土壤中鎘污染垂直遷移的影響因素研究

甘麗仙，王翠紅

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙410128）

早有研究證實(shí)，土壤重金屬的污染主要是積聚在0～20 cm深的土表層，土壤底層重金屬含量較低，且重金屬污染不易發(fā)生垂直移動(dòng)[1-2]。但最新研究表明，土壤中的鎘（Cd）污染可以遷移至土表以下60 cm處甚至100 cm處的土層[3-4]。專家分析認(rèn)為，土壤中鎘污染發(fā)生垂直遷移可能與土壤中一種叫可溶性有機(jī)碳的物質(zhì)有關(guān)?？扇苄杂袡C(jī)碳（Dissolved organic carbon，簡稱DOC）是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的部分，其存在極大增強(qiáng)了土壤中鎘的移動(dòng)性，但垂直移動(dòng)能否發(fā)生還與可溶性有機(jī)碳本身性質(zhì)、土壤重金屬濃度以及土壤本身一些因素有關(guān)。鎘是重金屬中毒性較大且較為普遍的一種重金屬元素。因此，該文以土壤鎘為研究對象，從土壤DOC本身性質(zhì)、土壤鎘濃度以及土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量等方面對土壤鎘的垂直移動(dòng)性影響進(jìn)行綜述，旨在為阻斷土壤鎘的垂直遷移行為以及保護(hù)地下水質(zhì)量安全提供參考。

1 土壤中可溶性有機(jī)碳對鎘污染垂直遷移的影響

1.1 可溶性有機(jī)碳的定義

土壤有機(jī)碳是由分解速率不同的碳成分組成的復(fù)合體[5]。20世紀(jì)70～80年代，人們深入研究了土壤有機(jī)碳的組分，進(jìn)而提出活性有機(jī)碳的概念[6]。迄今為止，土壤活性有機(jī)質(zhì)還沒有一個(gè)相對嚴(yán)格和準(zhǔn)確的定義，很多定義都是研究者通過自身的研究目的而提出的。土壤可溶性有機(jī)碳屬于活性有機(jī)碳，是土壤活性有機(jī)碳的重要組成部分，對調(diào)節(jié)陽離子淋洗、酸性陰離子吸附-解吸、金屬溶解及礦物風(fēng)化等都具有重要作用，由一系列有機(jī)物組成，從簡單的有機(jī)酸到復(fù)雜的大分子物質(zhì)如胡敏酸、富里酸等[7]。目前，DOC的概念是基于提取DOC的操作過程來定義的，研究者普遍認(rèn)為土壤經(jīng)水溶液浸提后，能通過0.45μm微孔濾膜的有機(jī)物質(zhì)即為DOC[8-10]，包括簡單糖、糖和復(fù)雜大分子的腐殖質(zhì)[11]。

1.2 可溶性有機(jī)碳的性質(zhì)和組成

DOC不是一種單純的化合物，它是土壤有機(jī)碳的組成部分之一[12]。土壤DOC中通常有許多重要的螯合基團(tuán)和絡(luò)合官能團(tuán)，如羰基（-C=O）、羥基（-OH）、羧基（-COOH）和氨基（-NH2）等，主要包括以膠體狀浮于土壤溶液中的大分子有機(jī)質(zhì)及溶解于土壤溶液中種類不同的低分子有機(jī)質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)DOC分子量都大于1000Da[13]。此外，土壤DOC官能團(tuán)和分子量不同，其本身性質(zhì)也不同，對土壤中重金屬會有不同的活化能力，導(dǎo)致重金屬在不同土壤環(huán)境中的遷移能力有差異[14]。DOC中有可提供電子的絡(luò)合官能團(tuán)，使其可與Cd2+生成Cd的絡(luò)合物，有兩個(gè)以上電子配位的螯合基團(tuán)也可與Cd2+生成Cd的螯合物[15]。因此，在有機(jī)肥或腐殖酸的作用下，鎘與DOC可通過絡(luò)合作用，形成較穩(wěn)定且可溶的有機(jī)-重金屬復(fù)合體，進(jìn)而增加Cd2+的溶解度，改變其在環(huán)境中的去處。

