基于環(huán)境管理的土壤重金屬轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)研究

顏忠國(guó)

（云南省文山州馬關(guān)縣都龍鎮(zhèn)，云南 文山 663701）

在一般情況下，重金屬是指比重大于或等于5.0的金屬元素，如Hg、Cd、Cr等金屬，類金屬As，以及一些含有生物毒性的一般金屬。這些污染主要來(lái)源于污泥、廢氣、廢水、農(nóng)藥、實(shí)驗(yàn)廢物等，如汽車廢氣的排放和工廠煉材產(chǎn)生的鉛、鎘污染，人們農(nóng)作所需的殺蟲劑、殺菌劑以及除草劑中含有的砷污染。這些土壤重金屬污染一旦多了就會(huì)對(duì)人類和動(dòng)物生存帶來(lái)不利的影響，隨著科技的不斷發(fā)展和人類活動(dòng)的日常所需，這樣的污染越來(lái)越嚴(yán)重，因此對(duì)于土壤重金屬轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的研究就顯得尤為重要[1]。

1 土壤重金屬現(xiàn)狀分析

（1）土壤中的重金屬形態(tài)?，F(xiàn)階段我們對(duì)于土壤中重金屬存在的形態(tài)有兩種劃分，第一種就是從操作當(dāng)時(shí)上來(lái)確定的重金屬形態(tài)，第二種就是土壤中混合物的種類。因?yàn)橹亟饘僭谕寥乐胁煌拇嬖谛螒B(tài)本質(zhì)含有的特性不同，所以它們所具備的生態(tài)效應(yīng)也會(huì)不同。重金屬具備可變價(jià)態(tài)，能夠在特定范圍內(nèi)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因?yàn)橹亟饘倬邆淞瞬煌膬r(jià)態(tài)，所以在不同的價(jià)態(tài)下其活性和毒性也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。在不同的生態(tài)環(huán)境條件下，土壤本身也會(huì)有很多的不同，如土壤本身質(zhì)量的好壞、土壤里是否含有物質(zhì)、土壤的酸堿度、天氣地區(qū)的影響或差異等都會(huì)引起這些土壤中重金屬的本質(zhì)變化，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，對(duì)土壤里的植物造成危害。隨著時(shí)間的增加，這些重金屬會(huì)累積得越來(lái)越多，不容易被清除，危害范圍也會(huì)不斷增大。

（2）微生物受到重金屬的影響。土壤中的微生物會(huì)因?yàn)橹亟饘傥廴镜拇嬖诙艿胶艽蟮挠绊?。在重金屬污染條件下，土壤中的微生物根本無(wú)法汲取更好的能量，所以生長(zhǎng)受到很大的抑制，同時(shí)它們還會(huì)因不適應(yīng)這樣的環(huán)境而出現(xiàn)數(shù)量上的大幅度減少，甚至?xí)屗鼈內(nèi)柯呦驕缃^。之所以會(huì)抑制它們的生長(zhǎng)，是因?yàn)檫@些微生物的固氮能力被重金屬減弱了。

（3）土壤酶活性受到重金屬的影響。土壤酶是土壤進(jìn)行各種能量物質(zhì)的推進(jìn)輔助器，它參與了大部分土壤代謝活動(dòng)，同時(shí)也是土壤生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的力量源泉。它的存在讓土壤狀態(tài)一直活躍，同時(shí)也能進(jìn)行各種生態(tài)循環(huán)。但土壤中的重金屬卻會(huì)嚴(yán)重影響它的活性，從而降低土壤質(zhì)量。

（4）污染的定義。進(jìn)入土壤的重金屬含量大大超過(guò)了農(nóng)產(chǎn)所需和可承受的范圍，農(nóng)作物雖然生長(zhǎng)中未受到損害，但包裝成產(chǎn)品時(shí)嚴(yán)重超過(guò)了生產(chǎn)安全標(biāo)準(zhǔn)，從而造成了人或物非自然性的危害。

