土壤中重金屬污染物的遷移轉化規律研究

張明山 許 真 張 雄

（四川省天晟源環保股份有限公司 四川成都 610036）

引言

重金屬是指密度在4.5 克/立方厘米的金屬元素，在自然界天然存在的重金屬元素有54 種。在環境科學中，因為這些重金屬元素在土壤中所造成的毒性差異很大，因此一般重點關注鎘、鉻、銅、鉛、汞、鎳、鋅、鉬、鈷等。還有一種元素砷，因為它的主要化學性質以及環境行為與重金屬有眾多相似之處，因此，通常也將其納入重金屬范疇進行分析討論。另外，土壤中的鐵和錳含量較高，雖然其為主要重金屬元素，但一般不太關注它們的污染問題[1]。自20 世紀70 年代起，重金屬污染物就被許多國家列為環境優先污染物之一。重金屬無法被微生物分解，而且不易被水淋溶，通過土壤的吸附作用進入到土壤當中，被微生物和植物吸收沉積。通過生物鏈的或者其他的轉化方式，不僅會變得毒性更強，對于整個生態環境的損害都非常大，因此土壤中重金屬污染已經成為目前影響面積最廣、對環境危害最大的問題之一。

1 土壤中重金屬污染物的來源

土壤中重金屬污染物來源是多途徑的，但其主要來源為人類活動，主要包括：工業活動、農業生產活動及交通運輸等。

1.1 工業活動中土壤重金屬污染物來源

工業生產活動中所產生的重金屬污染物對土壤的輸入方式大致分為三種。一種輸入方式為隨著大氣沉降活動進入土壤的大量金屬污染物，很多工業生產活動當中都會產生氣體和粉塵，比如冶金、建筑材料生產、能源開采等，超標的廢氣排放和揚塵當中含有的大量金屬元素，其中就有很多能造成重金屬污染的元素，除汞以外，他們大多以氣溶膠的形態進入到大氣中，這些大氣中包含的重金屬污染物會隨著的自然的沉降活動再次進入到土壤當中，導致土壤被重金屬物質再次污染；另一種輸入方式為隨著污水進入土壤。重金屬污染物通過大量的廢水排放進行遷移，最終進入到土壤當中。廢水排放有生活污水、化工污水、礦山污水等，雖然生活污水中含有的重金屬元素較少，但是由于我國的經濟的快速發展，之前對于污水處理不夠重視，導致工業廢水和生活污水一起排放，這些工業廢水中含有汞、鉻、鎘、鉛等眾多的重金屬元素，最終隨著污水的排放，對周圍區域的土地造成了直接的重金屬污染[2]；最后一種為輸入方式為固體廢棄物對土壤的重金屬污染，固體廢棄污染物種類繁雜，最嚴重的污染來自于礦產和工業，這些固體廢棄物大多都是露天堆放，同時也并不能進行快速及時的處理，長時間的在一片土地上堆積，在被日曬和雨淋過程中，固體廢棄物重的重金屬物質隨著雨水遷移，會逐漸污染周圍的土壤以及水源。

1.2 農業生產活動中土壤重金屬污染物來源

農業活動中產生重金屬污染物最多的是農藥、化肥和塑料薄膜。雖然這些措施對于農業生產有著非常重要的促進生產的作用，但對土壤的污染同樣不可忽略。農藥中含有砷、鎘、汞、鉛等重金屬元素，大量施用含有重金屬的農藥，都會導致土壤中重金屬含量累積，最終造成重金屬的污染。而在化肥中，過硫酸鹽含有的重金屬最多，磷肥次之，氮肥和鉀肥含量較低，但是氮肥中的鉛含量相較于其他幾種肥料又略高[3]。農用塑料薄膜生產過程中會使用熱穩定劑，而熱穩定劑含有鎘、鉛等重金屬元素，在塑料大棚和地膜大量使用過程中都可以造成土壤重金屬的污染。

