不同质地土壤的环境效益研究

黄耀华等

摘要土壤既是各类污染物的载体，又是污染物的天然净化场所。土壤质地是土壤重要的物理性质之一。不同质地土壤各级土粒在矿物组成和化学组成上具有较大差异，进而对土壤性质有不同程度的影响。该研究从重金属吸附、水体及大气污染物和物质迁移等方面，对近年来土壤在环境效益方面的研究进行概述。

关键词土壤质地；粒径；环境效益

中图分类号S154.1文献标识码

A文章编号0517-6611（2014）06-01624-03

Abstract The soil was the carrier as well as a natural purification place of various pollutants.The soil texture was one of the important physical properties of soil.Mineral composition and chemical composition varied from soil particles in different soil，which influenced soil properties to some extent.This paper summed up the environment efficiency of soil in recent years especially on adsorption of heavy metals，water and air pollutants and substance movement.

Key words Soil texture； Particle size； Environment efficiency

1土壤的凈化功能

土壤是无机物、有机物、生物等各种物质的混合体。构成土壤的各物质巧妙地维持着相互关系，并且在生态系统中发挥着重要作用。土壤具有环境净化功能，一方面是通过物理、化学以及生物作用来降低或消除土壤中的污染物质和毒素；另一方面土壤本身通过吸附、分解、迁移、转化等过程，使得土壤污染物浓度降低或消失。具体表现在以下3个方面。①土壤中含有各种各样的微生物与土壤动物，对外界进入土壤的各种物质都能分解、转化。成杰民等[1-2]研究认为，蚯蚓可以修复或协助修复被重金属、废弃物及农药污染的土壤。这主要是由于蚯蚓活动改善了土壤的理化性质、生态功能[3]以及土壤的通气状况[4]。

②由于土壤中存在复杂的土壤有机胶体与无机胶体体系，通过吸附、解吸、代换等过程，对外界进入土壤中的各种物质起着“蓄积作用”，使得污染物发生形态变化。是土壤最重要的化学性质之一是对土壤中的离子进行吸附和交换。重金属易在土壤中发生吸附作用。这是土壤对重金属元素具有一定的自净能力和环境容量的根本原因[5]。

③土壤是绿色植物生长的基地。植物的吸收使得土壤中的污染物质发生迁移转化。因此，某些性质不同的污染物在土体中可通过挥发、扩散、分解等作用，逐步降低污染物浓度，减少毒性或被分解成无害的物质；经沉淀、胶体吸附等作用，污染物发生形态变化，或通过生物降解与化学降解，污染物变为毒性较小或无毒性物质；另外，有些污染物在土体中还会被分解气化，迁移至大气中。这些现象从广义上都可理解为土壤的净化过程。

2土壤质地对土壤理化性质的影响

土壤质地是土壤重要的物理性质之一。根据土壤的颗粒组成，一般将土壤质地分为砂土、壤土和黏土3类，其类别和特点主要继承成土母质的类型和特点。岩石、母质种类和风化成土过程的不同使得各种土壤及其各级土粒的矿物组成具有差异性。Garcia等[6]对几种黏土矿物和含铁矿物的研究表明，黏土和土壤胶体对Zn离子的吸附量较低，而海泡石对Cd的吸附量最大，其次为Cu和Zn，针铁矿对As的吸附较大，沸石对一价和二价金属离子的吸附效率较高。这可为土壤重金属污染修复提供理论依据。

土壤质地差异一方面影响土壤的养分供给，另一方面影响土体中水、热、气等环境条件。这就要求在制定水肥优化管理措施时综合考虑上述因素。关于土壤质地对土体理化性质的影响近年来有诸多报道。李久生等[7]以均质砂土、均质壤土和上砂下壤层状土壤为研究对象，发现土壤质地对土壤水分和硝态氮的运移分布有重要影响；粗质地土壤中水分和硝态氮运移深度明显大于细质地土壤，更易造成水氮淋失。李刚等[8]研究表明，在地下滴灌时，砂土中的灌水器流量较大，壤土次之，黏土最小；但是，土壤质地越轻，灌水器流量对土壤容重和土壤含水率变化越敏感，随着二者的增加，灌水器流量减小，程度增大，而在质地较重的黏土中，灌水器流量的减小程度较小，壤土居中。这与不同质地土壤的孔隙度和孔隙分布、透水性与持水能力有关。刘经星等[9]研究表明，土墒条件较好、质地轻的土壤热量传递速度较慢，阻碍土壤的热扩散。李毅等[10]研究表明，砂粒、粉粒和黏粒含量对土壤热性质有不同程度的影响；不同质地土壤的热性质与土壤水吸力之间存在定量关系。

3不同质地土壤的环境效益

随着工农业的发展，各种有机化合物、有机农药等有毒物质的排放日益加剧，进入水体和大气中的有害物质影响着人类的健康和繁衍。土壤圈是与水圈、大气圈、岩石圈以及生物圈紧密联系的重要圈层。土壤既是各类来源污染物的载体，又是污染物的天然净化场所，具有重要的生态学意义。Falciglia等[11]研究发现，污染物（柴油）的吸附解析效果在很大程度上受到土壤质地的影响，并且处理温度和时间是修复过程中的关键因子。在砂土和粉砂土中，去除柴油污染的温度在175 ℃就足够了，而在黏土中需要250 ℃。同时，黏土对柴油的吸附能力比粗砂质壤土要高6倍。

