（植物营养学专业论文）区域土壤重金属含量状况及环境质量评价.pdf

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的样点为安全级；果园土壤3 5 7 的样点达到轻污染，l o 7 l 的样点为警戒级，8 5 7 l 的样点为安全级；湿地土壤1 2 5 0 的样点为 警戒级，8 5 5 0 的样点为安全级；采用土壤背景值为标准，粮田土壤中 单因子污染指数较高的有c d 、h g 、c u 、a s 、n i 、c r ；果园土壤单因子污 染指数较高的有c d 、 i g 、c u 、n i ；湿地土壤中单因子污染指数较高的有 c d 、h g 、c u 、c r ，表明这些重金属元素含量在2 0 年中有较大的变化。 关键词：粮田；果园；新生湿地；土壤；重金属分布；土壤环境质量： 评价 l 区域土壤重金属含量状况及环境质量评价 t h eh e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n sa n ds o i l e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ye v a l u a t i o na tr e g i o n a ls c a l e z a n gh o n g w e i ( r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n tc o l l e g eo f s h a n d o n g a g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ) a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , m u c hh e a v ym e t a lp o l l u t e ri n f l o ws o i l a n dp o l l u t ee n v i r o n m e n ta n ds o i l ，a n de n d a n g e rh u m a nb e i n gh e a l t ha n d c o n t i n u a ld e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，t h es i t u a t i o no fh e a v ym e t a lp o l l u t e ra n d d i s t r i b u t i n gr u l ei sw o r t h ys t u d y i n g t h i sp a p e rd e a l sw i t hs t a t u so f e i g h th e a v ym e t a l s ( c u 、z n 、p b 、c d 、 c r 、n i 、a sa n dh g ) i nt h es o i lf r o mh i g hy i e l da r e a 、o r c h a r d 、n e w - - b o r n w e t l a n di ns h a n d o n gp r o v i n c e sa n de n v i r o n m e n t a lq u a l i t ye v a l u a t i o no fs o i l s t h er e s n i to f t h ei n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e st h a t ：t h es o i lf r o mh i g hy i e l da r e aa n d n e w - - r b o mw e t l a n di sa l k a l i n e - - s t r o n g l ya l k a l i n e ；t h es o i lf r o mo r c h a r di s n e u t r a l - - a c i d i c ：t h eo r g a n i cm a t t e rc o n t e n ti nt h es o i lf r o mh i 【g hy i e l da r e aa n d o r c h a r di sw i d e s p r e a dl o w ：t h ec o n c e n to fh e a v ym e t a l sa r ed i f f e r e n ti nt h e s o i l so f d i f f e r e n tf u n c t i o na r e a s ，t h ec o n t e n to f c ui no r c h a r ds o i li sr e s p e c t i v e