。

張磊等人認(rèn)為，pH值對(duì)土壤重金屬吸附量的影響可能與表面電荷的數(shù)量、性質(zhì)、被吸附離子本性有關(guān)，在低pH下，Pb離子與其他陽(yáng)離子發(fā)生強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)，在中等pH時(shí)，陽(yáng)粒子半徑影響吸附和離子交換，而高pH則會(huì)促使Pb離子發(fā)生沉淀作用。另外，重金屬Pb離子的吸附總是伴隨H+的釋放，pH的升高有利于土壤對(duì)金屬離子的吸附[7]。

以上結(jié)論可有效指導(dǎo)人們調(diào)節(jié)土壤pH值，以降低植物對(duì)重金屬Pb的吸收效果。

2 土壤中有機(jī)物含量對(duì)重金屬Pb的地球化學(xué)行為影響

土壤有機(jī)質(zhì)包括生物分子和腐殖質(zhì)。有國(guó)外學(xué)者認(rèn)為，土壤中的有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬有一定的鈍化作用。

Pb2+與腐殖酸的競(jìng)爭(zhēng)吸附試驗(yàn)表明，腐殖酸與Pb離子存在競(jìng)爭(zhēng)吸附現(xiàn)象，由于腐殖酸與Pb離子形成絡(luò)合物，腐殖酸在太原、大同、臨汾三地土壤中對(duì)Pb離子的吸附均表現(xiàn)出抑制作用。這種抑制作用隨腐殖酸濃度的增加而增大，其作用機(jī)制是溶液中的有機(jī)酸與Pb離子易形成可溶性的絡(luò)合物，減少了土壤對(duì)Pb離子的吸附量[8]。

余濤等研究了洞庭湖地區(qū)水稻土壤中Pb與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加，可明顯地降低Pb的離子態(tài)和可交換態(tài)含量，而以離子可交換態(tài)存在的Pb元素極易遷移進(jìn)入農(nóng)作物中[6]。原因可能是有機(jī)物與重金屬元素Pb會(huì)發(fā)生離子交換、絡(luò)合、螯合和吸附作用。蔡奎等以河北玉米地土壤為研究對(duì)象，分析有機(jī)物含量和Pb的離子交換態(tài)、水溶態(tài)的關(guān)系，得到了相同的結(jié)論[4]。

蔣煜峰等選用白銀市污灌土壤為試驗(yàn)樣品，在土樣中分別加入可溶性有機(jī)物腐殖酸，研究了腐殖酸對(duì)污灌土壤中Pb不同形態(tài)的影響[9]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在污灌土壤中添加腐殖酸，可以改變土壤對(duì)Pb離子各形態(tài)的吸持能力，使具有直接毒性的重金屬可溶態(tài)急劇減少。

3 黏粒對(duì)土壤中Pb元素地球化學(xué)行為的影響

黏粒物質(zhì)一般通過(guò)其吸附性將重金屬元素吸附在礦物上，抑制其成為水溶態(tài)或離子交換態(tài)，從而減少植物對(duì)重金屬的吸收。如今，黏土礦物已成為土壤重金屬鈍化修復(fù)的重要物質(zhì)。

有研究分析了土壤中常見的三種黏土礦物對(duì)Pb離子的吸附作用及其主要影響因素，結(jié)果表明，三種黏土礦物對(duì)Pb離子的吸附能力順序?yàn)椋好擅撌?gt;伊利石>高嶺石。蒙脫石對(duì)Pb離子的吸附受pH的強(qiáng)烈影響，pH高有利于對(duì)Pb的吸附。與蒙脫石形成復(fù)合體形式的有機(jī)化合物的存在不利于蒙脫石對(duì)Pb離子的吸附[10]。

孫治軍、馬麗等研究了山東果林不同土壤對(duì)重金屬元素Pb的吸附性，砂姜黑土和潮土對(duì)Pb金屬元素的吸附顯著大于棕壤和褐土，主要影響因素是土壤的黏粒含量和黏土礦物類型[11]。但是，該研究并沒有具體分析各種黏土礦物對(duì)Pb的吸附貢獻(xiàn)率。

有人利用電位滴定試驗(yàn)和批量吸附試驗(yàn)，研究不同pH值及離子強(qiáng)度條件下江西紅壤、南京黃棕壤及東北黑土硅酸鹽黏土礦物對(duì)Pb離子的吸附行為[12]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吸附存在兩種主要機(jī)理：低pH條件下，在黏土礦物表面，永久性負(fù)電荷上的非專性外層吸附占主導(dǎo)，因此受離子強(qiáng)度的影響較大;而高pH條件下，黏土礦物邊緣上的專性內(nèi)層吸附占主導(dǎo)，主要受到pH的影響，幾乎不受離子強(qiáng)度的影響。

在Batch試驗(yàn)中，張林林詳細(xì)地研究了黏土（高嶺土含量高）、膨潤(rùn)土（蒙脫石含量高）對(duì)重金屬鉛的吸附特性[13]。黏土中，當(dāng)土水比增加時(shí)，盡管吸附量相應(yīng)降低，但是去除率明顯增加;隨著初始濃度的增加，吸附量逐漸增加，去除率卻不斷降低;吸附量和去除率均隨溫度的升高而降低。

