土壤中重金属污染物的迁移转化规律研究

张明山 许 真 张 雄

（四川省天晟源环保股份有限公司 四川成都 610036）

引言

重金属是指密度在4.5 克/立方厘米的金属元素，在自然界天然存在的重金属元素有54 种。在环境科学中，因为这些重金属元素在土壤中所造成的毒性差异很大，因此一般重点关注镉、铬、铜、铅、汞、镍、锌、钼、钴等。还有一种元素砷，因为它的主要化学性质以及环境行为与重金属有众多相似之处，因此，通常也将其纳入重金属范畴进行分析讨论。另外，土壤中的铁和锰含量较高，虽然其为主要重金属元素，但一般不太关注它们的污染问题[1]。自20 世纪70 年代起，重金属污染物就被许多国家列为环境优先污染物之一。重金属无法被微生物分解，而且不易被水淋溶，通过土壤的吸附作用进入到土壤当中，被微生物和植物吸收沉积。通过生物链的或者其他的转化方式，不仅会变得毒性更强，对于整个生态环境的损害都非常大，因此土壤中重金属污染已经成为目前影响面积最广、对环境危害最大的问题之一。

1 土壤中重金属污染物的来源

土壤中重金属污染物来源是多途径的，但其主要来源为人类活动，主要包括：工业活动、农业生产活动及交通运输等。

1.1 工业活动中土壤重金属污染物来源

工业生产活动中所产生的重金属污染物对土壤的输入方式大致分为三种。一种输入方式为随着大气沉降活动进入土壤的大量金属污染物，很多工业生产活动当中都会产生气体和粉尘，比如冶金、建筑材料生产、能源开采等，超标的废气排放和扬尘当中含有的大量金属元素，其中就有很多能造成重金属污染的元素，除汞以外，他们大多以气溶胶的形态进入到大气中，这些大气中包含的重金属污染物会随着的自然的沉降活动再次进入到土壤当中，导致土壤被重金属物质再次污染；另一种输入方式为随着污水进入土壤。重金属污染物通过大量的废水排放进行迁移，最终进入到土壤当中。废水排放有生活污水、化工污水、矿山污水等，虽然生活污水中含有的重金属元素较少，但是由于我国的经济的快速发展，之前对于污水处理不够重视，导致工业废水和生活污水一起排放，这些工业废水中含有汞、铬、镉、铅等众多的重金属元素，最终随着污水的排放，对周围区域的土地造成了直接的重金属污染[2]；最后一种为输入方式为固体废弃物对土壤的重金属污染，固体废弃污染物种类繁杂，最严重的污染来自于矿产和工业，这些固体废弃物大多都是露天堆放，同时也并不能进行快速及时的处理，长时间的在一片土地上堆积，在被日晒和雨淋过程中，固体废弃物重的重金属物质随着雨水迁移，会逐渐污染周围的土壤以及水源。

1.2 农业生产活动中土壤重金属污染物来源

农业活动中产生重金属污染物最多的是农药、化肥和塑料薄膜。虽然这些措施对于农业生产有着非常重要的促进生产的作用，但对土壤的污染同样不可忽略。农药中含有砷、镉、汞、铅等重金属元素，大量施用含有重金属的农药，都会导致土壤中重金属含量累积，最终造成重金属的污染。而在化肥中，过硫酸盐含有的重金属最多，磷肥次之，氮肥和钾肥含量较低，但是氮肥中的铅含量相较于其他几种肥料又略高[3]。农用塑料薄膜生产过程中会使用热稳定剂，而热稳定剂含有镉、铅等重金属元素，在塑料大棚和地膜大量使用过程中都可以造成土壤重金属的污染。

