土壤pH和有機質含量對重金屬可利用性的影響

岳國輝

（廣西壯族自治區地質調查院，廣西 南寧 530000）

當前土壤重金屬污染已經成為一個熱點環境問題，對重金屬土壤污染加以治理也成為當前提升環境質量的重點內容。重金屬可利用性作為評判土壤重金屬污染的一個重要指標，常常用來評價土壤的修復效果。現階段，為更好地保護人體健康人們可以參照地球化學，對重金屬遷移、轉化、分散、富集的具體情況加以分析，以便得出切實解決重金屬污染問題的方法。

1 研究重金屬可利用性的意義

在過去的一段時間內，人們僅僅以土壤中重金屬含量的高低判斷土壤的污染情況，但隨著時間的推移，人類活動釋放的各種金屬、非金屬元素以及各種有機、無機化合物進入到自然地循環體系當中，并且會在自然條件下出現諸如溶解、氧化、還原、化學分解、生物化學分解、絡合和整合等反應情況，單純的重金屬含量已經無法滿足人們對重金屬污染情況判定的具體需要，此時人們開始利用活動性、生物可利用性、毒性等化學與生物方式解釋、預測環境中重金屬的總量，明確物質的遷移轉化規律，其中生物可利用性又可被稱作生物有效性、生物可給性，并且其概念可以分成基于化學與基于生物學概念兩種。基于化學的生物可利用性更重視一種污染物是否可以被吸收以及這一物質的潛在毒性；基于生物學的生物可利用性側重于物質是否可以通過細胞膜進入物質體內。現階段，礦區土壤重金屬污染已經成為我國環境污染中不可忽視的關鍵性問題，采用現場調查研究或者實驗室迷你研究這類的環境地球化學研究方法，對土壤的pH值、有機質含量與土壤中重金屬可利用性進行分析，可以為相關工作人員后續礦區重金屬污染問題治理提供指引[1]。

2 重金屬可利用性的影響因素

礦山尾礦、礦渣等物質是導致礦區土壤重金屬污染的主要原因之一，在采礦過程中，工作人員常常會將礦物從地下運輸到地表，在這一過程中，受環境變化的影響，礦物往往會出現物理、化學以及生物作用，將一些有毒有害的重金屬元素釋放到周圍的土壤、水源當中，導致礦區的周邊環境在原有物質循環的基礎上，疊加了新的重金屬物質循環，環境質量將會遭到破壞。需要注意的是，受土壤pH值、有機質含量、氧還原電位等不同的土壤條件影響，土壤中的重金屬可用性將會產生極大的差異，一般情況下，人們可以用金屬活性與生物毒性對其進行描述。同時，土壤的類型、理化性質、植被狀況與種類等因素也會對重金屬可利用性產生直接的影響，這一情況的存在大大提升了土壤重金屬可利用性研究的復雜性與多樣性，在當前礦區土壤污染情況評價的過程中，忽略諸如土壤pH值、有機質含量、土壤中微生物含量與種類等土壤性質因素對其重金屬生物可利用性進行評價是不完善的，下文主要從土壤pH值與土壤有機質含量這兩個影響因素對重金屬可利用性進行了描述。

2.1 土壤pH值

土壤的pH值會對土壤中溶解—沉淀、吸附—分解等反應產生極為關鍵的影響，當前，人們普遍認為土壤中的pH值與土壤重金屬可利用性之間的變化規律是，土壤中的pH值上升，在吸附作用的影響下，土壤中大部分元素的濃度會下降，此時土壤中重金屬可利用性下降，與此同時，土壤中有機質與金屬絡合物之間的穩定性將會得到提升。舉例來說，當土壤中pH增加時，土壤中鉛的固相吸附量與吸附能力將會得到提升，鉛的可溶性與移動性將會降低。同時，在一定pH值范圍內，隨著pH值的升高，黏土礦物對汞的吸附量將會提升，某實驗室將土壤的pH值從3.0逐漸升高至5.0，土壤對汞的吸附量從最初的86%升高至98%。此外，提升土壤的pH值還可以提升腐殖質對汞的吸附容量，其原理是，在pH值增大的情況下，腐殖質與土壤中汞金屬的絡合物穩定性將會得到提升，并且當pH值處于4.7~6.5之間時，腐殖質對汞離子的吸附效果最好[2]。