4 土壤粒徑對(duì)重金屬Pb地球化學(xué)行為的影響

吳婷、李小平等通過(guò)濕法提取鉛污染土壤中的細(xì)砂粒、粉粒、粗黏粒和細(xì)黏粒組分，利用激光粒度分析儀、透射電鏡（TEM）、X射線衍射儀（XRD）、傅里葉紅外光譜（FTIR）和重金屬形態(tài)連續(xù)提取的BCR方法，研究不同粒徑細(xì)砂粒、粉粒、粗黏粒和細(xì)黏粒組分的重金屬Pb含量分布[14]。結(jié)果表明，鉛污染土壤中細(xì)砂粒、粉粒、粗黏粒和細(xì)黏粒組分隨著顆粒物粒徑的減少，重金屬Pb的可氧化態(tài)含量顯著升高。

5 Eh值對(duì)土壤重金屬Pb地球化學(xué)行為的影響

孫延深、曾祥峰等通過(guò)土柱淹水、添加玉米秸稈進(jìn)行培養(yǎng)和后期通水淋洗，研究了強(qiáng)還原法對(duì)土壤重金屬Pb形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響[15]。結(jié)果表明，強(qiáng)還原處理使土壤pH顯著降低，玉米秸稈處理變化更顯著，玉米秸稈處理可以促進(jìn)土壤中Pb活化，膠體結(jié)合態(tài)Pb含量較對(duì)照組顯著增加。強(qiáng)還原可以引起土壤重金屬活化，增加蔬菜積累重金屬的風(fēng)險(xiǎn)，而且其隨土壤水分的運(yùn)移可能導(dǎo)致水體污染。

6 結(jié)論

本文綜述了前人對(duì)土壤重金屬Pb元素的地球化學(xué)行為影響因素研究，這些結(jié)論可以為土壤重金屬修復(fù)提供有效的指導(dǎo)。在土壤中，輕鉛的活性比重鉛強(qiáng)，人們可以使用同位素研究植物的生理過(guò)程;弱堿性的土壤環(huán)境有利于土壤吸附重金屬Pb元素，降低土壤中水溶態(tài)和離子交換態(tài)的Pb元素濃度，減少植物對(duì)Pb的吸收;土壤中的有機(jī)物可與Pb元素進(jìn)行離子交換、絡(luò)合、螯合和吸附，減少土壤的活性Pb元素含量。

土壤中的黏粒（黏土礦物）可對(duì)其中的Pb元素進(jìn)行吸附，其吸附能力與土壤中的pH值有關(guān)。低pH值情況下，離子強(qiáng)度為土壤吸附能力的主要影響因素;高pH值情況下，pH值為土壤吸附能力的主要影響因素。強(qiáng)還原可能引起土壤重金屬活化，提高植物積累重金屬的風(fēng)險(xiǎn)，而且其隨土壤水分的運(yùn)移可能導(dǎo)致水體污染。

總體來(lái)說(shuō)，前人對(duì)影響土壤中重金屬元素Pb地球化學(xué)行為的因素研究得比較透徹，但是多種因素的組合影響機(jī)理和各個(gè)因素的互相影響還有待深入研究。另外，重金屬污染土壤治理目前還欠缺經(jīng)濟(jì)的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋朝陽(yáng)，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2001（7）：1196-1203.

[2]劉鳳枝，師榮光，徐亞平，等.耕地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)技術(shù)研究：以土壤中鉛和鎘污染為例[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006（2）：422-426.

[3]黃勇，郭慶榮，任海，等.珠江三角洲典型地區(qū)蔬菜重金屬污染現(xiàn)狀研究：以中山市和東莞市為例[J].生態(tài)環(huán)境，2005（4）：559-561.

[4]蔡奎，段亞敏，欒文樓，等.河北平原農(nóng)田土壤重金屬元素Pb、Hg地球化學(xué)行為的影響因素[J].中國(guó)地質(zhì)，2016（4）：1420-1428.

[5]王崇臣，王鵬，黃忠臣.盆栽玉米和大豆對(duì)鉛、鎘的富集作用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008（24）：10383.

[6]余濤，楊忠芳，鐘堅(jiān)，等.土壤中重金屬元素Pb、Cd地球化學(xué)行為影響因素研究[J].地學(xué)前緣，2008（5）：67-73.

[7]張磊，宋鳳斌.土壤吸附重金屬的影響因素研究現(xiàn)狀及展望[J].土壤通報(bào)，2005（4）：628-631.

[8]李艷艷，王亞平，周繼華，等.土壤中Pb離子地球化學(xué)行為模擬實(shí)驗(yàn)：以山西的典型土壤為例[J].地質(zhì)通報(bào)，2008（2）：230-239.

[9]蔣煜峰，袁建梅，盧子揚(yáng)，等.腐殖酸對(duì)污灌土壤中Cu、Cd、Pb、Zn形態(tài)影響的研究[J]西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（6）：42-46.

[10]郭坤梅，馬毅杰.幾種黏土礦物對(duì)Pb2+的吸附作用及其主要影響因素的探討[J].地質(zhì)地球化學(xué)，1997（4）：109-113.

[11]孫治軍，馬麗，張民，等.山東主要果園土壤的黏土礦物組成及其吸附特性[J].水土保持學(xué)報(bào)，2007（3）：57-60.

[12]孫劍.重金屬（Pb、Cd）在我國(guó)三種典型土壤及其黏土礦物表面吸附行為及模型研究[D].南京：南京大學(xué)，2010.

[13]張林林.黏土礦物對(duì)重金屬Pb（Ⅱ）吸附特性研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[14]吳婷，李小平，蔡月，等.鉛污染不同粒徑土壤的重金屬地球化學(xué)行為與風(fēng)險(xiǎn)[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2017（11）：4212-4221.

[15]孫延琛，曾祥峰，楊立瓊，等.強(qiáng)還原過(guò)程對(duì)設(shè)施菜地土壤重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2017（11）：3759-3766.