土壤pH和有机质含量对重金属可利用性的影响

时间：2024-10-24

岳国辉

（广西壮族自治区地质调查院，广西南宁 530000）

当前土壤重金属污染已经成为一个热点环境问题，对重金属土壤污染加以治理也成为当前提升环境质量的重点内容。重金属可利用性作为评判土壤重金属污染的一个重要指标，常常用来评价土壤的修复效果。现阶段，为更好地保护人体健康人们可以参照地球化学，对重金属迁移、转化、分散、富集的具体情况加以分析，以便得出切实解决重金属污染问题的方法。

1 研究重金属可利用性的意义

在过去的一段时间内，人们仅仅以土壤中重金属含量的高低判断土壤的污染情况，但随着时间的推移，人类活动释放的各种金属、非金属元素以及各种有机、无机化合物进入到自然地循环体系当中，并且会在自然条件下出现诸如溶解、氧化、还原、化学分解、生物化学分解、络合和整合等反应情况，单纯的重金属含量已经无法满足人们对重金属污染情况判定的具体需要，此时人们开始利用活动性、生物可利用性、毒性等化学与生物方式解释、预测环境中重金属的总量，明确物质的迁移转化规律，其中生物可利用性又可被称作生物有效性、生物可给性，并且其概念可以分成基于化学与基于生物学概念两种。基于化学的生物可利用性更重视一种污染物是否可以被吸收以及这一物质的潜在毒性；基于生物学的生物可利用性侧重于物质是否可以通过细胞膜进入物质体内。现阶段，矿区土壤重金属污染已经成为我国环境污染中不可忽视的关键性问题，采用现场调查研究或者实验室迷你研究这类的环境地球化学研究方法，对土壤的pH值、有机质含量与土壤中重金属可利用性进行分析，可以为相关工作人员后续矿区重金属污染问题治理提供指引[1]。

2 重金属可利用性的影响因素

矿山尾矿、矿渣等物质是导致矿区土壤重金属污染的主要原因之一，在采矿过程中，工作人员常常会将矿物从地下运输到地表，在这一过程中，受环境变化的影响，矿物往往会出现物理、化学以及生物作用，将一些有毒有害的重金属元素释放到周围的土壤、水源当中，导致矿区的周边环境在原有物质循环的基础上，叠加了新的重金属物质循环，环境质量将会遭到破坏。需要注意的是，受土壤pH值、有机质含量、氧还原电位等不同的土壤条件影响，土壤中的重金属可用性将会产生极大的差异，一般情况下，人们可以用金属活性与生物毒性对其进行描述。同时，土壤的类型、理化性质、植被状况与种类等因素也会对重金属可利用性产生直接的影响，这一情况的存在大大提升了土壤重金属可利用性研究的复杂性与多样性，在当前矿区土壤污染情况评价的过程中，忽略诸如土壤pH值、有机质含量、土壤中微生物含量与种类等土壤性质因素对其重金属生物可利用性进行评价是不完善的，下文主要从土壤pH值与土壤有机质含量这两个影响因素对重金属可利用性进行了描述。

2.1 土壤pH值

土壤的pH值会对土壤中溶解—沉淀、吸附—分解等反应产生极为关键的影响，当前，人们普遍认为土壤中的pH值与土壤重金属可利用性之间的变化规律是，土壤中的pH值上升，在吸附作用的影响下，土壤中大部分元素的浓度会下降，此时土壤中重金属可利用性下降，与此同时，土壤中有机质与金属络合物之间的稳定性将会得到提升。举例来说，当土壤中pH增加时，土壤中铅的固相吸附量与吸附能力将会得到提升，铅的可溶性与移动性将会降低。同时，在一定pH值范围内，随着pH值的升高，黏土矿物对汞的吸附量将会提升，某实验室将土壤的pH值从3.0逐渐升高至5.0，土壤对汞的吸附量从最初的86%升高至98%。此外，提升土壤的pH值还可以提升腐殖质对汞的吸附容量，其原理是，在pH值增大的情况下，腐殖质与土壤中汞金属的络合物稳定性将会得到提升，并且当pH值处于4.7~6.5之间时，腐殖质对汞离子的吸附效果最好[2]。

