（环境工程专业论文）酸雨对紫色土cd、hg、pb活化及其植物效应的影响.pdf

西南大学硕士学位论文 摘要 酸雨对紫色土c d 、h g 、p b 活化 及其植物效应的影响 环境工程专业硕士研究生：李红陵 指导教师：王定勇教授 摘要 酸雨和重金属污染是当今广为关注的环境热门话题。由于特殊的地质地貌和气候条件， 重庆酸雨的频度、广度和强度一宣较严重。酸雨的长期淋溶，造成土壤酸亿和土壤重金属溶 出，土壤重金属植物有效性提高，进一步加重了重金属污染问题的严重性。重金属在植物中 的富集严重影响农作物的品质和安全性，并通过食物链进入人体，危及人体健康。 本文选取以重庆市具代表性的酸性紫色土和中性紫色土为供试材料，通过模拟酸雨淋溶 试验有盆栽试验。探讨了模拟酸雨作用下土壤中c d 、h g 、p b 在紫色土中的形态迁移特征和 植物有效性，其研究可为阻止土壤中c d 、h g 、p b 通过食物链产生危害提供科学指导，为预 测和控制土壤c d 、h g 、p b 污染提供科学理论依据。 试验结果表明： 两种土壤淋滤液p h 与淋溶量之间符合二次抛物曲线。随着酸雨p h 的上升，淋滤液最 高p h 值逐步上升，但需要的淋滤羞也会增加；中性土壤淋滤液最高p h 值均高于相应的酸 性土，但相应的淋溶量均低于酸性土。 酸性土壤淋滤液c d 浓度变化与淋溶量之间符合二次抛物曲线，且随着酸雨n h 的上升， 其最高c d 浓度显著下降。中性土壤潍滤液c d 浓度变化随着淋溶量而直线下降，其中低p h 酸雨能促使淋滤液c d 浓度下降得更快。两种土壤淋滤液p b 浓度变化与淋溶量之间均符合 直线下降，且p h 4 5 的酸雨淋洗时p b 浓度下降最为平缓。 酸雨作用下两种土壤c d 、p b 的淋失受酸雨p h 值、重金属离子种类、土壤有机质和阳 离子交换量等诸多因子的影响，其中酸雨p h 值影响最为显著。 c d 的形态分配格局为交换态 碳酸盐结合态 铁锰氧化物结合态z 有机结合态 残留 态，即植物可利用的最多不可利用的最少；h g 为酸溶态 残留态 硝酸溶态m 碱溶态， 即最容易被植物利用的酸溶态与最不容易被植物利用的残留态( 两种极端情形) 含量较多， 而中间状态的较少：p b 为有机结合态 铁锰氧化物结合态 碳酸盐结合态 残留态 交换 态，即最容易被植物利用的交换态与最不容易被植物利用的残留态( 两种极端情形) 含量较 西南大学硕士学位论文 摘要 少，而中间状态的较多。 酸雨可促进c d 向土壤下部积累，p b 向土壤中部积累( 中性土上的p b 除外) ，而h g 主要聚集在土壤表面，向下垂直迁移行为不受酸雨淋溶影响。牦界酸雨( p h 5 6 ) 淋洗土壤 时，土壤残存的c d 、p b 最多( 中性土上的p b 除外) ，不管何种酸雨p h ，对h g 的残存含 量影响不明显。 两种土壤上，植物体c d 、h g 、p b 的总平均转移系数分别为2 3 9 、0 3 2 、o 3 5 ，酸雨可 显著促进c d 从根部转移至地上可食部分。c d 、p b 在酸性土上的分配系数为根 叶”茎， 而中性土上差异不明显。h g 在两种土壤上的分配系数均为叶 根 茎。就酸雨p h 而言， 植物重金属积累系数均以酸雨p h 3 5 处理为商。就重金属而言，重金属积累系数为c d ( o 1 5 0 0 ) p b ( o 0 0 1 5 ) h g ( o 0 0 1 0 ) 。但两种土壤之间没有显著的差别。 植物的c d 积累系数和转移系数受表层土壤全c d 含量控制。表层土壤和底层土壤有效 c d 含量都影响茎叶生物量、茎叶c d 浓度。植物根p b 浓度和叶p b 浓度分别受表层土壤和 底层土壤全p b 含量控制。表层土壤和底层土壤有效p b 含量都影响茎叶生物量和p b 转移系 数。 关键词：模拟酸雨，重金属，紫色土，赋存形态，植物效应 i l 两南大学硕士学位论文a b s t r a c t 罩鼍皇墨皇e 曼e 曼矗置墨i i 舅曼曼曼曼量量曼葛吕篁皇鼍曼曼! ! 量鼍量篁曼s 曼! i n f l u e n c eo f a c i dr a i no na c t i v a t i o no fc d ， h g ，p bi np u r p l e s o i la n dt h e i r v e g e t a t i o ne f f e c t a p p l i c a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：l ih o n g l i n g s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gd i n g y o n g a b s t r a c t w o r l d - w i d ea c i dr a i na n dh e a v ym e t a lp o l l u t i o nh a sb e c o m eah o te