污灌区重金属污染的几个问题

李 军

(阳泉市环境保护监测站)

重金属污染是人类所面临的重大生态环境问题，已引起了全世界人们的广泛关注。特别是在我国北方地区，由于农业灌溉用水量的不足，只能通过节水灌溉或污水灌溉甚至严重超采地下水来进行弥补。污水灌溉作为一种新的、经济的灌溉方法被大力推广。由于处理设施所限，用于灌溉的污水大多未经处理，其中所含的有毒、有害物质已造成污水灌溉地区土壤、地下水和作物的严重污染。灌溉污水中含有的重金属元素会在土壤中集聚和分散，加之其难降解、毒性强、具有积累效应，使得污灌区极易造成土壤严重污染。

1 土壤重金属污染状况

重金属污染指的是由重金属或其化合物造成的环境污染，主要是因采矿弃渣、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致。但其危害程度取决于重金属在环境、食品和生物体中存在的数量和化学形态。尽管锰、铜、锌等部分重金属是生命活动中所需要的微量元素，但大部分重金属如汞、铅、镉等并非如此，而且所有重金属超过一定浓度都对人体有毒害。

重金属进入环境后极难被彻底消除，且由于污染元素在各个环境要素之间的转移或转化，导致其污染范围和程度不断加剧。重金属不仅可通过食物链危害人们的健康，也可以导致大气和水环境质量的进一步恶化。随着水资源的日益紧缺，污水灌溉已成为水资源可持续利用的主要组成。重金属通过污水灌溉进入到土壤环境，则会造成严重的土壤污染。土壤重金属污染不仅影响土壤微生物、土壤酶活性以及土壤的理化性质，而且会对农作物产量和品质产生不良影响。

据资料，目前，全世界平均每年排放Hg 约1.5万t，Pb 500 万t，Mn 1 500 万t，Cu 340 万t，Ni 100万t。据我国农业部开展的全国污灌区调查，在约140 万hm2的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%，其中轻度污染占46.7%，中度污染占9.7%，严重污染的占8.4%。据估测，我国受重金属污染的耕地面积目前约占耕地总面积的1/5，每年因土壤污染而减产粮食约1 000万t，另还有1 200 万t 粮食污染物超标，直接经济损失达200 亿元以上。尤其是城郊生产的蔬菜、水果等食物，镉、铬、砷、铅等重金属超标十分严重。

2 土壤中重金属的来源及其存在形态

2.1 土壤中重金属的来源

土壤中重金属的来源无非是自然来源和非自然来源两种。自然来源是指火山爆发、森林火灾等自然灾害释放到环境中的重金属，再者成土母岩中的化学元素含量以及在土壤形成过程中，也会增加土壤中重金属的含量。非自然来源主要是指工业、交通、煤炭等行业的重金属排放。重金属及其化合物广泛应用于工业生产，如化学燃烧释放出的汞占人为释放量的57% -71%，燃煤、燃油等向大气输入的镍占人为释放量的60% -78%。农业生产中的农药、化肥、污水、污泥的施用，是加剧土壤重金属污染的主要途径之一。我国磷肥中的重金属含量较高，长期使用会使污染型重金属在土壤耕层积累。

2.2 土壤中重金属的存在形态

重金属形态是指重金属的价态、化合态、结合态和结构态等4 个方面，即某一重金属元素在环境中以某种离子或分子存在的实际形式。重金属可以因形态中某一个或几个方面的不同，而表现出不同的毒性和对环境造成影响，因此，对土壤重金属的形态分析已成为土壤环境学中的一项重要内容。

对于重金属形态，目前还没有统一的定义及分类方法。Tessier 等将沉积物或土壤中重金属元素的形态分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态等5 种;Cambrell 认为土壤和沉积物中的重金属存在7 种形态，即水溶态、易交换态、无机化合物沉淀态、大分子腐殖质结合态、氢氧化物沉淀吸收态或吸附态、硫化物沉淀态和残渣态;Shuman 将其分为交换态、水溶态、碳酸盐结合态、松结合有机态、氧化锰结合态、紧结合有机态、无定形氧化铁结合态和硅酸盐矿物态等8 种形态。为融合各种不同的分类和操作方法，欧洲参考交流局(The Community Bureau of Refer)研究资料提出了较新的分类方法，将重金属的形态分为4 种，即酸溶态(如碳酸盐结合态)、可还原态(如铁锰氧化物态)、可氧化态(如有机态)和残渣态。

3 土壤重金属形态的分析方法

土壤重金属形态分析，是指应用各种提取剂对土壤重金属的不同形态进行连续提取，并采用一定的方法测定其含量。连续提取通常依次采用中性、弱酸性、中酸性、强酸性提取剂对土壤中的重金属进行提取。随着提取步骤的深入，提取条件也在不断加强，许多学者提出了不同的方法和流程。

邵涛等提出了六步法，将重金属形态分为水溶态、交换态、碳酸盐结合态、铁锰结合态、有机质结合态、残渣态。Forstner 则提出了七步连续提取法，将重金属形态分为交换态、碳酸盐结合态、无定型氧化锰结合态、有机态、无定型氧化铁结合态、晶型氧化铁结合态、残渣态。

在诸多形态分析方法中，Tessier 等的五步连续提取法是应用最广泛的方法，他将重金属赋存形态分为:可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机态、残渣态等5 种。随后，针对Tessier 连续提取过程中出现的若干问题，许多研究者对其进行了进一步的修正，将重金属形态分为交换态、碳酸盐结合态、氧化锰结合态、有机结合态、残留态。

BCR 提取法把重金属形态分为酸可提取态、氧化物结合态、有机结合态、残余态，没有碳酸盐结合态。这种方法在形态分析上是较为简单的方法。

4 土壤重金属植物有效性评价方法

土壤金属库中只有溶解态、弱吸附态和植物生长期间可以解吸下来的金属才是对植物有效的。目前，评价土壤中金属植物有效性的方法主要如下。

4.1 化学提取法

化学提取法是目前使用最广泛的金属植物有效性评价方法。据研究报道，提取剂提取土壤重金属，其原理是不同形态的重金属对植物的有效性差异悬殊，用不同的化学试剂或其组合可大致分离与土壤不同组分相结合的重金属。因此，不同提取剂由于其提取机制不同，影响提取率。土壤性质如pH 值、有机质、CaCO3和黏粒含量等，都会不同程度地影响提取剂对重金属的提取率。

4.2 植物吸收试验

植物在生长期间积累在组织中的金属总量与土壤中植物有效态的金属总量通常是成比例的，因此植物吸收试验是污染土壤风险评价最直接的方法。植物生长试验的最大缺点是费时，不能达到快速测定的目的，但是可以用来校正其他方法快速测定的结果。

4.3 微生物测定法

在过去的研究中，常用土壤微生物生物量、ATP含量、土壤代谢熵、土壤酶活性等一些生物学参数来表征土壤重金属污染的生物学效应。由于不同土壤中微生物区系结构和数量的不同，对重金属的敏感程度各异，再加上专一性差，造成不同土壤的研究结果之间无可比性。微生物测定的优点是快捷，但测试结果受到污染物以外的其他因素影响较大。

4.4 同位素示踪法

金属的同位素之间化学活性相同，采用同位素可以测定土壤中具有化学活性的金属库的大小。同位素法的应用受到试验条件的限制，除Zn、Cd、Ni外，很多常见的重金属如Cu 的同位素，因半衰期太短等原因无法采用同位素示踪法进行研究分析。

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