土壤重金属元素Pb的地球化学行为的影响因素

马全良　张红涛

摘 要：诸多因素可能影响土壤中重金属Pb元素的地球化学行为，人们要积极探索其影响规律，寻找综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、有机物含量、黏粒物质、土壤粒径、氧化还原电位（Eh值）、磷酸盐含量和Pb元素性质等因素，总结了前人的相关研究成果。结果发现，各个因素互相影响。这一机理目前是研究的薄弱环节，值得人们今后深入研究。

关键词：土壤;重金属;Pb;地球化学行为;影响因素

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：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

随着中国工农业的发展和城镇化进程的快速推进，采矿、化工等产业的废弃物、养殖业排放物、化肥和农药等对环境的破坏越来越大。土壤重金属污染问题与人类生活息息相关，越来越受到人们的关注。据统计，中国受重金属污染的耕地面积约2.0×107 hm2，占耕地总面积的五分之一[1]。土壤重金属污染引起的食品安全问题越来越多[2，3]。

工农业排放的废弃物和生活污水中的重金属通过排水系统进入农田，这对农田土壤造成很大的破坏，会打破土壤中的微生物平衡，影响酶的活性。植物吸收过多的重金属后，生长发育会受到一定影响。人们食用生长在重金属污染土壤中的植物后，重金属会富集在体内，对身心健康有极大的危害。因此，研究农田土壤重金属元素的地球化学行为及其治理方法不仅有很大的科学意义，还关系到每个人的健康。

根据Pb在土壤中的化学形态，一般情况下，其含量大小顺序为：水溶态>腐殖酸结合态>铁锰氧化物结合态>残渣态>强有机结合态>碳酸盐结合态>离子交换态。这说明Pb对环境和食品安全的威胁很大。本文重点研究了土壤中相对活泼的重金属元素Pb。

除了Pb元素的性质外，近年来，国内外主要研究土壤pH值、黏粒物质和有机质含量对重金属元素Pb的地球化学行为影响[4]。另外，农田土壤的粒径对重金属Pb的地球化学行为也有较大的影响。

1 土壤pH值对重金属元素Pb的地球化学行为影响

王崇臣、王鹏配制了不同pH值的土壤溶液，其在设定的温度下静置，该研究采用原子吸收分光光度法测定上清液中Pb的含量，酸性和强碱性环境有利于铅的溶出[5]。

有研究对河北省农田土壤和玉米籽实进行采样，采用相关分析法、回归分析法等多元统计方法进行数据处理和分析[4]。结果发现，当pH保持在6～9时，Pb元素的离子交换态与全量的比值随pH值增加而下降，呈负相关，而Pb水溶态与全量的比值与pH呈正相关，当pH值升高时，水溶态比例上升，当pH值为8.5时，Pb的离子交换态占全量的比例基本稳定在1.0%，Pb的水溶態占全量的比例基本稳定在0.15%，在这个pH值范围内，铅元素不易被玉米吸收。

通过研究湖南洞庭湖地区水稻土壤中的Pb元素化学行为，人们发现，当土壤呈弱酸性或弱碱性时，Pb在土壤中主要呈残渣态和铁锰氧化态等稳定形态，离子交换态含量基本在2%以下，对生态系统危害性很小。当土壤开始酸化时，即pH值<7时，离子交换态Pb值占总量的比例直线上升;当土壤呈碱性时，Pb离子交换态占总量的比例也呈上升趋势，原因是专性吸附的Pb开始解吸[6]。

张磊等人认为，pH值对土壤重金属吸附量的影响可能与表面电荷的数量、性质、被吸附离子本性有关，在低pH下，Pb离子与其他阳离子发生强烈的竞争，在中等pH时，阳粒子半径影响吸附和离子交换，而高pH则会促使Pb离子发生沉淀作用。另外，重金属Pb离子的吸附总是伴随H+的释放，pH的升高有利于土壤对金属离子的吸附[7]。

以上结论可有效指导人们调节土壤pH值，以降低植物对重金属Pb的吸收效果。

2 土壤中有机物含量对重金属Pb的地球化学行为影响

土壤有机质包括生物分子和腐殖质。有国外学者认为，土壤中的有机质对重金属有一定的钝化作用。

Pb2+与腐殖酸的竞争吸附试验表明，腐殖酸与Pb离子存在竞争吸附现象，由于腐殖酸与Pb离子形成络合物，腐殖酸在太原、大同、临汾三地土壤中对Pb离子的吸附均表现出抑制作用。这种抑制作用随腐殖酸浓度的增加而增大，其作用机制是溶液中的有机酸与Pb离子易形成可溶性的络合物，减少了土壤对Pb离子的吸附量[8]。

余涛等研究了洞庭湖地区水稻土壤中Pb与有机质的关系，结果发现，土壤中有机质含量增加，可明显地降低Pb的离子态和可交换态含量，而以离子可交换态存在的Pb元素极易迁移进入农作物中[6]。原因可能是有机物与重金属元素Pb会发生离子交换、络合、螯合和吸附作用。蔡奎等以河北玉米地土壤为研究对象，分析有机物含量和Pb的离子交换态、水溶态的关系，得到了相同的结论[4]。