n v i r o n m e n t a lt o p i cw h i c h h a sb e e ng i v e na r e n t i o n st ow i d e l yc u r r e n t l y f o ri t sp a r t i c u l a rg e o l o g ya n dp h y s i o g n o m y w e l l a sc l i m a t ec o n d i t i o n s t h ef r e q u e n c y , e x t e n ta n di n t e n s i t yo fa c i dr a i ni nc h o n g q i n gh a v eb e e n s e r i o u sa l lt i ew h i l e s e c u l a re l u v i a t i o no f a c i dr a i n w h i c hc a u s e ds o l la c i d i 矗c a t i o na n de l a t i o no f h e a v ym e t a l sf r o ms o i lb a sa g g r a v a t e dh e a v ym e t a lp o l l u t i o nf a r t h e r e n r i c h m e n to f h e a v ym e t a li n v e g e t a t i o nh a ss e v e r e l yi n f l u e n c e dq u a l i t ya n ds e c u r i t yo fc r o p s f u r t h e r m o r e ，h e a v ym e t a lc o u l d g e ti n t oh u m a nb o d yt h r o u g hf o o dc h a i na n de n d a n g e rh u m a nh e a l t hf i n a l l y i nt h i sm i c l e ，a c i d i ca n dn e u t r a lp u r p l es o i lw h i c ha r er e p r e s e n t a t i v ei nc h o n g q i n gw e r e c h o s e n s a m p l e sf o rt e s t i n ga n dc h a r a c t e r i s t i c so fm o r p b o o g ya n dh a n s f e n b n c ea sw e l l v e g e t a b l ev a l i d i t yo fc d ，h ga n dp bi np u r p l es o i lw e r ed i s c u s s e db yp o te x p e r i m e n t su n d e r c o n d i t i o no fs i m u l a n ta c i dr a i n t h i ss t u d yc a np r o v i d es c i e n t i f i cg u i d a n c et op r e v e n tc d ，h ga n d p bi ns o i lf r o me n g e n d e r i n gh a r mt h r o u g hf o o dc h a i na n do f f e rs c i e n t i f i ca n dt h e o r e t i cb a s i sf o r f o r e c a s t i n ga n dc o n t r o l l i n gc d ，h ga n dp bp o l l u t i o ni ns o i l r n 坤r e s u l t sw e r e f o l l o w s ： f o rt h et w ok i n d so fs o i l ，r e l a t i o n s h i pb e 帅e e na m o u n to fl e a c h i n gh e a v ym e t a la n dp ho f l e a c h a t ea c c o r d e dw i t hp a r a b o l i cc u r v eo f s e c o n dd e g r e e w i t hr a i s eo f p ho f a c i dr a i n ，t h eh i 【g h e s t p ho f l e a c h , a t ei n c r e a s e dg m d i i a l l yw h i l ea m o u n to f i n f i l t r a t es o l u