土壤中重金属元素运移规律研究进展

韩张雄，刘美美，王曦婕，刘 隆，邢 云

(1. 陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710054； 2. 国土资源部 西安矿产资源监督检测中心，陕西 西安 710054；3. 西北农林科技大学 资源与环境学院，陕西 杨凌 712100)

综合评述

土壤中重金属元素运移规律研究进展

韩张雄1,2,3，刘美美1,2，王曦婕1,2，刘 隆1,2，邢 云1,2

(1. 陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710054； 2. 国土资源部 西安矿产资源监督检测中心，陕西 西安 710054；3. 西北农林科技大学 资源与环境学院，陕西 杨凌 712100)

在全球气候变化及空气污染严重加剧的前提下，酸雨会加速土壤中的重金属离子以溶解态的形式存在于土壤溶液中，从而使土壤肥力下降，造成土壤环境的污染。因此，土壤中的重金属元素的运移成为其污染土壤的主要原因之一，对土壤中重金属的运移特征及其影响因子进行了综述，得出重金属在土壤中的运移特征除了与重金属污染物本身的活性有关外，更取决于它所进入的土壤的性质。

重金属污染物；迁移转化；影响因子

土壤作为一种典型的多孔介质，其中所发生的溶质运移相对比较复杂，一直是被研究人员所关注。土壤中的溶质运移以金属离子的迁移为主，前人的研究大多集中于土壤中的盐分及养分的运移过程对土壤的影响[1,-2]。伴随着现代化工矿生产及农药化肥的大量施用，重金属污染物以不同的途径进入土壤，并且长期残留在土壤中，造成土壤重金属污染，因此，土壤中重金属污染的研究逐渐引起了人们的关注[3]。重金属在土壤中的运移及其对地下水和农作物系统的危害使得土壤中的溶质运移理论在重金属污染的研究中成为一个热点[4]。土壤中重金属元素的行为过程、运移特征及其治理修复问题已引起全社会的关注，并已成为土壤、环境等科学领域研究的前沿和热点[5-8]。

所谓土壤中的重金属污染是指人类在生产过程中，将重金属元素带入土壤，使得土壤中某种重金属元素显著高于其本底含量，并且对周围生态环境造成严重影响，使生态环境恶化的一种现象[5,9]。现阶段，人类的工矿业生产和农药化肥的施用是土壤中的重金属污染物的主要来源。研究显示，重金属污染物对土壤的危害主要表现为：（1）重金属的降解周期很长，很难在较短的时期内降解。重金属在土壤中被土壤中有机或者无机配体结合形成络合物，从而使其移动性降低。而某些重金属可在微生物作用下转化成毒性更大的金属有机化合物[10,11]。（2）进入土壤的重金属污染物会对土壤微生物和动植物造成影响。大多数重金属污染物在土壤中的存在形式都能抑制微生物的繁殖和代谢能力，研究认为重金属污染物对的微生物所能造成毒害顺序为：Hg＞Cd＞Cr＞Pb＞Co＞Cu[12]；当进入土壤中的重金属元素含量超过土壤中植物的需要量和可耐受的程度，就会影响植物的生长[13,14]；另一方面，当土壤中重金属含量超过一定浓度，土壤中的动物也会受到影响[15]。（3）土壤重金属含量过高时会对周围环境造成污染。土壤中的重金属在淋溶条件下可进入地表水和地下水中，加重水体污染，影响水生生物；同时土壤中的重金属经过化学或微生物的作用扩散至大气中，对大气环境造成污染。（4）土壤重金属含量超标时，会对人、畜产生危害。其通过农作物造成二次污染，最终进入人体内，对人体健康造成危害[5,16]。

因此，传统上把土壤中的重金属看作是固定的和不可动的是不合理的，当土壤中的重金属元素大量富集，随着环境因素的变化，土壤中吸附的重金属将会大量释放到土壤水中，并随土壤水运移，造成地下水的污染，从而威胁到人类的生存，因此对重金属在土壤中的运移的研究迫在眉睫。

1　土壤中重金属污染物运移特征

1.1重金属污染物在土壤中运移的过程

土壤中重金属污染物主要来源于生活垃圾、矿物废弃物、交通运输及工矿企业的重金属污染物，它们经日晒、雨淋等作用而污染土壤[17]。土壤中的重金属一般不具有挥发性，其运移过程只受淋溶作用或生物分解或吸收作用的影响。土壤中重金属污染物经淋溶作用后可随土壤溶液横向或纵向运移，随着地表径流进入河流或者随着渗滤液向下渗透到更深的土壤层中甚至到达地下水中，从而造成土壤的更深层次及为严重的污染。滞留于土壤中的重金属污染物，一部分通过微生物分解作用，而失去原有性质，另一部分则通过微生物和植物的吸收进入食物链，从而进入动物体或人类体内，对动物和人体的健康造成危害。