（5）土壤中重金屬污染特性。重金屬污染會(huì)直接降低大氣和水環(huán)境的質(zhì)量，也會(huì)影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。重金屬是一種具有隱蔽性、長(zhǎng)期性、不可逆性的且不能被土壤微生物分解的有毒金屬，土壤里面一旦有了它，便很難清除干凈[2]。

2 環(huán)境管理與土壤中污染排放的關(guān)系

前幾年，我國(guó)是一直處于較嚴(yán)重的土壤污染化國(guó)家之列，造成這個(gè)問題的主要原因就是大量廢物排放過(guò)量或者沒有主要按照正規(guī)方式進(jìn)行處理后再排放。現(xiàn)如今，我國(guó)也有了一定的防護(hù)措施，而在我國(guó)環(huán)境污染管理中，防治和控制為主要方法。但在我國(guó)這些管理并不完善，因?yàn)榇蠖鄶?shù)地區(qū)只規(guī)定了污染物排放的濃度，并沒有規(guī)定實(shí)際排放數(shù)量。這樣一來(lái)就會(huì)導(dǎo)致污染物排放數(shù)量過(guò)大，超出了生態(tài)環(huán)境本來(lái)所能承受的范圍，從而產(chǎn)生某些不可避免的污染，所以事實(shí)上這種標(biāo)準(zhǔn)的限制辦法根本解決不了實(shí)際問題。因此為了更好地控制和管理土壤中重金屬的污染，就必須要規(guī)定所有污染物的總量，而這個(gè)總量就需要當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域環(huán)境容量來(lái)確定。這樣一來(lái)就需要當(dāng)?shù)氐恼彤?dāng)?shù)氐沫h(huán)境管理協(xié)會(huì)共同討論來(lái)制定一個(gè)合理且可行的環(huán)境管理方案。

3 土壤中重金屬轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 研究目的

①研究實(shí)驗(yàn)的第一步就是需要對(duì)土壤進(jìn)行深入了解，包括它的理化性質(zhì)和它的構(gòu)成成分，這點(diǎn)可以增加學(xué)生對(duì)于土壤的認(rèn)知能力，同時(shí)使得學(xué)生對(duì)于土壤的生態(tài)環(huán)境有更清晰的理解。②其次，開始實(shí)驗(yàn)前需要學(xué)生對(duì)于土壤環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)試，這樣做是為了清楚地了解土壤里面的物質(zhì)狀態(tài)，以及隱含的重金屬含量。這一步可以更直觀地檢測(cè)出學(xué)生對(duì)于土壤常規(guī)測(cè)試的鑒別能力和測(cè)定方法的掌握能力。③而后，土壤中的重金屬元素轉(zhuǎn)化的每一個(gè)階段都需要記錄，并對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析后還要探討其中的過(guò)程存在的聯(lián)系和影響。而這一步主要的目的就是鍛煉學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)中土壤重金屬狀態(tài)的分析和理解，讓其對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的內(nèi)在影響有一個(gè)明確的認(rèn)知，從而也提高了學(xué)生對(duì)于的實(shí)驗(yàn)獨(dú)立的思考能力。④最后也是最需要配合的時(shí)候，這一階段需要學(xué)生和老師在認(rèn)識(shí)并會(huì)使用相關(guān)儀器（如電感耦合等離子發(fā)射光譜儀、X射線衍射光譜儀等）的條件下，互相配合深入探討，實(shí)驗(yàn)中的所有過(guò)程，并及時(shí)指出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的問題所在，而后解決這些問題的同時(shí)并提出更好方案，從而達(dá)到研究實(shí)驗(yàn)豐富師生認(rèn)知，提高學(xué)生獨(dú)立思考和分析能力的真正目的。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)。該過(guò)濾裝置又名土柱淋濾裝置，是在底部裝有漏斗形狀的收縮口，在收縮口下面安裝閥門和出口水管，一般情況下，該裝置的高度為70cm，直徑為10cm，該裝置主要是利用玻璃制成，而裝置下端設(shè)計(jì)一個(gè)與淋濾裝置直徑相等的不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)，過(guò)濾網(wǎng)的孔徑為兩毫米，同時(shí)在不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)的上端還設(shè)有一塊專用的透水石，這樣能夠提高過(guò)濾的效用，此外為了使得實(shí)驗(yàn)更具操作性，在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中還在淋濾裝置外源增加了刻度，使得淋浴裝置內(nèi)放物體的容量可量化，以此提高實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性和便捷性。