d i f f e r e n tf r o mt h a ti ns o i lf r o mh i g hy i e l da r e aa n dn e w - - b o r nw e t l a n d ；t h e r e a r er e s p e c t i v ed i f f e r e n c ei na s p e c to f z n 、c da m o n gs o i l so f d i f f e r e n tf u n c t i o n a r e a s ；t h ec o n c c n to f p b i i lh i 曲y i e l da r e as o i li sr e s p e c t i v ed i f f e r e n tf r o mt h a t i no r c h a r ds o i l ：t h ec o n t e n to f n ii nn e w - - b o r nw e t l a n ds o i li sr e s p e c t i v e l y d i f f e r e n tf r o mt h a ti nh i 【g hy i e l da r e as o i l ；t h ec o n t e n to fc ri nn e w m b o m w e t l a n ds o i li sr e s p e c t i v ed i f f e r e n tf r o mt h a ti ns o i lf r o mh i g hy i e l da r e aa n d o r c h a r d 。 t h e e v a l u a t i o ns t a n d a r di sn a t u r a l b a c k g r o u n d v a l u e sa n dt h e e n v i r o n m e n t a l q u a l 毋s t a n d a r d f o rs o i l s g b l 5 6 1 8 1 9 9 5 t h es i n g l e p o l l u t i o ni n d e xa n dn e m e r o ws y n t h e t i c a lp o l l u t i o ni n d e xh a v eb e e na d a p t e d t oe v a l u a t et h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t ye v a l u a t i o no fs o i l s t h er e s u l t ss h o wt h a t 2 山东农业大学硕士专业学位论文 t h es i d l ep o l l u t i o ni n d e xi sv e r yl o w , m o s to ft h er e g i o n a ls o i l sd on o t e x c e e d e dt h eq u a l i t ys t a n d a r db yu s i n ge n v i r o n m e n t a lq l l a l i t ys t a n d a r df o r s o i l sa se v a l u a t i o ns t a n d a r d 5 o ft h ew h o l eh i g hy i e l da r e as a m p l e si s w a t c h f u l 9 5 o ft h es a m p l e si ss a f e ；3 5 7 o ft h ew h o l eo r c h a r ds a m p l e si s l o w - g r a d ep o l l u t e d , 1 0 7 1 o ft h es a m p l e s i s w a t c h f u l ，8 5 7 1 o ft h es a m p l e si s s a f e ；1 2 8 0 o f t h ew h o l en e w - - b o r nw e t l a n ds a m p l e s i sw a t c h f u l ，8 5 5 0 o ft h e s a m p l e s i s s a f e b yu s i n g u a t u r a lb a c k g r o u n dv a l u e sa se v a l u a t i o n s t a n d a r d , t h e s i n g l e p o l l u t i o n i n d e x o f c d 、h g 、c u 、a s 、n i 、c ri n h i g l l y i e l d a r e ai sh i g h ；t h es i n g l ep o l l u t i o ni n d e xo f c d 、h g 、c u 、n ii n o r c h a r di sh i e & t h es i n g l ep o l l u t i o ni n d e xo f c d 、c u 、c ri nn e w - - b o r nw e t l a n di sh i 【g h ，i t i n d i c a t e dt h a tt h ec o n t e n to f t h eh e a v ym e t a l sc h a n g eo b v i o u s l yd u r i n gt h e2 0 y e a r s k e y w o r d ：h i g hy i e l da r e a ：o r c h a r d ：n e w - - b o r nw e t l a n d ：s o i l ：h e a v y m e t a l sc o n c e n t r a t i o n ；e n v i r o n m e n t a lq u a l i t yo f s o i l s re v a l u a t i o n 3 区域土壤重金属含量状况及环境质量评价 1 引言 1 1 研究的目的和意义 土壤是陆地生态系统的重要组成部分，为系统内物质循环和能量流动 提供了基础和保证。随着社会的发展和科学技术的进步，尤其自2 0 世纪 3 0 年代以来，工农业迅速发展，大量的污染物通过不同的途径进入土壤 环境，破坏了土壤结构，危害了土壤功能，引起土壤生态环境质量严重恶 化，其中重金属污染极为严重( 崔德杰，张玉龙，2 0 0 4 ) 。重金属污染范 围广，持续时间长，不易在物质循环和能量流动中分解，通过食物链或者 空气扬尘危害人体健康，还可以引起大气和水环境质量进一步恶化( 夏立 江，王宏康，2 0 0 1 ) 。因此，自上世纪5 0 年代以来，特别是近3 0 年来， 土壤重金属污染受到各国环境生态学家的广泛重视，且成为当今环境科学 领域的重要研究内容。 我国土壤资源严重不足，而且由于长期不合理的利用，土壤退化较为 严重( 胡春胜，1 9 9 9 ) 根据1 9 9 8 年统计资料表明，1 9 8 0 年全国受三害 污染的农田面积为2 6 7 万公顷，1 9 8 8 年为6 7 0 万公顷，1 9 9 8 年污染农田 数量达2 0 0 0 万公顷，约占耕地总面积的1 5 ，造成经济损失2 0 0 0 亿元， 其中由于重金属污染而引起的粮食减产达1 0 0 0 万吨年，直接经济损失达 1 0 0 多亿元( 张桃林等，1 9 9 9 ) 。 土壤和农产品污染问题已受到政府和公众的普遍关注。尽管对于了解 小范围的土壤和农产品污染问题( 如一块农田、绿色食品生产基地和污水 灌溉区) 并不存在技术上的困难( 夏运生等，2 0 0 2 ) ，而且在国内外也有 大量的研究和报道，但是我国对省( 市) 级单元或全国性的土壤和农产品的 重金属污染现状及其危害却一直缺乏准确、全面的了解。 山东省是我国著名的农业生产基地，其土壤环境质量状况直接影响到 全省农业的可持续发展以及人民群众的身体健康。工业“三废”、农药、 化肥的施用、不合理的耕作措施等，使土壤污染日益严重( 魏秀国等， 2 0 0 2 ) 。我国加入i f r o 后，对农产品的产量和品质都提出了较高的要求， 而高品质的农产品的生产是和土壤环境质量息息相关的( 杨景辉，1 9 9 5 ) 。 因此，及时了解、分析和跟踪国内外土壤环境质量研究的最新发展方向和 4 山东农业大学硕士专业学位论文 前沿，开展土壤环境质量的研究和应用工作，对其现状及时空演变趋势进 行深入的调查研究，提出相应的改良措旄和对策，为山东省可持续农业提 供科学依据，具有十分重要的意义。 1 2 国内外相关研究概况 重金属是一类典型的污染物，它主要是由于工业企业的管理不善，工 艺落后而排放出不符合有关规定的“三废”；农业生产过量使用化肥和杀 虫剂，致使许多工业区域及农耕区的水体和土壤受到了严重的污染( 白瑛， 张祖锡，1 9 8 9 ) 。对人类身体健康有明显影响的重金属，主要为汞( ) 、 镉( c d ) 、铬( c r ) 、铅( p b ) 和砷( a s ) 等，也包括有定毒性的锌( z n ) 、铜 ( c u ) 、钻( c o ) ，铝( m o ) 、镍( n i ) 、锡( s n ) 等常见元素。重金属在土壤中不 能被微生物分解，它们会不断积累，一些甚至转化为毒性更大的烷基化合 物，并被植物吸收富集，从而通过食物链以有害浓度累积在人畜体内( 周 守明，杨乔平，1 9 9 5 ) 。重金属中镊( c d ) ，铬( c r ) 、锌( z n ) ，钻( c o ) ， 镍( n i ) 等，己被证明具有致癌作用。 由于土壤的组成、结构、功能、特性以及土壤在环境生态系统中的特 殊地位和作用，使得土壤污染不同于大气和水体的污染，而要比它们复杂 的多( 周代华等，1 9 9 5 ) 。