3.1土壤质地对金属离子的影响

近年来，重金属在土壤中的化学行为受到人们的广泛关注[12-14]。李粉茹[15]研究认为，Zn在土壤中的最大吸附量与供试土壤<0.001 mm的黏粒含量在0.01水平显著相关，与<0.001 mm的物理黏粒含量在0.05水平显著相关，因此认为供试土壤<0.001 mm的黏粒含量对Zn的最大吸附量的影响较大。综合分析认为，在土壤质地较接近的情况下，土壤对Zn的最大吸附量是土壤基本理化性质各因子相互作用的结果，其中土壤有机质和黏粒含量的影响较大。王凯丽等[16]通过对胶体存在时不同质地土壤吸附Zn、Cd的研究发现，Zn 、Cd在3种质地土壤中在加胶体与不加胶体时吸附量顺序均为砂壤 > 粉壤 > 粉砂壤，认为不同质地土壤对重金属离子的吸附量存在很大的差别。砂壤土pH高，有利于Zn离子和Cd离子的水解反应，形成的羟基金属化合物更易被吸附；砂壤土有机质含量高，其中大量的官能团尤其是活性基团能在一定条件下与溶液中的金属离子络合形成稳定的络合物[17]；砂壤土黏粒含量越高，土壤颗粒粒级越细，比表面积越大，越能提供更多的吸附位点[18]。李娜等[19]通过添加纳米型蒙脱土和高岭土，对溶液中Cu离子的去除取得很好的效果，当溶液中Cu离子浓度低于120 mg/L时，纳米型蒙脱土、高岭土对Cu离子的最大去除率分别高达99.5%和94.3%，其吸附等温线可以用Langmuir和Freundlich方程进行拟合。

土壤质地对金属在土壤中的分布也有显著影响。据报道，城市土壤中一些金属在细颗粒中的浓度比较粗颗粒中大[20-23]。Luo等[24]认为，痕量金属在城市土壤中最初累积于黏土、粉粒和细小的砂粒中，且在不同粒径大小颗粒中的含量随着粒径的减小而增加；痕量金属（如Cu、Zn、Pb、Co、Ni、Cr、Mn）的载荷量在粒径<280 μm的土壤颗粒中呈现大量增加的趋势，特别是在<2 μm和10～2 μm颗粒中的表现更加明显。较小颗粒（<10 μm）中的黏土矿物和铁铝氧化物可能是痕量金属的主要吸附点。人类活动带来的金属物质（如Pb、Cu和Zn）在城市土壤的细小颗粒中呈富集趋势。 Lagomarsino等[25]分析了Cu污染土壤中Cu在不同粒径大小土壤颗粒中的分布。结果表明，80%以上的Cu都聚集在砂粒和黏粒中。于静等[26]研究了铕在粉质粘土上的吸附分配比，认为铕的吸附分配比随粉黏土粒度的减小而增大。据Rodriguez等[27]报道，铀、钍230、镭226在3种粒度（0.500～2000 mm的粗砂，0.067～0.500 mm的细砂，<0.067的粉砂和黏粒）土壤中的有效浓度随着土壤颗粒粒径的增加而减少；有效铀在土壤的粗粒中所占比例最大，镭在细砂颗粒中含量最多。

3.2不同质地土壤对水体污染物的净化差异

长期施用禽畜排泄物可导致抗生素在土壤中的积累，对生态环境产生不良影响。章明奎等[28]报道，抗生素（泰乐菌素和土霉素）在土壤中的吸附、迁移行为与土壤性质有关，土壤对抗生素的吸附能力主要与土壤黏粒含量、有机质和氧化铁呈正相关；吸附强度随着土壤黏粒含量的增加而增加，可迁移性随黏粒含量的增加而减弱；同时，上述2类抗生素在黏质土壤剖面中的迁移能力较弱，而泰乐菌素在砂质土壤中较易迁移，从而具有较大的环境风险。毛萌等[29]采用平衡法和流动平衡法对农药阿特拉津在砂质土壤中的吸附特性研究表明，阿特拉律在砂质土壤中的移动能力很强；土壤中土壤矿物粒径越小，阿特拉律与之结合越稳定，越不易解吸或挥发，因此土壤质地越黏，吸附阿特拉津的能力就越强。高敏苓等[30]报道，土壤对阿特拉津的吸附还与土壤中无定型铁或铝氧化物含量呈正相关。这是因为无定型铁或铝氧化物具有较高的比表面积和质子供体官能团，不带电的阿特拉津分子杂环氮能被质子化，然后吸附在带负电荷的土壤颗粒表面。

