浅析土壤环境中的重金属污染

王丽君

（运城农业职业技术学院，山西运城044000）

土壤是指陆地表面所具有的能不断供应和调节植物生长过程中所需要的水分、养分、空气和热量的物质，即能够生长植物的疏松表层，其厚度为2 m左右[1]。重金属一般指相对密度大于5 g/cm3的金属。填埋于地下的有毒有害废弃物中的重金属大部分经表层土壤和水的渗透传输使深层土壤受到污染，经常导致农作物受污染、减产等，每年造成的粮食损失分别达到1 200万和1 000 万 t[2]。

1 重金属在土壤环境中的分布

1.1 分布情况

土壤作为人类生存环境的重要组成部分，近年来持续受到含有重金属的工业生产和社会公共基础设施所排出来的废水、农业领域广泛施用的各种农药、化肥及大气降尘等的污染。其中，污水的农田灌溉、污泥的农业利用、畜禽废弃物和无机肥料的施用等导致土壤被重金属污染而造成肥力退化、作物产量和品质不断降低。汞、镉、铬、铅等重金属是土壤的重要污染源之一[3-4]。

人们通过各种手段对土壤中重金属的分布状况进行研究发现，在同一条件下，各种重金属的分布是不一致的。其中，镉集中在地表20 cm左右的耕作层内，尤其在10 cm内的土层中浓度最高。土壤环境中镉的容量最小，如果受到污染，表层土壤里镉的浓度则大增，直接污染农作物[5]。我国辽宁沈阳张士灌区因为长期引用工业废水进行灌溉，导致稻米中镉含量严重超标，人畜不能食用。日本受镉污染的农田占重金属污染面积的80%以上。汞因不易在土壤中稀释、扩散和迁移，往往会造成局部污染。曾检测出一种槐花蜂蜜含有汞，原因是槐花含有微量汞，追究起因是槐树生长地区的土壤被汞污染，这是由于该地区有生产树脂的化工厂需用汞盐作催化剂。

1.2 影响因素

影响重金属在土壤环境中分布的因素有2个。（1）外部环境。岩石的风化、火山爆发、风暴、人类的生产活动等都可使重金属不断从其他地方向土壤中转移。（2）内部环境。由土壤自身决定，如沙质或黏质、有机质的含量及土壤的酸碱性、氧化还原性等都会在很大程度上影响重金属的分布。重金属离子被土壤胶体吸附是其从液相转入土壤固相的最重要途径之一[6]。离子与黏土的缔合方式及土壤胶体特别是有机体的吸附都在很大程度上决定着土壤中重金属的分布以及富集状况[7]。

2 重金属在土壤环境中的污染

2.1 重金属的污染特点

重金属在土壤环境中的污染特点是毒性效应强，极低的浓度即显示较强的毒性，特别是汞、镉、铅、铬等具有显著的生物毒性[8]。它们难以被微生物降解，其所发生的系列变化仅限于化合价和化合物的种类，主要发生各种形态间的相互转化和分散、富集，基本性质没有实质性改变，因而能够长期停留和积累在土壤环境中，很难被彻底清除[9]。另外，土壤中的重金属还可被微生物在一定条件下转化成毒性更大的物质，如甲基汞即为无机汞经微生物的作用而生成的有机汞[10]。

2.2 重金属的污染传播

土壤中的重金属污染传播是在地下水的携带下，伴随着吸附、解吸、吸收、转化等过程。其中，与地下水动力特征和土壤特性有关的重金属的吸附和解吸联系较为紧密。主要有几个方面：（1）因与腐殖质和重金属离子特性有关的吸附沉淀作用而富集于土壤中。不同的土壤类型，具有不同类型的胶体，对重金属的吸附性不同。一般有机体即腐殖质胶体含量多的土壤吸附作用强，而无机胶体相对吸附较弱。（2）水中所含有的各种无机配位体（如 Cl-，SO42-，OH-等）和有机配位体会与其生成络合物或螯合物，导致重金属有更大的水溶解度而大量地进入土壤。如Pb2+，Cd2+，Zn2+，Hg2+在水解时羟基与金属的配位作用会大大提高重金属氢氧化物的溶解度。（3）重金属的价态不同，其活性与毒性不同，其形态又随外部条件而变化。

3 重金属在土壤环境中的迁移转化及影响因素

3.1 重金属的迁移与转化

污染物在环境中所发生的空间转移及其引起的富集、分散和消失的过程称为污染物的迁移；而污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变存在形态或转变为另一种物质的过程称为污染物的转化。迁移和转化常常是相伴进行的。土壤中2个最活跃的组分是微生物和土壤胶体，它们对污染物的迁移转化及生物降解有重要的作用[11]。

