土壤中主要重金属污染物的迁移转化及修复_苑静

收稿日期:2008—12—20作者简介:苑静(1969-),女,辽宁鞍山市人,副教授,主要从事应用化学研究.

【学术研究】

土壤中主要重金属污染物的迁移转化及修复

苑　静

(朝阳师专,辽宁朝阳122000)

摘　要:介绍土壤重金属污染物镉、汞、铬、砷、铅在土壤中的主要存在形式、来源、迁移及转化过程.对土壤重金属污染物提出修复方法.

关键词:重金属;污染物;修复方法

中图分类号:S159 文献标识码:A 文章编号:1008-5688(2010)02-0019-02

土壤重金属污染问题是环境和土壤科学研究者关注的热点问题.重金属是指相对密度等于或大于5.0的金属元素.重金属一般不易随水淋滤,不能被土壤微生物分解,但能吸附于土壤胶体而被土壤微生物和植物所吸收,通过食物链或其他方式转化为毒性更强的物质,严重危害人体健康.土壤中重金属主要来自于大气沉降物和随固体废弃物、污水、农用物资进入土壤的重金属.土壤中重金属积累的初期,不易被人们觉察和关注,属于潜在危害,但土壤一旦被重金属污染,就会造成土壤生态系统退化、植物难以生长等问题,很难彻底消除,所以土壤中重金属的污染问题比较突出.土壤重金属污染物的迁移转化过程分为物理迁移、化学迁移、物理化学迁移和生物迁移.其迁移转化是多种形式的错综结合[1～4].1　土壤中主要重金属污染物的迁移转化

1.1　镉的迁移转化

1.1.1　镉在土壤环境中的存在形态

镉在土壤中以水溶性镉和非水溶性镉两种形式存在.水溶性镉常以简单离子或简单配离子的形式存在,如Cd 2+、CdCl +、CdSO 4,石灰性土壤中还有CdHCO +3.非水溶性镉主要为CdS 、CdCO 3及胶体吸附态镉等.其中,镉在旱地土壤中以CdCO 3、Cd 3(PO 4)2和Cd (OH )2的形态存在,并以CdCO 3为主,尤其是在pH 值大于7的石灰性土壤中更以CdCO 3居多;而镉在淹水土壤中则多以CdS 的形态存在.由于土壤对镉的吸附能力很强,土壤中呈吸附交换态的镉所占比例较大.但土壤胶体吸附的镉一般随pH 值的下降其溶出率增加,当pH =4时,溶出率超过50%,而当pH =7.5时,交换吸附态的镉则很难被溶出.

1.1.2　镉的迁移转化

由于土壤的强吸附作用,镉很少发生向下的再迁移而累积于土壤表层.在降水的影响下,土壤表层的镉的可溶态部分随水流动就可能发生水平迁移,进入界面土壤和附近的河流或湖泊而造成次生污染.土壤中水溶性镉和非水溶镉在一定的条件下可相互转化,其主要影响因素为土壤的酸碱度、氧化———还原条件和碳酸盐的含量.

1.1.3　镉的生物迁移

土壤中的镉非常容易被植物所吸收.土壤中镉的含量稍有增加,就会使植物体内镉的含量相应增高.在被镉污染的水田中种植的水稻其各器官对镉的浓缩系数按根>杆>枝>叶鞘>叶身>稻壳>糙米的顺序递减.镉在植物体内可取代锌,破坏参与呼吸和其他生理过程的含锌酶的功能,从而抑制植物生长并导致其死亡.与铅、铜、锌、砷及铬等相比较,土壤中镉的环境容量要小得多,这是土壤镉污染的一个重要特点.

1.2　汞的迁移转化

汞是有毒元素.土壤中的汞常以零价(单质汞)、无机化合态汞和有机化合态汞形式存在.除甲基汞、HgCl 2、Hg (NO 3)2外,大

多数为难溶化合物.甲基汞和乙基汞的毒性在含汞化合物中最强[5～6].土壤中汞的迁移转化主要有如下几种途径.

1.2.1　土壤中汞的氧化———还原

土壤中的汞有三种价态形式:Hg 、Hg 2+和Hg 2

+2.汞的三种价态在一定的条件下可以相互转化.二价汞和有机汞在还

原条件下的土壤中可以被还原为零价的金属汞.金属汞可挥发进入大气环境,而且会随着土壤温度的升高,其挥发的速度加快.土壤中的金属汞可被植物的根系和叶片吸收.