t i o nn e e d e dw o u l da l s oi n c r e a s e d m h i 曲e s t 口v a l u eo fl c a c h a t eo fn e u t r a ls o i lw a sh i g h e rt h a nt h a to fa c i d i c s o i lw h i l e c o r r e s p o n d i n g a m o u n t o f i n f i l t r a t es o l u t i o n w a s l o w e r t h a n t h a t o f a e i d i cs o i l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n c e n t r a t i o no f c di nl e a c h a t eo f a c i ds o i la n da m o u n to f i n f i l t r a t e s o l u t i o na c c o r d e dw i t hp a r a b o l i cc u r v eo fs e c o n dd e g r e e f u r t h e r m o r e ，t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o n o f c dd e c r e a s e dr e m a r k a b l yw i t t lr a i s eo f p ho f a c i dr a i n f o rn e u t r a ls o i l c o n c e n t r a t i o no f c d n 西南大学硕士学位论文 a b s t r a c t 舅量舅舅畜墨皇墨罩墨鼍量量篁曹量量_ i i l l 蔓曼皇毫曼置置 l e a c h a t ed e c r e a s e ds t r a i g h t l yw i t hr a i s eo fa m o u n to fi n f i l t r a t es o l u t i o n a c i dr a i nw i t hl o wp h e n a b l e de n n c e r 血a t i n no f c di nl e a n h a t et od e c r e a s ef a s t e r a sf o rb o t hs o i l s , c o n c e n t r a t i o no f p bi n l e a c h a t ed e c r e a s e ds t r a i g h t l yw i t hr a i s eo fa m o u n to fi n f i l t r a t es o l u t i o na n dc o n c e n t r a t i o no fp b d e c r e a s e dm o s tg e n t l yw h e ni tw a se l u t e db ya c i dr a i nw i t hp hv a l u eo f 4 5 u n d e ra c t i o n o f a c i dr a i n ，l e a c h i n g l o s so f c da n dp b i nb o t h s o i l s w a s i n f l u e n c e d b y m a n y f a c t o r ss u c h p hv a l u eo fa c i dr a i n ，i o nc a t e g o r i e so fh e a v ym e t a i s ，o r g a n i cm a t t e ri ns o i l ，c e c a n de r ea m o n gw h i c hp he x e r t e dt h em o s tr e m a r k a b l ei n f l u e n c e m o r p h o l o g yd i s t r i b u t i o np a t t e r no fc dc o u l db ed e s c r i b e da se x c h a n g e a b l ef r a c t i o n b o u n d t oc a r b o n a t e sf r a c t i o n b o u n dt df e - m no x i d e sf r a c t i o n b o u n dt oo f 倒cm a t t e rf r a c t i o n r e s i d u a lf r a c t i n n i tf o l l o w e dt h a tt h ea m o u n tu