2.2 土壤有机质

有机质作为土壤的重要组成部分，尽管其含量一般在土壤中大多在5%以下，并且一些土壤中的有机质仅占土壤总物质含量的1%~3%，比土壤中矿质含量还要低，但有机质不仅能为植物的正常生长提供助力，还能与土壤中的重金属结合，构成土壤中重金属最为常见的形态，对于矿区来说，有机质结合态重金属是土壤中重金属的直接表现形式之一，其数量与土壤中有机质的含量有着直接的联系。举例来说，当前土壤中—SH、—NH2等基团形态能够与铅形成相对稳定的络合物，降低铅在土壤中的迁移能力。同时，由于大分子固相有机物会与土壤中的黏土矿物一起吸附土壤中的重金属，进而达到降低重金属移动能力，影响其可利用性的目的，举例来说，人们常常可以在富含有机质的土壤中发现明显的汞富集现象，并且经实验证明，在一定的时间与土壤条件限制下，土壤中有机质含量每增加1%，汞固定率将会提升30%。

3 研究重金属可利用性的实例

红壤约占我国国土面积的22%，具有酸、瘦、黏等特点，近年来，部分矿区在开采的过程中，未注意对红壤的合理开发保护，导致土壤的重金属污染情况较为严重，现阶段，为明确重金属可利用性的影响因素，笔者在某矿区内随机抽取了5个地点，对土壤中铜、锰、镍、铅、铬、锌这六种金属元素的全量与有效态含量进行了测定，同时结合当地土壤的理化因子对影响矿区重金属可利用性的因素进行了探究，以期为后续矿区重金属污染的消退提供理论与实验依据。

3.1 实验材料与方法

（1）土壤的采集。首先在某矿区随机选择5个地点作为样地，每个样地的土壤类型都是红壤；其次，在每块样地的土壤表层20cm内随机采集5个土样，并将同一样地的土样混合均匀、使其自然风干；再次，用研磨工具进行研磨，在研磨完成后使其过100目尼龙筛；再次，将过100目筛的土壤用于检测重金属全量与有机质含量；最后，将过10目筛后的土壤作为测量土壤中重金属可利用性、pH值物质含量的样品。

（2）土壤重金属全量、有效态含量的测量。在进行土壤中重金属全量与有效态含量测量的过程中，首先，相关工作人员可以参照《中华人民共和国环境保护标准》HJ 803—2016和HJ 804—2016中的要求，用王水消解过10目筛后的土样；其次，工作人员可以用0.005mol/L的二乙烯三胺五乙酸—0.01mol/L的氯化钙—0.1mol/L的三乙醇胺混合溶液浸提过10目筛的土样；最后，当土样进过消解与浸提液过滤，并且定容后，相关工作人员可以利用电感耦合等离子体发射光谱仪测定土壤中铜、锰、镍、铅、铬、锌这六种金属的全量与有效态含量。

（3）土壤pH值、有机质的测定。在进行土壤pH值测量的过程中，工作人员应参照《中华人民共和国农业行业标准》NY/1377—2007的要求，称量10g过10目筛后的土样，在其中加入25mL的去离子水，并用搅拌器迅速搅拌5分钟，将搅拌完成后的土壤放置1小时，然后用pH计测量土壤的pH值。同时，在进行土壤有机质测量的过程中，工作人员应参照《中华人民共和国农业行业标准》NY/T 1121.6—2006的要求，取0.1g过100目筛后的土样，将其与4mol/L的重铬酸钾—硫酸溶液在175℃的环境下加热氧化15分钟，然后用0.1mol/L的硫酸亚铁溶液进行滴定，计算土壤中的有机质含量。

