离子型稀土矿区土壤中重金属迁移转化特征

蔺亚青，潘兴华，杨峰，王文文

(江苏南大华兴环保科技股份公司，江苏 盐城 224000)

0 引言

稀土元素有许多优异的性能，广泛应用于工业和农业领域，在研发新材料方面发挥重要作用。中国是稀土大国，矿种和稀土元素较齐全，素有“稀土王国”之称[1-2]。其中离子型稀土矿具有市场需求大、开采难度低、综合利用价值大等优点，是我国特有的一种稀土矿产资源[3]。在长期的开采过程中带来了严重的环境问题，如：植被破坏、水土流失、稀土及重金属污染等。其中，土壤重金属污染具有隐蔽性、不可逆性、不能被微生物降解等特点，更严重的是重金属通过水、食物链迁移至人体，威胁人类身体健康[4]。本文着重介绍离子型稀土矿区土壤重金属的环境影响、迁移转化特征及影响因素，为有效地控制稀土矿区土壤重金属污染奠定理论基础为重金属污染治理提供理论借鉴。

1 重金属对稀土矿区的影响

稀土矿的开采造成稀土及重金属污染问题，更严重的是造成稀土—重金属复合污染，对矿区周边土壤、动植物、人体健康等产生影响。离子型稀土矿区重金属的来源，一方面在开采过程中NH4+与稀土元素进行阳离子交换吸附，同时将矿土中的重金属活化且重金属的化学形态及迁移能力与其水环境中NH4+的活度相关[5-6]。另一方面是稀土尾矿库管理不善，基本都是露天任意堆放，在风化、雨水淋洗作用下重金属随着地表径流向周边土壤迁移。

1.1 重金属对土壤的影响

重金属进入土壤后长期滞留在土壤中，含量明显升高、土壤质量恶化、生态环境遭到破坏，重金属对土壤的污染基本上是不可逆转的过程[7]。陈志澄等[8]研究了离子型稀土开采带来的环境问题，结果表明，尾矿中重金属离子及废渣淋滤水产生的物质，其中铅、镉、铜、锌应引起重视。刘胜洪等[9]对广东省稀土废弃矿的研究表明，Zn、Pb、Mn的含量偏高，Pb的含量高达532.6±80.2 mg/kg，且三种重金属含量远远超过中国土壤背景值。滕达等[10]对冕宁县稀土尾矿区土壤中的重金属浓度进行调查，结果表明，Pb、Zn的污染非常严重且含量范围分别为1193～5077 mg/kg、38～239 mg/kg。许亚夫等[11]对赣州市定南县废弃稀土矿区土壤中Pb、Cr、Cu的测定，结果表明，铅含量严重超标，铜含量接近超标。

1.2 重金属对植物的影响

重金属对植物的影响是多方面的，一方面影响植物对营养的吸收，另一方面影响植物的生长发育。重金属因浓度、毒性的不同对植物种子的影响程度是不同的[12-16]，如表1所示。

表1 重金属对植物的影响

江西是我国矿产资源大省，以南方离子型稀土矿为主，也是重金属污染面积较广的省份之一，每年因土壤重金属污染而减产的粮食和直接被污染的粮食分别为80余万吨和 10余万吨[17]。李小飞等[18]对长汀县稀土采矿区蔬菜地土壤重金属含量进行研究，结果表明，Cd、Cu、AS均超过土壤环境质量二级标准，平均超标10.71、1.12、0.29倍。

1.3 重金属对人体的影响

有的重金属是人体必须的微量元素，若缺少就会对人体健康产生危害。但是过量的重金属在人体内富集，抑制生物酶活性，体内新陈代谢受到影响，对人体健康产生危害[13,19-23]，如表2所示。

表2 重金属对人体的影响

李小飞等[18]研究表明，长汀县矿区居民的血液Cr超标70倍，其他重金属也超出正常范围，原因是通过水、食物引起的。张静等[24]对稀土尾矿库附近的土壤、植物中的重金属进行研究，结果表明两者重金属含量较高且对人体健康产生潜在的风险。