土壤是植物，特别是作物的生活环境，作为人 类主要食物的粮食、蔬菜、家禽、家畜等农副产品，都直接或间接来自土 壤。污染物在土壤中富集必然引起食物污染，并进而危害人体健康( 虞锁 富，1 9 9 1 ) 1 2 1 土壤污染的特点及危害 1 、隐蔽性和潜伏性 大气和水体的污染可由人们的感觉器官感觉到，但土壤污染物在土壤 中的长期积累过程，其后果要通过长期摄食由污染土壤生产的植物产品， 才能被人体或动物的健康状况反映出来因此，土壤污染具有隐蔽性和潜 伏性( 刘继芳等，2 0 0 0 ) 。 2 、不可逆性和长期性 进入土壤环境后，在土壤中迁移、转化的同时，污染物与复杂的土壤 组成物质发生一系列吸附、置换、结合作用，其中许多为不可逆过程，污 染物最终形成难溶化合物沉积在土壤中( 庄云龙等，2 0 0 2 ) 。多数有机化 s 区域土壤重金属吉量状况及环境质量评价 学污染物质需要一个较长的降解时间，所以，土壤一旦遭到污染，就极难 恢复。例如1 9 6 6 年冬至1 9 7 7 年春沈阳一抚顺污水灌溉区发生的污染，经 过十余年的艰苦努力，采用了各种措施，才逐步恢复其部分生产力( 李其 林，黄峋，2 0 0 2 ) 。 由于土壤隐蔽性和不可逆性的特点，导致作物减产、通过食物链危害 人类健康的严重后果，对人类和自然环境的危害是相当大的。土壤的污染 不仅引起并加速了环境的污染，还直接危害农作物的产量和质量，从而降 低生物多样性，影响人类的健康生存，甚至威胁着人类的生存安全( 朱亮， 邵孝候，1 9 9 7 ) 。2 0 0 0 年对2 3 个省( 区市) 的不完全统计，济损失达我国 污染农田4 万平方千米，造成农畜产品损失2 4 8 9 万k g ，直接经2 2 亿元 ( 夏增禄，1 9 9 3 ) 。 1 2 2 土壤重金属来源与分布 土壤重金属污染是指人类活动将重金属输入土壤中，引起土壤重金属 含量明显高于背景含量，并造成生态环境质量恶化的现象( 王斌，丁桑岚， 1 9 9 8 ) 。引起土壤重金属污染的原因很多而且非常复杂，不同重金属元素 来源差别很大，即使同种重金属元素其来源也往往不同。 l 、大气降尘( 降水) 进入土壤的重金属 大气中的重金属主要来源于能源、运输、冶金和建筑材料生产等活动 产生的气体和粉尘( 谢正苗，黄昌勇，1 9 9 8 ) 。除h g 以外，重金属基本上 是以气溶胶的形态进入大气，经过自然沉降和降水进入土壤。例如，煤中 含有c e 、c r 、p b 、h g 、t i 等多种重金属，而石油中则含有相当量的h g ( 姚 学良等，2 0 0 0 ) 。随着煤等燃料的燃烧，部分悬浮颗粒和挥发金属随烟尘 进入大气，其中1 0 3 0 沉降在距排放源十几公里的范围内。 除含重金属燃料的燃烧外，运输，特别是汽车运输对大气和土壤也造 成了严重的污染，主要以p b 、z n 、c d 、c r 、c u 等的污染为主，它们来自 含铅汽油的燃烧和汽车轮胎磨损产生的粉尘( 苏文才等，1 9 8 9 ) 。这种由 汽车引起的污染明显呈条带状分布，并因距离公路、铁路、城市中心的远 近及交通流量的大小有明显的差异。如对我国沈阳东郊抚顺公路两侧土壤 中铅的含量分布规律进行研究发现，随着交通流量的日益增加，公路两侧 土壤中的铅污染呈增加趋势( 陈怀满，2 0 0 2 ) 。 6 山东农业大学硕士专业学位论文 2 、随污水进入土壤的重金属 利用污水灌溉是灌区农业的一项古老的技术，主要是把污水作为灌溉 水源来利用污水按来源和数量可分为城市生活污水、石油化工污水、工 业矿山污水和城市混合污水等( 何振立，1 9 9 8 ) 由于我国工业迅速发展， 工矿企业污水未经分流处理而排入下水道与生活污水混合排放，其中的重 金属含量远远超过当地背景值。重金属随着污水灌溉而进入土壤，以不同 的方式被土壤截留固定，从而造成污灌区土壤重金属h g 、c r 、p b 、c d 等 含量逐年增加。例如我国沈阳市张士灌区镉污染十分突出，污灌面积达 4 2 万亩，并有2 0 多年的污灌历史( 刘红樱等，2 0 0 4 ) 除此之外，江西、 广东、广西、湖南、陕西、上海和云南等地的冶炼厂周边的农田也有不同 程度的镉污染( 陈晶中等，2 0 0 3 ) 。 不同的重金属被土壤固定的特点不同。9 0 的h g 被土壤矿质胶体和有 机质迅速吸附，一般累积在土壤表层，自上而下递减( 杨景辉，1 9 9 5 ) ； c d 很容易被水中的悬浮物吸附，水中c d 的含量随着距排污口距离的增加 而迅速下降，因此污染的范围较少( 张辉，马东升，2 0 0 1 ) ；p b 很容易被 土壤有机质和粘土矿物吸附，但它的迁移性弱，污灌区p b 的累积分布特 点是离污染源近土壤含量高，距离远则土壤含量低( 陈维新等，1 9 9 0 ) ： 污水中c r 有4 种形态，一般以3 价和6 价为主，3 价c r 很快被土壤吸附 固定。