t i l i z e db yv e g e t a t i o nw a st h eh i i g h e s tw h i l et h a t c o u l dn o tb eu t i l i z e dw a st h el o w e s t a sf o rh g , a c i ds o l u b l ef r a c t i o n r e s i d u a lf r a c t i o n n i t r i c a c i ds o l u b l ef r a c t i o n a l k a l is o l u b l ef r a c t i o n i tf o l l o w e dt h a tb o t ha c i ds o l u b l ef r a c t i o nu t i l i z e db y v e g e t a t i o nm o s te a s i l ya n dr e s i d u a lf r a c t i o n u t i l i z e db yv e g e t a t i o nm o s th a r d l y ( t w oe x t r e m e s i t u a t i o n s ) p o s s e s s e dah i g hc o n t e n tw h i l eb e t w e e n n e s sp o s s e s s e dal o w e rc o n t e n t a sf o rp b ， b o u n dt oo r g a n i cm a t t e rf r a c t i o n b o u n dt of e - b i no x i d e sf r a c t i o n b o u n dt oc a r b o n a t e sf r a c t i o n r e s i d u a lf r a c t j o n e x c h a n g e a b l ef r a c t i o n i tf o l l o w e dt h a tb o t he x c h a n g e a b l ef r a c t i o nu t i l i z e db y v e g e t a t i o nm o s te a s i l ya n dr e s i d u a lf r a c t i o n u t i l i z e db yv e g e t a t i o nm o s th a r d l y ( t w oe x l x e r n e s i t u a t i o n s ) p o s s e s s e dal o wc o n t e n tw h i l eb e t w e e n n e s sp o s s e s s e dah i g h e rc o n t e n t a c i dr a i nc o u l dp r o m o t ec dt oa c c u m u l a t ei nl o w e rp a r to fs o i la n dp bi nm i d d l ep a r t ( e x c l u d e dp bi nn e u t r a ls o i l ) h o w e v e kh ga c c u m u l a t e dm a i n l yi nt o p s o i la n di t su p r i g h t d o w n w a r dt r a n s f e r e n c em o v e m e n tw a sn o ti n f l u e n c e db ye l u v i a t i o no f a c i dr a i n r e s i d u a l a m o u n t so fc da n dp bi ns o i lw e r et h eh i g h e s t ( e x c l u d e dp bi nn e u t r a ls o i l ) w h e ns o i lw a se l u t e d b yc r i t i c a la c i dr a i nw i t hp hv a l u eo f 5 6 f u r t h e r m o r e ，t h e r ew a sl i a l ed i f f e r e n c eb e t w e e n r e s i d u a l c o n t e n to f r i gi ns o i lt r e a t e db ya c i dr a i nw i t hd i f f e r e n tp h f o rt h et w os o i l s ，t h eg e n e r a la v e r a g et r a n s f e r e n c ec