1.3 交通运输活动中土壤重金属污染物来源

交通运输分为海陆空三类，这些运输过程都会不约而同的对环境造成重金属污染，比如各种运输工具的尾气的排放，对土壤和大气造成严重的污染，大气中的各种重金属化学污染物通过空气的沉降和雨水活动迁移，最终对于土地造成再次的污染[4]。海运的燃油泄漏事故时有发生，石油也会对水资源造成污染，通过依靠大海生存的海洋生物和候鸟等带来重金属的聚集，最终通过食物链和动物迁徙等活动给土壤造成重金属污染物的额外输入。汽车制造添加的Zn、Cu 在运输过程中产生的零件磨损也会对土地造成重金属污染。有相关的研究资料表明，交通运输干线附近的土壤当中重金属含量明显高于非干线附近含量，说明交通运输活动已经周围的土壤产生了一定的重金属污染。

2 土壤中重金属污染物的迁移及形态转化规律

土壤中的重金属迁移过程具有多变性，不仅可以从水平方面向平面迁移，还可以从竖直方向向上下实施迁移[5]。重金属会在受到外界的影响时产生形态上的改变，比如在受到外界的物理、生物还有化学方面的影响时，改变了形态，随着这些各个方面的运动更容易从人类和自然界的土壤中向其他介质运动和迁移。而且由于重金属污染物在从自身的土壤向其他介质进行实施形态迁移的同时，会被自身土壤中所携带的溶液所影响，使这些重金属污染物在土壤中发生了形态上的转化。土壤中的重金属污染物主要就是通过物理、化学和微生物等一个或者几个相互作用的情况下进行形态上的迁移转化。

土壤中重金属污染物的物理迁移：土壤中重金属元素在受到土壤自身溶液的作用下，会在土壤中发生水平方向或者垂直方向上的迁移运动。重金属污染物的水平迁移会让重金属元素向周围不断的扩散，土壤被污染的面积越来越大[6]。竖直迁移运动有向上和向下两个方向，向上是由于风力或者人为活动，土壤的表层被带起浮向空气当中，被重金属污染的大气进行活动的过程中带向周围，被周围的土壤胶质再次吸附，造成周围环境被重金属污染。向下迁移会深入到地下的深层土壤和地下水流当中，对更深的土壤造成重金属的污染。

土壤中重金属污染物的化学迁移：土壤中的重金属以不同的形式存在，其形态大体上可分为在液相物质中的形态和在固相物质中的形态。在重金属中难溶电解质的作用下，会使土壤固相和液相之间形成多相平衡的稳定状态。但是，如果土壤溶液中的pH 值等发生变化，则会打破重金属在土壤中的这种平衡，这时土壤当中的重金属元素就会实施迁移以及形态的转化[7]。土壤中的有机物质和土壤胶体也会对重金属污染物的迁移产生影响，电解质的这种平衡状态被破坏，重金属污染物的迁移过程也会被破坏，它的存在形态也会产生变化。

土壤中重金属污染物的生物迁移：土壤属于一个生态环境，土壤和周围的动植物以及大量的微生物组成了完整的一个体系[8]。而土壤中重金属污染物的生物迁移指的就是在这个体系中的生物影响下，土壤中的重金属污染物进行迁移，实现形态的转化。生物可以吸收各自特定的重金属元素，将重金属污染物有效的吸收并且改变它们的化学形态，在这个过程中，土壤中的重金属污染物进行了迁移并且还发生了形态的转变。因为土壤所属于的生物体系是很庞大的，这些生物给土壤中重金属污染物所带来的迁移也是极为复杂的。土壤中的重金属污染是可以被生物的固化作用起到一定减少的[9]。

土壤中的重金属元素以不同的形态存在，而这些不同的形态特征变化则又决定其在土壤中毒性的高低变化。土壤中重金属元素的形态特征差异不仅会产生众多不同的环境效应，同时也会影响着其在土壤中的迁移能力变化以及其在土壤中和其他环境发生直接交换的能力[8]。土壤中重金属元素的活跃程度一方面取决于其在土壤中的总含量，更重要的一方面则是其形态特征分布所起到的作用。只有在有效态的存在状态下，重金属元素才能与周围土壤以及土壤与生物间发生迁移转化。而重金属元素在污染土壤与植物根系土壤间形态的变化，也是其影响重金属元素在土壤植物间迁移转化的重要因素。