而6 价c r 进入土壤中被有机质还原为3 价c r ，随之被吸附固定， 因此污灌区土壤c r 会逐年累积( 莫争等，2 0 0 2 ) 。 3 、随固体废弃物进入土壤的重金属 固体废弃物种类繁多，成分复杂，由种类不同而具有不同的危害方式 和污染程度，其中矿业和工业固体废弃物污染最为严重。这类废弃物在堆 放或处理过程中，重金属极易移动，以辐射状、漏斗状向周围土壤、水体 扩散。对武汉市垃圾堆放场，杭州铬渣堆放区附近土壤中重金属含量的研 究发现，这些区域土壤中c d 、h g 、c r 、c u 、z n 、p b 等重金属含量均高于 当地土壤背景值( 廖敏等，1 9 9 9 ) 有一些固体废弃物被直接或通过加工作为肥料施入土壤，造成土壤重 金属污染。如随着我国畜牧生产的发展，产生了大量的家畜粪便及动物产 品加工过程中产生的废弃物，这类农业废弃物中含有植物所需n 、p 、k 和 7 区域土壤重金属含量状况及环境质量评价 有机质，同时由于饲料中添加了一定量的重金属盐类。因此作为肥料施入 土壤增加了土壤z n 、l h l 等重金属元素的含量( 陈怀满，郑春荣，1 9 9 9 ) 。 磷石膏属于化肥工业废物，由于其有一定量的正磷酸以及不同形态的含磷 化合物，并可以改良酸性土壤，从而被大量施入土壤，造成了土壤中c r 、 p b 、m n 等含量增加。磷钢渣作为磷源施入土壤时，土壤中发现有c r 的累 积。污水处理厂产生的污泥，由于其含有较高的有机质和氮、磷养分，而 当作肥料施入土壤。一般来说，污泥中c r 、p b 、c u 、z n 等极易超过控制 标准，从而使土壤重金属含量有不同程度的增加，其增加的幅度与污泥中 的重金属含量、污泥的施用量及土壤管理有关( 丁圆，2 0 0 0 ) 。 除直接堆放或排放外，固体废弃物也可以通过风的传播而使污染范围 扩大，土壤中重金属的含量随距离污染源的增大而降低。如大冶冶炼厂， 每年排放数千吨的粉尘，引起大冶县广大农田的污染，直径2 0 k m 范围内 的土壤c r 、z n 、p b 、c d 含量均大大高于背景值( 方凤满等，2 0 0 0 ) 。 4 、随农用物资进入土壤的重金属 农药、化肥和地膜是重要的农用物资，对农业生产的发展起着重大的 推动作用。但长期不合理施用，也可以导致土壤重金属污染。绝大多数的 农药为有机化合物，少数为有机一无机化合物或纯矿物质，个别农药在其 组成中含有h g 、c u 、z n 等重金属。杀真菌农药常含有c u 和z n ，被大量 地用于果树和温室作物，常常会造成土壤c u 、z n 累积达到有毒的浓度( 方 风满，刘洪海，1 9 9 8 ) 。 重金属元素是肥料中报道最多的污染物质。氮、钾肥料中重金属含量 较低，磷肥中含有较多的有害重金属，复合肥的重金属主要来源于母料及 加工流程所带入。肥料中重金属含量一般是磷肥 复合肥 钾肥 氮肥( 高 拯民，1 9 9 6 ) 。c d 是土壤环境中重要的污染元素，随磷肥进入土壤的c d 一直受到人们的关注。许多研究表明，随着磷肥及复合肥的大量施用，土 壤有效c d 的含量不断增加，作物吸收c d 量也相应增加。对上海地区菜园 土壤的研究发现：施肥后c d 的含量从0 1 3 m g k g 上升到0 3 2 m g k g ( 高太 忠，李景印，1 9 9 9 ) 。肥料中c r 元素含量较高，且土壤的环境容量又较低， 能引起土壤中c r 的较快积累。近年来，地膜的大面积的推广使用，造成 了土壤的白色污染，由于地膜生产过程中加入了含有c d ，p b 的热稳定剂， 8 山东农业大学硕士专业学位论文 同时也增加了土壤重金属污染( 李其转等。2 0 0 0 ) 1 2 3 重金属在土壤中的迁移和转化 土壤中重金属的自然平均含量本来较低，其中有一些是植物生长的必 需元素，如：铜、铁、锌等。但过量的重金属进入土壤，超过了作物需要 和忍受的程度，就使作物表现出受害的症状( 李天杰，1 9 9 5 ) 土壤污染 物中，重金属是残留较高的物质，一般不易被水淋失，也不能被微生物分 解。它们常常在土壤中累积，有时甚至可以转化成毒性更强的化合物( 如 甲基化合物) ，通过食物链在人体内蓄积，严重危害人体健康。 通过各种途径进入土壤的重金属种类很多，他们有不同的特性，因而 影响也不尽相同不仅如此，即使是同一重金属，由于它们在土壤中存在 形态不同，其迁移转化特点和污染性质也不相同。土壤中的重金属可区分 为五种形态：水溶态：弱代换剂可代换态：强代换剂可提取态： 次生矿物中的；原生矿物中的。其中前三种形态是可能被植物吸收的， 因此其含量越高，越容易造成污染危害( 李永涛，1 9 9 7 ) 。 上世纪9 0 年代以来，很多环境学家和地球化学家对土壤中重金属形 态分配的影响因素进行了室内模拟研究。廖敏( 1 9 9 9 ) 以及日本东京农学 院x i n g f ux i a n 等科学家，采用模拟实验研究了土壤p h 值对土壤中重金 属的化学形态和生物有效性的影响。