土壤重金属污染及其化学形态特征

1、土壤重金属污染及其化学形态特征2009年第 1期(总第 122期陈宝才,罗建中,关红安,欧阳勇 (广东工业大学环境科学与工程学院,广州 510006【摘 要】 土壤重金属污染问题已成为环境和土壤科学研究的热点问题。 着重阐述了土壤 中重金属污染的工业、 农业和交通运输三个方面的主要来源, 介绍土壤中重金属污染的化学 形态及其污染特征,并就这一领域今后的研究方向进行了总结。【关键词】 土壤;重金属污染;化学形态土壤重金属污染是指由人类活动使重金属在土壤中的累积量, 明显高于土壤环境背景值, 致 使土壤环境质量下降和生态恶化的现象。 土壤重金属污染可以影响农作物产量和质量, 并可 通过食物链危害人

2、类的健康,也可以导致大气和水环境质量的进一步恶化。1土壤重金属污染产生的来源土壤中重金属元素主要有自然来源和人为干扰输入两种途径。 在自然因素中, 成土母质和成 土过程对土壤重金属含量的影响很大 1。在各种人为因素中,重金属对土壤的主要污染途 径是工业废渣、废气中重金属的扩散、沉降、累积,含重金属废水灌溉农田,以及含重金属 农药、磷肥的大量施用 2。外来重金属多富集在土壤的表层。土壤中重金属污染来源是多 方面的,左倬等 3在对上海城市各绿地类型的土壤进行研究,绿地土壤 Cu 、 zn 、 Pb 、 Cd 的平均浓度分别为:39.84±17. 37 mg·kg-1, 157.

3、0±581. 9l mg·kg-1, 41. 33±23. 14 mg·kg-1, 0.3425±0.1420±,居住区、公园、学校、路旁绿地、废弃地的内梅罗综合重金属污染指数 分别为:2.4、 2.8、 2.6、 1.9和 1.5; 同时还表明, 不同绿地类型中土壤有其不同的污染方式:学校样地土壤重金属污染主要来自于交通因素, 路旁绿化样地土壤的重金属来自于交通、 客 土等多方面因素共同作用, 废弃地样地、 公园样地和居住区样地土壤重金属污染则可能分别 来自于固体废弃物、农林业活动和多种人类日常活动的共同作用。1.1工矿企业对重金属

4、积累的影响工矿企业广泛使用重金属元素, 将未经严格处理的废水直接排放, 使得它们周围的土壤容易 富集高含量的有毒重金属 4。企业排放的烟尘、废气中也含有重金属,并最终通过自然沉 降和雨淋沉降进入土壤 5, 6。矿业和工业固体废弃物在堆放或处理过程中,由于日晒、雨 淋、水洗等,重金属极易移动,以辐射状、漏斗状向周围土壤扩散,固体废弃物也可通过风 的传播使污染范围扩大。1.2农业生产活动影响下的土壤重金属污染农业生产, 尤其是近代农业生产过程中含重金属的化肥、 有机肥、 城市废弃物和农药的不合 理施用以及污水灌溉等, 都可以导致土壤中重金属的污染。 重金属元素是肥料中报道最多的 污染物质, 化肥中

5、品位较差的过磷酸钙和磷矿粉中含有微量的 As 、 Cd 重金属元素 7。 与传 统的有机肥肥源相比,当前有机肥肥源大多来源于集约化的养殖场,大多使用饲料添加剂。 据报道,目前的饲料添加剂中常含有高含量的 Cu 和 Zn8,这使得有机肥料中的 Cu 、 Zn 含量也明显增加并随着肥料施入农田。许多农用化学品如 Cu 制剂,含 Hg 、 As 的制剂使用 后也会使土壤遭受污染。 利用污水灌溉已成为农业灌溉用水的重要组成部分, 中国自上世纪 60年代至今,污水灌溉面积迅速扩大,以北方旱作地区污水灌溉最为普遍,约占全国污水 灌溉面积的 90%以上,污水灌溉导致土壤重金属 Hg 、 Cd 、 As 、

6、Cu 等含量的增加。此外, 农业生产中的畜禽养殖业也是一个不可忽视的重要方面。 随着规模养殖业的发展, 其 对周围土壤的污染也越来越严重, 其原因是使用的配方饲料中往往添加适当比例的重金属元 素, 饲料本身也存在被污染的问题, 饲料中过量的重金属元素通过所饲养动物排泄到土壤或 水域中,或通过有机肥的形式施入农田。1.3交通运输对土壤重金属污染的影响道路两侧土壤中的污染物主要来自汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有 害气体和粉尘的沉降,而污染元素则主要为 Pb 、 Cu 、 Zn 等元素 9。它们一般以道路为中心 成条带状分布, 强度因距离公路、 铁路、 城市以及交通量的大小有明显的

