（自然地理学专业论文）郑汴公路两侧土壤—小麦系统重金属污染及迁移.pdf

中文摘要 土壤一植物系统是生物圈的基本结构单元，也是土壤环境研究的主要对象。 该系统发生重金属污染，不但影响植物产量与品质，而且影响大气和水环境质量， 并可通过食物链危害人类的生命和健康。土壤的重金属污染主要来自工业“三废”、 城市生活垃圾、农药和肥料以及汽车尾气等。其中交通运输造成的重金属污染不 容忽视。机动车尾气作为环境污染源，是土壤化学污染的一个重要来源。随着我 国运输业的发展，机动车拥有量迅速增加，致使公路边重金属污染日趋严重。因 此，开展公路旁土壤、植物重金属污染监测和评价，有利于揭示重金属在土壤一 植物系统中的残留和累积动态，具有重要的理论意义。 本论文研究了郑汴公路公路旁土壤小麦系统重金属( p b 、c d 、n i 、c u 、z n 、 c r ) 污染和迁移规律。在获得郑汴路两侧土壤、小麦中重金属污染情况以及路尘， 路旁沟渠土中重金属含量试验数据的基础上，分析了重金属污染现状以及重金属 在土壤一小麦系统中的迁移规律，探讨了该区域影响重金属污染物迁移的因素。 全文共分为四个部分： 第一部分：简要地介绍了土壤一植物系统重金属污染研究现状和发展趋势， 综述了公路交通对土壤一植物系统重金属污染的国内外研究现状。 第二部分：介绍了研究路段的概况以及采样断面的选择，接着说明了郑汴公 路两侧土壤和小麦分析样品的采集和制备过程，然后阐述了实验项目的理由，最 后介绍了项目的实验方法。 第三部分：首先对郑汴路公路两侧土壤和小麦种子的污染现状展开了评价， 然后分别从重金属在土壤中的分布和迁移、小麦对重会属的富集以及土壤一小麦 系统重金属迁移的影响因素等方面展开了较为详细的分析。 第四部分：得出了主要的研究结论，并指出了本文存在的不足之处以及需要 继续研究的内容。 通过以上研究，得出了主要结论如下： i ( 1 ) 郑汴公路两侧土壤重金属含量明显高于背景值，土壤c d 、p b 和z n 污染 最突出，达重度污染；土壤c u 的污染水平在非污染中度污染之间；土壤未受到 n i 、c r 的污染。土壤重金属综合污染指数基本上与距公路的距离呈负相关，离公 路越近，污染指数越大。两个断面在公路两侧l o o m 范围内已经形成重度污染带。 ( 2 ) 在杏花营断面采集的路尘和沟底土重金属污染已非常明显，综合污染指 数达到重污染。 ( 3 ) 公路两侧土壤中的重金属含量随距公路路基距离的远近而不同，两者并 不是简单的线性负相关。除圃罔断面路南外，圃用断面路北、杏花营断面南北两 侧土壤重金属含量都是先随距路基距离的增加而增加，然后随距离的增加而逐渐 下降，大部分重金属元素在距路基2 5 5 0 m 的范围内出现一个峰值。圃田断面路 南，由于受南侧陇海铁路的影响，重金属含量多呈现先逐渐减少，然后随距离的 增加而逐渐升高。 ( 4 ) 土壤的重金属主要累积在0 - - 2 0 c m 的土壤表层，随着土层深度的增加， 土壤的重会属含量则逐渐减少。 ( 5 ) 郑汴公路两侧的小麦已经发生不同程度的重金属污染。在小麦种子五种 重金属元素中，p b 的污染最为严重，3 5 m 处的污染指数大于1 0 ；c u 污染次之，c d 、 c r 污染较轻，z n 没有发生污染。在距离公路路基3 5 m 处，小麦种子的重金属污 染最为严重。 关键词：郑汴公路，公路两侧土壤一小麦系统，重金属污染，重金属迁移 i i a b s t r a c t s o i l p l a n ts y s t e mi st h eb a s i cu n i to ft h eb i o s p h e r e ，a n di ti st h em a i nr e s e a r c h o b j e c to f t h es o i le n v i r o n m e n t i ft h i ss y s t e mi sp o l l u t e db yh e a v ym e t a l s n o to n l yt h e p l a n tp r o d u c t sa n dq u a l i t yb u ta l s ot h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t yo fa t m o s p h e r ea n dw a t e r w i l lb es e v e r e l ya f f e c t e d ，a n df i n a l l yd oh a r mt oh u m a nl i v e sa n dh e a l t ht h r o u g hf o o d c h a i n t h eh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o nm a i n l yd e r i v e sf r o mi n d u s t r i a lw a s t e ，m u n i c i p a l s o l i dw a s t e ，p e s t i c i d ea n df e r t i l i z e r 踮w e l la sa u t o m o b i l ee x h a u