1.2.2　土壤胶体对汞的吸附

土壤中的胶体对汞有强烈的表面吸附(物理吸附)和离子交换吸附作用.从而使汞及其他微量重金属从被污染的水体中转入土壤固相.土壤对汞的吸附还受土壤的pH 值及土壤中汞的浓度影响.当土壤pH 值在1～8的范围内时,其吸附量随着pH 值的增大而逐渐增大;当pH >8时,吸附的汞量基本不变.

1.2.3　配位体对汞的配合———螯合作用

土壤中配位体与汞的配合———螯合作用对汞的迁移转化有较大的影响.OH -、C1-对汞的配合作用能提高汞化合物的溶解度.土壤中的腐殖质对汞离子有很强的螯合能力及吸附能力.通过生物小循环及土壤上层腐殖质的形成,并借助腐殖质对汞的螯合及吸附作用,将使土壤中的汞在土壤上层累积.

1.2.4　汞的甲基化作用

在土壤中的嫌气细菌的作用下,无机汞化合物可转化为甲基汞(CH 3Hg +)和二甲基汞[(CH 3)2Hg ].

当无机汞转化为甲基汞后,随水迁移的能力就会增大.由于二甲基汞[(CH 3)2Hg ]的挥发性较强,而被土壤胶体吸附的能力相对较弱,因此二甲基汞较易进行气迁移和水迁移.汞的甲基化作用还可在非生物的因素作用下进行,只要有甲基给予体,汞就可以被甲基化.

1.3　铬的迁移转化

第12卷第2期2010年6月 辽宁师专学报Journal of Liaoning Teachers College Vol .12No .2Jun .2010

铬是人类和动物的必需元素,但其浓度较高时对生物有害.土壤中铬通常以四种化合形态存在,两种三价铬离子Cr 3+

和CrO 2-,两种六价铬阴离子Cr 2O 2-7和CrO 42-.其中Cr (OH )3的溶解性较小,是铬最稳定的存在形式,而水溶性六价铬

的含量一般较低,但六价铬的毒性远大于三价铬的毒性.土壤中的有机质如腐殖质具有很强的还原能力,能很快地把六价铬还原为三价铬,一般当土壤有机质含量大于2%时,六价铬就几乎全部被还原为三价铬[7].

由于土壤中的铬多为难溶性化合物,其迁移能力一般较弱,而含铬废水中的铬进入土壤后,也多转变为难溶性铬,故通过污染进入土壤中的铬主要残留积累于土壤表层.铬在土壤中多以难溶性且不能被植物所吸收利用的形式存在,因而铬的生物迁移作用较小,故铬对植物的危害不像Cd 、Hg 等重金属那么严重.有研究结果表明,植物从土壤溶液中吸收的铬,绝大多数保留在根部,而转移到种子或果实中的铬则很少[8～9].

1.4　砷的迁移转化

砷是类金属元素,不是重金属.但从它的环境污染效应来看,常把它作为重金属来研究.砷主要以正三价和正五价存在于土壤环境中.其存在形式可分为水溶性砷、吸附态砷和难溶性砷.三者之间在一定的条件下可以相互转化.当土壤中含硫量较高且在还原性条件下,可以形成稳定的难溶性As 2S 3.在土壤嫌气条件下,砷与汞相似,可经微生物的甲基化过程转化为二甲基砷[(CH 3)2AsH

]之类的化合物.由于土壤中砷主要以非水溶性形式存在,因而土壤中的砷,特别是排污进入土壤的砷,主要累积于土壤表层,难于向下移动.

一般认为,砷不是植物、动物和人体的必需元素.但植物对砷有强烈的吸收积累作用,其吸收作用与土壤中砷的含量、植物品种等有关.砷在植物中主要分布在根部.在浸水土壤中生长的作物,砷含量较高[10].

1.5　铅的迁移转化

铅是人体的非必需元素.土壤中铅的污染主要是通过空气、水等介质形成的二次污染.铅在土壤中主要以二价态的无机化合物形式存在,极少数为四价态.多以Pb (OH )2、PbCO 3或Pb 3(PO 4)2等难溶态形式存在,故铅的移动性和被作物吸收的作用都大大降低.在酸性土壤中可溶性铅含量一般较高,因为酸性土壤中的H +可将铅从不溶的铅化合物中溶解出来.

植物吸收的铅是土壤溶液中的可溶性铅.绝大多数积累于植物根部,转移到茎叶、种子中的很少.植物除通过根系吸收土壤中的铅以外,还可以通过叶片上的气孔吸收污染空气中的铅.