3.2 实验结果与分析

（1）取样点土壤因子描述。如表1所示不同地样间土壤的理化特性与重金属的有效态含量之间存在较大的差距，同时，不同土壤样品的pH值处于5.17~8.05之间，有机质含量处于5.49~42.23g/kg之间。同时以上六种重金属的有效态含量变异系数处于0.36~0.87之间，其中铜的有效态含量变异系数最低，铅的变异系数最高。

表1 样地土壤因子与重金属有效态含量

（2）土壤pH值对重金属可利用性的影响。参照表1绘制线性回归拟合曲线可以发现，土壤的pH值与重金属的有效态含量之间并不存在明显的线性联系，但土壤中除锰以外的各种金属有效态含量与土壤的pH值之间存在明显的单峰模式关系，并且在土壤的pH值处于6.5左右时，土壤中除锰以外的金属有效态含量相对较高，但当土壤的pH超过6.5时，重金属的有效态含量出现降低情况。

（3）土壤有机质含量对土壤重金属可利用性的影响。经分析发现，土壤的有机质含量与土壤中重金属的有效态含量之间呈现出明显的线性关系，具体来说，土壤中除铜以外的重金属有效态含量随土壤中有机质含量的提升而提升，并且土壤中有机质含量变化情况对铬与铅有效态含量的影响最为明显。但土壤中有机质含量与重金属全量之间并没有明显的关联性。

3.3 降低重金属有效态的方式

（1）调节土壤pH值控制土壤中重金属的有效态含量。经上述实验研究可以发现，土壤的pH值会对土壤生化特性产生极为明显的影响，进而对重金属的可利用性产生明显的影响。具体来说，在一定范围内，随着土壤pH值的升高，土壤对重金属的吸附能力得到了提升，这就使得土壤中重金属的有效态含量减少。现阶段，大部分基于施加钝化材料的重金属污染消减实验证明，在土壤中施加碱性钝化材料后，土壤的pH值将会得到提升，重金属的有效态含量将会降低。举例来说，相关工作人员通过向被铬污染的土壤中施加鱼骨粉的方式。提升了土壤的pH值，大大降低了土壤中铬的有效态含量。但需要注意的是，尽管当前调节土壤的pH值已经被看做是降低土壤中重金属生物有效性的有效方式，但同样有研究表明部分重金属元素与土壤中的pH值存在的关系可能使非线性的，比方说，在土壤的pH值处于5.0—7.0之间时，铜、铬等重金属元素的有效态含量并不会发生明显的变化，此外，对铅、锰等重金属元素进行研究可以发现，这些金属元素与土壤pH值之间的关系更接近于单峰模式[3]。

（2）调节土壤有机质含量控制土壤中重金属的有效态含量。由于土壤有机质上具备大量的吸附点，提升土壤中有机质的含量，可以提升重金属的吸附量，从而达到降低土壤重金属污染程度的目的。从本次研究可以发现，除铜以外的金属元素有效态含量会随有机质含量的提升而得到提升，这种情况的存在说明了有机质可以活化红壤中的重金属元素。举例来说，相关工作人员可以通过在土壤中施加菜籽饼粕、鸡粪等有机物料的方式，降低土壤中可溶性重金属的含量。但需要注意的是，当土壤中有机质含量提升的过程中，溶解性有机质的含量也会随之升高，这些有机质在自然条件下可以与重金属产生络合或者螯合反应，进而提升重金属的生物可利用性。当有机质对重金属产生的活化作用能力超过吸附钝化能力时，重金属的可利用性可能会呈现出随有机质含量提升而升高的显现，因此，在当前矿区土壤重金属污染治理的过程中，相关工作人员若要采用施加有机物料的方式，消减土壤污染时，必须对当地土壤条件、有机物料具体情况等信息进行明确的了解，并通过适量施加物料的方式，提升自身工作的有效性[4]。