s ta n ds oo n ，i nw h i c h w es h o u l da t t a c hi m p o r t a n c et ot r a f f i cp o l l u t i o n a sas o u r c eo f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ， a u t o m o b i l ee x h a u s ti sak i n do f i m p o r t a n ts o i le h e m i e a ic o n t a m i n a t i o ns o u r c e w i t ht h e d e v e l o p m e n to f t h et r a n s p o r t a t i o nc a r r y i n gt r a d e v e h i c l e sp o s s e s s i o n si n c r e a s er a p i d l y a c c o r d i n g l y ，t h ei n c r e a s e dt r a f f i c v o l u m e sh a v eb r o u g h ta b o u ts e r i o u sh e a v ym e t a l c o n t a m i n a t i o na l o n gh i g h w a y t h e r e f o r e ，t h em o n i t o r i n ga n da s s e s s m e n to ft h es o i la n d p l a n th e a v ym e t a l c o n t a m i n a t i o nw i l lb ei nf a v o ro fi l l u m i n a t i n gt h er e s i d u a la n d a c c u m u l a t i n gm e c h a n i s m o f t h eh e a v ym e t a li nt h es o i l p l a n ts y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec o n t a m i n a t i o na n dm i g r a t i o no f h e a v ym e t a l s ( p b 、c d 、n i 、 c u 、z n 、c r ) i n t h er o a d s i d es o i l - w h e a ts y s t e m a l o n gz h e n g - b i a nh i g h w a y w e r es t u d i e d o nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t a ld a t ao ft h eh e a v ym e t a l si ns o i l ，w h e a t ，r o a dd u s t sa n d s o i l so f r o a d s i d ec a n a l ，t h ea u t h o ra n a l y z e dh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o ns t a t u sa n dl a wo f m i g r a t i o n o f h e a v ym e t a l ，t h e nd i s c u s s e d t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h em i g r a t i o no fh e a v y m e t a lp o l l u t a n t si nt h ea r e a t h e r ea r ef o u rm a i n p a r t so f t h i sd i s s e r t a t i o n ： p a r tii nt h i s p a r t ，t h e c u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h e r e s e a r c ha b o u th e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o ni n t h e s o i l p l a n ts y s t e m w e r e g e n e r a l l y i n t r o d u c e d t h e nt h ea u t h o rs u m m a r i z e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h es t u d ya th o m ea n d a b r o a do nt h eh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o