o e f f i c i e n t so fc d ，h ga n dp bi n v e g e t a t i o nw e r er e s p e c t i v e l y2 3 9 , 0 3 2e n do ，3 5 a c i dr a i nc o u l dp r o m o t ec dt ot r a n s f e rf r o mr o o t t oe d i b l eu p p e rp a r t d i s l r i b u t i o nc o e f f i c i e n to fc aa n dp bi na c i ds o i lc o u l db es e ti nf o l l o w i n g o r d e ra sr o o t l e a f c a u d e xw h i l el i t t l ed i f f e r e n c ea p p e a r e di nn e u t r a ls o i l f o rh g ，t h eo r d e ro f d i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n ti nb o ms o i lc o u l db es e ti nt h i sw a y ：l e a f r o o t c a u d e x a sf o rp hv a l u e o fa c i dr a i n ，a c c u m u l a t i o nc o e f f i c i e n to fh e a v ym e t a li nv e g e t a t i o nw a sh i g h e s tw h e ns o i lw a s t r e a t e db ya c i dr a i nw i t hp hv a l u eo f3 5 a sf a ra sh e a v ym e t a l sw e r ec o n c e r n e d ，t h eo r d e ro f a c c u m u l a t i o nc o e f f i c i e n t w a ss e t i n t h eo r d e r ：c d ( 0 1 5 0 0 ) p b ( 0 0 0 1 5 ) h g ( o 0 0 1 0 ) h o w e v e r ， t h e r ew a sn or e m a r k a b l ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w os o i l s a c c u m u l a t i o nc o e f f i c i e n ta n dt r a n s f e r e n c ec o e f f i c i e n to f v e g e t a t i o nw e r ec o n t r o l l e db yw h o l e n 西南大学硕士学位论文a b s t r a c t i l l li i i l l l l c o n t e n to fc di ns o i l b i o m a s sa n dc dc o n c e n t r a f i o no fc a u d e xa n dl e a rw e r ei n f l u e n c e db yb o t h t o p s o i la n db o t t o ms o i l c o n c e n t r a t i o no fp bi nr o o ta n dl fw e r er e s p e 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随着工业的快速发展，全球大气酸沉降的频度、广度和强度正日益加剧，酸雨问题日趋 严峻。全球性酸雨和重金属污染已成为当今世界广泛关注的环境热门话题。酸雨长期淋溶的 结果，使得土壤酸化和土壤重金属溶出，造成土壤重金属的植物有效性提高。重金属在植物 中的富集，严重影响农作物的品质，并通过食物链进入人体，危害人体健康。近几十年来国 内外学者围绕酸雨对土壤酸化、土壤重金属淋溶及重金属植物有效性等问题作了大量的研究 工作。现将相关的研究问题综述如下。 1 1 1 酸雨的概念及成因 1 8 7 2 年，英国科学家r a s m i t h 首先观察到酸性降水并提出“酸雨”一词。酸雨是一种通 俗的叫法，科学上称作酸沉降。酸沉降是大气污染的一种表现。它包括干沉降和湿沉降，通 常将p h 值低于5 6 的湿性酸沉降称为酸雨( 曹磊，1 9 9 5 ) ，它包括各种酸性雨、雪、雾、露、 霜等( 杨昂，1 9 9 9 ) 。 酸雨形成的主要原因是化石燃料燃烧产生的s t h 和n o x 等大气酸性污染物溶入雨水所 致。