除此之外，為了更好地固定該裝置還可利用三層隔板以及利用三腳架進(jìn)行加固，其中三層隔板主要是放在上中下三個(gè)位置，每層隔板的面積大約為0.16平方米，其中上層、下層的距離與中層和下層的距離有所不同，上層和中層的距離控制在50cm，中層與下層的距離控制在60cm，而下層與地面的距離則更短為30cm，這樣才能夠根據(jù)淋浴裝置的實(shí)際大小實(shí)現(xiàn)加固作用。三腳架是從底部進(jìn)行托起，這樣能夠保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)固性。

（2）土壤取樣。在土壤取樣的時(shí)候，要根據(jù)土壤的不同性質(zhì)對(duì)其樣品進(jìn)行選取，在取樣的過(guò)程當(dāng)中要近距離地進(jìn)行取樣，提取時(shí)的距離控制在0cm～40cm之間，這樣的取土壤方法才能夠反映出區(qū)域土壤樣品的質(zhì)量，使其具有代表性和研究?jī)r(jià)值。

（3）樣品處理。實(shí)驗(yàn)之前需要對(duì)土壤進(jìn)行預(yù)處理，主要分為4個(gè)步驟，第1步借助人工風(fēng)干吸取土壤中的水分；第2步則是將土壤樣品進(jìn)行壓碎，主要方法包括搗碎，即木棒壓碎、重物砸碎等，壓碎之后要攪拌均勻，以為實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備；第3步則需要對(duì)土壤中的雜質(zhì)進(jìn)行剔除，需要將土壤之中的碎渣石和殘留的植物清理干凈，以此保證土壤重金屬檢測(cè)的純潔性；第4步提取一部分土壤進(jìn)行篩選，在篩選時(shí)要控制篩孔的大小，選用0.15mm的篩孔最為適宜，在篩選之后要對(duì)土壤的性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，這樣才能夠保證土壤的質(zhì)量[3]。

3.3 實(shí)驗(yàn)工具

實(shí)驗(yàn)采用的工具主要有篩子、電子天平、烘干機(jī)、比色皿、移液管、容量瓶、離心機(jī)、酸堿劑、X射線、光譜儀、電子耦合、等離子體發(fā)射光譜儀。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中需要運(yùn)用的試劑包括鹽酸、硫酸、氫氟酸、高氯酸、氯化鋇溶液、去離子水以及未稀釋過(guò)的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

3.4 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）測(cè)定土壤pH。在測(cè)定土壤pH值時(shí)，可采用電位法進(jìn)行檢測(cè)，首先呈現(xiàn)篩選過(guò)的土壤樣品，選擇10g～15g放進(jìn)60ml的燒杯之中，再加入30ml的二氧化碳，經(jīng)流水對(duì)其逆時(shí)針進(jìn)行攪拌，攪拌均勻之后放置在合適的地方，等待30分鐘之后利用酸堿電位計(jì)對(duì)其pH值進(jìn)行測(cè)定。

（2）測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)。在測(cè)定土樣的有機(jī)質(zhì)時(shí)，可以利用一定濃度的重鉻酸鉀，先于利用硫酸溶液對(duì)土壤進(jìn)行氧化，在待土壤中的有機(jī)質(zhì)完全氧化后，再利用重鉻酸鉀測(cè)定土壤中的有機(jī)質(zhì)含量。利用硫酸亞鐵也可以計(jì)算消耗的重鉻酸鉀量，以此通過(guò)計(jì)算重鉻酸鉀量得出土壤中有機(jī)碳的含量，具體步驟參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如下所示：