ni ns o i l - p l a n ts y s t e mc a u s e db y w a f f l ep r o b l e m i i i p a r t1 1i nt h i sp a r t ，t h eb a s i cc o n d i t i o n so ft h er e s e a r c ha r e aa n dt h es a m p l i n g t r a n s e c t sw e r ei n t r o d u c e d t h e nt h ec o l l e c t i o na n dp r e p a r a t i o np r o c e s so ft h es o i la n d w h e a ts a m p l e sa l o n gz h e n g b i a nh i g h w a yw e r ea l s op r e s e n t e d f i n a l l y , t h em e t h o d so f t h ee x p e r i m e n t a li t e m sw e r ee x p o u n d e d p a r ti i ib a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h eh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o nl e v e l so f s o i la n dw h e a ta l o n gz h e n g b i a nh i g h w a yw e r ea s s e s s e d t h el a wo fd i s t r i b u t i o na n d m i g r a t i o no fh e a v ym e t a l si nt h es o i lw a sa n a l y z e d t h ea c c u m u l a t i o np r i n c i p l e so f t h e h e a v ym e t a l si nt h ew h e a tw e r ed i s c u s s e da n dt h ef a c t o r st h a ti m p a c tt h eh e a v ym e t a l m i g r a t i o nw e r e a l s os t u d i e d p a r ti vi nt h i s p a r t ，t h em a i nc o n c l u s i o n s w e r ed r a w n a tl a s t ，t h ea u t h o r p o i n t e do u ts o m e l i m i t a t i o n so ft h i ss t u d ya n df u r t h e rp u tf o r w o r ds o m ee x p e c t a i o n sf o r t h ef u t u r es t u d y c e n t r a lc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eh e a v ym e t a lc o n t e n t so ft h es o i la l o n gz h e n g - b i a nh i g h w a yo b v i o u s l y e x c e e dt h el o c a l b a c k g r o u n d v a l u e s c d 、p ba n dz nc o n t a m i n a t i o ni ss e r i o u s ； c o n t a m i n a t i o nl e v e lo fc u i sb e t w e e nn o n c o n t a m i n a t i o n a n dm e d i u m c o n t a m i n a t i o n t h es o i li sn o t p o l l u t e db y n i 、c r t h e s y n t h e t i cc o n t a m i n a t i o n i n d e xa n d t h ed i s t a n c ef r o mr o a d b e da r en e g a t i v ec o r r e l a t i o n t h eb o t hs a m p l i n gt r a n s e c t sf o r m t h ec o n t a m i n a t i o nb e l tw i t h i nt h ed i s t a n c eo f 10 0 mf r o mt h er o a d b e d o f h i g h w a y ( 2 ) t h eh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o nl e v e l o