溶解性有機質對土壤重金屬活性的影響探析

李俊杰　張峻　李宇

摘 要 隨著國家最新頒布的“土十條”，土壤環境質量以及污染情況日益受到人們的廣泛關注。我國土壤污染多種多樣，存在著大量的無機有機復合污染，其中以重金屬污染尤為嚴重。為了防治土壤重金屬污染，人們進行了許多的嘗試，其中一種方法是添加溶解性有機質（DOM）。DOM能作為配位體與重金屬結合在環境中遷移，并通過一系列反應抑制或促進土壤重金屬的活性，從而進一步影響生態環境安全和人類健康。總結了關于DOM對土壤重金屬活性的研究現狀，提出今后研究的2個方向，即：1）借助元素分析、紅外光譜等方法對DOM的結構和功能團進行研究。2）進一步深入研究DOM與不同土壤、不同重金屬之間的影響關系。

關鍵詞 溶解性有機質；DOM；重金屬污染；土壤；影響機制

中圖分類號：S153.6 文獻標志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.13.019

自工業革命以來，大量污染物進入土壤中，導致我國許多功能區都存在著土壤重金屬污染的問題。而重金屬污染會引起土壤環境惡化、農產品質量下降等問題，進而影響人類的健康和農業的生產。

為了防治土壤重金屬污染，人們進行了許多的嘗試，其中一種方法是添加溶解性有機質（DOM）。有大量的研究表明，外源有機物料能顯著影響土壤中重金屬的吸附、解吸[1]。有機物料施入土壤后，作為有機質里最活躍的DOM進入土壤后，土壤理化性質會發生顯著的變化，同時土壤會對DOM進行吸附等，這些作用均能在一定程度上對重金屬的活性產生影響。綜述近年來關于DOM對土壤重金屬活性影響機制的研究情況。

1 我國土壤重金屬污染概況

重金屬主要是指密度大于5.0 g·cm-3的金屬元素，其中汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、準金屬砷（As）是導致土壤產生污染的幾種主要重金屬元素[2]。土壤重金屬是高殘留的物質，不容易被微生物降解，而且很可能被植物和其他生物吸收、富集進入食物鏈中，進而在人、畜體內蓄積，影響動物以及人類健康。我國土壤污染中無機污染物主要有鎘、鎳、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅，超標率分別為7.0%、4.8%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%。

2 土壤DOM概況

2.1 DOM的定義

由于DOM的來源廣泛且組成結構復雜，因此關于DOM定義還未有準確的一個說法[3-4]。劉順國[5]定義DOM是指一類能夠被水、酸或堿溶液浸提有機物質，可以簡單劃分為天然水中有機物、土壤溶液有機物、有機肥被浸提出的有機物。其中，土壤DOM是指存在于土壤孔隙或土塊中能被水、酸堿鹽溶液溶解的有機物質，包括溶解性有機碳、溶解性有機磷、溶解性有機氮、溶解性有機硫等，以溶解性有機碳為主。由于DOM的結構較為復雜且各組成組分所占比例較小，因此DOM又可以定義為能通過孔徑濾膜，大小和結構不同的有機分子的連續體。

2.2 DOM的來源與組成

DOM的來源主要可分為內源和外源兩部分。內源部分主要包括根系分泌物、土壤動物微生物代謝廢物、動植物和微生物殘體；外源部分主要是指有機物的添加，例如有機肥的施用。土壤DOM來源和含量受土壤生物因素和非生物因素（包括土壤pH、溫度、含水量以及土壤吸附和淋溶等物理過程等）共同影響[6]。

不同來源的DOM的相對分子質量差異較大[7]。大量研究發現，DOM主要以碳水化合物為主，芳香族物質較少[8]。Magee[9]和周江敏等[10]研究發現DOM含有較多多糖，但芳香族不飽和的物質含量較少。雖然現在已經有大量研究揭示了DOM的組成，但是關于DOM結構的精準解析尚有待進一步研究。

