重金屬污染下土壤重金屬元素異常成因機理研究

李 濤

（云南師范大學，云南 昆明 650500）

重金屬污染是環境污染的重要形式，對土壤以及植物的正常生長發育產生了極為惡劣的影響。重金屬污染可以直接對土壤內植物的遺傳信息載體DNA、植物自身的循環代謝、光合作用以及根系生長產生影響，使植物受到較為嚴重的危害。在此情況下，對重金屬異常成因機理進行研究，揭示重金屬元素異常形成過程，可以減緩、防治土壤污染，修復土壤地球化學環境等，為異常生態效應評價提供科學依據。

1 重金屬對土壤污染的機理

重金屬元素通常屬于過渡元素，其內部含有較多的d電子，而d電子的排布形式決定了重金屬自身的催化性，其是對土壤與周圍植物產生污染的主要原因。

重金屬對土壤產生危害通常有兩個途徑，其一是重金屬離子通過植物表面進入其體內，并從根部流入到土壤當中，在土壤內原有的離子平衡產生了干擾，嚴重阻礙了土壤離子進行正常的調節、滲透、運輸工作，造成了對植物生長代謝紊亂；其二是，重金屬滲透到土壤內后，制約土壤內金屬元素以及礦物的密切空間聯系，使其活性大幅度降低，甚至改變土壤的金屬元素狀態，從而影響了周圍環境與植物正常的功能運作，使植物產生較為嚴重的病變。

2 重金屬對土壤造成的危害影響

2.1 影響植物DNA

重金屬污染可以影響植物承載遺傳信息的DNA，通過在植物體內誘導氧化反應對植物自身的DNA修復系統造成損傷或抑制。相關工作人員曾進行對蠶豆葉片的重金屬污染實驗，實驗表明不同的Cd濃度能夠引起蠶豆葉片不同程度的DNA損傷:重金屬濃度為5mg/L時，植物內部會形成不穩定位點，DNA單鏈受到損傷；重金屬濃度為10mg/L時，植物內部的DNA雙鏈發生斷裂；重金屬濃度為20mg/L時，DNA雙鏈損傷及DNA單鏈損傷程度均大幅度提升[1]。

2.2 影響土壤內金屬元素大分子結構

土壤內金屬元素大分子結構是元素信息表達的重要功能結構，對于土壤的正常使用具有重要的作用。重金屬的可以對土壤內部的金屬元素合成造成抑制并對土壤內金屬元素自身的組織結構造成破壞，致使土壤內重金屬元素濃度集區數量相對較大，加速土壤受害范圍。相關工作人員對土壤進行了重金屬污染研究，經研究發現當土壤內Zn濃度超標時，會對金屬元素在土壤內的傳導造成阻斷，抑制元素合成，加速土壤老化。

2.3 土壤重金屬元素異常機理分析

重金屬對土壤的污染危害已經明確表明，金屬元素異常的機理成因，土壤中出現的金屬元素與礦物具有密切的空間聯系。金屬元素礦物的產生、擴散以及沉降過程進行分析，得到此類重金屬元素異常形成過程。決定土壤中重金屬元素含量及其分布特征的直接因素之一，就是金屬元素礦物的數量和分布狀況[2]。重金屬在滲透到土壤內部后，擾亂了土壤金屬元素自身的離子平衡，致使土壤內的金屬元素排序紊亂，金屬礦物分布不均等問題，同時重金屬的電子傳遞對土壤礦物沉降過程造成一定程度的影響，致使區域內土壤周圍植被無法及時合成葉綠素，最終對周圍環境以及植被的光合作用產生較大程度的影響。

2.4 異常土壤重金屬元素特征

重金屬除了直接作用于土壤內部產生污染外，還能夠通過滲透進土壤深處對周圍植物產生毒害。當土壤中的重金屬含量超標時，生長于土壤內部的植物根系最先受到重金屬的影響。在進行該區土壤進行異常圈定篩選發現，土壤內部存在由As、Cd、Cu、Ni、Sb、Zn元素組成的異常。異常組分中，Sb異常面積最大，并包含其他元素異常，除As外，其余元素異常套合較好，各金屬元素均有表面富集的特點，富集系數變化范圍為1.27～1.87，從側面反映出土壤重金屬異常的形成受到后期疊加的作用影響。

3 重金屬異常機理分析

3.1 土壤剖面元素分布異常分析

土壤水平剖面元素空間含量變化顯示，As、Cd、Cu、Ni、Sb、Zn等元素異常變化較為明顯，各個元素的趨勢基本一致，而Zn元素呈現出異常的特征。通過土壤水平剖面顯示，As、Cd、Cu、Ni、Sb、Zn等元素基本上在原異常范圍內存在，到土壤外圍含量明顯下降，這說明元異常范圍基本穩定，而Zn異常范圍有所減小，從而有效避免了重金屬對土壤的進一步危害。

3.2 重金屬異常成因分析

土壤剖面分析結果顯示，重金屬異常元素含量很大程度上受到金屬元素的制約，呈現出反消長的關系，即是土壤異常元素含量在很大程度上受到控制。由此分析得出，土壤異常元素含量與重金屬元素含量呈反消長的關系，土壤中常量元素的含量在很大程度上反應出土壤地質情況。因此，在通過對土壤的調查，重金屬元素等常量組份及其所決定的土壤質地是導致異常形成的主要原因，后期疊加作用是土壤異常形成的次要因素。

3.3 搶奪結合位點

在重金屬離子侵入土壤內部后，土壤自身對金屬元素離子的吸收會與重金屬對土壤的危害在結合位點上產生競爭，從而有效的使重金屬對土壤的危害形成最小化。相關試驗表明，提高土壤環境中的Zn元素含量會在一定程度上效促進Cd元素的產生，使土壤內的Cd含量也明顯增加。但由于其二者具有相似的化學性質在結合位點競爭過程中互為協同，從而使得Cd的溶解性能得到有效的提升。而Zn活性酶則維持原有的性能不變，從而抑制了Cd元素對土壤的污染。并且通過二者對土壤內部元素結合位點的爭奪，有效提高了Zn元素在土壤內的活性以及利用率，加快金屬元素礦物的合成，強化土壤自身的重金屬元素排解性能。

3.4 異常土壤區生態效應評價

在植物受到重金屬污染時主要的解毒方式即為合成絡合蛋白。當重金屬成功滲透至植物細胞內部后，會與細胞質中的蘋果酸、草酸、谷胱甘肽等小分子物質進行結合，生成性質較為穩定的復雜絡合物，從而減小重金屬離子對植物的毒害影響。根據相關資料得出，重金屬元素在酸性土壤條件下活性增強，而在堿性土壤條件下活性較弱。在異常區土壤中，重金屬元素異常具有突出明顯特征，逐漸導致土壤中Ph值降低，對土壤礦區周圍的環境與植物產生巨大危害。

4 結語

礦區土壤重金屬元素異常成因機理研究結果表明，此類異常的形成在礦物釋放過程中，是重金屬礦物直接形成的原因，土壤中的重金屬元素異常形成機理也是對植物、生存環境產生聯系。在今后的發展過程中，應加強對土壤抗重金屬機理與影響因素的研究力度，采用更為先進的分子手段進行土壤中抗金屬基因分離并利用轉基因技術實現全面提升土壤的抗重金屬污染性能，對受污染土壤進行修復，同時，重金屬污染土壤治理技術也是未來研究的主要方向。