s 0 2 和n o x 是酸雨的前体物，在大气中与氧化性物质0 3 ，h 2 0 2 和其他自由基进行化学反 应生成气态硫酸和硝酸( 齐立文。1 9 9 7 ) 。气态硫酸和硝酸在云下经雨水冲剧，进入雨水， 形成酸性降水即酸雨。监测结果表明，降雨的酸度主要由h 2 s q 和h n 0 3 两种强酸组成。我 国酸雨中s 0 4 2 0 3 一般在5 1 0 之间，故我国的酸雨是硫酸型的。由于我国捧放到大气中的 硫主要来源于煤的燃烧，所以我国酸雨也称为煤烟型酸雨。据王文兴等研究报道( 王文等， 1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) ，我国s 0 2 9 n o x g 捧放强度最大的地区是渤海、黄海和东海沿岸地区，如辽 宁、河北、山西、山东等省，但该地区并非我国酸雨最强的地区。相反，s c h 和n o x 年排放 强度较弱的贵州、四川、重庆、湖南等南方地区酸雨却很严重。我国不同地区大气中的s 0 2 含量并不与酸雨的发生及其酸度成正相关。这一现象表明，区域性酸雨魄形成不但与其前体 物质源s 0 2 和n o x 有关，也受中长距离输送、土壤性质、气象条件等多种自然因素的影响 它是由诸多自然因子和人为因子综合作用的结果。 在我国南方部分地区，城市和工业区燃煤的含流量较高，能源消费以煤、石油和天然气 为主，煤占全部能源消费7 5 以上。高硫煤主要集中在受酸雨污染严重的西南和中南地区， 酸雨形成的条件基本满足，所以一旦局部大气中s c h 含量达到一定量，这时若发生降水将会 导致酸雨。如重庆、贵阳市的酸雨与局部高浓度s o s 污染有关( 吴玉霞等- 1 9 9 2 ) 。 1 1 2 酸雨的现状及危害 随着现代经济的迅速发展，酸雨对土壤乃至整个陆地生态系统的影响越来越严重( 冯宗 西南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 炜等，1 9 9 9 ) 。全球酸雨和环境酸化一直呈发展趋势，由局部地区问题发展成区域和全球问 题。全球酸雨主要分布在欧洲和北美地区，以及东亚地区，包括中国长江以南广大地区和台 湾岛、朝鲜半岛和日本岛。其中降水酸性最强、面积最大的酸雨区在中国( 杨昂，1 9 9 9 ) 。 我国酸雨的分布有着明显的区域性( 国家科学技术委员会，1 9 9 0 ) 。我国酸雨的研究表 明，二十世纪7 0 年代，我国降水酸性污染以城市局部地区污染为主。在我国重庆市，四川 的金佛山、达县、宜宾、峨眉，贵州的贵阳、遵义，湖南的长沙、郴州、洪江，江西的萍乡。 广西的柳州，广东的韶关，共有1 3 个市县站测降水平均p h 值 c u c d p b 。成杰民( 2 0 0 1 ) 以太湖地区三种典型的水稻土( 黄泥土、臼土、乌泥 土) 为例，着重研究模拟酸雨对土壤的铜吸附解吸能力的影响。研究结果表明与未淋溶土壤 相比，经模拟酸雨淋溶的三种土壤对铜的吸附量有所增加，易解吸态铜的解吸量则随淋溶液 p h 的降低而增大。由于这部分对植物有较高的有效性，因此土壤在模拟酸雨影响下对重金 属冲击的缓冲能力下降。徐明岗( 1 9 9 8 ) 在研究p h 对黄棕壤c u 吸附等温线的影响发现， 随d h 降低，土壤对c u 的最大吸附量从3 7 4 5m g k g 降低至3 7 8r a g k g 。 1 2 5 酸雨淋溶下土壤重金属富存形态及迁移转化 重金属进入土壤后，就会与土壤各组分发生相互作用并且以各种形态同时存在。而不同 形态的重金属产生不同的环境效应。壤中重金属的形态通常分为可交换态、碳酸盐结合态、 有机质结合态、铁锰氧化物结合态、残渣态等。可交换态表示可交换吸附在土壤中固体颗粒 物表面上的重金属。这部分重金属对环境条件的变化最敏感有效性强，是最易被生物吸收 的部分。碳酸盐结合态表示重金属被碳酸盐吸附、沉淀或共沉淀的部分，它们对p h 的变化 西南大学碗士学位论文第1 章文献综述 晟明显，也比较容易重新释放进入水相。铁锰氧化物结合态表示与水合氧化铁氧化锰表面结 合，形成配位化合物。或同晶置换铁锰氧化物中的m 9 2 + 和f e ”而存在于它们的晶格中的重 金属。有机质结合态表示以不同形式进入或吸附在有机物颗粒上，同有机物发生螯合或离子 交换的重金属，这部分结合态重金属相对较稳定，不易被生物所吸收。残渣态表示除以上儿 种形态以外，存在于固体颗粒矿物晶格中的重金属元素，它是稳定且对生物无效的。这种形 态的重金属所占比例越高，其生物有效性越小。土壤中重金属的残渣态含量因土壤发育程度 和类型而异。 由于土壤中重金属的生物有效性和迁移特性与其存在形态密切相关，所以土壤中金属形 态的研究，无论是在土壤科学还是在环境科学中，都具有重要的意义。s a l i m 等( 1 9 9 6 ) 发 现在污染程度比较高的沉积物中，p b 和n i 主要以碳酸盐态的形式存在，c d 主要以可交换 态的形式存在。