2 离子型稀土矿区土壤重金属的迁移转化

2.1 稀土矿区土壤重金属迁移转化的影响因素

重金属的迁移转化与许多因素有关，比如重金属的种类、稀土元素、土壤理化性质，是宏观和微观共同作用的结果[25]。土壤理化性质是重金属迁移转化的主要影响因素，重金属进入土壤后再通过各种反应，形成不同化学形态，并表现出不同活性。

2.2.1 土壤质地对重金属迁移转化的影响

土壤类型与土壤重金属元素的赋存形态和迁移转化有关。土壤质地根据土壤颗粒组成划分为粘土、壤土和沙土等类型。土壤质地直接关系着土壤紧实程度、孔隙数量及土壤环境背景值等性能，从而影响重金属的生物有效性[26]。重金属在粘土中不容易发生迁移，土壤黏粒带负电荷通过静电作用吸附重金属阳离子，黏粒含量较多的土壤，交换态重金属含量较低，残留态重金属较高[27-28]。苑鸿庆等[1]对姑婆山、大宁尾矿区稀土及重金属元素空间分布研究表明，粘土矿物随水质流动是影响重金属横向分布特征的主要因素。

2.2.2 pH对重金属迁移转化的影响

pH是重金属产生迁移转化的重要因素，一般土壤pH值变动范围在3～11，酸性土(pH=3.0～6.5)如沼泽土、红壤，中性土(pH=6.5～7.0)，碱性土(pH=7.0～10.0以上)如灰钙土等[29]。重金属阳离子与阴离子在不同pH下发生迁移的能力不同，pH＜6.0时以阳离子为主，pH＞6.0时以阴离子为主[30]。当土壤在酸性条件下，土壤中存在的H+与重金属阳离子存在竞争吸附位点的关系，重金属吸附量减少且被解析下来促进碳酸盐结合态进入水相，增加重金属的淋溶量和向下层土壤中迁移[31]。当土壤在碱性条件下，溶液中OH-增多，重金属多数呈难溶态的氢氧化物，降低土壤重金属的迁移能力。

2.2.3 有机质对重金属迁移转化的影响

土壤有机质主要成分为腐殖酸，占土壤总有机质的50%～90%，小分子量的有机质与重金属形成稳定的络合物，参与反应的官能团有氨基、羧基、偶氮化合物、环形氮化物醚等；一些大分子有机质可能提高土壤阳离子交换量而使重金属元素有效性降低。有机质增加重金属的富集效应，当重金属含量高时容易随着雨水及土壤颗粒发生水平和垂直迁移，改变土壤有机质含量会改变金属离子化合价[32]。

2.2.4 稀土元素对重金属迁移转化的影响

稀土矿山土壤污染是稀土元素与重金属元素的复合污染，两者存在交互作用影响着重金属的迁移转化。丁士明等[33]在根箱装置中添加外源稀土和重金属元素，研究油菜根际的动态迁移过程，结果表明，根际Fe、Mn、Zn随培养时间延长和稀土浓度的增加出现不同程度的累积且难以向根表迁移。熊双莲等[34]对雪菜在浓度为 100 mg/L Pb胁迫下向雪菜的营养液中加入5 mL/L La(NO3)3溶液的研究表明，雪菜地上部分 Pb 累积量增加了 18%，说明高浓度 Pb 胁迫下，La 能促使 Pb 向地上部分转移。

3 结语

离子型稀土以中重稀土含量为主，放射性低、提取简单等特点被大量开采，对生态环境造成很大破坏，其中重金属污染问题也很严重，直接关系到矿山能否可持续发展问题。对稀土矿区重金属污染问题现提出以下建议。

(1)减少重金属污染源，严格控制开采过程中有毒元素的排放和泄漏、废弃物任意排放及堆放，防止废渣中重金属下渗至土壤及水体。从源头控制是控制重金属污染的根本途径，因此根除重金属污染源，有利于整个区域生态功能的恢复。

(2)切断重金属污染途径，开发绿色高效且无污染的稀土浸取剂，从重金属迁移转化的影响因素着手，改变相关因素降低重金属活性达到减轻污染的目的。

(3)加强污染末端处理，对于重金属污染的土壤采取相应的修复措施，如工程措施、物理修复、化学修复、生物修复、联合修复等方法。具体采用哪种措施应实地考察根据当地的情况因地制宜，切不可照搬照抄。