1.3 交通運輸活動中土壤重金屬污染物來源

交通運輸分為海陸空三類，這些運輸過程都會不約而同的對環境造成重金屬污染，比如各種運輸工具的尾氣的排放，對土壤和大氣造成嚴重的污染，大氣中的各種重金屬化學污染物通過空氣的沉降和雨水活動遷移，最終對于土地造成再次的污染[4]。海運的燃油泄漏事故時有發生，石油也會對水資源造成污染，通過依靠大海生存的海洋生物和候鳥等帶來重金屬的聚集，最終通過食物鏈和動物遷徙等活動給土壤造成重金屬污染物的額外輸入。汽車制造添加的Zn、Cu 在運輸過程中產生的零件磨損也會對土地造成重金屬污染。有相關的研究資料表明，交通運輸干線附近的土壤當中重金屬含量明顯高于非干線附近含量，說明交通運輸活動已經周圍的土壤產生了一定的重金屬污染。

2 土壤中重金屬污染物的遷移及形態轉化規律

土壤中的重金屬遷移過程具有多變性，不僅可以從水平方面向平面遷移，還可以從豎直方向向上下實施遷移[5]。重金屬會在受到外界的影響時產生形態上的改變，比如在受到外界的物理、生物還有化學方面的影響時，改變了形態，隨著這些各個方面的運動更容易從人類和自然界的土壤中向其他介質運動和遷移。而且由于重金屬污染物在從自身的土壤向其他介質進行實施形態遷移的同時，會被自身土壤中所攜帶的溶液所影響，使這些重金屬污染物在土壤中發生了形態上的轉化。土壤中的重金屬污染物主要就是通過物理、化學和微生物等一個或者幾個相互作用的情況下進行形態上的遷移轉化。

土壤中重金屬污染物的物理遷移：土壤中重金屬元素在受到土壤自身溶液的作用下，會在土壤中發生水平方向或者垂直方向上的遷移運動。重金屬污染物的水平遷移會讓重金屬元素向周圍不斷的擴散，土壤被污染的面積越來越大[6]。豎直遷移運動有向上和向下兩個方向，向上是由于風力或者人為活動，土壤的表層被帶起浮向空氣當中，被重金屬污染的大氣進行活動的過程中帶向周圍，被周圍的土壤膠質再次吸附，造成周圍環境被重金屬污染。向下遷移會深入到地下的深層土壤和地下水流當中，對更深的土壤造成重金屬的污染。

土壤中重金屬污染物的化學遷移：土壤中的重金屬以不同的形式存在，其形態大體上可分為在液相物質中的形態和在固相物質中的形態。在重金屬中難溶電解質的作用下，會使土壤固相和液相之間形成多相平衡的穩定狀態。但是，如果土壤溶液中的pH 值等發生變化，則會打破重金屬在土壤中的這種平衡，這時土壤當中的重金屬元素就會實施遷移以及形態的轉化[7]。土壤中的有機物質和土壤膠體也會對重金屬污染物的遷移產生影響，電解質的這種平衡狀態被破壞，重金屬污染物的遷移過程也會被破壞，它的存在形態也會產生變化。

土壤中重金屬污染物的生物遷移：土壤屬于一個生態環境，土壤和周圍的動植物以及大量的微生物組成了完整的一個體系[8]。而土壤中重金屬污染物的生物遷移指的就是在這個體系中的生物影響下，土壤中的重金屬污染物進行遷移，實現形態的轉化。生物可以吸收各自特定的重金屬元素，將重金屬污染物有效的吸收并且改變它們的化學形態，在這個過程中，土壤中的重金屬污染物進行了遷移并且還發生了形態的轉變。因為土壤所屬于的生物體系是很龐大的，這些生物給土壤中重金屬污染物所帶來的遷移也是極為復雜的。土壤中的重金屬污染是可以被生物的固化作用起到一定減少的[9]。

土壤中的重金屬元素以不同的形態存在，而這些不同的形態特征變化則又決定其在土壤中毒性的高低變化。土壤中重金屬元素的形態特征差異不僅會產生眾多不同的環境效應，同時也會影響著其在土壤中的遷移能力變化以及其在土壤中和其他環境發生直接交換的能力[8]。土壤中重金屬元素的活躍程度一方面取決于其在土壤中的總含量，更重要的一方面則是其形態特征分布所起到的作用。只有在有效態的存在狀態下，重金屬元素才能與周圍土壤以及土壤與生物間發生遷移轉化。而重金屬元素在污染土壤與植物根系土壤間形態的變化，也是其影響重金屬元素在土壤植物間遷移轉化的重要因素。