王孝堂( 2 0 0 0 ) 采用恒温培养实验及 各形态重金属分离，研究了土壤酸度对重金属形态分配的影响；廖敏 ( 1 9 9 9 ) 调节土壤p h 值，研究不同p h 下迁移到土壤中的镉的有效性和施 用石灰对镉的形态分布的影响；x i n g f ux i a n ( 2 0 0 2 ) 调节土壤p h 值为 7 0 ，6 0 和4 5 ，根据t e s s i e r 连续提取法将p b 分为交换态、碳酸盐态、 铁锰氧化态、有机态和残渣态五种形态。上述实验结果表明，土壤中重金 属各形态的比例受p h 的控制，水溶态重金属的含量随体系p h 的升高而下 降：交换态重金属含量，除c d 外，土壤中交换态重金属含量随p h 的变化 可分为两部分，一类交换态重金属含量随p h 的升高而增加，一类是在一 定p h 范围交换态含量随p h 上升而下降：碳酸盐态重金属和无机碳含量有 关，而无机碳含量依赖于士壤的。p h 值，说明p h 影响碳酸盐的形成和溶解， 当p h 改变时，各重金属元素的含量主要在交换态和碳酸盐态之间转化， 其它形态含量改变很小；有机态和残渣态重金属在改变土壤p h 值时没有 9 区域土壤重金属台量状况及环境质量评价 差异，说明在这些形态的重金属是相当稳定的，不容易随土壤p h 值改变 而改变 重金属在土壤中的一般迁移转化形式是复杂多样的，并且往往以多种 形式结合在一起( 倪才英等，1 9 9 6 ) 。般情况下可以分为三种类型：机械 迁移和转化；化学、物理化学迁移和转化；生物迁移和转化。重金属的机 械搬运，主要形式是重金属被包含于矿物颗粒或有机胶体内，或被吸附于 无机、有机悬浮物上随土壤水分流动而被迁移转化；化学、物理化学迁移 和转化是重金属在土壤中最重要的运动形式，是通过吸附与解离、沉淀与 溶解、氧化与还原、配合、鳌合、水解等一系列化学、物理化学作用迁移 和转化的。一般认为，当重金属浓度高时，以吸附交换为主，而在低浓度 时，以配合一鳌合作用为主：土壤中的重金属的生物迁移，主要是指植物 通过根系从土壤中吸收某些化学形式的重金属，并在其体内积聚起来，它 既可通过食物链对人体造成危害，又可以通过植物残体在进入土壤，使土 壤表层的重金属进一步富集，所有重金属均能通过生物体的迁移、富集和 食物链相互作用( 潘海峰等，1 9 9 4 ) 。 1 2 4 土壤背景值 环境背景值的研究既是确定土壤环境质量标准的基础，又是土壤污 染综合评价的基本依据。土壤环境背景值是指未受或少受人类活动( 特别 是人为污染物) 影响的土壤环境本身固有的化学元素组成及其含量水平 ( 孙波，骆永明，1 9 9 9 ) 。土壤环境背景值调查是环境科学研究的一项基 础工作。近4 0 年来，国内在土壤重金属背景值成因以及背景值调查方而 作了大量的工作。 普遍认为，成土母质、土壤类型和理化性质是决定土壤重金属背景值 的主要因素，尤其是土壤类型和土壤理化性质。土壤重金属的背景值，反 映了在没有污染或者相对较轻污染情况下，通过母质风化在成土过程中发 生的元素迁移转化，因此成土母质的差异是引起土壤环境背景值差异的主 要因素( 索有瑞，黄雅丽，1 9 9 6 ) 。 不同的土壤类型是在小同的母质或相同的母质条件下，经过不同的生 物气候作用而形成的，因此小同类型的土壤重金属元素的背景值反映了母 质、气候和生物等的共同作用，其差异性是必然的。 1 0 山东农业大学硕士专业学位论文 土壤理化性质对重金属环境背景值的影响主要表现在土壤质地、p h 和有机质含量。一般说来，土壤粘粒含量越多，重金属的吸附能力越强， 土壤重金属背景值越高( 唐世荣等，1 9 9 6 ) 。p h 能够增加土壤重金属迁移 转化能力，所以酸性土壤中重金属含量常低于碱性土壤，即石灰岩类母质 上发育的土壤，重金属背景值较高。关于土壤有机质对环境背景值影响的 报道文献说法不一，具体情况与重金属种类和土壤类型有关 魏复盛和陈静生等( 2 0 0 1 ) 认为，母质和气候组合类型是地带性土壤 重金属元素含量决定性因素。由于科学技术的发展和社会的进步，人类对 自然环境的影响不断增强，日前很难找到绝对不受人类活动影响的土壤。 因此，现在获得的土壤环境背景值只能是一个具有相对时空意义上的数 值。土壤背景值本身也是统计意义的数值，常以一定的置信区间来表示重 金属元素的浓度。 1 2 5 土壤环境容量 土壤环境容量是指一定土壤环境单元，在定的时限内，遵循环境质 量标准，维持土壤生态系统的结构和功能，保证农产品的生物学产量和质 量，不造成环境系统污染时，土壤环境所能容纳的污染物最大负荷量( 田 丽萍，李天林，2 0 0 1 ) 。土壤环境容纳量实际上是土壤背景值和最大符合 值之间的差值。 日前，有关土壤环境容量的容量值是以特定的参比手段取得的，已随 条件而改变。确切地说，土壤环境容量不是一个确定的值，而是一个范围。 研究表明，土壤性质、环境因素以及多元素交互作用等均对土壤环境容量 有显著影响。