ft h er o a dd u s t sa n ds e d i m e n t si nt h e c a n a la l o n gt h eh i g h w a yi sh i g h ( 3 ) c o n c e n t r a t i o n so fh e a v y m e t a l si nr o a d s i d es o i ld e c r e a s ew i t hd i s t a n c ef r o m t h e h i g h w a y , a n dc o n c e n t r a t i o n s a n dt h ed i s t a n c ea r en o ts i m p l yn e g a t i v e l yc o r r e l a t e d e x c e p t t h es o u t h p a r to f t h es a m p l i n gt r a n s e c ti np u t i a n ，t h eh e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n s i nt h es o i lo fo t h e rp a r to ft h es a m p l i n gt r a n s e c t sa r ea l li n c r e a s e dw i t hd i s t a n c ef r o m t h e h i g h w a y ，t h e ng r a d u a l l yd e c r e a s ew i t hd i s t a n c e m o s th e a v y m e t a lc o n c e n t r a t i o n sr e a c h v m a x i m u mv a l u e sa tt h ed i s t a n c eo f2 5 5 0 mf r o mh i g h w a y a tt h es o u t hp a r to fp u t i a n s a m p l i n gt r a n s e c t ，b e c a u s e o ft h ei n f l u e n c eo fl o n g h a ir m l w a y , t h eh e a v ym e t a l c o n c e n t r a t i o n sa r ef i r s t l yd e c r e a s e dt h e ni n c r e a s e dw i t ht h ed i s t a n c e ( 4 ) h e a v ym e t a l se n t e r i n gi n t o s o i l m a i n l ya c c u m u l a t e i nt h es u r f a c el a y e r ( 0 2 0 c m ) c o n c e n t r a t i o n so f t h eh e a v y m e t a l sd e c r e a s ew i t h d e p t h 【5 ) t h ew h e a ts e e do n t h er o a d s i d eo f z h e n g b i a nh i g h w a y h a sb e e nc o n t a m i n a t e d i nt h e5e l e m e n t st h a th a v eb e e nm e a s u r e d ，p bc o n t a m i n a t i o ni sm o s t p r o m i n e n t a n dt h e c o n t a m i n a t i o ni n d e xi sm o r et h a n10a tt h es a m p l e i n gs i t eo f3 5 m a w a y f r o mr o a d b e d t h ec o n t a m i n a t i o no f c ui sm i n o ra n dc d 、c rc o n t a m i n a t i o ni sr e l a t i v e l ys l i g h t t h e r ei s n o tz nc o n t a m i n a t i o ni nt h ew h e a ts e e d s a tt h es i t eo f3 5 m a w a yf r o m t h eh i g h w a y , t h e c o n t a m i n a t i o no fw h e a ts e e di sv e r ys e v e r ec o m p a r e dw i t 1o t h e rs i t e s k qw o r d s ：z h e n g - b i a nh i g h w a y ；r o a d s i d e s o i l - w h e a t s y s t e m ；h e a v y m e t a l c o n t a m i n a t i o n ；h e a v ym e t a lm i g r a t i o n v 郑汴公路两侧土壤一小麦系统重金属污染及迁移 土壤植物系统( s o i l 。