韓修益

（安徽環(huán)境科技研究院股份有限公司，合肥 230088）

土壤資源是人類生產(chǎn)生活的重要物質(zhì)資源，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，與大氣、水等共同構(gòu)成了人類賴以生存的生物圈。近年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)廢水、廢氣、固體廢物排放量卻日益增加，同時(shí)機(jī)動(dòng)車保有量快速增長(zhǎng)導(dǎo)致尾氣排放量的激增，環(huán)境問(wèn)題成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展必須要面對(duì)和解決的難題之一。其中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的土壤重金屬污染尤為引人關(guān)注。土壤重金屬污染是指受人類活動(dòng)影響，土壤中重金屬元素含量高于背景值，導(dǎo)致土壤生態(tài)環(huán)境惡化。土壤受重金屬污染后，重金屬元素在土壤中滯留時(shí)間較長(zhǎng)、遷移性較差，其他生物難以有效對(duì)其降解，使得其一旦通過(guò)水、植物以及其他介質(zhì)進(jìn)入土壤，會(huì)造成土壤重金屬元素含量超標(biāo)，進(jìn)而通過(guò)農(nóng)作物等進(jìn)入食物鏈中，最終影響人類的健康。人為因素是土壤重金屬污染產(chǎn)生的主因，如采礦、污水排放、重金屬制品（如農(nóng)藥、化肥的過(guò)量施用）等，其加劇了土壤重金屬污染，導(dǎo)致環(huán)境惡化。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)查了全國(guó)24個(gè)?。ㄊ校┑?20個(gè)嚴(yán)重污染區(qū)土壤，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，農(nóng)產(chǎn)品污染超標(biāo)面積占污染區(qū)農(nóng)田總面積的20%，其中有80%屬于重金屬污染。全國(guó)糧食調(diào)查結(jié)果表明，重金屬鉛、銅、汞和砷等超標(biāo)率占重金屬超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品的10%。土壤重金屬污染不僅加劇環(huán)境污染，也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如，受土壤重金屬污染影響，每年我國(guó)糧食減產(chǎn)1 000萬(wàn)t左右，有1 200萬(wàn)t糧食直接被重金屬污染，每年重金屬污染導(dǎo)致糧食減產(chǎn)和糧食作物被污染的損失就超過(guò)200億元。因此，探討重金屬污染物在土壤中的遷移規(guī)律，為后期修復(fù)提供理論、方法支撐，對(duì)降低土壤重金屬污染物含量具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1 土壤理化性質(zhì)及形態(tài)分析

測(cè)定土壤樣品的理化性質(zhì)，需要進(jìn)行土壤監(jiān)測(cè)樣品的采集和制備[1]。采樣時(shí)，主要采集原始土樣的上、中、下三個(gè)土層，土壤樣品采集后用白鐵盒裝盒后送試驗(yàn)室分析。樣土采集后需要進(jìn)制備，先將其中的石頭、石灰結(jié)塊以及鐵錳結(jié)塊、昆蟲(chóng)尸體等進(jìn)行篩選、去除，然后將其均勻鋪于白紙上，自然風(fēng)干，待樣品自然晾至半干狀態(tài)后進(jìn)行搗碎，再風(fēng)干后碾壓，去除土壤樣品中的雜物，稱重、記錄。通過(guò)18目尼龍篩，過(guò)篩，再將樣品中的大物塊重新碾壓，保證過(guò)篩。

1.1 土壤樣品理化分析

重金屬含量、土壤密度、pH值以及含水率等，是土壤樣品理化分析的主要項(xiàng)目[2]。不同的項(xiàng)目指標(biāo)以及測(cè)定分析方法應(yīng)用于不同的土壤理化性質(zhì)指標(biāo)分析。例如，常采用烘箱、天平等烘干法分析土壤的含水率；采用雷茲pHs-25等儀器法分析土壤中的pH值；采用比重瓶、小漏斗等比重瓶法分析土壤的密度；采用電加熱板、重鉻酸鉀等容量法分析土壤有機(jī)質(zhì)含量；采用原子吸收分光光度計(jì)、空氣壓縮機(jī)等火焰原子吸收分光光度法分析土壤中的重金屬背景含量等。

1.2 土壤形態(tài)分析

土壤中的重金屬污染危害程度通常是通過(guò)重金屬形態(tài)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，因此土壤重金屬污染物形態(tài)分析能夠幫助人們及時(shí)了解被監(jiān)測(cè)土壤的重金屬污染狀況。實(shí)際應(yīng)用中，人們可以通過(guò)可交換態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、碳酸鹽態(tài)和硫化物形態(tài)等形態(tài)分析土壤中的重金屬污染物形態(tài)。其中，可交換形態(tài)對(duì)環(huán)境的變化敏感、活性較強(qiáng)，容易產(chǎn)生遷移，使得土壤中的重金屬污染物通過(guò)食物鏈危害人類健康。