1.3 土壤中可溶性有機(jī)碳濃度

土壤中DOC濃度影響著重金屬在土壤中的遷移[16]。李燕麗等[2]以自然污染土壤為研究對象，用土柱（表層0～20 cm為污灌區(qū)土壤，20～40 cm為清潔土壤）模擬淋洗試驗(yàn)研究有機(jī)酸淋洗對土壤Cd縱向遷移及其有效性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同濃度（10、25、75及150 kg/667m2）的有機(jī)酸淋洗土柱后，隨著土層深度的增加，土壤鎘含量逐漸降低直至接近供試土壤的背景值。

高太忠等[17]采集距地表20～40 cm的褐土土壤，通過土柱淋濾試驗(yàn)?zāi)M在溶解性有機(jī)物的影響下，研究土壤中重金屬Cu、Cd、Pb、Zn的縱向遷移行為。結(jié)果表明，不同濃度的溶解性有機(jī)物對土壤中重金屬遷移的影響不同，溶解性有機(jī)物濃度越高，Cd溶出的促進(jìn)效果越明顯，質(zhì)量濃度為200、100、50mg/L的溶解性有機(jī)物，其累積遷移率分別是對照的1.34、1.24和1.15倍。由此可見，溶解性有機(jī)物對土壤中Cd的垂直遷移起著一定的促進(jìn)作用。

2 土壤中鎘濃度對鎘污染垂直遷移的影響

由于土壤的強(qiáng)吸附作用，鎘很少發(fā)生向下的再遷移而只是累積于土壤表層。但有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中存在可溶性有機(jī)物質(zhì)時(shí)，土壤鎘可能會向更深土層遷移。秦魚生等[18]研究了成都平原稻-麥輪作下水稻土剖面中鎘的分布特征及其與水稻、小麥吸收鎘的相關(guān)性，結(jié)果表明土壤剖面中的鎘主要集中在0～15 cm的耕層土壤，總體表現(xiàn)為“向根層富集”的特征，土壤全鎘和有效態(tài)鎘均隨土層深度的增加而逐漸降低，30～45 cm土層的全鎘和有效態(tài)鎘含量平均值分別為表層的47.60%和39.49%。Neal等[19]研究可溶性有機(jī)物質(zhì)對土壤鎘吸附影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，鎘在0.001～0.100μmol/kg的低濃度時(shí)，土壤溶液中會形成可溶性有機(jī)-鎘絡(luò)合物而抑制土壤對鎘的吸附。李興菊等[20]人的研究結(jié)果表明，在紫色土中，較低Cd濃度時(shí)，豬糞水溶性有機(jī)質(zhì)可抑制土壤對Cd的吸附，但在較高濃度時(shí)卻可促進(jìn)土壤對Cd的吸附。另有研究報(bào)道，DOC對土柱淋溶物中Cd濃度影響較小，可能與DOC的組成對其與重金屬絡(luò)合能力的影響有關(guān)。

3 土壤指標(biāo)因素對鎘污染垂直遷移的影響

3.1 土壤pH值

pH值是影響Cd遷移的重要因素之一。重金屬在剖面中的移動(dòng)受土壤DOC的影響，主要是因?yàn)閜H值影響土壤液相中重金屬離子存在形態(tài)、表面電荷性質(zhì)以及有機(jī)配體、有機(jī)酸對重金屬氧化物的溶解作用等綜合因素的結(jié)果，pH值不同，各因素表現(xiàn)程度也不同。pH值越低，土壤表面負(fù)電荷越少，由于靜電作用而吸附的有機(jī)酸羧酸根離子負(fù)離子將進(jìn)一步與鎘結(jié)合，進(jìn)而增加鎘的吸附量；pH值越高，土壤表面負(fù)電荷累積會增加，鎘與有機(jī)酸形成的配合物也將相應(yīng)增加，導(dǎo)致吸附能力相應(yīng)減弱，增大了重金屬在土壤中的移動(dòng)性。

有研究發(fā)現(xiàn)，在pH值為7.4的土壤中加入DOC，其中60%～80%可被土壤吸附，而當(dāng)土壤pH值為4.5時(shí)，加入的DOC幾乎全部被土壤吸附[21]；當(dāng)pH值小于4.5時(shí)，DOC對重金屬的遷移影響較小[22]；當(dāng)pH值在2～7時(shí)，隨著pH值升高，土壤的絡(luò)合能力逐漸增強(qiáng)；但當(dāng)pH值大于8后，土壤絡(luò)合能力又下降[23]。陳同斌等[24]研究塘泥和稻稈溶解性有機(jī)物對水稻土（pH值5.85）、赤紅壤（pH值6.10）、褐潮土（pH值7.85）3種土壤Cd吸附的影響，發(fā)現(xiàn)溶解性有機(jī)物在3種土壤中，抑制作用最強(qiáng)的是褐潮土，pH值為7.85；抑制作用最弱的是水稻土，pH值為5.8。