p a r d o 等( 1 9 9 0 ) 用t e s s i e r 连续提取法提取了河流沉积物上的重金属，结果 表明c d 、p b 主要存在于可交换态和碳酸盐态中，c u 、c o 和n i 主要存在于铁锰氧化物和有 机质结合态中。m a 等( 1 9 9 7 ) 提取了九种污染土壤上的重金属，其中z n 主要以非残渣态 存在，c u 主要以有机质、铁锰氧化物和碳酸盐态存在。 在酸化条件下，土壤中重金属形态则会产生相应的变化。土壤中重金属形态主要决定于 元素特性和土壤性质，如土壤p h 值、有机质、粘粒和氧化物含量( z e i e n ，1 9 9 5 ) ，而重金 属形态转化主要决定于酸雨酸度( p h 值) 。酸雨淋溶加剧土壤酸化作用，而土壤酸化促使土 壤中重金属形态发生变化并促使重金属形态向活性形态转化，尤其对水溶态、交换态、铁锰 氧化物结合态重金属影响极大( 孔维屏等。1 9 8 7 ) 。酸雨作用下，随土壤由中性向强酸性转 变，交换态c d 、c u 、p b 、z n 增加，碳酸盐结合态c d 、c u 、p b 、z n 减少；而随土壤由酸性 上升到中性时，交换态由5 0 - 6 0 下降到1 0 左右，碳酸盐结合态则由2 0 - 3 0 上升到 7 0 - 8 0 0 6 左右( 林玉锁等，1 9 9 4 ) 。 酸雨加速了土壤中元素的迁移速率，同时也促进土壤矿物风化和元素形态向可供作物 吸收形态转化( 陈建芬等，1 9 9 6 ) 。蒋建清等( 1 9 9 5 ) 通过室内模拟试验，研究了沈阳地区 酸雨对当地草甸棕壤中c d ，p b ，c u ，z n 和a s 垂直迁移的影响，结果表明，酸雨能促进c d ， p b ，c u 和z n 的迁移，随酸雨酸度增加其促进作用也加强。而且酸雨对c d 、z n 的影响大于 c u 、p b ；a s 的迁移只有在弱酸性酸雨条件下才有增加，在强酸性酸雨条件下，a s 的迁移受 到抑制。t a c k 等( 1 9 9 9 ) 根据下渗迁移公式计算了p h = 4 0 模拟酸雨下中性粉砂土和粉粘土 上重金属潜在渗漏能力。结果表明，供试土壤上重金属潜在渗漏能力为z n ：c d c u z p b ：砂 壤中重金属下渗迁移能力远大于壤质土壤和粘质土壤；由于供试土壤为中性和弱碱性土壤， 尽管土壤中活性z n 、c d 含量很高，但渗漏量很低；而c u 、p b 在土壤中迁移很差。 土壤重金属形态的成因和影响因素是重金属生态和环境效应有着重要影响。土壤中重 金属的形态组成和转化受土壤及其溶液的组成、性质等诸多因素的综合影响( 夏增禄等， 1 9 9 2 ) 。但在一定的条件下，某些单个因素在对比下仍表现出主要的作用。这些因素主要有 6 西南大学硕士学位论文第l 章文献综述 土壤重金属浓度及存在的时间、金属化合态、土壤p h 、土壤有机质等。 1 3 土壤重金属的植物有效性 1 3 1 土壤重金属植物有效性的含义 m o r a l ( 1 9 9 7 ) 将土壤微量元素的植物有效性定义为“在植物生长期间可被植物利用的 微量元素的量”。根据m o r e l 的定义，植物有效性是一个量( q u a n t i t y ) 的概念。但m o r e l 指 的量并不是植物生长期内地上部或全株吸收的金属总量，而是在植物生长期内土壤中植物有 效态金属库的大小。m o r e l 将土壤微量金属元素总量分成四个库，其中植物有效态包括三个 库：( 1 ) 水溶态离子；( 2 ) 弱吸附态；( 3 ) 植物生长期闻可以解吸的离子：和( 4 ) 植物生 长期间不可移动的离子( 图1 - 1 ) ，并认为植物有效性受到土壤和植物因素、气候条件和农 二二二一j 画i 垂；事_ i _ 一i i 二：一1 图i 1 土壤中植物有效态盒属元素库( 引自m o r e l ，1 9 9 7 ) f i g 1 - 1p o o lo f e f f 。c t i v * m e t a l si ns o i l ( a d o p t e df r o mm o r e l ，1 9 9 7 ) 业措施的影响，因此土壤微量元素的植物有效性是一个动态的概念。 重金属植物有效性受到土壤物理、化学和生物学过程及其相互作用的制约( e m s t ，1 9 9 6 ) 。 由于土壤一土壤动物磁生物植物一重金属之间的相互作用错综复杂，限于篇幅不能一一介 绍。需要强调的是，严格区分土壤理化性质、微生物和植物对重金属有效性的影响是不可能 的。例如，即便是土壤的物理性质也受到植物根系的影响。此外，还必须意识到植物根际的 特殊性，根际土壤的化学性质( 如p h 、e h 、土壤溶液组成等) 受到植物根系和根际微生物活 动的强烈影响丽有别于土壤本体的化学性质。 1 3 2 影响土壤重金属植物有效性的因素 1 3 2 1 土壤理化性质 土壤理化性质是影响重金属植物有效性的最重要因子。同样的重金属污染水平，对于同 一种植物，在一种土壤上已经形成很大的威胁，但在另一种土壤上却可能不会有任何影响， 7 西南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 这是由土壤理化性质所造成的差异。 ( 1 ) 土壤p h 毫无疑问，土壤溶液p h 是影响金属溶解性的主要因素。p h 影响着土壤溶液中重金属 的形态分布，同时通过影响土壤其它组分，也间接影响重金属的植物有效性。土壤溶液的 p h 影响着重金属在土壤固相表面的吸附( 许嘉林，1 9 9 5 ) 。士壤溶液酸度升高，溶液中矿、 f e 2 + 、m n 2 + 、z n z + 、c u 2 + 增多，一些固相盐类溶解度的增加从而增加了对交换位的竞争，使 重金属的吸附减少，有效态重金属的浓度会相应地有所增高。p h 升高，士壤固相物质表面 负电荷增加，从而导致表面吸附增加。在土壤通常的p h 范围内，专性吸附也随着p h 升高 而增强。廖敏等( 1 9 9 9 ) 的实验表明，当p h 6 时，c d 吸附过程中产生的由络合反应而引 起的专性吸附随p h 的上升而加剧，且p h 超过一定值会伴有沉淀反应，生物有效态的c d 含量会下降。 另外土壤溶液p h 可通过影响重金属溶解沉淀平衡、溶解有机质含量等改变重金属在土 壤中的赋存形态。t e m m i n g h o f f e t 口f ( 1 9 9 7 ) 发现土壤溶液的p h 由3 9 升高到6 6 时，溶液 中的有机铜由3 0 上升到9 9 ，极大地降低c u 2 + 的活度。 值得注意的是，由于土壤中很多过程之问都是相互关联的，这就很难把p h 同其它理化 特性分开进行单独讨论。t e m m i n g h o f f e t a l ( 1 9 9 7 ) 在比较低的p h 情况下发现尽管c u 2 + 的解吸率增加，但酸性同时降低了溶解有机质的浓度及c u ( o h ) 2 络台物的浓度。r i k e n se t a 1 ( 1 9 9 8 ) 的实验表明，溶液中的离子浓度取决于p h ，同时p h 也会影响溶解有机质的构 成及其凝固。 ( 2 ) 土壤e h 土壤e h 的变化主要通过氧化还原影响重金属的价态变化，并可能导致其化含物溶解性 的变化。其对有效态元素含量的影响比较清楚地反映在淹水土壤和旱作土壤的对比关系上。 当土壤处于还原状况时，舍s 有机物及施入土壤的含s 肥料都可产生h 2 s ，此时重金属就以 难溶性硫化物的形式存在。郑绍建等( 1 9 9 5 ) 研究了受c u 冶炼厂“三废”污染的土壤栽种小 麦一水稻一小麦的过程中土壤c d 形态的转化。发现淹水使交换态c d 分配系数明显下降， 酸性土壤下降3 0 ，石灰性土壤下降达6 0 ，其它各形态则有不同程度的提高。他认为是 由于淹水增强了有机质和c a c 0 3 对c d 的吸附所致，而不仅仅足生成c d s 的缘故。但如e h 过高，s 2 一可被氧化成单质s 的形态沉淀，从而使金属硫化物的溶解度增大( 李天杰，1 9 9 5 ) 。 ( 3 ) 土壤有机质含量 土壤中有机质含量的高低不仅对土地生产力有着十分重要的意义，而且对土壤重金属 有着重要的影响。有机质对重金属离子的作用，主要是离了交换吸附和络合作用。有机质对 重金属离子( c d 2 + 、z n 2 + 、p b ”) 有很强的吸附作用。b o l t o n ( 1 9 9 6 ) 研究发现，在一定的 d hf ，土壤c d 的最大吸附量与有机质、铁铝氧化物等有明显的相关性。 土壤有机质中主要为腐殖质，一般占大壤有机质总营的5 0 0 一9 0 ，其各个组分与重金 8 西南入学硕士学位论文第1 苹文献综述 属络台( 或螫合) 后的有效性不一样。其中胡敏酸和胡敏素与金属离子形成的络合物不易溶 解，而富里酸和金属离子形成的络合物较易溶解，这样就会对植物吸收重金属有很大的影响。 由于溶解性有机质和固相有机质的比值不同，有机质常会产生很复杂的影响。十壤有机 质含量可增加阳离子交换能力。并增加对金属的吸附，这会减少溶液的金属浓度。但另一方 面，有机配位体会增加土壤溶液中金属络台物，从而减少吸附，增加溶解金属的浓度。ne t 口f ( 1 9 9 6 ) 的研究表明。有机质含量高的土壤，吸附等温线并不是传统的l 形状，而是s 形的。这是由最初加入土壤中的与溶解有机质发生反应的金属数量所造成的，只有在超过伴 随溶解性有机质( d o m ) 的组合能力后，同相物质上才会有相当的吸附。所作的另一个研 究( n ，e ta t , 1 9 9 7 ) 表明，所有金属的溶解分配系数很大程度上取决于土壤溶液比。溶液 的d h 对有机质的络合( 或螯合) 有很大的影响。尽管增加溶液p h 会降低矿物金属的溶解 度，但由于伴随d o m 络合物及氢氧化物络合物的形成，却可能增加溶液的金属浓度。d o m 也要覆盖矿物质吸附点位，使它们不能吸附，因而间接抑制了金属的吸附。但有机配位体却 可能吸附在矿物质上，从而产生新的吸附表面，增加金属在土壤中的保持力( h a r _ t e r , e la l , 1 9 9 5 ) 。 ( 4 ) 土壤矿物质 土壤中的粘土矿