2.2 土壤有機質

有機質作為土壤的重要組成部分，盡管其含量一般在土壤中大多在5%以下，并且一些土壤中的有機質僅占土壤總物質含量的1%~3%，比土壤中礦質含量還要低，但有機質不僅能為植物的正常生長提供助力，還能與土壤中的重金屬結合，構成土壤中重金屬最為常見的形態，對于礦區來說，有機質結合態重金屬是土壤中重金屬的直接表現形式之一，其數量與土壤中有機質的含量有著直接的聯系。舉例來說，當前土壤中—SH、—NH2等基團形態能夠與鉛形成相對穩定的絡合物，降低鉛在土壤中的遷移能力。同時，由于大分子固相有機物會與土壤中的黏土礦物一起吸附土壤中的重金屬，進而達到降低重金屬移動能力，影響其可利用性的目的，舉例來說，人們常常可以在富含有機質的土壤中發現明顯的汞富集現象，并且經實驗證明，在一定的時間與土壤條件限制下，土壤中有機質含量每增加1%，汞固定率將會提升30%。

3 研究重金屬可利用性的實例

紅壤約占我國國土面積的22%，具有酸、瘦、黏等特點，近年來，部分礦區在開采的過程中，未注意對紅壤的合理開發保護，導致土壤的重金屬污染情況較為嚴重，現階段，為明確重金屬可利用性的影響因素，筆者在某礦區內隨機抽取了5個地點，對土壤中銅、錳、鎳、鉛、鉻、鋅這六種金屬元素的全量與有效態含量進行了測定，同時結合當地土壤的理化因子對影響礦區重金屬可利用性的因素進行了探究，以期為后續礦區重金屬污染的消退提供理論與實驗依據。

3.1 實驗材料與方法

（1）土壤的采集。首先在某礦區隨機選擇5個地點作為樣地，每個樣地的土壤類型都是紅壤；其次，在每塊樣地的土壤表層20cm內隨機采集5個土樣，并將同一樣地的土樣混合均勻、使其自然風干；再次，用研磨工具進行研磨，在研磨完成后使其過100目尼龍篩；再次，將過100目篩的土壤用于檢測重金屬全量與有機質含量；最后，將過10目篩后的土壤作為測量土壤中重金屬可利用性、pH值物質含量的樣品。

（2）土壤重金屬全量、有效態含量的測量。在進行土壤中重金屬全量與有效態含量測量的過程中，首先，相關工作人員可以參照《中華人民共和國環境保護標準》HJ 803—2016和HJ 804—2016中的要求，用王水消解過10目篩后的土樣；其次，工作人員可以用0.005mol/L的二乙烯三胺五乙酸—0.01mol/L的氯化鈣—0.1mol/L的三乙醇胺混合溶液浸提過10目篩的土樣；最后，當土樣進過消解與浸提液過濾，并且定容后，相關工作人員可以利用電感耦合等離子體發射光譜儀測定土壤中銅、錳、鎳、鉛、鉻、鋅這六種金屬的全量與有效態含量。

（3）土壤pH值、有機質的測定。在進行土壤pH值測量的過程中，工作人員應參照《中華人民共和國農業行業標準》NY/1377—2007的要求，稱量10g過10目篩后的土樣，在其中加入25mL的去離子水，并用攪拌器迅速攪拌5分鐘，將攪拌完成后的土壤放置1小時，然后用pH計測量土壤的pH值。同時，在進行土壤有機質測量的過程中，工作人員應參照《中華人民共和國農業行業標準》NY/T 1121.6—2006的要求，取0.1g過100目篩后的土樣，將其與4mol/L的重鉻酸鉀—硫酸溶液在175℃的環境下加熱氧化15分鐘，然后用0.1mol/L的硫酸亞鐵溶液進行滴定，計算土壤中的有機質含量。