p l a n ts y s t e m ) 是生物圈的基本结构单元，也是土壤环境研 究的主要对象。它作为环境的重要成分和可更新的珍贵资源，与人类形成了生存 层次上的关系。土壤圈物质循环研究是当今土壤学和环境科学的重要领域，土壤 植物系统中重金属污染物迁移转化则是这一领域的重要内容。国际生物圈计划 ( i b p ) 、人与生物圈( m a b ) 以及目前正在组织的国际地圈一生物圈计戈i j ( i g b p ) 都把 壤一植物系统列为主要研究对象。由于该系统具有转化贮存太阳能为生物化学 能的功能，所以该系统发生熏金属污染，不但影响植物产量与品质，而且也影响 大气和水环境质量，并可通过食物链危害人类的生命和健康。更为严重的是，重 金属在土壤一植物系统中的污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点，因 此对土壤植物系统重金属污染问题进行深入的研究就显得尤为重要。 土壤的重金属污染主要来自工业“三废”、城市生活垃圾、农药和肥料以及汽 车尾气等。其中交通运输造成的重金属污染不容忽视。机动车尾气作为环境污染 源，是土壤化学污染的一个重要来源，机动车排放的污染物主要来自燃料的燃烧， 汽车引擎、轮胎以及刹车的磨损，燃料和冷却剂的渗漏腐蚀等。随着我国运输业 的发展，机动车拥有量迅速增加，致使公路边重金属污染日趋严重。因此，开展 公路旁土壤、植物蘑金属污染监测和评价，有利于揭示重金属在土壤一植物系统 中的残留和累积动态，具有重要的理论意义。 郑汴( 郑州至开封) 公路在洛开( 洛阳至开封) 高速通车之前，是连接河南两大中 也峨市郑州和开封的唯一通道，交通量较大，通车时间长。在公路旁土壤一植物 系统重金属污染的研究方面，郑汴路具有一定的典型性。本文在获得郑汴路两侧 土壤、小麦中重金属污染情况以及路尘，路旁沟渠土中重金属含量试验数据的基 础上，分析了重金属污染现状以及重金属在土壤小麦系统中的迁移规律。同时， 将复合污染与土壤有机质含量、机械组成、p h 值、阳离子交换量( c e c ) 结合起来， 探讨该区域影响重金属污染物迁移的因素，旨在丰富土壤一植物系统重金属污染 的理论，同时也对公路旁土壤重金属污染的防治和公路旁土地的合理利用、规划 和管理具有一定的现实意义。 1 公路交通对土壤一植物系统重金属污染研究述评 1 1 土壤一植物系统重金属污染研究的历史回顾 1 1 1 土壤重金属污染物来源及其存在形态研究 重金属指的是比重大于或等于5 o g c m 3 的金属，如c d 、c r 、n i 、c u 、z n 、p b 等。一般说来，土壤重金属污染指的是由于人类活动将重金属加入到土壤中，致 使土壤重金属含量明显高于原有含量，并造成生态环境质量恶化的现象( 陈怀满等， 1 9 9 们o l 。农田土壤中的重金属元素从生物化学特征上可分为两类，一类是对作物 和人畜都有害的，如p b 、c d 和h g 等；另一类是在常量下对作物或人体为有益元 素，而过攮时出现危害，如c u 、z n 、m n 、c r 等( t y l e r 等，1 9 8 9 ) 【2 】o 土壤的重金属污染主要来源有( 1 ) 工业“三废”的排放，( 2 ) 汽车尾气，( 3 ) 城市 生活垃圾、污泥农用和有机肥等，( 4 ) 含重金属的农药、化肥的不合理使用，等等。 例如，未经处理的工业与生活废水经污灌或任意排放进入土壤后，大量的重金属 元素可在土壤中富集，从而进入食物链，对人体健康造成影响。据调查发现，成 都、沈阳张士污灌区常见病发生率明显高于对照地区，其中张士污灌区居民癌症 死亡率达0 1 1 7 ，尿c d 浓度也高达3 8 3 9 9 l ，明显高于对照区【3 】。不仅如此， 在一些地区重金属c d 的污染甚至已发展到生产“镉米”的程度。未经处理的废气 中的重金属污染物通过于湿沉降进入土壤，其中的重金属可对土壤造成污染，尤 以汞、铅等元素的污染最为突出。另外，汽车尾气也会引起交通干线附近的土壤 污染，使这些地区土壤的含铅量明显增加。农田中喷洒的农药通常只有很少部分 落在植物体上，其余绝大部分最终进入土壤。其中。一些农药中含有的p b 、h 卧 a s 等重金属，如有机汞、砷制剂等，其残效期长达5 0 6 0 年，因此。长期使用这 样的农药也会在一定程度上造成农田的重金属污染。化学肥料中重金属污染，特 2 别是c d ，主要来自磷肥。 由于土壤组成的复杂性和土壤物理化学性状( p h 、e h 等) 的可变性，造成了重 金属在土壤环境中的赋存形态的复杂和多样性1 4 】。进入土壤中的重金属，通过溶解、 沉淀、凝聚、络合、吸附等各种过程，形成不同的化学形态，并表现出不同的活 性，进而影响植物的有效性【5 1 。按t e s s i e r 连续浸提法，一般将土壤中的金属形态 划分为可交换态，碳酸盐结合态，铁锰氧化物结合态，有机态和残余态。但不同 的提取方法划分的形态有所差异。在西安污灌区0 2 0 c m 土层中，p b 的各种形态 的含量大小顺序是碳酸盐结合态 硫化物残渣态 有机结合态 吸附态 交换态。