土壤中重金屬污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究

張明山 許 真 張 雄

（四川省天晟源環(huán)保股份有限公司 四川成都 610036）

引言

重金屬是指密度在4.5 克/立方厘米的金屬元素，在自然界天然存在的重金屬元素有54 種。在環(huán)境科學(xué)中，因?yàn)檫@些重金屬元素在土壤中所造成的毒性差異很大，因此一般重點(diǎn)關(guān)注鎘、鉻、銅、鉛、汞、鎳、鋅、鉬、鈷等。還有一種元素砷，因?yàn)樗闹饕瘜W(xué)性質(zhì)以及環(huán)境行為與重金屬有眾多相似之處，因此，通常也將其納入重金屬范疇進(jìn)行分析討論。另外，土壤中的鐵和錳含量較高，雖然其為主要重金屬元素，但一般不太關(guān)注它們的污染問(wèn)題[1]。自20 世紀(jì)70 年代起，重金屬污染物就被許多國(guó)家列為環(huán)境優(yōu)先污染物之一。重金屬無(wú)法被微生物分解，而且不易被水淋溶，通過(guò)土壤的吸附作用進(jìn)入到土壤當(dāng)中，被微生物和植物吸收沉積。通過(guò)生物鏈的或者其他的轉(zhuǎn)化方式，不僅會(huì)變得毒性更強(qiáng)，對(duì)于整個(gè)生態(tài)環(huán)境的損害都非常大，因此土壤中重金屬污染已經(jīng)成為目前影響面積最廣、對(duì)環(huán)境危害最大的問(wèn)題之一。

1 土壤中重金屬污染物的來(lái)源

土壤中重金屬污染物來(lái)源是多途徑的，但其主要來(lái)源為人類活動(dòng)，主要包括：工業(yè)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)及交通運(yùn)輸?shù)取?/p>

1.1 工業(yè)活動(dòng)中土壤重金屬污染物來(lái)源

工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中所產(chǎn)生的重金屬污染物對(duì)土壤的輸入方式大致分為三種。一種輸入方式為隨著大氣沉降活動(dòng)進(jìn)入土壤的大量金屬污染物，很多工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)當(dāng)中都會(huì)產(chǎn)生氣體和粉塵，比如冶金、建筑材料生產(chǎn)、能源開采等，超標(biāo)的廢氣排放和揚(yáng)塵當(dāng)中含有的大量金屬元素，其中就有很多能造成重金屬污染的元素，除汞以外，他們大多以氣溶膠的形態(tài)進(jìn)入到大氣中，這些大氣中包含的重金屬污染物會(huì)隨著的自然的沉降活動(dòng)再次進(jìn)入到土壤當(dāng)中，導(dǎo)致土壤被重金屬物質(zhì)再次污染；另一種輸入方式為隨著污水進(jìn)入土壤。重金屬污染物通過(guò)大量的廢水排放進(jìn)行遷移，最終進(jìn)入到土壤當(dāng)中。廢水排放有生活污水、化工污水、礦山污水等，雖然生活污水中含有的重金屬元素較少，但是由于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，之前對(duì)于污水處理不夠重視，導(dǎo)致工業(yè)廢水和生活污水一起排放，這些工業(yè)廢水中含有汞、鉻、鎘、鉛等眾多的重金屬元素，最終隨著污水的排放，對(duì)周圍區(qū)域的土地造成了直接的重金屬污染[2]；最后一種為輸入方式為固體廢棄物對(duì)土壤的重金屬污染，固體廢棄污染物種類繁雜，最嚴(yán)重的污染來(lái)自于礦產(chǎn)和工業(yè)，這些固體廢棄物大多都是露天堆放，同時(shí)也并不能進(jìn)行快速及時(shí)的處理，長(zhǎng)時(shí)間的在一片土地上堆積，在被日曬和雨淋過(guò)程中，固體廢棄物重的重金屬物質(zhì)隨著雨水遷移，會(huì)逐漸污染周圍的土壤以及水源。

