基于環境管理的土壤重金屬轉化實驗研究

顏忠國

（云南省文山州馬關縣都龍鎮，云南 文山 663701）

在一般情況下，重金屬是指比重大于或等于5.0的金屬元素，如Hg、Cd、Cr等金屬，類金屬As，以及一些含有生物毒性的一般金屬。這些污染主要來源于污泥、廢氣、廢水、農藥、實驗廢物等，如汽車廢氣的排放和工廠煉材產生的鉛、鎘污染，人們農作所需的殺蟲劑、殺菌劑以及除草劑中含有的砷污染。這些土壤重金屬污染一旦多了就會對人類和動物生存帶來不利的影響，隨著科技的不斷發展和人類活動的日常所需，這樣的污染越來越嚴重，因此對于土壤重金屬轉化實驗的研究就顯得尤為重要[1]。

1 土壤重金屬現狀分析

（1）土壤中的重金屬形態。現階段我們對于土壤中重金屬存在的形態有兩種劃分，第一種就是從操作當時上來確定的重金屬形態，第二種就是土壤中混合物的種類。因為重金屬在土壤中不同的存在形態本質含有的特性不同，所以它們所具備的生態效應也會不同。重金屬具備可變價態，能夠在特定范圍內發生氧化還原反應，因為重金屬具備了不同的價態，所以在不同的價態下其活性和毒性也會發生相應的改變。在不同的生態環境條件下，土壤本身也會有很多的不同，如土壤本身質量的好壞、土壤里是否含有物質、土壤的酸堿度、天氣地區的影響或差異等都會引起這些土壤中重金屬的本質變化，導致土壤質量下降，對土壤里的植物造成危害。隨著時間的增加，這些重金屬會累積得越來越多，不容易被清除，危害范圍也會不斷增大。

（2）微生物受到重金屬的影響。土壤中的微生物會因為重金屬污染的存在而受到很大的影響。在重金屬污染條件下，土壤中的微生物根本無法汲取更好的能量，所以生長受到很大的抑制，同時它們還會因不適應這樣的環境而出現數量上的大幅度減少，甚至會讓它們全部慢慢走向滅絕。之所以會抑制它們的生長，是因為這些微生物的固氮能力被重金屬減弱了。

（3）土壤酶活性受到重金屬的影響。土壤酶是土壤進行各種能量物質的推進輔助器，它參與了大部分土壤代謝活動，同時也是土壤生態系統中不可或缺的力量源泉。它的存在讓土壤狀態一直活躍，同時也能進行各種生態循環。但土壤中的重金屬卻會嚴重影響它的活性，從而降低土壤質量。

（4）污染的定義。進入土壤的重金屬含量大大超過了農產所需和可承受的范圍，農作物雖然生長中未受到損害，但包裝成產品時嚴重超過了生產安全標準，從而造成了人或物非自然性的危害。

（5）土壤中重金屬污染特性。重金屬污染會直接降低大氣和水環境的質量，也會影響動植物的生長發育。重金屬是一種具有隱蔽性、長期性、不可逆性的且不能被土壤微生物分解的有毒金屬，土壤里面一旦有了它，便很難清除干凈[2]。

2 環境管理與土壤中污染排放的關系

前幾年，我國是一直處于較嚴重的土壤污染化國家之列，造成這個問題的主要原因就是大量廢物排放過量或者沒有主要按照正規方式進行處理后再排放。現如今，我國也有了一定的防護措施，而在我國環境污染管理中，防治和控制為主要方法。但在我國這些管理并不完善，因為大多數地區只規定了污染物排放的濃度，并沒有規定實際排放數量。這樣一來就會導致污染物排放數量過大，超出了生態環境本來所能承受的范圍，從而產生某些不可避免的污染，所以事實上這種標準的限制辦法根本解決不了實際問題。因此為了更好地控制和管理土壤中重金屬的污染，就必須要規定所有污染物的總量，而這個總量就需要當地的區域環境容量來確定。這樣一來就需要當地的政府和當地的環境管理協會共同討論來制定一個合理且可行的環境管理方案。