c u 则是碳酸盐结合态 硫化物残渣态 有机结合态 交换态 吸附态。菠菜吸收z n 量与 土壤铁锰氧化念z n 含量呈极显著正相关，这与土壤中的z n 主要以残留态、铁锰 氧化物态和碳酸盐态存在有关，且铁锰氧化物态z n 在还原条件下可被释放出来， 易被植物吸收利用1 6 j 。因此，在重金属污染土壤的治理中，如果使对植物有效的重 金属形态转化成无效的难溶态，则可减少作物对重金属的吸收。 1 1 2 土壤重金属污染物迁移规律研究 进入土壤的重金属污染物由于土壤胶体的吸附、代换、络合和螯合作用以及 生物作用，大部分被固定在耕作层中，很少向下迁移。夏增禄( 1 9 8 5 ) 等人对北京 地区重金属在土壤中的纵向分布和迁移的研究表明，重金属进入土壤后，由于土 壤对它们的固定，不易向下迁移，多集中分布在表层。在旱作农田中，重金属一 般集中分布在耕作层，向下迁移的深度大约在2 0 4 0 6 0 c m 。进入土壤的c d 主 要分布和富集在0 2 0 c m 的耕作层i ”。丁中元( 19 8 9 ) 的研究也表明，重金属( c u 、 p b 、c d ) 主要富集在土壤耕作层，而且其可给态含量较高，c d p b c u ，分别占全 量的6 0 1 、3 8 8 、3 0 1 1 8 】。冯恭衍( 1 9 9 1 ) 等人的研究表明，土壤中的重金属元 素一般在上层( 0 2 0 e m ) 聚积。尤以o 1 0 c m 的表层为最高。重金属元素主要分布 在土壤耕作层的现象，对作物的生长及其卫生品质都带来了不利影响【9 1 。 陈健安( 2 0 0 1 ) 等的研究表明，污染区的p b 主要滞留在表层，随着深度的 增加，含量逐渐下降。这种分稚状态与土壤性质有关。d h 值是影响重金属迁移、 3 转化的重要因素，其溶解度随土壤p h 值的升高而降低，因而重金属在p h 值高的 土壤中不易迁移。有机质含量是影响p b 迁移的又一个方面。一般进入土壤中的p b 易与有机质络合，使p b 在土壤中的活动性减弱。由于表层土壤有机质含量比较高， p h 值又不太低，因此p b 不易在土壤表层中迁移、转化，这是p b 主要滞留在土壤 表层的主要原因【1 0 。 马丽( 2 0 0 4 ) 通过对佳木斯至七台河某路段旁水稻田( 污染区) 土壤和稻谷中c d 、 p b 含量的研究表明，各污染区c d 、p b 含量在土壤剖面中的分布以表层( o 1 2 c m ) 为最多，随着土壤深度增加，存留量逐渐降低。污染区与重污染区底层土壤c d 、 p b 含量明显高于对照区底层土壤c d 、p b 含量【l ”。 1 1 3 土壤一植物系统重金属污染物生物有效性 重金属进入土壤后，会被作物吸收。重金属的生物有效性( b i o a v a i l a b i l i t y ) 指重 金属能被生物吸收或对生物产生毒性的性状【1 2 】。土壤一植物系统中影响重金属生 物有效性的因素很多，主要有土壤性质、重金属的复合污染和根际环境等。 1 1 3 1 土壤特性对重金属生物有效性的影响 金属离子在土壤中会进行一系列络合、吸附、解吸、迁移等物理化学反应， 这些过程决定着金属离子在土壤中的有效性和分散性，只有溶解性的和可交换态 形式的离子才可直接被作物吸收1 3 1 。而土壤条件的改变控制着有效金属离子的浓 度。这些土壤参数包括p h 值、交换阳离子容量( c e c ) 、有机物含量、碳酸盐含量、 水和f e m n 氧化物、氧化还原能力( e h 值) 和温度等。对生长在一定土壤中的植物 来说，其种类和栽培技术也是影响植物组织中各污染因子浓度的因素【1 4 】。 p h 值增高会引起土壤对金属的吸附量增加，从而使植物的吸收量下降。 r o m k e n s p e a m 的研究表明，随着土壤p h 值、有机物和黏粒含量的增加，大部 分微量元素会因吸附作用，或者形成络合物而使浓度下降、离子活性减小【l 4 1 。 1 1 3 2 有机质对土壤中重金属的活化作用 有机质对土壤中重金属的吸附作用有着深刻的影响，它可改变溶液重金属的 存在状态，或改变吸附体的表面性质而影响重金属的吸附。有机质能增加或抑制 4 重金属的吸附，或对吸附不产生明显作用【l5 。据张敬锁( 1 9 9 9 ) 等研究，向土壤 中施入有机肥可减缓c d 污染对作物的危害。有机质有很大的比表面积，对c d ” 有强烈的吸附作用，尤其是有机质分解产生的腐殖酸可与c d 2 + 形成螯合物沉淀。 有机质也可与c d 形成高稳定性的可溶性物质，虽然能大大提高土壤中c d 2 + 浓度， 但不增加植物的吸收；而形成小分子的可溶性络合物时，却能提高植物对c d 2 + 的 吸收。利用有机质作为c d 污染土壤的改良剂时，这种情况应值得注意 1 6 。 1 1 3 3 根际环境对重金属生物有效性的影响 由于根系分泌物的存在，所以根际微区的物理、化学、生物特性等都异于土 体。重金属在这里发生酸碱反应、氧化还原、络合、离解，以及吸附解吸，导致 重金属形态变化，改变其生物有效性和生物毒性1 1 7 】。 一般认为，根际活动能活化根际重金属，提高其生物有效性。c a c a d o r ( 1 9 9 6 ) 等发现，z n 、p b 、c u 在非根际环境中以可迁移的化学形态存在，而在根际环境 中它们主要以残渣态存在。