1.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中土壤重金屬污染物來(lái)源

農(nóng)業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)生重金屬污染物最多的是農(nóng)藥、化肥和塑料薄膜。雖然這些措施對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著非常重要的促進(jìn)生產(chǎn)的作用，但對(duì)土壤的污染同樣不可忽略。農(nóng)藥中含有砷、鎘、汞、鉛等重金屬元素，大量施用含有重金屬的農(nóng)藥，都會(huì)導(dǎo)致土壤中重金屬含量累積，最終造成重金屬的污染。而在化肥中，過(guò)硫酸鹽含有的重金屬最多，磷肥次之，氮肥和鉀肥含量較低，但是氮肥中的鉛含量相較于其他幾種肥料又略高[3]。農(nóng)用塑料薄膜生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)使用熱穩(wěn)定劑，而熱穩(wěn)定劑含有鎘、鉛等重金屬元素，在塑料大棚和地膜大量使用過(guò)程中都可以造成土壤重金屬的污染。

1.3 交通運(yùn)輸活動(dòng)中土壤重金屬污染物來(lái)源

交通運(yùn)輸分為海陸空三類，這些運(yùn)輸過(guò)程都會(huì)不約而同的對(duì)環(huán)境造成重金屬污染，比如各種運(yùn)輸工具的尾氣的排放，對(duì)土壤和大氣造成嚴(yán)重的污染，大氣中的各種重金屬化學(xué)污染物通過(guò)空氣的沉降和雨水活動(dòng)遷移，最終對(duì)于土地造成再次的污染[4]。海運(yùn)的燃油泄漏事故時(shí)有發(fā)生，石油也會(huì)對(duì)水資源造成污染，通過(guò)依靠大海生存的海洋生物和候鳥等帶來(lái)重金屬的聚集，最終通過(guò)食物鏈和動(dòng)物遷徙等活動(dòng)給土壤造成重金屬污染物的額外輸入。汽車制造添加的Zn、Cu 在運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的零件磨損也會(huì)對(duì)土地造成重金屬污染。有相關(guān)的研究資料表明，交通運(yùn)輸干線附近的土壤當(dāng)中重金屬含量明顯高于非干線附近含量，說(shuō)明交通運(yùn)輸活動(dòng)已經(jīng)周圍的土壤產(chǎn)生了一定的重金屬污染。

2 土壤中重金屬污染物的遷移及形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律

土壤中的重金屬遷移過(guò)程具有多變性，不僅可以從水平方面向平面遷移，還可以從豎直方向向上下實(shí)施遷移[5]。重金屬會(huì)在受到外界的影響時(shí)產(chǎn)生形態(tài)上的改變，比如在受到外界的物理、生物還有化學(xué)方面的影響時(shí)，改變了形態(tài)，隨著這些各個(gè)方面的運(yùn)動(dòng)更容易從人類和自然界的土壤中向其他介質(zhì)運(yùn)動(dòng)和遷移。而且由于重金屬污染物在從自身的土壤向其他介質(zhì)進(jìn)行實(shí)施形態(tài)遷移的同時(shí)，會(huì)被自身土壤中所攜帶的溶液所影響，使這些重金屬污染物在土壤中發(fā)生了形態(tài)上的轉(zhuǎn)化。土壤中的重金屬污染物主要就是通過(guò)物理、化學(xué)和微生物等一個(gè)或者幾個(gè)相互作用的情況下進(jìn)行形態(tài)上的遷移轉(zhuǎn)化。

土壤中重金屬污染物的物理遷移：土壤中重金屬元素在受到土壤自身溶液的作用下，會(huì)在土壤中發(fā)生水平方向或者垂直方向上的遷移運(yùn)動(dòng)。重金屬污染物的水平遷移會(huì)讓重金屬元素向周圍不斷的擴(kuò)散，土壤被污染的面積越來(lái)越大[6]。豎直遷移運(yùn)動(dòng)有向上和向下兩個(gè)方向，向上是由于風(fēng)力或者人為活動(dòng)，土壤的表層被帶起浮向空氣當(dāng)中，被重金屬污染的大氣進(jìn)行活動(dòng)的過(guò)程中帶向周圍，被周圍的土壤膠質(zhì)再次吸附，造成周圍環(huán)境被重金屬污染。向下遷移會(huì)深入到地下的深層土壤和地下水流當(dāng)中，對(duì)更深的土壤造成重金屬的污染。