3.2 土壤有機(jī)質(zhì)

有機(jī)物質(zhì)中含有很多功能團(tuán)，可與重金屬結(jié)合后形成穩(wěn)定絡(luò)合物小分子，如有機(jī)酸、腐殖酸等[25]。有機(jī)質(zhì)在土壤和水體中可以充當(dāng)難溶性污染物的助溶劑和遷移載體[26]。有研究表明，在Cd污染土壤中添加有機(jī)肥，會使有機(jī)絡(luò)合態(tài)的Cd含量明顯增加，而水溶態(tài)和交換態(tài)Cd含量則明顯降低；而在砂土中施加含DOC較高的牲畜糞便，溶解性鎘的濃度將增加30%～100%[27]；而提高土柱或砂柱淋溶液的有機(jī)質(zhì)含量能增加鎘的溶解性[28]。另外，也有研究顯示，土壤中DOC含量與土壤有機(jī)碳含量之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系[29]。這與倪進(jìn)治[30]的研究結(jié)果一致。李廷強(qiáng)等[4]對農(nóng)田土壤的研究也同樣發(fā)現(xiàn)，土壤DOC的濃度與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)。由此可見，根據(jù)有機(jī)絡(luò)合原理，有機(jī)肥的施用或秸稈還田等農(nóng)業(yè)措施會改變土壤有機(jī)質(zhì)含量，將鎘固定在土壤表層，使其不易遷移到土壤底層。

除土壤pH值和有機(jī)質(zhì)外，土壤的其他理化性質(zhì)如土壤陽離子交換量（CEC）、土壤粘粒含量等對Cd在土壤中的遷移也有影響。

4 研究展望

DOC是土壤中一種非?；钴S的化學(xué)物質(zhì)，對土壤C、N、P循環(huán)，土壤的形成以及其他化學(xué)物質(zhì)的吸附、解吸和遷移等行為均有明顯影響。近年來，相關(guān)研究指出，土壤DOC可影響土壤重金屬元素向更深層土壤遷移，繼而可能對地下水體的環(huán)境質(zhì)量安全構(gòu)成潛在威脅。但目前對土壤DOC與重金屬的關(guān)系研究還存在以下不足：（1）土壤DOC組分分離技術(shù)不夠完善，有待改進(jìn)；（2）鎘在土壤剖面上的垂直移動(dòng)動(dòng)態(tài)觀察技術(shù)缺乏；（3）相關(guān)研究資料多為單一因子模擬試驗(yàn)，缺乏大田實(shí)際研究資料。因此，研究不同類型土壤中DOC對不同濃度鎘元素在土壤剖面中遷移的影響，可為鎘污染農(nóng)田改良提供更為科學(xué)的依據(jù)，還可填補(bǔ)土壤重金屬元素化學(xué)行為方面的基礎(chǔ)資料，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1]馬智宏，王紀(jì)華，陸安祥，等.京郊不同剖面土壤重金屬的分布與遷移[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30（6）：11-15.

[2]李燕麗，李博文，劉 微，等.有機(jī)酸淋洗對土壤Cd縱向遷移及有效性的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2011，25（1）：34-38.

[3]Asbwortb D J，Alloway B J.Soilmobility of sewage sludge-derived dissolved organic matter，copper，nickel and zinc[J].Environmental Pollution，2004，127：137-144.

[4]李廷強(qiáng)，楊肖娥.土壤中水溶性有機(jī)質(zhì)及其對重金屬化學(xué)與生物行為的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（6）：1083-1087.

[5]Mclauchlan K K，Hobbie SE.Comparison of labile soil organic matter fractionation techniques[J].Soil Science Society of America Journal，2004，68（5）：1616-1625.

[6]徐明崗，于 榮，王伯仁.土壤活性有機(jī)質(zhì)的研究進(jìn)展[J].土壤肥料，2000，（6）：3-7.