他认为根际可能存在交换态、碳酸盐态向铁锰氧化物 结合态转化的机制【l 8 】。m e n c h ( 1 9 9 4 ) 等发现，燕麦根际分泌物可以溶解铁锰氧化 物，从而增加z n 、c d 和n i 的植物有效性。但机理方匝的研究尚处于探索阶段【1 9 1 。 1 1 3 4 重金属交互作用对生物有效性的影响 据陈怀满( 1 9 9 8 ) 等研究，c d 、p b 、c u 、z n 和a s 的交互作用促进了c d 、p b 、 z n 的活化，而增加植物的吸收，对a s 反而有所抑制。以c d 为例，p b 、c u 、z n 和a s 浓度增加有利于土壤c d 的解吸，7 0 以上的吸附态c d 可以被解吸下来，进 入土壤溶液。当c d 和p b 交互作用时，p b 可能会夺取c d 在土壤的吸附位而提高 土壤中c d 的有效性1 2 0 1 。据水培研究，当c d 与z n 共存时，z n 有促进c d 向地上 部分转移的作用，a s 可促进苜蓿吸收c d 向地上茎叶运转的功能【2 1 】。 重金属交互作用的强弱与土壤p h 值密切相关。当p h 值较低时，土壤中重金 属可溶态含量增加，植物对污染物的吸收量增加，元素间交互作用就强。复合污 染研究表明，多离子共存更接近现实条件，而过去根据单元素试验制定的环境质 量标准，没有充分考虑多种金属离子共存时的交互作用，与实际情况有差异。 5 除以上几个影响因素外，土壤的营养成份含量、氧化还原作用、温度及时间 等因素也会不同程度地影响重金属的有效性。只是在不同条件下所起作用不同。 我们可以利用这些因素，适当控制植物对重金属的吸收，从而减少重金属对食物 链的危害。 1 1 3 5 植物种类和农业活动对重金属生物有效性的影响 植物种类的差异，直接决定吸收重金属的能力的差异。同一种植物种类对不 同的重金属元素的吸收能力不同，不同种类的植物对同一种重金属元素的吸收能 力也不同。同时，同一种重金属元素在不同植物体内的分布有显著差异。王新和 吴燕玉( 1 9 9 8 ) 研究了玉米、水稻、大豆、小麦不同农作物对重金属的吸收，就z n 而言，玉米茎叶是吸收的主要部位，大豆和小麦的z n 主要集中在籽实，水稻却集 中在根部1 2 2 1 。植物的生长也会影响土壤中重金属的赋存状态和移动性，植物根部 的阳离子交换量及植物体内的各种氨基酸对重金属的吸收也有一定影响【2 引。 农业活动对重金属生物有效性有重要影响。如施加磷肥则会降低土壤重金属 的生物有效性，减少植物对重金属的吸收( 曹仁林，1 9 9 3 ) 2 4 1 ，在酸性土壤中施用 石灰可普遍降低了植物中重金属的含量。 1 1 4 土壤一植物系统重金属污染评价研究 开展重金属污染土壤的环境质量研究一方面可以了解土壤重金属的污染程度 和现状，并且以直观的数学方式表达出来，有利于进行判断；另一方面可以针对 现有的情况进行合理的农业和工业生产布局，维护人们的自身的健康，同时还可 以有计划、有步骤的开展防治和修复工作。现有重金属污染土壤的环境质量评价 包括两个大的方面。 1 1 4 1 评价标准的选择 土壤作为环境要素不象大气和水体那样，污染物可直接进入人体危害健康。 土壤污染物须通过食物链，主要是通过作物才能进人体，而且土壤和人体之间的 物质平衡关系比较复杂，故确定土壤污染的卫生标准难度较大。另外，土壤作为 自然体而有其固有的地域成因，组成物质均一性差，这也是难以确定统一的土壤 6 污染物质卫生标准的原因之一【2 引。一般选用如下的标准： ( 1 ) 以区域土壤背景值为评价标准。土壤背景值是指在一定区域内，远离工矿、 城镇和道路，未曾受到或相对受到“三废”污染的土壤有毒物质的平均含量。 ( 2 ) 以土壤本底值为评价标准。土壤本底值是指未受人为污染的土壤中有毒物 质的平均含量。 ( 3 ) 以区域性土壤自然含量为评价标准。区域性土壤自然含量是指在清水灌区 内，选用与污水灌区的自然条件、耕作栽培措施大致相同、土壤类型相近的土壤 中有毒物质的平均含量。 ( 4 ) 以土壤对照点含量为评价标准。土壤对照点是指在未污染地区的土壤上选 择与污染地区的自然条件、土壤类型和利用方式大致相同的土壤作为对照点，以 一个或几个对照点的平均值污染物含量作为对照点含量。 ( 5 ) 以国内外现以认可得的土壤环境标准( 或基准) 作为评价标准矗2 国在1 9 9 5 年制定了国家土壤环境质量标准( g b l 5 6 1 8 - - 1 9 9 5 ) 。 ( 6 ) 以土壤的临界含量作为评价标准。土壤临界含量是土壤污染评价中另一个 关键的土壤重金属污染的限值，但现在对土壤临界含量的含义、依据和临界值的 高低还不统一。般以作物体中污染物含量超过食品卫生标准时，土壤中该污染 物的浓度含量为重要依据。如日本以稻米中含c d 量达到1 m g k g 时的土壤中c d 的浓度2 m g , t k g 为临界含量。 如何确定和统一土壤环境评价与分级标准是一个有待进一步解决的重要问 题。评价标准的高、低，均会给土壤环境评价带来影响，为土壤污染防治带来经 济和人力上的浪费。 1 1 4 2 评价方法 ( 1 ) 生物法。所谓土壤被污染，主要是由于土壤引起了生物的某种反应。所以， 可根据生物反应的情况，来判断土壤污染。 植物反应：常根据檀物叶片、长势和产品来衡量土壤污染状况。