蒋煜峰等选用白银市污灌土壤为试验样品，在土样中分别加入可溶性有机物腐殖酸，研究了腐殖酸对污灌土壤中Pb不同形态的影响[9]。结果发现，在污灌土壤中添加腐殖酸，可以改变土壤对Pb离子各形态的吸持能力，使具有直接毒性的重金属可溶态急剧减少。

3 黏粒对土壤中Pb元素地球化学行为的影响

黏粒物质一般通过其吸附性将重金属元素吸附在矿物上，抑制其成为水溶态或离子交换态，从而减少植物对重金属的吸收。如今，黏土矿物已成为土壤重金属钝化修复的重要物质。

有研究分析了土壤中常见的三种黏土矿物对Pb离子的吸附作用及其主要影响因素，结果表明，三种黏土矿物对Pb离子的吸附能力顺序为：蒙脱石>伊利石>高岭石。蒙脱石对Pb离子的吸附受pH的强烈影响，pH高有利于对Pb的吸附。与蒙脱石形成复合体形式的有机化合物的存在不利于蒙脱石对Pb离子的吸附[10]。

孙治军、马丽等研究了山东果林不同土壤对重金属元素Pb的吸附性，砂姜黑土和潮土对Pb金属元素的吸附显著大于棕壤和褐土，主要影响因素是土壤的黏粒含量和黏土矿物类型[11]。但是，该研究并没有具体分析各种黏土矿物对Pb的吸附贡献率。

有人利用电位滴定试验和批量吸附试验，研究不同pH值及离子强度条件下江西红壤、南京黄棕壤及东北黑土硅酸盐黏土矿物对Pb离子的吸附行为[12]。结果发现，吸附存在两种主要机理：低pH条件下，在黏土矿物表面，永久性负电荷上的非专性外层吸附占主导，因此受离子强度的影响较大;而高pH条件下，黏土矿物边缘上的专性内层吸附占主导，主要受到pH的影响，几乎不受离子强度的影响。

在Batch试验中，张林林详细地研究了黏土（高岭土含量高）、膨润土（蒙脱石含量高）对重金属铅的吸附特性[13]。黏土中，当土水比增加时，尽管吸附量相应降低，但是去除率明显增加;随着初始浓度的增加，吸附量逐渐增加，去除率却不断降低;吸附量和去除率均随温度的升高而降低。

4 土壤粒径对重金属Pb地球化学行为的影响

吴婷、李小平等通过湿法提取铅污染土壤中的细砂粒、粉粒、粗黏粒和细黏粒组分，利用激光粒度分析仪、透射电镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）和重金属形态连续提取的BCR方法，研究不同粒径细砂粒、粉粒、粗黏粒和细黏粒组分的重金属Pb含量分布[14]。结果表明，铅污染土壤中细砂粒、粉粒、粗黏粒和细黏粒组分随着颗粒物粒径的减少，重金属Pb的可氧化态含量显著升高。

5 Eh值对土壤重金属Pb地球化學行为的影响

孙延深、曾祥峰等通过土柱淹水、添加玉米秸秆进行培养和后期通水淋洗，研究了强还原法对土壤重金属Pb形态转化的影响[15]。结果表明，强还原处理使土壤pH显著降低，玉米秸秆处理变化更显著，玉米秸秆处理可以促进土壤中Pb活化，胶体结合态Pb含量较对照组显著增加。强还原可以引起土壤重金属活化，增加蔬菜积累重金属的风险，而且其随土壤水分的运移可能导致水体污染。

6 结论

本文综述了前人对土壤重金属Pb元素的地球化学行为影响因素研究，这些结论可以为土壤重金属修复提供有效的指导。在土壤中，轻铅的活性比重铅强，人们可以使用同位素研究植物的生理过程;弱碱性的土壤环境有利于土壤吸附重金属Pb元素，降低土壤中水溶态和离子交换态的Pb元素浓度，减少植物对Pb的吸收;土壤中的有机物可与Pb元素进行离子交换、络合、螯合和吸附，减少土壤的活性Pb元素含量。

土壤中的黏粒（黏土矿物）可对其中的Pb元素进行吸附，其吸附能力与土壤中的pH值有关。低pH值情况下，离子强度为土壤吸附能力的主要影响因素;高pH值情况下，pH值为土壤吸附能力的主要影响因素。强还原可能引起土壤重金属活化，提高植物积累重金属的风险，而且其随土壤水分的运移可能导致水体污染。

总体来说，前人对影响土壤中重金属元素Pb地球化学行为的因素研究得比较透彻，但是多种因素的组合影响机理和各个因素的互相影响还有待深入研究。另外，重金属污染土壤治理目前还欠缺经济的方法。

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