3 影响土壤中重金属元素迁移的因素

影响土壤中重金属污染物迁移的主要因素包括pH、有机质、氧化还原作用、络合-螯合作用、胶体的吸附、阳离子交换等。

在所有影响重金属元素迁移的因素中，pH 值的影响作用最大的。因为重金属元素会以怎样的形态存在，很大一部分是由土壤的pH 值决定的[10]。不仅如此，土壤的pH 值还能调整重金属元素在土壤当中的溶解程度。有研究表明，当土壤的pH 值降低到一定程度时，土壤对重金属元素的吸附性变强，与此同时，生物对于重金属元素的作用也变得活跃。所以当土壤的pH 值降低时，重金属元素污染土壤的过程会加快。当土壤的pH 值上升时，土壤的吸附能力变弱，同时生物的活跃性降低，土壤中的重金属污染物的扩散过程会有效的减慢。

土壤有机质：土壤中含有的机质同样对重金属的迁移有一定的影响。有机质对重金属元素的迁移主要有两方面的影响：一方面，有机质对重金属元素吸附能力大于土壤中其他胶体吸附能力，土壤中所含有的重金属元素容易被有机官能团以及小分子化合物所吸附，从而形成稳定化合物；另一方面，有机质在彻底分解后又会使土壤中的重金属元素解脱出来，从而使重金属元素的活性增大。

氧化-还原作用：土壤中的有机物质在遇到氧化还原反应时，有机物质的分解和转化的活动受到直接影响，重金属元素在氧化、还原过程中会产生解吸和吸附的反应，重金属元素在土壤中的形态就会改变。同时，土壤内部的氧化还原反应本身就是各种元素之间的电子得失活动，而重金属的本质也属于元素，因此，氧化还原反应会使重金属的迁移转化更加容易[11]。

络合-螯合作用：重金属元素通过络合作用提高了在土壤溶液当中的溶解度，土壤胶体的吸附能力就会下降。土壤当中的腐殖物质螯合能力非常强，重金属和有机物质作用后会形成螯合物，它在土壤溶液中的溶解难易程度也会决定在土壤中重金属迁移所受到的影响。一般来说，金属在土壤中的螯合作用和吸附作用是同时进行的，但是会受到壤溶液中重金属离子浓度的影响，浓度高时，土壤对金属元素主要是吸附。而离子浓度较低时，土壤中的金属元素进行络合螯合作用。

土壤胶体的吸附作用：土壤胶体是土壤中呈胶体状态的物质。分类上可分为有机胶体、无机胶体和有机无机复合胶体三类。有机胶体主要是腐殖质，无机胶体是岩石风化的产物。由于土壤中的胶体能够直接吸附到土壤中的各种重金属元素,重金属物质能够通过这些介质直接在土壤中进行迁移或者转化,土壤胶体吸附了重金属并固定，可以降低重金属通过生物迁移转化的活动，因此，可以减少土壤中重金属污染物的迁移转化活动。

土壤阳离子交换量：重金属元素在土壤中的吸附过程也同时伴随着电荷的得失及离子价态的变化。在土壤阳离子交换过程中，重金属元素与土壤胶体原吸附离子发生等价交换，从而使重金属固化，而当土壤溶液中大量存在阳离子时，又会使吸附态的重金属元素活化，影响重金属在土壤中的迁移转换[12]。

结语

我国土壤中重金属污染的形式严峻，这个问题已经对我国的农业和人民的健康生活造成了较大的影响且防治困难。通过对土壤中的重金属污染物的来源、迁移及形态转化规律的研究，可以得到土壤中重金属污染物的迁移机制。但是，目前依然没有非常有效的方法进行防治土壤中的重金属污染，重金属污染已经成为威胁我们生存环境的一个重要因素之一，因此必须要提高全民的关注度，提高人民保护土壤的自觉意识，减少人为活动对土地的污染，达到提前防治的效果。