细菌和病毒等致病微生物通过化粪池、污水污泥、废水等进入地下水体，造成病毒污染。这已经引起各国科学家的高度关注。Powell等[31]认为，土壤质地能够以土壤空隙、裂缝、通道以及病毒移动障碍物等方式影响病毒的迁移。Quanrud等[32]研究发现，砂土中病毒的衰减作用很弱；在粉砂土壤中，大肠杆菌噬菌体的衰减更有效，而且粉砂壤对大肠杆菌噬菌体的吸持作用比粗砂大得多；病毒的衰减速率与过滤速率呈负相关，所以砂土中病毒衰减速率要低于黏土。土壤中铁氧化物及其他金属氧化物对吸附病毒起重要作用[33]。铝氧化物能够增加病毒的衰减[34]。

3.3土壤质地对大气污染物的影响

甲烷的释放受到土壤理化性质的影响。Garnier等[35]研究认为，土壤质地通过影响土壤的通透性和水分含量，促进或延缓土壤有机质的氧化还原过程，进而影响甲烷的产生和迁移扩散。目前，土壤质地对甲烷的影响研究主要集中在湿地特别是水稻田。蒋静艳等[36]研究表明，甲烷排放量与土壤砂粒含量呈正比，而且甲烷排放可通过土壤砂粒含量和C/N的线性组合进行定量描述。焦燕等[37]研究认为，黏质土壤中甲烷的平均排放通量在0.05水平显著低于壤质和砂质土壤。

Nicholaus等[38]研究了土壤质地中不同颗粒分布对农田土壤产生PM10的影响，结果表明粉砂和黏粒的含量比与PM10浓度之间呈0.05水平显著相关性，当土壤干旱时粉砂和黏粒含量比越高，其产生PM10的潜力越大。Silvia等[39]发现，砂土中粉砂含量越高，PM10的最大释放量越大。Funk等[40]也认为，风干的黏质土比砂质土能释放更多的PM10。

邱罡等[41]通过研究常温、常压下松砂土和中壤土不同理化性质对水体和大气污染物（对硝基甲苯）还原的影响，发现当土壤粒径在0.85～0.25 mm之间时，对硝基甲苯的还原率随着土壤粒径的减少而减小；而当粒径为0.250～0.075 mm时，还原率随粒径的减小而增大。吴双桃等[42]研究了土壤理化性质对Fe还原硝基苯的影响，结果表明硝基苯在中壤土中的还原率大于松砂土，粒径偏小的中壤土中硝基苯的还原较彻底。Lee等[43]为了研究土壤质地对疏水有机污染物（甲苯、三氯苯、二磺酸盐等）的影响，选取6个地区的土壤为研究对象，发现在Crippin 粉砂黏壤土（黏粒含量约30%）和Webster 黏壤土（黏粒含量约35%）中，甲苯和三氯苯的移动趋势最明显。

3.4土壤质地对物质迁移的影响

土壤中一些元素的迁移、流失可造成水体富营养化，例如N、P的流失会引起面源污染。许多长期施肥试验对土壤中元素的分布、迁移做了相关的研究。于丹等[44]认为，土壤中氧化铁、氧化铝和有机质对P都有一定的固定作用；另外，土壤质地结构特别是黏粒能影响土体内P的迁移和转化。随着土壤剖面中深层土壤黏粒含量的增加，土壤对P的吸附能力增强，限制P向下层土壤的迁移，也促使P在深层土壤的累积。据報道，相对质地较轻的沙土而言，土壤黏粒对P有较强的吸附作用[45-46]。温以华[47]研究认为，氯离子在黏粒含量高的土壤中水动力弥散系数大于黏粒含量低的土壤，说明黏粒含量以及介质空隙状况是影响溶质运移的重要因素。曹雪艳等[48]通过模拟渗漏流失和径流流失过程，选取砂质壤土、黏壤土、砂质黏土和壤质黏土4中典型土壤质地为研究对象，发现壤质黏土在2种流失方式下都极易发生养分流失，砂质土壤的径流量和渗流量较高。Walton等[49]认为，砂黏壤土比粉质轻壤土、粉质黏壤土的养分径流流失量大。杨春霞等[50]研究了尿素在不同质地红壤中受双氰胺的硝化抑制作用的影响，结果表明尿素在壤土、黏土中的水解过程快于砂壤土；双氰胺抑制了壤土、黏土中尿素水解的铵硝化作用，促进了尿素在砂壤土中的硝化作用。刘倩等[51]研究表明，双氰胺在不同质地土壤上的硝化抑制作用表现为砂土>黏土>壤土。

4小结

研究表明，不同质地土壤对环境的影响具有较显著的差异。土壤质地的差异导致土壤孔隙度不同，影响各种物质在其中的移动规律；粒径大小影响土壤结构，对土壤中吸附过程也有重要影响。沙土颗粒大，黏粒含量少，有机质含量较低，金属的吸附较弱，而各物质与元素的迁移较显著；壤土中含有大量黏粒，且有机质含量较高，各种铁铝氧化物等也提供许多吸附位点，从而能更有效地吸附进入土壤中的各种污染物。

安徽农业科学2014年

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