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土壤重金属污染及其化学形态特征
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)
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【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-1，157.0±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Zn[8]，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、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差异。FAKAYODE和OWOLABI[10]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。Tessier[15]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、无定形铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态5种形态。Shuman[16]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。（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.
[2]FACCHINELLI A, SACCHI E, MALLEN L. Multivariate statistical and GISbased approach to identify heavy metal sources in soils [J]. Environmental Pollution, 2001, 114: 313324.
[3]左倬,王金凤,由文辉. 生态科学[J]. 上海城市不同绿地类型土壤重金属污染研究,2008,27(1):12-16
[4]FAKOYADE S O, ONIANWA P C. Heavy metal contamination of soil and bioaccumulation in Guinea grass (Panicumacium) around Ikeja Industrial Estate, Lagos, Nigeria [J]. Environ Geology, 2002, 43: 145150.
[5]EREL Y, VERON A, HALICZ L. Tracing the transport of anthropogenic lead in the atmosphere and in soils using isotopic ratios [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1997, 61(21): 44954505.
[6]WANG Q, KIM D, DIONYSIOU D D, et al. Sources and remediation for mercury contamination in aquatic systemsa literature review [J]. Environmental Pollution, 2004, 131: 323326.
[7]WILLIAMS C H, DAVID D J. The effect of superphosphate on the cadmium content of soils and plants [J]. Aust J Soil Res, 1973, 11: 4356.
[8]夏家淇. 土壤环境质量标准详解[M]. 北京：中国环境科学出版社，1996: 715.
[9]李波, 林玉锁, 张孝飞, 等. 沪宁高速公路两侧土壤和小麦重金属污染状况 [J]. 农村生态环境, 2005, 21(3): 5053, 70.
[10]FAKOYADE S O, OLUOWOLABI B I. Heavy metal contamination of roadside topsoil in Osagbo, Nigeria: its relationship to traffic density and proximity to highways [J]. Environ Geology, 2003, 44: 50157.
[11]刘清, 王子健, 汤鸿霄. 重金属形态与生物毒性及生物有效性关系的研究进展[J]. 环境科学, 1996, 17(1): 89-92.
[12]刘清, 王子健, 汤鸿霄. 重金属形态与生物毒性及生物有效性关系的研究进展[J]. 环境科学, 1996, 17(1): 89-92.
[13]ALLEN H E, HALLR R H, BRISBIN T D, Metals speciation effects on aquatic toxicity[J]. Environ Sci Technol, 1980, 14(4): 441-443.
[14]王学修, 杨艳琴, 土壤-植物系统重金属形态分析和生物有效性研究进展[J]. 化工环保, 2004, 24(1): 24-28.。
[15]SHUMAN L M. Fractionation Method for Soil Microelements[J]. Soil Sci, 1985, (140): 11-12.
[16]URE A M, QUEVAUVILLER PH, MUNTAU H, GRIEPINK B, Speciation of heavy metals in soils and sediments. An account of the improvement and harmonization of extraction techniques undertaked under the auspices of the BCR of the commission of the European communities[J]. Int, J. Environ Anal Chem, 1993, 51: 135-151.]
[17]LELEYTER L, PROBST J-L. A new Sequential Extraction Procedure for the Speciation of Particulate Trace Elements in River Sediments[J]. Intern. J Environ Anal Chem, 1999, 73(2): 109-128.
[18]唐寿印. 废水处理工程 [M] 北京: 化学工业出版社,1998：
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·上一篇论文：低浓度废水处理的研究进展
·下一篇论文：南宁市典型工业区土壤重金属污染状况研究
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土壤重金属污染及其化学形态特征
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)
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【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-1，157.0±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Zn[8]，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、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差异。FAKAYODE和OWOLABI[10]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。Tessier[15]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、无定形铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态5种形态。Shuman[16]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。（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.
[2]FACCHINELLI A, SACCHI E, MALLEN L. Multivariate statistical and GISbased approach to identify heavy metal sources in soils [J]. Environmental Pollution, 2001, 114: 313324.
[3]左倬,王金凤,由文辉. 生态科学[J]. 上海城市不同绿地类型土壤重金属污染研究,2008,27(1):12-16
[4]FAKOYADE S O, ONIANWA P C. Heavy metal contamination of soil and bioaccumulation in Guinea grass (Panicumacium) around Ikeja Industrial Estate, Lagos, Nigeria [J]. Environ Geology, 2002, 43: 145150.
[5]EREL Y, VERON A, HALICZ L. Tracing the transport of anthropogenic lead in the atmosphere and in soils using isotopic ratios [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1997, 61(21): 44954505.
[6]WANG Q, KIM D, DIONYSIOU D D, et al. Sources and remediation for mercury contamination in aquatic systemsa literature review [J]. Environmental Pollution, 2004, 131: 323326.
[7]WILLIAMS C H, DAVID D J. The effect of superphosphate on the cadmium content of soils and plants [J]. Aust J Soil Res, 1973, 11: 4356.
[8]夏家淇. 土壤环境质量标准详解[M]. 北京：中国环境科学出版社，1996: 715.
[9]李波, 林玉锁, 张孝飞, 等. 沪宁高速公路两侧土壤和小麦重金属污染状况 [J]. 农村生态环境, 2005, 21(3): 5053, 70.
[10]FAKOYADE S O, OLUOWOLABI B I. Heavy metal contamination of roadside topsoil in Osagbo, Nigeria: its relationship to traffic density and proximity to highways [J]. Environ Geology, 2003, 44: 50157.
[11]刘清, 王子健, 汤鸿霄. 重金属形态与生物毒性及生物有效性关系的研究进展[J]. 环境科学, 1996, 17(1): 89-92.
[12]刘清, 王子健, 汤鸿霄. 重金属形态与生物毒性及生物有效性关系的研究进展[J]. 环境科学, 1996, 17(1): 89-92.
[13]ALLEN H E, HALLR R H, BRISBIN T D, Metals speciation effects on aquatic toxicity[J]. Environ Sci Technol, 1980, 14(4): 441-443.
[14]王学修, 杨艳琴, 土壤-植物系统重金属形态分析和生物有效性研究进展[J]. 化工环保, 2004, 24(1): 24-28.。
[15]SHUMAN L M. Fractionation Method for Soil Microelements[J]. Soil Sci, 1985, (140): 11-12.
[16]URE A M, QUEVAUVILLER PH, MUNTAU H, GRIEPINK B, Speciation of heavy metals in soils and sediments. An account of the improvement and harmonization of extraction techniques undertaked under the auspices of the BCR of the commission of the European communities[J]. Int, J. Environ Anal Chem, 1993, 51: 135-151.]
[17]LELEYTER L, PROBST J-L. A new Sequential Extraction Procedure for the Speciation of Particulate Trace Elements in River Sediments[J]. Intern. J Environ Anal Chem, 1999, 73(2): 109-128.
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