3.2 實驗結果與分析

（1）取樣點土壤因子描述。如表1所示不同地樣間土壤的理化特性與重金屬的有效態含量之間存在較大的差距，同時，不同土壤樣品的pH值處于5.17~8.05之間，有機質含量處于5.49~42.23g/kg之間。同時以上六種重金屬的有效態含量變異系數處于0.36~0.87之間，其中銅的有效態含量變異系數最低，鉛的變異系數最高。

表1 樣地土壤因子與重金屬有效態含量

（2）土壤pH值對重金屬可利用性的影響。參照表1繪制線性回歸擬合曲線可以發現，土壤的pH值與重金屬的有效態含量之間并不存在明顯的線性聯系，但土壤中除錳以外的各種金屬有效態含量與土壤的pH值之間存在明顯的單峰模式關系，并且在土壤的pH值處于6.5左右時，土壤中除錳以外的金屬有效態含量相對較高，但當土壤的pH超過6.5時，重金屬的有效態含量出現降低情況。

（3）土壤有機質含量對土壤重金屬可利用性的影響。經分析發現，土壤的有機質含量與土壤中重金屬的有效態含量之間呈現出明顯的線性關系，具體來說，土壤中除銅以外的重金屬有效態含量隨土壤中有機質含量的提升而提升，并且土壤中有機質含量變化情況對鉻與鉛有效態含量的影響最為明顯。但土壤中有機質含量與重金屬全量之間并沒有明顯的關聯性。

3.3 降低重金屬有效態的方式

（1）調節土壤pH值控制土壤中重金屬的有效態含量。經上述實驗研究可以發現，土壤的pH值會對土壤生化特性產生極為明顯的影響，進而對重金屬的可利用性產生明顯的影響。具體來說，在一定范圍內，隨著土壤pH值的升高，土壤對重金屬的吸附能力得到了提升，這就使得土壤中重金屬的有效態含量減少。現階段，大部分基于施加鈍化材料的重金屬污染消減實驗證明，在土壤中施加堿性鈍化材料后，土壤的pH值將會得到提升，重金屬的有效態含量將會降低。舉例來說，相關工作人員通過向被鉻污染的土壤中施加魚骨粉的方式。提升了土壤的pH值，大大降低了土壤中鉻的有效態含量。但需要注意的是，盡管當前調節土壤的pH值已經被看做是降低土壤中重金屬生物有效性的有效方式，但同樣有研究表明部分重金屬元素與土壤中的pH值存在的關系可能使非線性的，比方說，在土壤的pH值處于5.0—7.0之間時，銅、鉻等重金屬元素的有效態含量并不會發生明顯的變化，此外，對鉛、錳等重金屬元素進行研究可以發現，這些金屬元素與土壤pH值之間的關系更接近于單峰模式[3]。

（2）調節土壤有機質含量控制土壤中重金屬的有效態含量。由于土壤有機質上具備大量的吸附點，提升土壤中有機質的含量，可以提升重金屬的吸附量，從而達到降低土壤重金屬污染程度的目的。從本次研究可以發現，除銅以外的金屬元素有效態含量會隨有機質含量的提升而得到提升，這種情況的存在說明了有機質可以活化紅壤中的重金屬元素。舉例來說，相關工作人員可以通過在土壤中施加菜籽餅粕、雞糞等有機物料的方式，降低土壤中可溶性重金屬的含量。但需要注意的是，當土壤中有機質含量提升的過程中，溶解性有機質的含量也會隨之升高，這些有機質在自然條件下可以與重金屬產生絡合或者螯合反應，進而提升重金屬的生物可利用性。當有機質對重金屬產生的活化作用能力超過吸附鈍化能力時，重金屬的可利用性可能會呈現出隨有機質含量提升而升高的顯現，因此，在當前礦區土壤重金屬污染治理的過程中，相關工作人員若要采用施加有機物料的方式，消減土壤污染時，必須對當地土壤條件、有機物料具體情況等信息進行明確的了解，并通過適量施加物料的方式，提升自身工作的有效性[4]。

4 結論

總而言之，對于礦區土壤來說，對土壤的pH值加以調節，使其呈現中性或者弱堿性，并適當施用有機肥的方式，都可以有效減少土壤中重金屬的移動率，降低重金屬對礦區土壤造成的污染，進而達到保護生態環境，保障人們生命健康的目的。