土体中外源重金属形态转化驱动因子研究进展

作者:未知

  摘   要   外源重金属进入土体会发生一系列复杂的变化,土体环境对重金属元素的赋存形态产生直接影响。总结土体pH、重金属进入土体时间长短、氧化还原电位、含水量条件及其他因素对重金属形态、生物毒性和植物可利用性的影响研究进展。
  关键词  外源重金属;赋存特性;形态;驱动因子
  中图分类号:X53   文献标识码:C   DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.13.009
  土体是一个复杂的多介质多界面生态环境体系,当外源重金属进入土体后,会发生各种形态的变化[1-2]。重金属与土体中的有机物、微生物和矿物质发生复杂的生物物理化学反应,由于大多数重金属属于过渡元素,其特有的电子层结构,使其在土体环境中的化学行为具有一系列特点[3]。重金属与土体中其他物质结合以一定的形态存在,这是重金属发生迁移的基础[4-7]。对重金属化学形态的转化条件与机理研究有助于了解重金属在土体中的分散与富集过程、迁移转化规律及其对土体环境质量的影响[8]。重金属在土体中的赋存形态及其相互间的比例关系,不仅与物质来源有关,还与土体质地、理化性质(pH、Eh、CEC等)、胶体类别、有机质含量、矿物特征、环境生物等因素有关[9-10]。
  重金属在土体中不同的存在形态决定了重金属的迁移率和生物利用率,从而表现出不同的生物活性与毒性。土体系统中重金属的存在形态,对于充分了解其迁移转化机理、阐明其生理作用特征等都具有重要意义。因此,对重金属的活性形态及其影响因素研究已成为行业及学术热点和重点[11]。
  1 土体pH对重金属存在形态的影响
  国内近年来关于pH对重金属形态影响的研究很多集中在Pb或Cd上,如杨秀敏等[12]通过向重金属污染土体中添加海泡石调节土体pH值时发现,土体中可交换态重金属Cd、Zn、Pb浓度与土体的pH值均呈显著负相关。Cd、Zn、Pb的碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机物结合态和残渣态浓度均与土体的pH值呈显著正相关。方月梅等[13]对工业园区农用土体中重金属Cu和Pb的形态研究发现,土体pH值与Pb弱酸提取态含量、Cu可还原态含量之间相关性显著。高瑞丽等[14]在提高黄棕壤pH后发现,残渣态Pb含量极显著增加,弱酸提取态、可还原态及可氧化态Pb含量降低,Pb活性降低;而残渣态Cd含量变化不显著,促进了弱酸提取态Cd含量向可氧化态Cd的转化。
  2 老化时间对重金属存在形态的影响
  田园等[15]在研究土体中镉铅锌单一和复合老化效应时发现,重金属的形态随时间发生变化,在交互作用下重金属的稳态浓度高于单一重金属,且达到稳定的时间会延长。郑顺安等[16]在对外源Cr(III)在我国22种典型土体中的老化特征及关键影响因子研究中发现,重金属的老化过程直接决定土体重金属的有效性和毒性。土体性质中对老化速率影响最大的是有机质,其次是pH和活性氧化铁。
  3  土体的氧化还原性(Eh)和水分对重金属存在形态的影响
  土體Eh和水分也是影响重金属形态转化的关键因素。土体中重金属的形态、化合价和离子浓度都会随土体Eh的变化而变化,进而影响重金属在土体中的形态分布[17]。土体水分也会通过影响土体的物理、化学与生物性质,从而影响重金属在土体中形态的转化和分配,进而改变植物的可利用性及其对环境的风险[18]。杨维等[19]研究了大孤山矿区土体理化性质对重金属形态分布的影响时,得到Eh是影响Zn各形态和Ni残渣态主要因素的结论。孙延琛等[20]通过降低土体的Eh,活化了土体中的重金属Cd、Cu、Pb和Zn,使植物积累重金属的风险有所提高。
  Laing等[21]在温室试验和田间条件下,研究了潮间带湿地中金属积累、迁移率和有效性的因素,结果显示水淹Fe、Mn、Ni、Cr在钙质基体中的迁移率有所提高,而Cd、Cu、Zn的迁移率有所降低。陈森等[22]在恒干、干湿交替和恒湿三种条件下向高岭土和石英砂中添加的外援可溶性Pb和Zn,并监测其形态变化,发现随着培养时间的增加,可交换态和可氧化态向稳定态转化,转化速率是恒干>干湿循环>恒湿。崔晓荧等[23]对淹水和干湿交替两种模式下对水稻中重金属的富集效应进行了研究,结果表明干湿交替能显著提高生物有效性,增强重金属的迁移能力。
  4 其他因素对重金属存在形态的影响
  其他因素如有机质或有机物料、土体中碳酸盐含量、土体颗粒组成等也会对重金属形态分布产生影响。土体中有机质(富里酸、胡敏酸等)表现出很强的表面络合能力,有机胶体与重金属结合,无机胶体表面大量吸附重金属元素,均能直接改变土体中重金属形态分布,从而影响土体中重金属的移动性及其生物有效性。P Xu等[24]在对Cd、Pb重金属污染土体的生物有效性和植物富集的影响试验中发现,改善土体pH和有机碳,可降低Cd、Pb的生物有效性及Cd在植物体内的累积。Meng J等[25]发现通过向存在4种重金属污染的土体中加入改良剂,增大土体pH和溶解性有机碳的浓度,能显著降低可交换态重金属含量,将其转化为更稳定的形态。Bandara T等[26]通过向富含重金属的蛇纹岩土体中添加比表面积较大的生物炭,能够降低金属毒性并改善植物的生长。
  5 小结
  不同的土体和环境条件直接或间接影响土体重金属元素的迁移、赋存特性以及生物有效性,通过研究土体中的重金属形态,以了解土体中重金属的转化和迁移,预测其生物可利用性,间接评价重金属的环境效应,对于预测重金属在土体环境中的迁移转化和形态分布趋势和评价其潜在风险均具有重要的理论和实践意义。
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  (助理编辑:易  婧;责任编辑:丁志祥)
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