[7]王清奎，汪思龍，馮宗煒，等.土壤活性有機(jī)質(zhì)及其與土壤質(zhì)量的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（3）：513-519.

[8]吳建國，徐德應(yīng).六盤山林區(qū)幾種土地利用方式對土壤中可溶性有機(jī)碳濃度影響的初步研究[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，29（6）：945-953.

[9]Michalzik B，Matzner E.Dynamicsof dissolved organic nitrogen and carbon in a central european norway spruce ecosystem[J].European Journal ofSoilScience，1999，50（4）：579-590.

[10]汪太明，香 寶，孫 強(qiáng)，等.交替凍融對松花江流域典型土壤可溶性有機(jī)碳的影響[J].土壤通報(bào)，2012，43（3）：685-689.

[11]殷德懷，車克鈞.祁連山不同植被類型土壤可溶性有機(jī)碳隨水分運(yùn)動(dòng)變化研究[J].甘肅林業(yè)科技，2008，33（2）：1-4.

[12]沈 宏，曹志洪，胡義正.土壤活性有機(jī)碳的表征及其生態(tài)效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)雜志，1999，18（3）：32-38.

[13]倪進(jìn)治，徐建民，謝正苗.土壤水溶性有機(jī)碳的研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境，2003，12（1）：71-75.

[14]高彥征，賀紀(jì)正，凌婉婷.幾種有機(jī)酸對污染土中Cu解吸的影響[J].中國環(huán)境科學(xué)，2002，22（3）：244-248.

[15]馬云龍，曾清如，胡 浩，等.低分子有機(jī)酸對土壤中重金屬的解吸及影響因素[J].土壤通報(bào)，2008，39（6）：1419-1423.

[16]Zhou L X，Wong JW.Effectof dissolved organicmatter from sludge and sludge compost on soil copper sorption[J].Environmental Quality，2001，30：878-883.

[17]高太忠，張 昊，周建偉.溶解性有機(jī)物對土壤中重金屬環(huán)境行為的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，20（4）：652-658.

[18]秦魚生，詹紹軍，喻 華，等.鎘在不同質(zhì)地水稻土剖面中的分布特征及與作物吸收的關(guān)系[J].光譜學(xué)與光譜分析，2013，（2）：476-480.

[19]Neal RH，Sposito G.Effectsof soluble organicmatter and sewage sludge amendmentson cadmium sorption by soilsat low cadmium concentrations[J].SoilScience，1986，142：164-172.

[20]李興菊，王定勇，葉 展.水溶性有機(jī)質(zhì)對鎘在土壤中吸附行為的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（2）：159-162.

[21]Kuiters A T，MulderW.Water-soluble organicmatter in forest soils[J].Plantand Soil，1993，152（2）：215-224.

[22]Kalbitz K，Wennrich R.Mobilization ofheavymetalsand Arsenic in polluted wetland soilsand itsdependenceon dissolved organicmatter[J].The Scienceof the TotalEnvironment，1998，209：27-39.

[23]陳同斌.土壤中溶解性有機(jī)質(zhì)及其對污染物吸附和解吸行為的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，1998，4（3）：201-210.

[24]陳同斌，陳志軍.水溶性有機(jī)質(zhì)對土壤中鎘吸附行為的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（2）：183-186.

[25]趙中秋，朱永官，蔡運(yùn)龍.鎘在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化及其影響因素[J].生態(tài)環(huán)境，2005，14（2）：282-286.

[26]黃黎英，曹建華，周 莉，等.不同質(zhì)地背景下土壤溶解有機(jī)碳含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)及其影響因子[J].生態(tài)環(huán)境，2007，16（4）：1282-1288.

[27]Castilho P del，Chardon PW，SalomonsW.Seasonal variations of cadmium，zinc and copper solubilities in amanured acidic，loamy-sand soil[J].EnvironmentalQuality，1993，22：689-697.

[28]Amrhein C，Strong JE，Mosher PA.Effectof deicing salts onmetal and organicmattermobilization in roadside soil[J].Environmental Science&Technology，1992，26：703-709.

[29]李淑芬，俞元春，何 晟.南方森林土壤溶解有機(jī)碳與土壤因子的關(guān)系[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，20（2）：119-123.

[30]倪進(jìn)治，徐建民.土壤輕組有機(jī)質(zhì)[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2000，1（2）：58-63.