3 土壤中重金屬轉化的實驗研究

3.1 研究目的

①研究實驗的第一步就是需要對土壤進行深入了解，包括它的理化性質和它的構成成分，這點可以增加學生對于土壤的認知能力，同時使得學生對于土壤的生態環境有更清晰的理解。②其次，開始實驗前需要學生對于土壤環境進行精準的測試，這樣做是為了清楚地了解土壤里面的物質狀態，以及隱含的重金屬含量。這一步可以更直觀地檢測出學生對于土壤常規測試的鑒別能力和測定方法的掌握能力。③而后，土壤中的重金屬元素轉化的每一個階段都需要記錄，并對實際數據進行分析，分析后還要探討其中的過程存在的聯系和影響。而這一步主要的目的就是鍛煉學生對于實驗中土壤重金屬狀態的分析和理解，讓其對于實驗中的內在影響有一個明確的認知，從而也提高了學生對于的實驗獨立的思考能力。④最后也是最需要配合的時候，這一階段需要學生和老師在認識并會使用相關儀器（如電感耦合等離子發射光譜儀、X射線衍射光譜儀等）的條件下，互相配合深入探討，實驗中的所有過程，并及時指出實驗過程中的問題所在，而后解決這些問題的同時并提出更好方案，從而達到研究實驗豐富師生認知，提高學生獨立思考和分析能力的真正目的。

3.2 實驗設計

（1）過濾裝置設計。該過濾裝置又名土柱淋濾裝置，是在底部裝有漏斗形狀的收縮口，在收縮口下面安裝閥門和出口水管，一般情況下，該裝置的高度為70cm，直徑為10cm，該裝置主要是利用玻璃制成，而裝置下端設計一個與淋濾裝置直徑相等的不銹鋼過濾網，過濾網的孔徑為兩毫米，同時在不銹鋼過濾網的上端還設有一塊專用的透水石，這樣能夠提高過濾的效用，此外為了使得實驗更具操作性，在設計過程當中還在淋濾裝置外源增加了刻度，使得淋浴裝置內放物體的容量可量化，以此提高實驗的精準性和便捷性。

除此之外，為了更好地固定該裝置還可利用三層隔板以及利用三腳架進行加固，其中三層隔板主要是放在上中下三個位置，每層隔板的面積大約為0.16平方米，其中上層、下層的距離與中層和下層的距離有所不同，上層和中層的距離控制在50cm，中層與下層的距離控制在60cm，而下層與地面的距離則更短為30cm，這樣才能夠根據淋浴裝置的實際大小實現加固作用。三腳架是從底部進行托起，這樣能夠保證實驗過程的穩固性。

（2）土壤取樣。在土壤取樣的時候，要根據土壤的不同性質對其樣品進行選取，在取樣的過程當中要近距離地進行取樣，提取時的距離控制在0cm～40cm之間，這樣的取土壤方法才能夠反映出區域土壤樣品的質量，使其具有代表性和研究價值。

（3）樣品處理。實驗之前需要對土壤進行預處理，主要分為4個步驟，第1步借助人工風干吸取土壤中的水分；第2步則是將土壤樣品進行壓碎，主要方法包括搗碎，即木棒壓碎、重物砸碎等，壓碎之后要攪拌均勻，以為實驗做準備；第3步則需要對土壤中的雜質進行剔除，需要將土壤之中的碎渣石和殘留的植物清理干凈，以此保證土壤重金屬檢測的純潔性；第4步提取一部分土壤進行篩選，在篩選時要控制篩孔的大小，選用0.15mm的篩孔最為適宜，在篩選之后要對土壤的性質進行檢測，這樣才能夠保證土壤的質量[3]。

3.3 實驗工具

實驗采用的工具主要有篩子、電子天平、烘干機、比色皿、移液管、容量瓶、離心機、酸堿劑、X射線、光譜儀、電子耦合、等離子體發射光譜儀。在實驗過程當中需要運用的試劑包括鹽酸、硫酸、氫氟酸、高氯酸、氯化鋇溶液、去離子水以及未稀釋過的混合標準溶液。