重金属污染物的迁移能力很大程度上由它们的化学形态和结合状态所决定。重金属向植物体内转移的过程与重金属的种类、价态、存在形式以及土壤和植物的种类、特性有关，这些都决定了各种重金属的生物有效性和对生态环境的危害程度不同。如离子态的镉可被植物吸收，经食物链对人体造成危害，非水溶性或难溶性的镉化合物不易迁移，也不易被植物所吸收[12-13]。

3.2 影响因素

重金属在土壤中的迁移转化规律与土壤结构及其理化性质相关。土壤的pH值、温度、湿度、离子交换能力、微生物种类和通气状况等是影响重金属转化的因素。重金属在土壤中处于不同的结合形态，而不同形态的重金属在土壤中的迁移能力是不同的。如汞在沙质或有机质少的土壤中较易迁移，在黏性或有机质多的情况下因较难迁移而累积。这是由于黏性矿物质和腐殖质等有机质和汞的亲和力较大。

3.2.1 土壤的pH值 由于土壤是一个复杂的体系，其中存在着各种化学和生物化学反应，因而表现出不同的酸碱性。

重金属往往是以酸、碱的离子和盐类形式存在。正常土壤pH值在5～8之间，若土壤自身的pH值偏小（约为4）呈现酸性时，重金属离子较易与水结合而呈现离子状态，并且酸性越强，离子的溶解度就越高，越容易被植物吸收或迁移；而土壤pH值偏大（约为7.76）呈现碱性时，多数重金属离子易与碱性物质化合生成难溶的氢氧化物或不溶性盐类而形成沉淀，进而使植物难以吸收。试验测定结果表明，当土壤pH值为5.3时，糙米中镉含量为0.3 mg/kg，而当土壤pH值为8.0时，镉含量仅为0.06 mg/kg。

3.2.2 土壤的氧化还原状态 氧化还原反应是指无机物和有机物发生迁移转化并对土壤生态系统产生重要影响的化学过程，其能力的大小可以用土壤的氧化还原电位的高低来衡量。土壤中主要的氧化剂有O2，NO3-和高价金属离子，还原剂为有机质和低价金属离子[14]。此外，植物根系和土壤微生物也是反应的重要参与者。

土壤自身所处的氧化还原条件控制着重金属污染物的存在状态。土壤中的氧气充足表示处于氧化状态，氧气缺乏则表示处于还原状态。土壤的氧化或还原条件决定着重金属的转化和存在状态。例如氧气充足时，即砷元素在旱地氧化条件下的砷化物多为5价；而在氧气缺乏时，即还原条件下砷元素在水田中的砷化物则为3价（亚砷酸盐），毒性比前者大得多。因为土壤处于还原状态时，重金属离子常与硫酸盐形成金属硫化物，因其难溶解于水而被固定于土壤中。

3.2.3 土壤腐殖质的吸附和螯合作用 土壤腐殖质具有胶体性质，能通过物理—化学迁移的形式大量吸附重金属离子，使其通过配位作用和螯合作用实现转化，从而稳定地被留在土壤中[15-16]。如在腐殖质火山灰土壤中加入汞、镉、铬、铅、铜等重金属元素后，观察其对水稻生长的影响，结果表明，镉影响水稻的根系发育，使其活性降低，而铅几乎无影响。这是由于腐殖质与铅结合而被固定，使其向水稻体内转移大为减弱。而镉的状况则恰好相反。

3.2.4 重金属形态 随着对重金属元素迁移和积累行为研究的深入，人们已经认识到重金属的生物毒性不仅与其总量有关，更大程度上是由其形态分布所决定。重金属的存在形态受其自身性质和含量、土壤的组分、土壤所处的环境条件共同决定[17]。不同的重金属形态的毒性、迁移及其在生态系统中的循环过程存在显著差异。常见的重金属的生物有效性依次表现为镉、锌、铜、铅。

通过各种手段对土壤中重金属的形态进行研究发现，在同一条件下，各种重金属在不同形态间的分布是不一致的，以残渣态存在最多。研究结果表明，镉主要以水溶态、可交换态、碳酸盐结合态和铁-锰氧化物结合态为主；铅主要以残渣态为主；锌主要以残渣态和水溶态、可交换态、碳酸盐结合态为主；铜在土壤中的形态分布与其在土壤中的含量有关。

如空心菜中重金属富集系数大小表现为镉＞锌＞铜＞铅，空心菜地下部分4种重金属富集系数远远高于地上部分。如将含有相同镉量的硫酸盐、磷酸盐2种盐和硫化物加入无镉污染的土壤中进行水稻生长试验，结果表明，对水稻生长的抑制程度与镉盐的溶解度有关。

重金属对土壤环境的污染会影响土壤的生态平衡，进而降低农作物的质量和产量，必须引起高度重视。

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