土壤中重金屬元素運移規律研究進展

韓張雄，劉美美，王曦婕，劉 隆，邢 云

(1. 陜西省礦產資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710054； 2. 國土資源部 西安礦產資源監督檢測中心，陜西 西安 710054；3. 西北農林科技大學 資源與環境學院，陜西 楊凌 712100)

綜合評述

土壤中重金屬元素運移規律研究進展

韓張雄1,2,3，劉美美1,2，王曦婕1,2，劉 隆1,2，邢 云1,2

(1. 陜西省礦產資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710054； 2. 國土資源部 西安礦產資源監督檢測中心，陜西 西安 710054；3. 西北農林科技大學 資源與環境學院，陜西 楊凌 712100)

在全球氣候變化及空氣污染嚴重加劇的前提下，酸雨會加速土壤中的重金屬離子以溶解態的形式存在于土壤溶液中，從而使土壤肥力下降，造成土壤環境的污染。因此，土壤中的重金屬元素的運移成為其污染土壤的主要原因之一，對土壤中重金屬的運移特征及其影響因子進行了綜述，得出重金屬在土壤中的運移特征除了與重金屬污染物本身的活性有關外，更取決于它所進入的土壤的性質。

重金屬污染物；遷移轉化；影響因子

土壤作為一種典型的多孔介質，其中所發生的溶質運移相對比較復雜，一直是被研究人員所關注。土壤中的溶質運移以金屬離子的遷移為主，前人的研究大多集中于土壤中的鹽分及養分的運移過程對土壤的影響[1,-2]。伴隨著現代化工礦生產及農藥化肥的大量施用，重金屬污染物以不同的途徑進入土壤，并且長期殘留在土壤中，造成土壤重金屬污染，因此，土壤中重金屬污染的研究逐漸引起了人們的關注[3]。重金屬在土壤中的運移及其對地下水和農作物系統的危害使得土壤中的溶質運移理論在重金屬污染的研究中成為一個熱點[4]。土壤中重金屬元素的行為過程、運移特征及其治理修復問題已引起全社會的關注，并已成為土壤、環境等科學領域研究的前沿和熱點[5-8]。

所謂土壤中的重金屬污染是指人類在生產過程中，將重金屬元素帶入土壤，使得土壤中某種重金屬元素顯著高于其本底含量，并且對周圍生態環境造成嚴重影響，使生態環境惡化的一種現象[5,9]。現階段，人類的工礦業生產和農藥化肥的施用是土壤中的重金屬污染物的主要來源。研究顯示，重金屬污染物對土壤的危害主要表現為：（1）重金屬的降解周期很長，很難在較短的時期內降解。重金屬在土壤中被土壤中有機或者無機配體結合形成絡合物，從而使其移動性降低。而某些重金屬可在微生物作用下轉化成毒性更大的金屬有機化合物[10,11]。（2）進入土壤的重金屬污染物會對土壤微生物和動植物造成影響。大多數重金屬污染物在土壤中的存在形式都能抑制微生物的繁殖和代謝能力，研究認為重金屬污染物對的微生物所能造成毒害順序為：Hg＞Cd＞Cr＞Pb＞Co＞Cu[12]；當進入土壤中的重金屬元素含量超過土壤中植物的需要量和可耐受的程度，就會影響植物的生長[13,14]；另一方面，當土壤中重金屬含量超過一定濃度，土壤中的動物也會受到影響[15]。（3）土壤重金屬含量過高時會對周圍環境造成污染。土壤中的重金屬在淋溶條件下可進入地表水和地下水中，加重水體污染，影響水生生物；同時土壤中的重金屬經過化學或微生物的作用擴散至大氣中，對大氣環境造成污染。（4）土壤重金屬含量超標時，會對人、畜產生危害。其通過農作物造成二次污染，最終進入人體內，對人體健康造成危害[5,16]。

因此，傳統上把土壤中的重金屬看作是固定的和不可動的是不合理的，當土壤中的重金屬元素大量富集，隨著環境因素的變化，土壤中吸附的重金屬將會大量釋放到土壤水中，并隨土壤水運移，造成地下水的污染，從而威脅到人類的生存，因此對重金屬在土壤中的運移的研究迫在眉睫。

1　土壤中重金屬污染物運移特征

1.1重金屬污染物在土壤中運移的過程

土壤中重金屬污染物主要來源于生活垃圾、礦物廢棄物、交通運輸及工礦企業的重金屬污染物，它們經日曬、雨淋等作用而污染土壤[17]。土壤中的重金屬一般不具有揮發性，其運移過程只受淋溶作用或生物分解或吸收作用的影響。土壤中重金屬污染物經淋溶作用后可隨土壤溶液橫向或縱向運移，隨著地表徑流進入河流或者隨著滲濾液向下滲透到更深的土壤層中甚至到達地下水中，從而造成土壤的更深層次及為嚴重的污染。滯留于土壤中的重金屬污染物，一部分通過微生物分解作用，而失去原有性質，另一部分則通過微生物和植物的吸收進入食物鏈，從而進入動物體或人類體內，對動物和人體的健康造成危害。

1.2重金屬污染物在土壤中的運移機制

重金屬污染物在土壤中很難降解，也不易被微生物分解，其污染具有持久性。土壤中重金屬的運移過程主要是受到對流、擴散、彌散和吸附作用的影響。重金屬污染物進入土壤遷移過程中，最初的遷移主要受到土壤溶液對流作用的影響，隨著時間的推移，土壤溶液開始發生變化，這時對流作用減弱，擴散和彌散的作用增強。隨著時間的延長，重金屬元素在土壤溶液中逐漸趨于均勻。另外，土壤和土壤中溶液的吸附作用，以及植物對土壤溶液中重金屬元素的吸收作用也是引起重金屬元素在土壤中運移的原因。