2.3 DOM的環境效應

2.3.1 影響土壤肥力

DOM主要通過直接和間接2種方式影響土壤肥力，DOM可以調節土壤pH、溫度、含水量等進而改善土壤理化性質；DOM還可以通過直接被利用，提高土壤肥力。

2.3.2 水體富營養化

土壤DOM中的DOP（有機磷）、DON（有機氮）通過地下水或地表徑流進入水體，使得水中N、P含量增加，加劇水體富營養化風險。

2.3.3 溫室效應

隨著DOM含量增加，土壤各類微生物或酶活性增強，加速有機N、P、S分解，產生的CO2、NOX、SO2散發到空氣中，影響空氣質量。

2.3.4 影響土壤重金屬

近些年的研究發現，DOM與土壤中重金屬有著密切聯系。李廷強等[11]研究發現DOM對重金屬的影響機制有絡合、吸附、酸堿緩沖等，是一系列反應的結果。

3 DOM對土壤重金屬活性的影響

有機質含有多種功能基，這些功能基對重金屬離子有較強的絡合和富集能力。土壤有機質與重金屬離子的絡合作用對土壤和水體中重金屬離子的固定和遷移有極其重要的影響[12]。

3.1 DOM通過改變土壤理化性質來間接影響重金屬活性

有機物表面上具有羧基（-COOH）、羥基（-OH）、醌基（=O）、醛基（-CHO）、甲氧基（-OCH3）和氨基（-NH2）等活性基團。因此，DOM進入土壤后，在微生物的分解作用下產生了大量氫離子或多價陽離子，與重金屬離子競爭土壤膠體上的吸附點位，使土壤膠體所帶負電荷減少，降低對重金屬的吸附，從而增大土壤重金屬的活性[13]。土壤酸堿性通過影響組分和污染物的電荷特性，沉淀溶解、吸附解吸和絡合解絡平衡來改變污染物的毒性，土壤酸堿性還通過土壤微生物的活性來改變污染物的毒性。土壤溶液中的大多數金屬元素（包括重金屬）在酸性條件下以游離態或水化離子態存在，毒性較大，而在中、堿性條件下易生成難溶性氫氧化物沉淀，毒性大為降低。此外，在高pH環境中有利于增加土壤的負電荷，從而增加了對重金屬的吸附點位。

3.2 DOM的自身性質

不同來源的DOM 對土壤重金屬活性的影響有顯著差異，如陳同斌等[14]對5種來源不同的DOM對土壤Cd活性影響的結果顯示：在低pH的土壤環境中DOM的進入會使得土壤溶液pH呈現不同程度的上升，從而導致DOM與土壤膠體表面作用產生一種“新的土壤表面”，而這種新的土壤表面能夠改變土壤膠體表面的吸附點位和電荷等性質，從而降低土壤重金屬的生物有效性。而在高pH土壤環境中，外源DOM會導致土壤溶液pH呈現不同程度的下降。由于土壤溶液中大量氫離子的存在能夠與重金屬離子競爭絡合點位，從而使土壤膠體對重金屬的絡合能力受到影響[15]。此外，有機質的分解，微生物需要大量的氧氣，使得土壤的Eh降低，重金屬離子被還原為低價金屬離子，而低價的重金屬離子的生物毒性比較小，從而改善重金屬污染。

3.3 DOM與重金屬的絡合（螯合）作用

土壤膠體能夠通過陽離子交換的作用來吸附重金屬離子，從而降低重金屬的活性。陽離子交換作用是指在土壤中，被膠體靜電吸附的陽離子，一般都可以被溶液中另一種陽離子交換而從膠體表面解吸。而DOM作為與土壤類似的膠體對重金屬污染物毒性的影響可通過靜電吸附和絡合（螯合）作用來實現。土壤有機質與重金屬的吸附主要通過其含氧功能基進行；胡敏酸和富啡酸可以與金屬離子形成可溶性的和不可溶性的絡合（螯合）物，主要依賴于飽和度，富啡酸金屬離子絡合物比胡敏酸金屬絡合物的溶解度大。若是形成可溶性的配合物，則能夠抑制重金屬的沉淀和吸附，提高重金屬的活性[16]。但是，一些大分子的DOM（尤其是硫類物質）可能與金屬形成難溶性的絡合物，從而降低重金屬的活性。有研究表明，DOM的活性官能團可提供電子，與金屬離子生成金屬-有機絡合物，螯合基團也有2個以上的電子配位體可與金屬離子形成螯合物。

4 結語

當今在DOM研究這塊領域還算是比較空白，尤其是關于DOM全部組分一一進行分離和測定無法操作，至少有1/3是現在無法確定的。因此，今后的研究工作應從以下幾個方面著手：1）今后的研究應該從加強標準化入手，借助元素分析、紅外光譜等方法對DOM的結構和功能團進行詳細研究。2）進一步深入研究不同來源DOM和不同土壤類型以及不同重金屬之間相互的影響關系。

參考文獻：

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（責任編輯：敬廷桃）