土壤对重金属污染物具有一定容量是因为系统具有缓冲性， 这种缓冲性包括了系统本身对污染物的自净能力，反应了重金属进入系统 之后，由一系列物理化学过程以及生物的与非生物的过程所控制的重金属 污染物化学形态、转化和迁移等行为( 王多加，金肇熙，2 0 0 0 ) 这些行 为制约着进入系统中重金属的总量与系统中生物与非生物问的关系及其 有效性，进而也制约着土壤对重金属的环境容量，因而它是一项富有实际 意义的应用基础研究。 1 2 6 土壤重金属污染的修复技术 1 2 6 1 - r 程措施 区域土壤重金属含量状况及环境质量评价 主要包括客土、换土翻土和去表土等措施，这些方法都可以使耕作 层土壤中的重金属浓度降至临界浓度以下，或减少重金属污染物与植物根 系的接触而达到控制危害的目的。但所需工程量较大，花费大，并有污土 处理的问题，大面积推广应用受到一定限制( 王慎强，陈怀满，1 9 9 9 ) 。 1 2 6 2 物理化学措施 土壤重金属污染修复的物理化学措施主要有化学固化、电动修复和 土壤淋洗等。 1 化学固化 所谓化学固化就是加入添加剂( 固化剂) 改变土壤的理化性质，通过重 金属的吸附或共沉淀作用等改变其在土壤中的存在形态，从而降低其生物 有效性和迁移性( 吴新民等，2 0 0 3 ) 。但固化方法并不是一个永久性的措 施，因其只改变了重金属在土壤中的存在形态，仍持留在土壤中，而且土 壤很难恢复到原始状态，不适宜进一步利用，且目前尚缺乏这方面的研究。 2 电动修复 电动修复就是通过电流的作用，在电场的作用下，土壤中的重金属离 子( 如p b 、c d 、c r z n 等) 和无机离子以电透渗和电迁移的方式向电极运 输，然后进行集中收集处理( 武枚玲，1 9 8 9 ，) 。许多研究发现，土壤p h 、 缓冲性能、土壤组分及污染金属种类都会影响修复的效果。该方法特别适 合于低渗透的粘土和淤泥土，可以控制污染物的流动方向。经在沙土上试 验，p b 、c r 等重金属离子的除去率可达9 0 以上( 夏星辉，陈静生，1 9 9 7 ) 。 电动修复是一种原位修复技术，不搅动土层，并可缩短修复时间，是一种 经济可行的修复技术。 3 土壤淋洗 土壤淋洗是利用提取剂将土壤中的固相重金属转移至液相中，含有提 取剂的土壤经清水洗涤后归还原位再利用，富含重金属的废液则进行进一 步的处理( 杨崇洁，1 9 9 9 ) 。该项技术的关键在于提取剂的选择，即既能 提取重金属，又不破坏土壤结构，但事实上很难找到，而且，如果处理不 当，引入的提取剂很有可能造成二次污染。 1 2 6 3 化学措施 1 化学改良剂修复 山东农业大学硕士专业学位论文 目前应用比较多的方法是向土壤中添加改良剂( 抑制剂) ，如磷酸盐、 石灰、硅酸盐等被认为是处理重金属污染的常用改良剂。廖敏等研究表明， 在低石灰水平下，土壤中有机质的主要官能团羟基和羧基与o h 一反应促 其带负电，土壤可变电荷增加，土壤有机结合态的重金属比较多，另外， c d c 0 3 z - 离子结合生成难溶的c d c 0 3 ，且随着p h 值的增高c d c 0 3 含量增 加，在p h 值大于5 5 时，粘土矿物和氧化物与重金属生成络合、螯合物， 性质稳定，表明石灰是一种良好的化学改良剂( 杨亚提等，1 9 9 8 ) 。 2 表面活性清洗剂修复法( 简称s a a ) 利用表面活性剂润湿、增溶、分散、洗涤等特性，改变土壤表面电荷 和吸收位能，或从土壤表面把重金属置换出来，以络合、螯合物的形式存 在于土壤溶液中，加快重金属在土壤溶液中的流动性( 余贵芬，1 9 9 8 ) 这种方法由于会加重土壤溶液中重金属的含量，同时会污染地下水源，因 此，环境工作者一直认为s a a 是一种有害物质。但经进一步研究发现， s a a 的增溶性及络合、螯合和降低界面表面张力等作用，增加了土壤中 污染物的流动性，为清除土壤中重金属污染提供了一条新的途径。s a a 有助于重金属从土壤颗粒上解析出来，并进入土壤环境，增加污染物在自 然环境中的可动性，从而加速污染物的去除。 3 重金属拮抗剂 根据土壤环境中重金属元素之间的拮抗作用，如重金属与s n 、a s 、 z n 、c u 等元素具有拮抗性，利用一些对人体没有危害或有益的金属元素 的拮抗作用，减少土壤中重金属的有效态。因此，在轻污染土壤中施用少 量的重金属拮抗剂，将可起到良好防治作用。 1 2 6 4 农业生态措施 农业生态修复主要包括2 个方面：一是农艺修复措施。包括改变耕作 制度，调整作物品种，种植重金属不进入食物链的植物，选择能降低土壤 重金属污染的化肥，或增施能够固定重金属的有机肥等措旖，来降低土壤 重金属污染二是生态修复通过调节诸如土壤水分、土壤养分、土壤 p h 值和土壤氧化还原状况及气温、湿度等生态因子，实现对污染物所处 环境介质的调控。我国在这一方面研究较多，并取得了一定的成效。但利 用该技术修复污染土壤周期长，且效果不太显著。 区域土壤重金属含量状况及环境质量评价 1 2 6 5 植物修复技术( p h y t o r c m e d i a t i o n ) 植物修复是指将某种特定的植物种植在重金属污染土壤上，而该种植 物对土壤中污染元素具有特殊吸收富集能力，将植物收获后并妥善处理 ( 如灰化回收) 后即可将该种重金属移出土体，达到污染治理与生态修复的 目的( 余国营，吴燕玉，1 9 9 7 ) 。