7、差异。 FAKAYODE 和 OWOLABI10研究了尼日利亚不同交通密度公路边表层土壤中 Pb 、 Cd 、 Cu 、 Ni 和 Zn 的分布, 结果表明, 重金属含量在车流密度大的公路两侧土壤中要高于车流密度小的公路两 侧土壤,且随着距公路距离的增大,重金属含量快速降低,到距公路 50m 左右的地方,重 金属含量基本降低到背景值水平。2土壤中重金属的化学形态重金属进入土壤后, 与土壤中的矿物质 (主要是粘土矿物和硅酸盐矿物 、 有机物 (主要是植物 生理代谢的产物,如腐植酸等 及微生物发生吸附、络合和矿化作用,伴随着能量的变化, 导致重金属元素的赋存形式的改变以及时空迁移变化。 从土壤物理

8、化学角度来看, 土壤中不 同形态的重金属处于各自不同的能量状态, 它们在适当的环境条件下是可以相互转化的, 重 金属形态是决定其对生物有效性的基础 11。研究表明,某一重金属在土壤中的总量并不能 真实评价其环境行为和生态效应, 而重金属在土壤中的形态含量及其比例才是决定其对环境 及周围生态系统造成影响的关键因素 12-14。土壤重金属的形态分析方法中形态的定义如 下:可交换态重金属是指吸附在粘土、 腐殖质及其它成分上的金属, 可用一价或二价的盐浸 提,它们是引起土壤重金属污染和危害生物体的主要给源。 Tessier15将沉积物或土壤中重 金属的形态分为可交换态、 碳酸盐结合态、 无定形铁锰氧化

9、物结合态、 有机物结合态和残渣 态 5种形态。 Shuman16将其分为交换态、水溶态、碳酸盐结合态、松结合有机态、氧化锰 结合态、紧结合有机态、无定形氧化铁结合态和硅酸盐矿物态 8种形态。 Leleyter 等 17将重金属形态分为 8种,即:水溶态、交换态、碳酸盐结合态、无定型氧化锰结合态、无定型 氧化铁结合态、晶体型氧化铁结合态、有机物结合态和残渣态。3土壤重金属污染的特征大多数重金属是过渡性元素, 而过渡性元素的原子有其特有的电子层结构使其在土壤环境中 的化学行为具有一系列特点 18:(1 重金属能在一定的幅度内发生氧化还原反应, 具有可变 价态;因重金属的价态不同,其活性和毒性也不同

10、。 (2 重金属易在土壤环境中发生水解反 应生成氢氧化物也可以与土壤中的一些无机酸反应生成硫化物、 碳酸盐、 磷酸盐等。 这些化 合物的溶度积都比较小, 使得重金属累积于土壤中, 不易迁移, 污染危害范围扩大的可能性 较小,但却使污染区域内的危害周期变长,危害程度加大。 (3 重金属作为中心离子,能够 接受多种阴离子和简单分子的独对电子, 生成配位络合物; 还可与一些大分子有机物, 如腐 植质、 蛋白质等生成螯合物。 难溶性的重金属盐, 在少量游离重金属离子生成络合物和螫合 物以后,其在水中的溶解度可能增大,进而在土壤环境中迁移,增大其污染危害的范围。重金属的所有这些化学特性, 决定了它在土壤

11、环境中溶解特性的多变, 进而影响到重金属在 土壤环境中的迁移特性多变。 重金属污染的主要特点除了污染范围广、 持续时间长外, 还有 污染隐蔽性而且无法被生物降解, 并可能通过食物链不断地在生物体内富集, 甚至可转化为 毒害性更大的甲基化合物, 对食物链中某些生物产生毒害, 或最终在人体内蓄积而危害健康。4重金属污染研究展望重金属的危害迁移转化规律、生物有效性及毒性与其形密切相关,这点也得到了普遍认可, 然而其分类和检测方还处于发展阶段。 因此, 积极开展重金属形态的研究, 应用简便可靠的 分析技术进异步详细研究重金属各种形态在土壤中的化学行为及其与生物效应的相关性, 以 及有关重金属各种形态在

12、土壤中的转化速率及重金属不同形态和生物毒性间的关系, 进一步 完善土壤重金属危害的评价体系。 重金属的可交换态是生物的直接可利用态, 可作为重金属 毒害的直接评价指标; 重金属的碳酸盐、 氧化铁结合态和有机物结合态含量可作为重金属生 物潜在毒害评价指标。 规范重金属形态的分类方法, 以探索其标准的检测方法已逐渐成为该 领域中的研究热点。 应开展重金属的存在状态及其危害的研究, 弄清重金属存的形式及其有 效性,为相关部门制定相关的限量标准提供依据。参考文献1郑喜珅 , 鲁安怀 , 高翔 . 土壤中重金属污染现状与防治方法 J. 土壤与环境 , 2002, 11(1: 7984.2FACCHINE

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