3 影響土壤中重金屬元素遷移的因素

影響土壤中重金屬污染物遷移的主要因素包括pH、有機質、氧化還原作用、絡合-螯合作用、膠體的吸附、陽離子交換等。

在所有影響重金屬元素遷移的因素中，pH 值的影響作用最大的。因為重金屬元素會以怎樣的形態存在，很大一部分是由土壤的pH 值決定的[10]。不僅如此，土壤的pH 值還能調整重金屬元素在土壤當中的溶解程度。有研究表明，當土壤的pH 值降低到一定程度時，土壤對重金屬元素的吸附性變強，與此同時，生物對于重金屬元素的作用也變得活躍。所以當土壤的pH 值降低時，重金屬元素污染土壤的過程會加快。當土壤的pH 值上升時，土壤的吸附能力變弱，同時生物的活躍性降低，土壤中的重金屬污染物的擴散過程會有效的減慢。

土壤有機質：土壤中含有的機質同樣對重金屬的遷移有一定的影響。有機質對重金屬元素的遷移主要有兩方面的影響：一方面，有機質對重金屬元素吸附能力大于土壤中其他膠體吸附能力，土壤中所含有的重金屬元素容易被有機官能團以及小分子化合物所吸附，從而形成穩定化合物；另一方面，有機質在徹底分解后又會使土壤中的重金屬元素解脫出來，從而使重金屬元素的活性增大。

氧化-還原作用：土壤中的有機物質在遇到氧化還原反應時，有機物質的分解和轉化的活動受到直接影響，重金屬元素在氧化、還原過程中會產生解吸和吸附的反應，重金屬元素在土壤中的形態就會改變。同時，土壤內部的氧化還原反應本身就是各種元素之間的電子得失活動，而重金屬的本質也屬于元素，因此，氧化還原反應會使重金屬的遷移轉化更加容易[11]。

絡合-螯合作用：重金屬元素通過絡合作用提高了在土壤溶液當中的溶解度，土壤膠體的吸附能力就會下降。土壤當中的腐殖物質螯合能力非常強，重金屬和有機物質作用后會形成螯合物，它在土壤溶液中的溶解難易程度也會決定在土壤中重金屬遷移所受到的影響。一般來說，金屬在土壤中的螯合作用和吸附作用是同時進行的，但是會受到壤溶液中重金屬離子濃度的影響，濃度高時，土壤對金屬元素主要是吸附。而離子濃度較低時，土壤中的金屬元素進行絡合螯合作用。

土壤膠體的吸附作用：土壤膠體是土壤中呈膠體狀態的物質。分類上可分為有機膠體、無機膠體和有機無機復合膠體三類。有機膠體主要是腐殖質，無機膠體是巖石風化的產物。由于土壤中的膠體能夠直接吸附到土壤中的各種重金屬元素,重金屬物質能夠通過這些介質直接在土壤中進行遷移或者轉化,土壤膠體吸附了重金屬并固定，可以降低重金屬通過生物遷移轉化的活動，因此，可以減少土壤中重金屬污染物的遷移轉化活動。

土壤陽離子交換量：重金屬元素在土壤中的吸附過程也同時伴隨著電荷的得失及離子價態的變化。在土壤陽離子交換過程中，重金屬元素與土壤膠體原吸附離子發生等價交換，從而使重金屬固化，而當土壤溶液中大量存在陽離子時，又會使吸附態的重金屬元素活化，影響重金屬在土壤中的遷移轉換[12]。

結語

我國土壤中重金屬污染的形式嚴峻，這個問題已經對我國的農業和人民的健康生活造成了較大的影響且防治困難。通過對土壤中的重金屬污染物的來源、遷移及形態轉化規律的研究，可以得到土壤中重金屬污染物的遷移機制。但是，目前依然沒有非常有效的方法進行防治土壤中的重金屬污染，重金屬污染已經成為威脅我們生存環境的一個重要因素之一，因此必須要提高全民的關注度，提高人民保護土壤的自覺意識，減少人為活動對土地的污染，達到提前防治的效果。