土壤中重金屬污染物的化學(xué)遷移：土壤中的重金屬以不同的形式存在，其形態(tài)大體上可分為在液相物質(zhì)中的形態(tài)和在固相物質(zhì)中的形態(tài)。在重金屬中難溶電解質(zhì)的作用下，會(huì)使土壤固相和液相之間形成多相平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。但是，如果土壤溶液中的pH 值等發(fā)生變化，則會(huì)打破重金屬在土壤中的這種平衡，這時(shí)土壤當(dāng)中的重金屬元素就會(huì)實(shí)施遷移以及形態(tài)的轉(zhuǎn)化[7]。土壤中的有機(jī)物質(zhì)和土壤膠體也會(huì)對(duì)重金屬污染物的遷移產(chǎn)生影響，電解質(zhì)的這種平衡狀態(tài)被破壞，重金屬污染物的遷移過(guò)程也會(huì)被破壞，它的存在形態(tài)也會(huì)產(chǎn)生變化。

土壤中重金屬污染物的生物遷移：土壤屬于一個(gè)生態(tài)環(huán)境，土壤和周圍的動(dòng)植物以及大量的微生物組成了完整的一個(gè)體系[8]。而土壤中重金屬污染物的生物遷移指的就是在這個(gè)體系中的生物影響下，土壤中的重金屬污染物進(jìn)行遷移，實(shí)現(xiàn)形態(tài)的轉(zhuǎn)化。生物可以吸收各自特定的重金屬元素，將重金屬污染物有效的吸收并且改變它們的化學(xué)形態(tài)，在這個(gè)過(guò)程中，土壤中的重金屬污染物進(jìn)行了遷移并且還發(fā)生了形態(tài)的轉(zhuǎn)變。因?yàn)橥寥浪鶎儆诘纳矬w系是很龐大的，這些生物給土壤中重金屬污染物所帶來(lái)的遷移也是極為復(fù)雜的。土壤中的重金屬污染是可以被生物的固化作用起到一定減少的[9]。

土壤中的重金屬元素以不同的形態(tài)存在，而這些不同的形態(tài)特征變化則又決定其在土壤中毒性的高低變化。土壤中重金屬元素的形態(tài)特征差異不僅會(huì)產(chǎn)生眾多不同的環(huán)境效應(yīng)，同時(shí)也會(huì)影響著其在土壤中的遷移能力變化以及其在土壤中和其他環(huán)境發(fā)生直接交換的能力[8]。土壤中重金屬元素的活躍程度一方面取決于其在土壤中的總含量，更重要的一方面則是其形態(tài)特征分布所起到的作用。只有在有效態(tài)的存在狀態(tài)下，重金屬元素才能與周圍土壤以及土壤與生物間發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化。而重金屬元素在污染土壤與植物根系土壤間形態(tài)的變化，也是其影響重金屬元素在土壤植物間遷移轉(zhuǎn)化的重要因素。

3 影響土壤中重金屬元素遷移的因素

影響土壤中重金屬污染物遷移的主要因素包括pH、有機(jī)質(zhì)、氧化還原作用、絡(luò)合-螯合作用、膠體的吸附、陽(yáng)離子交換等。

在所有影響重金屬元素遷移的因素中，pH 值的影響作用最大的。因?yàn)橹亟饘僭貢?huì)以怎樣的形態(tài)存在，很大一部分是由土壤的pH 值決定的[10]。不僅如此，土壤的pH 值還能調(diào)整重金屬元素在土壤當(dāng)中的溶解程度。有研究表明，當(dāng)土壤的pH 值降低到一定程度時(shí)，土壤對(duì)重金屬元素的吸附性變強(qiáng)，與此同時(shí)，生物對(duì)于重金屬元素的作用也變得活躍。所以當(dāng)土壤的pH 值降低時(shí)，重金屬元素污染土壤的過(guò)程會(huì)加快。當(dāng)土壤的pH 值上升時(shí)，土壤的吸附能力變?nèi)?，同時(shí)生物的活躍性降低，土壤中的重金屬污染物的擴(kuò)散過(guò)程會(huì)有效的減慢。