1.2重金属污染物在土壤中的运移机制

重金属污染物在土壤中很难降解，也不易被微生物分解，其污染具有持久性。土壤中重金属的运移过程主要是受到对流、扩散、弥散和吸附作用的影响。重金属污染物进入土壤迁移过程中，最初的迁移主要受到土壤溶液对流作用的影响，随着时间的推移，土壤溶液开始发生变化，这时对流作用减弱，扩散和弥散的作用增强。随着时间的延长，重金属元素在土壤溶液中逐渐趋于均匀。另外，土壤和土壤中溶液的吸附作用，以及植物对土壤溶液中重金属元素的吸收作用也是引起重金属元素在土壤中运移的原因。

近年来，土水介质中污染物的运移问题越来越引起人们的关注。重金属与同其它污染物在土壤中的运移一样，均属于土壤的溶质运移。土壤溶质运移理论及模型的应用研究一直是土壤物理和土壤化学中研究的热点。土壤溶质运移现象是指不同浓度的溶液间发生的混合置换的过程[18,19]。重金属污染物作为一种溶质在土壤中运移的机理有三种：对流、扩散和水动力弥散[18,20]。

（1）土壤中重金属元素的对流运移

重金属在进入土壤中后，在土壤水的带动下完全随土壤水流向前运移，这种运动称之为土壤重金属的对流运移，它也属于一种溶质的运动。在土壤水非饱和或非饱和状态下都可以发生，同时也能够在稳态水流或非稳态水流下进行运移。

（2）土壤中重金属元素的弥散运移

重金属离子在土壤中形成土壤溶液，土壤溶液的扩散和机械弥散都能引起重金属溶液的混合和分散，进行微观的流动，这种微观流速不易测定，所以造成在实际情况下弥散和扩散结果无法区分，所以将两者合称为水动力弥散，这一作用在没有流动的情况下溶质也会从浓度高的地方扩散到浓度低的地方。

1.3重金属污染物在土壤中的运移模型

不同的学者在研究过程中，根据土壤的性质及重金属元素的迁移方式，建立了不同的模型。现阶段，国内外关于重金属污染物在土壤中运移的模型研究主要有传统微分方程模型、动水-不动水模型、随机运移模型、结合地理信息系统( GIS) 的土壤溶质运移模型、土壤溶质运移的色谱塔板理论模型、平衡模型、两点模型、多离子组分竞争交换模型（表1）。

表1　国内外关于重金属污染物在土壤中运移的主要模型Table 1 Models of the migration of heavy metal in the soil

2　影响土壤中重金属运移的主要因素

重金属元素进入土壤后，其运移过程主要受到重金属自身性质以及其所赋存土壤介质的性质影响。土壤中重金属自身性质主要包括在土壤中重金属的赋存形态及其与土壤中各种官能团的结合价态。土壤中重金属的赋存形态是指其原子和分子组成形式，即元素的各种存在形态，包括游离态、共价结合态、络合配位态、超分子结合态等。土壤中重金属不同的化学形态及其与土壤物质的结合形式是影响其在土壤环境中运移和生物有效性的主要因素[28]。土壤中重金属元素的结合价态指的是重金属以不同化合价离子存在于土壤中。土壤中重金属离子价态不仅仅可以影响重金属的迁移转化，还可以影响到重金属元素在土壤中的毒性大小。其价态越高，电荷越多，越易吸附；同等价态，与金属离子的种类有关，离子半径越大，水合半径相对越小，越易吸附。重金属元素在土壤中可以发生氧化还原反应，具有一定的可变价态；重金属的价态影响其在土壤中的活性和毒性，不同价态的重金属元素对土壤及生物危害相差很大。

重金属在土壤中的运移过程不仅仅受到土壤中重金属本身的性质影响，更加会受到土壤的物理性质、化学性质和土壤微生物性质的影响(表2)。

表2　土体性质对重金属污染物在土壤中运移特征的影响Table 2 Effects of soil properties on heavy metal transformation in the soil

3　结束语

重金属污染物在土壤中的运移过程可分为吸附、溶解沉淀、络合和螯合，这些过程均发生在土壤溶液中，这就决定了这些过程是可逆的，而决定这些可逆过程的主要因素有土壤重金属物质在土壤溶液中的性质及土壤本身的性质，而土壤的性质则决定了重金属污染物进入土壤后的所呈现的各种化学状态，进而制约重金属在土壤中的运移行为。所以，重金属在土壤中的运移过程除了与重金属在土壤中的理化性质有关外，更决定于土壤的性质。

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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

陕西省自然科学基础研究计划资助项目，项目批准号 : 2014JM5217； 陕西省自然科学基础研究计划资助项目, 项目批准号：2012JM2018。

2014-06-05

韩张雄 (1982- )，男, 陕西佳县人，工程师，硕士, 2009年毕业于中国科学院新疆生态与地理研究所水土专业，研究方向：主要从事土壤重金属污染治理及植物逆境培育风险评价方面的研究。E-mail：han10260@163.com。