2　土壤中主要重金属污染的修复治理

修复治理土壤重金属污染的途径主要有两种:一是改变重金属在土壤中的存在形态,使其固定从而降低其在环境中的迁移性和生物可利用性;二是从土壤中去除重金属[11].

常用的土壤修复技术有化学修复、物理化学修复、工程措施、农业生态修复、生物修复.生物修复又分为植物修复(包括植物提取、植物挥发、植物稳定)和微生物修复.植物修复中的植物提取技术是利用植物对重金属物质进行富集而降低土壤中重金属的总量,是目前国际上的先进修复技术.

2.1　镉污染

对于小面积严重污染土壤的治理常用客土法或换土法;在旱田土壤中加入石灰性物质或使用促进还原的有机物,使镉生成不易被植物吸收的Cd (OH )3、CdCO 3或CdS 沉淀;水田土壤中可施加磷酸盐类物质,使之生成磷酸镉沉淀或种植富集镉的植物如苋科植物,以吸收污染土壤中的镉,但此法应注意植物残体的处理.

2.2　汞污染

对土壤进行灌溉和施肥时,要严格控制使用含汞量高的污水和污泥.对已受汞污染的土壤,可施用石灰———硫磺合剂.在施入硫以后,汞即被牢固地固定在土壤中;用石灰中和土壤的酸性,可降低作物根系对汞的吸收;施硝酸盐或磷肥,可减少汞向作物体内的迁移,降低土壤中汞化合物的毒害作用.

2.3　铬污染

实行水旱轮作是轻度铬污染的有效改良措施.水旱轮作使土壤pH 值增高,E 值下降,有利于铬的吸附固定,从而降低土壤中铬的含量;在被Cr 3+污染的土壤中,施用石灰石、硅酸钙或磷肥等调节土壤呈微碱性,使铬形成Cr (O H )3状态而加以固定,可减少铬对作物的危害;用有机肥使土壤处于还原环境,有效减轻或消除六价铬对植物的危害.另外,有机肥能够通过吸附作用降低六价铬对植物的毒害;种植非食用植物,利用植物累积铬的作用净化污染的土壤.

2.4　砷污染

在土壤中施加各种铁、铝、钙、镁的化合物,可使砷生成不溶性物质而加以固定,例如,施加M gCl 2可使土壤污染性砷形成M g (N H 4)A sO 4沉淀,从而降低砷的活性;土壤中施加硫粉,可提高土壤固砷的能力;降低土壤pH 值,加强土壤排水,可降低砷的活性;加砷的吸附剂,如旱田使用堆肥,桃树果园中施加硫酸铁,都可以提高土壤吸附砷的能力;用客土、深耕的方法来稀释、降低土壤中的砷含量,降低砷的污染[12～14];种植蜈蚣草,蜈蚣草是目前国际上公认的砷超富集植物,它对砷的吸收能力比普通植物高20万倍.

2.5　铅污染

对于已污染的土壤,可用客土法或种植某些非食用但可富集铅的植物例如苔藓,以消除或改善铅污染;或提高土壤的pH 值、施用钙、镁及磷肥等改良剂,以降低土壤中铅的活性,减少作物对铅的吸收.

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教育资源建立在开源技术基础上就有了雄厚、先进的技术支持;其次,支持开放教育资源的开源技术产品数量众多、安全可靠并具有长期发展的能力;第三,开源软件为教育提供了良性的创新环境;第四,开源技术使本地化应用成为可能.教育上的开源软件正在世界范围内被大规模地应用.据美国高等教育竞争联盟(A-HHC)在2006年2月发布的一项研究报告的数据,在美国的高校中,57%的高校已经在校园信息化建设中使用基础类开源软件.其中,使用最多的基础开源系统包括A pache(53%)、Linux(51%)、M ySQ L(38%)、Firefox(35%)、和To mcat(33%).同时,在应用类开源软件中,使用最多的软件包括uPo rtal(29%)、SCT Luminis Platform(29%)、OpenOffice(21%)、M oodle(19%)、Sakai(13%)、U nicon A cademus(9%)和OSPI(7%).从这些数据可以清楚地看出开源软件在美国高校信息化中被广泛使用.