土壤有機(jī)質(zhì)：土壤中含有的機(jī)質(zhì)同樣對(duì)重金屬的遷移有一定的影響。有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬元素的遷移主要有兩方面的影響：一方面，有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬元素吸附能力大于土壤中其他膠體吸附能力，土壤中所含有的重金屬元素容易被有機(jī)官能團(tuán)以及小分子化合物所吸附，從而形成穩(wěn)定化合物；另一方面，有機(jī)質(zhì)在徹底分解后又會(huì)使土壤中的重金屬元素解脫出來(lái)，從而使重金屬元素的活性增大。

氧化-還原作用：土壤中的有機(jī)物質(zhì)在遇到氧化還原反應(yīng)時(shí)，有機(jī)物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化的活動(dòng)受到直接影響，重金屬元素在氧化、還原過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生解吸和吸附的反應(yīng)，重金屬元素在土壤中的形態(tài)就會(huì)改變。同時(shí)，土壤內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)本身就是各種元素之間的電子得失活動(dòng)，而重金屬的本質(zhì)也屬于元素，因此，氧化還原反應(yīng)會(huì)使重金屬的遷移轉(zhuǎn)化更加容易[11]。

絡(luò)合-螯合作用：重金屬元素通過(guò)絡(luò)合作用提高了在土壤溶液當(dāng)中的溶解度，土壤膠體的吸附能力就會(huì)下降。土壤當(dāng)中的腐殖物質(zhì)螯合能力非常強(qiáng)，重金屬和有機(jī)物質(zhì)作用后會(huì)形成螯合物，它在土壤溶液中的溶解難易程度也會(huì)決定在土壤中重金屬遷移所受到的影響。一般來(lái)說(shuō)，金屬在土壤中的螯合作用和吸附作用是同時(shí)進(jìn)行的，但是會(huì)受到壤溶液中重金屬離子濃度的影響，濃度高時(shí)，土壤對(duì)金屬元素主要是吸附。而離子濃度較低時(shí)，土壤中的金屬元素進(jìn)行絡(luò)合螯合作用。

土壤膠體的吸附作用：土壤膠體是土壤中呈膠體狀態(tài)的物質(zhì)。分類上可分為有機(jī)膠體、無(wú)機(jī)膠體和有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體三類。有機(jī)膠體主要是腐殖質(zhì)，無(wú)機(jī)膠體是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物。由于土壤中的膠體能夠直接吸附到土壤中的各種重金屬元素,重金屬物質(zhì)能夠通過(guò)這些介質(zhì)直接在土壤中進(jìn)行遷移或者轉(zhuǎn)化,土壤膠體吸附了重金屬并固定，可以降低重金屬通過(guò)生物遷移轉(zhuǎn)化的活動(dòng)，因此，可以減少土壤中重金屬污染物的遷移轉(zhuǎn)化活動(dòng)。

土壤陽(yáng)離子交換量：重金屬元素在土壤中的吸附過(guò)程也同時(shí)伴隨著電荷的得失及離子價(jià)態(tài)的變化。在土壤陽(yáng)離子交換過(guò)程中，重金屬元素與土壤膠體原吸附離子發(fā)生等價(jià)交換，從而使重金屬固化，而當(dāng)土壤溶液中大量存在陽(yáng)離子時(shí)，又會(huì)使吸附態(tài)的重金屬元素活化，影響重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)換[12]。

結(jié)語(yǔ)

我國(guó)土壤中重金屬污染的形式嚴(yán)峻，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)和人民的健康生活造成了較大的影響且防治困難。通過(guò)對(duì)土壤中的重金屬污染物的來(lái)源、遷移及形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究，可以得到土壤中重金屬污染物的遷移機(jī)制。但是，目前依然沒(méi)有非常有效的方法進(jìn)行防治土壤中的重金屬污染，重金屬污染已經(jīng)成為威脅我們生存環(huán)境的一個(gè)重要因素之一，因此必須要提高全民的關(guān)注度，提高人民保護(hù)土壤的自覺(jué)意識(shí)，減少人為活動(dòng)對(duì)土地的污染，達(dá)到提前防治的效果。