2 土壤重金屬遷移模型

2.1 土壤中水分遷移模型

重金屬在土壤中的遷移模擬分析，主要包括確定性解的解析或數(shù)值模型和不確定解的隨機(jī)模型。其中，國(guó)內(nèi)學(xué)者大多運(yùn)用CD模型研究重金屬在土壤中的縱向運(yùn)動(dòng)[3]。重金屬溶液在土層表面形成漫流時(shí)，重金屬將隨著水分下滲，并在土壤中形成縱向的遷移擴(kuò)散，根據(jù)達(dá)西定律和質(zhì)量守恒原理，忽略表面蒸發(fā)、植物的蒸騰作用，在地表淺層積水、自由漫流情況下構(gòu)建土壤水分運(yùn)動(dòng)模型，如式（1）所示。

式中，θa為均勻分布的初始含水率；θb為表面維持的飽和含水率；K（θ）為非飽和土壤的導(dǎo)水率，cm/h；D（θ）為土壤水?dāng)U散率，cm2/h；θ為土壤含水量。

2.2 溶質(zhì)遷移模型

在實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中，為了突出主要矛盾，需要適當(dāng)?shù)厥÷缘羧哂鄥?shù)的分析。為了更為簡(jiǎn)便地運(yùn)用CD模型分析土壤中的重金屬，人們需要改進(jìn)和優(yōu)化傳統(tǒng)CD模型，提升模型的應(yīng)用效率。在傳統(tǒng)的CD模型基礎(chǔ)上，人們可以運(yùn)用溶質(zhì)對(duì)流、擴(kuò)散理論以及質(zhì)量守恒原理，建立土壤重金屬污染物的遷移模型，如式（2）、式（3）所示。

通過(guò)式（2）和式（3），人們可以得出土壤重金屬一維溶質(zhì)遷移方程：

2.3 重金屬溶質(zhì)縱向遷移模型

通過(guò)水分運(yùn)動(dòng)模型，計(jì)算出土壤含水率分布，然后利用Convective-Dispersive Model，并結(jié)合耦合區(qū)間樣品土壤的土層中水動(dòng)力擴(kuò)散系數(shù)分布方程式，建立土壤重金屬溶質(zhì)的縱向遷移模型。為便于研究，建立1.0 g/L CuSO4溶液淺層Cu的遷移模型。

3 試驗(yàn)分析

3.1 材料及方法

利用原子吸收光譜儀對(duì)土壤樣品中的重金屬進(jìn)行測(cè)定，再利用試驗(yàn)分析Cu元素的波長(zhǎng)穩(wěn)定性，探究土壤中重金屬Cu的顯性特征波峰，通過(guò)波長(zhǎng)穩(wěn)定性以及顯性特征波峰的分析，人們可以確定原子吸收光譜儀中光源體——銅燈輻射強(qiáng)度，這種方法的監(jiān)測(cè)誤差較小。本試驗(yàn)采用CuSO4為試驗(yàn)物質(zhì)，研究CuSO4物質(zhì)在土壤中的豎向遷移特點(diǎn)。

選取采樣中受到重金屬污染物較有代表性的土樣，采集地表1 m以下土壤，呈褐色。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

3.2 試驗(yàn)原理

土壤中的流動(dòng)活性、物理化學(xué)性質(zhì)等都會(huì)直接受到各種重金屬元素影響。當(dāng)重金屬污染物進(jìn)入土壤時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生溶解沉淀、吸附、解吸以及解離等各種物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)這些變化分析，人們可以研究不同重金屬污染物在土壤中的空間和形態(tài)遷移情況。

表1 試驗(yàn)土壤的物理化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

3.3 試驗(yàn)步驟及結(jié)果

配制含銅量為1.0 g/L的硫酸銅溶液2 L，將配置好的硫酸銅溶液放置于土壤柱頂部，然后將溶液箱底部的水管以自由漫流形式向土壤中加注溶液。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行24 h時(shí)，取樣，并進(jìn)行觀察和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析；在48 h后，再取樣測(cè)量樣品中總銅含量和土壤交換銅含量。在50 h時(shí)實(shí)測(cè)樣品圓柱離地面15 cm柱、30 cm柱、45 cm柱、60 cm柱、75 cm柱、90 cm柱、105 cm柱、120 cm柱、150 cm柱處不同深度土層設(shè)置的取樣口銅濃度，其分別為1.01 mg/L、0.85 mg/L、0.83 mg/L、0.69 mg/L、0.035 mg/L、0.025 mg/L。

3.4 結(jié)果分析

硫酸銅溶液進(jìn)入土壤中擴(kuò)散過(guò)程中，溶液中的銅離子會(huì)以一種可交換形態(tài)附著于土壤表面和土壤淺層，當(dāng)可交換狀態(tài)的硫酸銅溶液在土壤中不斷堆積后，其會(huì)與土壤中的碳酸根結(jié)合，最終生成碳酸銅，銅再與硫化物結(jié)合，生成硫化銅。此外，銅還會(huì)與錳、鐵等結(jié)合生成氧化物，這時(shí)，土壤中的銅溶液會(huì)逐漸向其他形式轉(zhuǎn)變，并由土壤表層不斷擴(kuò)散至深層土壤中，使得其中的交換性銅含量持續(xù)增長(zhǎng)。人們可以根據(jù)這些重金屬遷移規(guī)律，有效推進(jìn)后期土壤污染物修復(fù)工作。