3.4 實驗步驟

（1）測定土壤pH。在測定土壤pH值時，可采用電位法進行檢測，首先呈現篩選過的土壤樣品，選擇10g～15g放進60ml的燒杯之中，再加入30ml的二氧化碳，經流水對其逆時針進行攪拌，攪拌均勻之后放置在合適的地方，等待30分鐘之后利用酸堿電位計對其pH值進行測定。

（2）測定土壤有機質。在測定土樣的有機質時，可以利用一定濃度的重鉻酸鉀，先于利用硫酸溶液對土壤進行氧化，在待土壤中的有機質完全氧化后，再利用重鉻酸鉀測定土壤中的有機質含量。利用硫酸亞鐵也可以計算消耗的重鉻酸鉀量，以此通過計算重鉻酸鉀量得出土壤中有機碳的含量，具體步驟參照國際標準，如下所示：

（3）測定土壤陽離子交換量。測定土樣中的陽離子交換方式主要是通過篩子對樣品進行陽離子交換，取質量為一克的土壤，并將土壤放入50ml的離心管中，注射20ml的氯化鋇溶液攪勻均勻，待5分鐘后利用離心機，以每分鐘400轉的速度攪拌，5分鐘將其取出；將離心管中的清液剔除后，加入氯化鋇溶液，直到離心操作有沉淀物為止。其次，再往離心管中加入20ml的蒸餾水，用玻璃棒攪拌均勻，以每分鐘4000轉的離心速度再次離心三分鐘剔除上清液，再重復操作兩次后，將25ml的硫酸溶液放置離心管中攪拌均勻，并將土壤樣品浸置15分鐘，利用去離子水對其進行沖洗，重復操作5次，便可將得到的濾液注入20毫升的錐形瓶中。第四步則是加入酚酞指示劑在錐形瓶中通過0.1摩爾每升的標準氫氧化鈉溶液進行測定，溶液變成紅色則證明土壤之中可能還有重金屬。

（4）測定土壤礦物質和重金屬含量。在進行以上操作后，就需要對土壤中的礦物質離子和重金屬含量進行測定。這時需要根據以上結果繪制標準曲線，首先配置標準溶液，配置測定試液，再將透明的塑料瓶放在天平之上，吸取帶稀釋的混合標準液10mg加入塑料瓶加入稀釋溶液，再配置標準溶液，利用該方法就可以計算出土壤之中重金屬的具體含量。

（5）土柱吸附重金屬實驗。證明土壤樣品之中確實含有重金屬后，便要利用土柱淋濾實驗對重金屬進行轉化。其步驟主要為以下4步：①首先選擇示蹤劑，用去離子水溶解重鉻酸鉀并定容，以求得儲備溶液。②在展開重金屬吸附試驗時，當吸附過程中停止淋濾時，在吸附液和濾出液的體積相等時便可停止實驗，從而設計吸附模型，完成數據分析。③從該裝柱的頂部將重鉻酸鉀儲備液注入。從下端流出，其中蠕動棒會控制淋濾的速度，將淋濾出口的儲備液作為Y軸，時間作為X軸，能夠繪制相應的曲線，以此可計算出儲備夜的變化。④結合入滲情況，對土壤中的樣品進行取樣，每隔10cm取一次樣，一次樣取兩克，并放置50ml的離心管之中，每分鐘以6000轉的速度攪拌20分鐘，靜止三個小時便可利用ICP-OES測定上清液的鎘濃度，最后得到轉化后的土壤[4]。

（6）數據分析。數據分析如下圖。

圖1 數據分析圖

4 結論

由上可知，通過該實驗能夠更好地推進土壤中重金屬含量的轉化，能夠使得土壤性質和結構有所改變，同時也能夠減少重金屬對土壤對環境的污染；但該實驗的大規模操作性以及普及性仍需要探索。