开放的课程系统才是有生命力的系统.教育在寻求实现教育目的、教育公平、提升教育质量的有效途径,以极大发挥教育资源的社会价值.可是,要极大地发挥开放教育资源的社会价值就必须能够有效地克服课程自身的问题与存在的不足.而解决自身问题的有效方法就是建立开放的课程系统.因为,一个开放的系统可有效地解决自身所存在的问题,并使其获得完善与发展.开放的系统能够形成耗散结构[3]与外界进行熵的交换.开放的系统才是最健壮而有生命力的系统.教育资源的开放会为教育提供完善自身发展的有效手段与方法.正如威斯特校长所说,独占知识的架构所设计出来的系统不能融入他们自己所创造的世界中.

3　开放课程(OCW)资源现存问题与解决方法

2000年美国麻省理工学院提出OCW计划,即将其全部课程材料在网上发布,让世界上任何地方、任何人都可以免费使用.2003年11月,I ET基金会发起成立了中国开放式教育资源共享协会(COPE),推进中美高校之间的合作与资源共享.现在,OC RE已经在国内建立O CW镜像网站,免费提供给中国高校使用.但是,目前,O CW教育资源的本地化应用环境仍是一个不够开放的系统,因而导致这个开放的教育资源不能有效地为学习者与使用者服务,这是需要解决的主要问题.从“教学设计与课程实施”的角度,O CW课程资源对学习者、教学设计与实施者的支持还不够完善.因为他们所需求的资源还远没有得到满足,他们所需求的不仅是学术资源,还需要可实施的课程教学资源.OCW资源得以应用的架构模型还不能充分满足开发者、使用者、学习者之间的双向需求,缺乏双向教学媒体支持.资源的可再造与重构性欠缺.一些课程资源的种类与内容在辅助学习时不够充实与详尽.对使用与学习者缺乏母语支持.这些问题的存在,就是因为它不是一个彻底的开放系统,其自身环境无法实现与外界的充分交流与交换.因此,构造基于开源技术环境上的开放课程系统,才能实现对开发者、使用者、学习者在使用、协作、共建、交流上的有效支持,充分有效发挥开源型课程在教育、学术研究、知识传播上的功能与作用,将OCW的理念延深与扩展,并有效地落实在具体课程的应用实施上,才能有效地解决上述问题.

开放课程资源的建构必须围绕课程的实施要素来进行.要保障课程实施的各个要素的开放及社区化.因为这样建构起的课程资源才是有效的、可实施的资源.课程的实施包括教学要求、实施需求、学习环境、教师活动、学生活动.学生活动形成了学习过程,教师活动过程构成了备课与授课过程,学习环境为教师授课与学生学习提供活动行为与策略支持,教学要求与实施需求构成了教学实施的文档资源.课程资源的开放,即教学实施文档资源开放、学习环境与其资源开放、教学与学习行为及策略支持工具开放,构成整个课程实施的信息化资源环境开放以及社区化的开发与应用.

开放课程资源在组成上不仅包括课程资源本身,还必须包括教师与学生行为(活动)支持及其行为赖以存在的环境(课程实施环境).以此构成一个综合的课程信息资源环境(课程实施的综合信息化资源环境),即一个在良好的教与学行为支持技术平台基础上的教研与学术支持环境、课程开发支持环境、课程教学支持环境组成的综合一体化的课程实施信息资源环境.这个课程实施环境不仅要满足开放教育的需求,还要满足本地化教育的需求.首先,该环境是一个开源技术支持的开放的系统环境.只有开放的系统才能使课程本身随着社会需求的发展而发展,实现对课程资源的各取所需;其次,在系统环境中课程内容、教学实施者、学习者自身及它们之间有良好的交互与互动[4].只有实现了交互与互动才能使课程有效地为学习活动服务,使课程拥有良好适应性与可实施性;再次,该系统环境为教师、教学研究者提供扩大自身知识储备与提升教育素质的支持.它能使教师自身的教育素质与执教能力随着课程的发展而不断地提升.

4　结语

网络教育资源的开发与利用,以保障需求者能够最大限度地获取资源、使用者最大限度地应用资源、研究者最大限度地研究完善资源为理念,立足开放为信息化教育资源建设现存问题提供解决途径与方法,符合我国“要以需求为主导,充分发挥市场机制配置资源的基础性作用,探索成本低、实效好的信息化发展模式.要以人为本,惠及全民,创造广大群众用得上、用得起、用得好的信息化发展环境.”[5]的信息化发展战略与方针.

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(审稿人　李树东,责任编辑　朱成杰) (上接20页)

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(审稿人　王心满,责任编辑　于　海)