根据其作用过程和机理，可将其分为以 下3 种类型。 i 植物稳定( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) 植物稳定是利用耐重金属植物降低土壤中有毒金属的移动性，从而减 少金属被淋滤到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性( 袁可 能，1 9 9 0 ) 。植物稳定技术适合土壤质地粘重，有机质含量高的污染土壤 的修复。目前，该技术主要用于矿区污染土壤修复。 2 植物挥发( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) 植物挥发是利用植物的吸收、积累和挥发而减少土壤中一些挥发性污 染物，即植物将污染物吸收到体内后将其转化为气态物质释放到大气中。 目前，这方面研究最多的是类金属元素h g 和非金属元素s e 。植物挥发通 过植物及其根际微生物的作用，将环境中挥发性污染物直接挥发到大气中 去，不需收获和处理含污染物的植物体。这种方法作为一种有潜力的植物 修复技术会将污染物转移到大气中，对人类和生物具有一定的风险。 3 植物提取( p h y t o e x 扛a c t i o n ) 植物提取这一概念是由c h a n c y 和b a k e r 等( 1 9 9 5 ) 最早提出来的， 是指利用重金属超积累植物从土壤中吸取一种或几种重金属，并将其转 移、贮存到地上部分，随后收割地上部分并集中处理，连续种植这种植物， 可使土壤中重金属含量降低到可接受水平。植物修复技术与传统的物理、 化学技术相比，具有技术和经济上的双重优势：一是应用范围广。在清除 土壤中重金属污染物的同时，也可清除土壤周围大气、水体中的污染物； 二是污染物在原地去除，使成本大大降低，而且还可从产生的富含金属的 植物硅体中回收贵重金属，取得直接的经济效益；三是植物本身对环境的 净化和美化作用，更易被社会所接受；四是植物修复过程也是土壤有机质 含量和土壤肥力增加的过程，被修复过的土壤适合多种农作物的生长。植 物修复技术存在的主要问题是如何提高植物修复效率和速率( 张辉，马东 1 4 山东农业大学硕士专业学位论文 升，2 0 0 1 ) 。目前最具有推广价值的超积累植物植株矮小、生物量低、生 长缓慢和生活周期长，因而修复效益低，且不易于机械化操作。同时，一 种植物通常只能吸收一种或2 种重金属，对土壤中共存的其他金属忍耐能 力差，从而限制7 植物修复技术在复合污染土壤治理方面的应用。此外。 植物是一个生命有机体，对土壤肥力、气候、水分、盐度、p h 值等有一 定的要求，而这些植物多为野生植物，目前，对其生活习性和耕种方法还 不了解，限制了其在治理土壤重金属污染方面的广泛利用。由于生物修复 是一项新兴的高效修复技术，具有良好的社会，生态综合效益且易被大众 接受，因此，具有广阔的应用前景( 张辉，1 9 9 8 ) 目前，土壤重金属污染修复技术的重点研究领域，一是超累积植物筛 选与培育。超累积植物是在重金属胁迫条件下的一种适应性突变体，往往 生长缓慢，生物量低，气候环境适应性差，具有很强的富集专一性。因此， 筛选、培育吸收能力强，同时能吸收多种重金属元素，且生物量大的植物 是生物修复的一项重要任务。二是分子生物学和基因工程技术的应用。随 着分子生物技术迅猛发展，将筛选、培育出的超累积植物和微生物基因导 人生物量大、生长速度快、适应性强的植物中去已成为现实，因此，利用 分子生物技术提高植物修复的实用性方面将取得突破性进展。三是生物修 复综合技术的研究。重金属污染土壤的修复是一个复杂的系统工程，单一 的修复技术很难达到预期效果，必须以植物修复为主，辅以化学、微生物 及农业生态措施，增加重属的生物有效性，促进植物的生长和吸收，从而 提高植物修复的综合效率( 张辉，1 9 9 7 ) 。因此，生物修复综合技术将是 今后重金属污染土壤修复技术的主要研究方向。 2 材料与方法 2 1 研究区概况 根据研究目的的需要，在山东省境内设置三个研究区，分别为聊城阳 谷县粮田、栖霞市果园和黄河三角洲新生湿地，其概况分别介绍如下。 2 1 i 阳谷县地理概况 1 地理位置 阳谷县位于东经1 1 5 。3 9 1 1 6 。0 6 ，北纬3 5 。5 5 3 6 。1 9 ， 区域土壤重金属含量状况及环境质量评价 之间。地处鲁西平原，黄河之北，山东省聊城市南端。西l 临莘县，南与河 南省台前县接壤，东临东阿县东西长3 9 8 公里，南北宽3 2 公里，总面 积1 0 4 8 5 平方公里。 2 地势地貌 阳谷县地处鲁西平原，平均海拔高度3 9 6 2 米。全境地势由西南向 东北缓倾，平均坡降为1 6 0 0 0 i 7 0 0 0 。由于黄河多次决口，改道和泥 沙