（3）測(cè)定土壤陽(yáng)離子交換量。測(cè)定土樣中的陽(yáng)離子交換方式主要是通過(guò)篩子對(duì)樣品進(jìn)行陽(yáng)離子交換，取質(zhì)量為一克的土壤，并將土壤放入50ml的離心管中，注射20ml的氯化鋇溶液攪勻均勻，待5分鐘后利用離心機(jī)，以每分鐘400轉(zhuǎn)的速度攪拌，5分鐘將其取出；將離心管中的清液剔除后，加入氯化鋇溶液，直到離心操作有沉淀物為止。其次，再往離心管中加入20ml的蒸餾水，用玻璃棒攪拌均勻，以每分鐘4000轉(zhuǎn)的離心速度再次離心三分鐘剔除上清液，再重復(fù)操作兩次后，將25ml的硫酸溶液放置離心管中攪拌均勻，并將土壤樣品浸置15分鐘，利用去離子水對(duì)其進(jìn)行沖洗，重復(fù)操作5次，便可將得到的濾液注入20毫升的錐形瓶中。第四步則是加入酚酞指示劑在錐形瓶中通過(guò)0.1摩爾每升的標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液進(jìn)行測(cè)定，溶液變成紅色則證明土壤之中可能還有重金屬。

（4）測(cè)定土壤礦物質(zhì)和重金屬含量。在進(jìn)行以上操作后，就需要對(duì)土壤中的礦物質(zhì)離子和重金屬含量進(jìn)行測(cè)定。這時(shí)需要根據(jù)以上結(jié)果繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，首先配置標(biāo)準(zhǔn)溶液，配置測(cè)定試液，再將透明的塑料瓶放在天平之上，吸取帶稀釋的混合標(biāo)準(zhǔn)液10mg加入塑料瓶加入稀釋溶液，再配置標(biāo)準(zhǔn)溶液，利用該方法就可以計(jì)算出土壤之中重金屬的具體含量。

（5）土柱吸附重金屬實(shí)驗(yàn)。證明土壤樣品之中確實(shí)含有重金屬后，便要利用土柱淋濾實(shí)驗(yàn)對(duì)重金屬進(jìn)行轉(zhuǎn)化。其步驟主要為以下4步：①首先選擇示蹤劑，用去離子水溶解重鉻酸鉀并定容，以求得儲(chǔ)備溶液。②在展開重金屬吸附試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)吸附過(guò)程中停止淋濾時(shí)，在吸附液和濾出液的體積相等時(shí)便可停止實(shí)驗(yàn)，從而設(shè)計(jì)吸附模型，完成數(shù)據(jù)分析。③從該裝柱的頂部將重鉻酸鉀儲(chǔ)備液注入。從下端流出，其中蠕動(dòng)棒會(huì)控制淋濾的速度，將淋濾出口的儲(chǔ)備液作為Y軸，時(shí)間作為X軸，能夠繪制相應(yīng)的曲線，以此可計(jì)算出儲(chǔ)備夜的變化。④結(jié)合入滲情況，對(duì)土壤中的樣品進(jìn)行取樣，每隔10cm取一次樣，一次樣取兩克，并放置50ml的離心管之中，每分鐘以6000轉(zhuǎn)的速度攪拌20分鐘，靜止三個(gè)小時(shí)便可利用ICP-OES測(cè)定上清液的鎘濃度，最后得到轉(zhuǎn)化后的土壤[4]。

（6）數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析如下圖。

圖1 數(shù)據(jù)分析圖

4 結(jié)論

由上可知，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫赝七M(jìn)土壤中重金屬含量的轉(zhuǎn)化，能夠使得土壤性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有所改變，同時(shí)也能夠減少重金屬對(duì)土壤對(duì)環(huán)境的污染；但該實(shí)驗(yàn)的大規(guī)模操作性以及普及性仍需要探索。