近年來，土水介質中污染物的運移問題越來越引起人們的關注。重金屬與同其它污染物在土壤中的運移一樣，均屬于土壤的溶質運移。土壤溶質運移理論及模型的應用研究一直是土壤物理和土壤化學中研究的熱點。土壤溶質運移現象是指不同濃度的溶液間發生的混合置換的過程[18,19]。重金屬污染物作為一種溶質在土壤中運移的機理有三種：對流、擴散和水動力彌散[18,20]。

（1）土壤中重金屬元素的對流運移

重金屬在進入土壤中后，在土壤水的帶動下完全隨土壤水流向前運移，這種運動稱之為土壤重金屬的對流運移，它也屬于一種溶質的運動。在土壤水非飽和或非飽和狀態下都可以發生，同時也能夠在穩態水流或非穩態水流下進行運移。

（2）土壤中重金屬元素的彌散運移

重金屬離子在土壤中形成土壤溶液，土壤溶液的擴散和機械彌散都能引起重金屬溶液的混合和分散，進行微觀的流動，這種微觀流速不易測定，所以造成在實際情況下彌散和擴散結果無法區分，所以將兩者合稱為水動力彌散，這一作用在沒有流動的情況下溶質也會從濃度高的地方擴散到濃度低的地方。

1.3重金屬污染物在土壤中的運移模型

不同的學者在研究過程中，根據土壤的性質及重金屬元素的遷移方式，建立了不同的模型。現階段，國內外關于重金屬污染物在土壤中運移的模型研究主要有傳統微分方程模型、動水-不動水模型、隨機運移模型、結合地理信息系統( GIS) 的土壤溶質運移模型、土壤溶質運移的色譜塔板理論模型、平衡模型、兩點模型、多離子組分競爭交換模型（表1）。

表1　國內外關于重金屬污染物在土壤中運移的主要模型Table 1 Models of the migration of heavy metal in the soil

2　影響土壤中重金屬運移的主要因素

重金屬元素進入土壤后，其運移過程主要受到重金屬自身性質以及其所賦存土壤介質的性質影響。土壤中重金屬自身性質主要包括在土壤中重金屬的賦存形態及其與土壤中各種官能團的結合價態。土壤中重金屬的賦存形態是指其原子和分子組成形式，即元素的各種存在形態，包括游離態、共價結合態、絡合配位態、超分子結合態等。土壤中重金屬不同的化學形態及其與土壤物質的結合形式是影響其在土壤環境中運移和生物有效性的主要因素[28]。土壤中重金屬元素的結合價態指的是重金屬以不同化合價離子存在于土壤中。土壤中重金屬離子價態不僅僅可以影響重金屬的遷移轉化，還可以影響到重金屬元素在土壤中的毒性大小。其價態越高，電荷越多，越易吸附；同等價態，與金屬離子的種類有關，離子半徑越大，水合半徑相對越小，越易吸附。重金屬元素在土壤中可以發生氧化還原反應，具有一定的可變價態；重金屬的價態影響其在土壤中的活性和毒性，不同價態的重金屬元素對土壤及生物危害相差很大。

重金屬在土壤中的運移過程不僅僅受到土壤中重金屬本身的性質影響，更加會受到土壤的物理性質、化學性質和土壤微生物性質的影響(表2)。

表2　土體性質對重金屬污染物在土壤中運移特征的影響Table 2 Effects of soil properties on heavy metal transformation in the soil

3　結束語

重金屬污染物在土壤中的運移過程可分為吸附、溶解沉淀、絡合和螯合，這些過程均發生在土壤溶液中，這就決定了這些過程是可逆的，而決定這些可逆過程的主要因素有土壤重金屬物質在土壤溶液中的性質及土壤本身的性質，而土壤的性質則決定了重金屬污染物進入土壤后的所呈現的各種化學狀態，進而制約重金屬在土壤中的運移行為。所以，重金屬在土壤中的運移過程除了與重金屬在土壤中的理化性質有關外，更決定于土壤的性質。

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Research Progress in Migration Regularity of Heavy Metal Elements in Soil

HAN Zhang-xiong1,2,3, LIU Mei-mei1,2, WANG Xi-jie1,2, LIU Long1,2, XING Yun1,2
（1. Shaanxi Key Laboratory of Exploration and Comprehensive Utilization of Mineral Resources, Shaanxi Xi’an 710054, China; 2. Xi’an Testing and Quality Supervision Center for Geological and Mineral Products, The Ministry of Land and Resource, Shaanxi Xi’an 710054, China; 3. College of Environment and Resource, Northwest A&F University, Shaanxi Yangling 712100, China ）

As global climate warms and air pollution aggravates, acid rain can increase the heavy metal content in soil as ion form, which will decline the fertility of soil and pollute the soil. Therefore, migration of heavy metal elements in soil becomes one of main reasons to contaminate soil. In this paper, features of the migration of heavy metals in soil and its influencing factors were analyzed. The results show that, migration characteristics of heavy metals in the soil are related to their own activities of heavy metal pollutants, and it also depends on the soil character.

Heavy metals; Migration and transformation; Impact factor

X 131

A

1671-0460（2014）12-2621-03

陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目，項目批準號 : 2014JM5217； 陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目, 項目批準號：2012JM2018。

2014-06-05

韓張雄 (1982- )，男, 陜西佳縣人，工程師，碩士, 2009年畢業于中國科學院新疆生態與地理研究所水土專業，研究方向：主要從事土壤重金屬污染治理及植物逆境培育風險評價方面的研究。E-mail：han10260@163.com。