例如，a s 污 染的土壤，其生长的植物首先表现在新“功能叶”萎蔫，继而阻止植物根部和顶 7 部生长。水稻受a s 毒害，表现出叶卷曲，死组织呈紫红色或淡红色，最后变成淡 黄色。n i 污染土壤所生长的植物，最初没有表现，以后叶片才失绿，与缺铁相似。 累积量：利用植物中重金属累积量；或者用它与土壤中重金属累积量之比； 或用农作物对重会属的吸收率作为土壤环境质量评价标准。 评定不同土壤的污染程度，须采用同一作物，同一部位的重金属累积量进行 比较。 ( 2 ) 毒理法。根据作物中毒物对人体影响的剂量作为土壤污染评价标准。例如， 稻米中c d 含量超过0 4 m g k g ，成人日摄取量超过0 3 m g ，土壤的o 1 m o l l h c l 浸 提液中含c d 达0 3 3 m g k g ，为土壤污染区。 ( 3 ) 指数法。土壤污染评价指数法包括分指数法和综合指数法。 分指数法：以土壤单项污染物的实测值与评价标准相比，比值为分指数，用 以表示土壤中该污染物的污染程度。即： 1 , - - c s 1 式中，五为第f 种污染物的污染分指数；c i 为第i 种污染物实测含量；为第i 种污染物质量评价标准。 根据分指数的大小，划分污染等级，作为土壤污染评价的客观依据。 综合指数法。土壤一般为多项重金属元素所污染，因而土壤污染评价多应用 综合指数法进行综合污染评价。综合指数法的计算，一般是在求得各单项因子污 染分指数的基础上，再计算多因子综合污染指数。综合指数法主要有： 均权迭加法： 卢 i = l 均权迭加均值法： i = 1 2 i = 1 均权平方根法： 8 卢( i i 2 ) ” l - l 均权均值平方根法： i = ( 1 2 l i 2 ) “ j = l 内梅罗指数法： l = 1 2 a v e r a g e ( 五) 2 + m a ) ( ( 五) 2 ) 1 佗 加权迭加法： 卢i i - 彬 i = l 基数迭加法： _ - ( j r - 1 ) 芦l 以上公式中，为综合污染指数，五为第f 种污染物的污染分指数，形为权重。 在求得土壤污染综合指数后，根据综合指数值的大小，划分土壤污染等级， 然后，依据土壤污染等级指标，可对研究区进行土壤污染评价。 ( 4 ) 其他评价法。国内外许多学者将模糊数学理论和灰色系统理论应用于土壤 重金属污染评价中，产生了模糊数学综合评判法和灰色聚类法。其后将灰色聚类 法加以改进，出现了等斜率灰色聚类法以及将层次分析法理论用于土壤重金属污 染评价的基准分析法等。 模糊数学综合评判法简称模糊法，是利用土壤质量分级差异中间过渡的模糊 性，将土壤污染方法按照不同分级标准，通过建立隶属函数在闭区间 o ，1 】内连续 取值来进行评价的方法 2 6 1 。主要步骤有：对单项污染指标分别建立隶属函数，求 出隶属度；建立模糊关系矩阵；计算各污染因子的权重；进行模糊聚类，综合评 判，取聚类系数最大者为该测定对象的污染级别。 灰色聚类法基于环境质量系统的灰色性，考虑多项因子的综合影响，将聚类 对象对于不同聚类指标所拥有的白化数，按几个灰类进行归纳，从而判断该聚类 对象属于哪一级2 7 1 。它须经过将实测值和评价标准进行无量纲化处理；通过建立 9 白化函数来反映聚类指标对灰类( 评价指标) 的亲疏关系求取聚类权；计算聚类系数 等步骤，根据聚类系数的大小来判断土壤污染级别，污染级别为聚类系数中最大 者。 等斜率灰色聚类法是在灰色聚类法的基础上作了一些改进的评价方法【2 8 】。其 原理与灰色聚类法大致相同，只是以等斜率方式构造白化函数，并以修正系数代 替灰色聚类法中的聚类权而对白化函数进行修正。在评价中要经过求白化函数的 闽值，构造白化函数，求修正系数，计算聚类系数等步骤，以聚类系数最大者为 污染级别。 基准分析法是在特定的指标下，从众多的评价对象中选择少数的几个具有代 表性的点，作为评价的基准点【29 1 。基准点包括在特定的指标下评价对象中最大、 最小值点，其余各点以选择出现频率较多的点，或次大、次小值点为好，但也可 任选。是一种人为选择的理想基准状态点。然后，基准点两两比较，根据层次分 析法原理给出相应的基准判断矩阵，求出基准点在特定指标下的相对单排列顺序 向量。在相同条件下，各评价对象与基准点比较，得出总体判断矩阵，而后求出 总排序向量。叠加各指标下的总排序向量，并经归一化处理，即可得出各评价对 象的相对优差程度。 对于植物的重金属污染评价多采用污染指数法，和土壤重金属污染评价的指 数法相似，这里不再赘述。关于农作物重会属污染评价标准，学者们多采用国家 食品卫生限量标准。 1 1 5 土壤一植物系统重金属污染治理研究 由于土壤重金属污染的潜在性、不可逆性、长期性和后果的严重性，所以土 壤重金属污染的治理应立足于“防”重于“治”的基本方针【3 。目前，大多数土 壤一植物系统重金属污染治理方法尚处于试验阶段，再加上治理费用等问题，实 际能应用的成熟方法很少。 1 1 5 1 工程措施 工程措施治理土壤一植物系统重金属污染的方法主要包括客土、换土、翻土、 1 0 去表土等。此种方法效果好，适用于大多重金属污染物治理和多种条件。汪雅各 等人对上海市宝山区和川沙县两种重金属污染土壤进行客土改良试验表明，经客 土处理后土壤表层重金属元素含量大大降低，同时可使青菜体内c