重金属有效态与土壤环境质量标准制订.pdf

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1、 广东微量元素科学2008年 GUANGDONGWEI LI ANG YUANSU KEXUE 第15卷第1期 文章编号:1006-446X(2008)01-0007-04重 金 属 有 效 态 与 土 壤 环 境 质 量 标 准 制 订利 锋1,2 张学先1 戴睿志2(1.嘉应学院,广东 梅州 514015;2.中山大学环境科学与工程学院,广东 广州 510275)摘 要:制订合适的土壤环境质量标准是评价土壤健康质量及食品安全的核心问题,而土壤重金属有效态对制定土壤环境质量标准具有重要意义。土壤重金属有效态主要指植物有效态,它与重金属形态关系密切。影响土壤重金属有效态的因素很多,主要包括:土

2、壤pH值、氧化还原电位、CEC、有机质含量、粒径组成(黏粒含量)、铁铝锰氧化物含量、植物种类、土壤微生物、土壤温度的高低、重金属来源等。化学试剂浸提法是测量重金属生物有效性的常用方法,所用化学试剂主要有三类:弱(稀)酸、络合剂和中性盐,中性盐由于对土壤pH值影响小而受到重视。我国现行土壤质量标准采用土壤重金属总量和pH两个因素为依据,但是不少学者认为,该标准仅适用于重金属有效态较高的土壤,而不能反映重金属有效态含量较低土壤的实际状况。关键词:土壤重金属;有效态;土壤环境质量标准中图分类号:X 53 文献标识码:A随着生活水平的提高和环境污染的加剧,人们对食品安全问题越来越重视。安全的土壤才能生

3、产出安全的食品,因此土壤环境质量和土壤健康质量的研究显得尤为重要。必须保持土壤在处于健康和洁净的状态,才能使其适用于农业生产。为此,在土壤由于人为活动而受到污染时,必须进行及时预报和适当的修复,以减轻其自身以及对大气、水和植物等的污染。从环境保护角度出发必须发展一种灵敏而合适的方法来评价土壤环境质量。对污染土壤来说,对其质量评价的最重要依据是土壤环境质量标准。因此,制订合适的土壤环境质量标准是评价土壤健康质量及食品安全的核心问题。土壤环境质量标准的制定是比较复杂的问题,需要考虑的因素很多,其中主要因素是环境质量基准,即环境污染物剂量与生物效应之间的关系,同时兼顾社会、经济、技术条件 1-2。由

4、于土壤重金属主要是通过食物链进入人体,在食物链中植物产品所含这些元素的水平至关重要,因此,土壤重金属环境质量基准首先要考虑土壤重金属对植物产品的污染 3,其次是它们对生态环境的影响和对农作物的危害 4,这些危害又与它们在土壤中的生物有效态密切相关 5-8。综上,土壤重金属有效态与土壤环境质量标准有密切关系。1 土壤重金属有效态及其影响因素土壤重金属的生物有效性是指其能被生物吸收利用的程度。土壤重金属通过饮用水和呼吸空气进入人体的数量是很少的,主要的途径是食物链,即通过动植物食品进入人体。因此土壤重金属的生物有效态主要是对植物而言的,即主要是能够被植物所利用的部分 3,8-9。基于上述阐述,收稿

5、日期:2007-09-19基金项目广东省科技计划项目(6B 35;B 33):2001010082007 0 010 0107 广东微量元素科学2008年 GUANGDONGWEI LI ANG YUANSU KEXUE 第15卷第1期 以下所讨论的土壤重金属有效态均指的是植物有效态。由于重金属生物有效性与重金属的形态关系很密切,所以可以说凡是影响土壤重金属形态分布的因素都会影响生物有效性。归纳起来影响土壤中重金属的生物有效性的因素主要有以下几方面:(1)pH值:重金属的生物有效性与土壤的pH值密切相关。绝大多数情况下,重金属的生物有效性随pH值的降低而增加,即酸性土中重金属的生物有效性较高,

6、中性或碱性土中重金属的生物有效性较低。(2)氧化还原电位:氧化还原电位可直接改变重金属的氧化状态,从而影响溶解,吸附/解吸,沉淀和土壤中的其它相互作用。氧化还原电位还可通过影响土壤微生物的活性来改变土壤的pH。通常来说,降低氧化还原电位可提高pH,提高氧化还原电位可降低pH,pH值改变多少是由土壤的缓冲能力来决定。(3)CEC:一般认为CEC与重金属生物有效性是负相关的,即CEC越高土壤重金属生物有效性越低。其原因是由于阳离子交换容量上升,土壤对于重金属离子吸附固持作用增大,使得其有效性降低。但是CEC重金属的影响与重金属的种类有较大关系。(4)有机质含量:土壤有机质含量的多少对重金属的毒性大

7、小影响也很重要。胶态有机质对重金属离子有很强的亲和势,所以对添加重金属的保持能力往往与有机质含量具有良好的相关性。有机质可以提供阳离子交换反应位,但它对阳离子的强亲和势是由于有机质的基团或官能团与金属离子形成了螯合物和(或)络合物。有机质含量丰富的土壤由于重金属离子的络合作用降低了交换态重金属的含量,其毒性相应减小。有机质对重金属化学形态的影响因重金属种类的不同而不同。有机质对镉的化学形态分布影响较小,但对铅的形态分布有很大改变。(5)粒径组成(黏粒含量):黏粒含量较多的土壤,其重金属的生物有效性较低。(6)铁、铝、锰氧化物含量:土壤中一般含有数量较多的铁、铝、锰氧化物,对重金属的形态变化和迁

8、移转化起较大影响,但是其影响较复杂需结合具体情况进行分析。(7)植物种类:土壤中重金属形态与生物有效性或毒性的关系是与物种相关的。例如有研究表明,不同蔬菜地中铜、锌累积差异很大。在相同处理水平下,生菜地土壤中铜的累积高于油菜地,油菜地土壤中锌的累积高于生菜地土壤。各种植物的生长周期和根际分泌物等不同,对土壤重金属生物有效性的影响也不同。一般认为,根际活动能活化根际重金属,促进其生物有效性。也有人认为根标可能存在交换态、碳酸盐结合态向铁锰氧化物结合态转化的机制,从而使生物有效性降低。根际分泌物对各种重金属的影响不同。有研究认为根际分泌物主要影响根际土壤交换态铜和碳酸盐结合态铜和锌的变化,对镉和铅

9、形态变化影响不大。(8)其它因素:其它因素如土壤微生物、土壤温度、重金属来源和土壤中重金属不同元素的交互作用等对重金属的生物有效性也会产生影响。土壤重金属与土壤中微生物和土壤酶活性是相互影响的,由于土壤中一些酶的活性能够较稳定、较敏感地反映重金属对土壤的污染程度,人们开始注重探讨用土壤酶活性作为判定土壤污染程度的生化指标。已有人发现用脲酶、过氧化氢酶活性可作为判断土壤中全量镉、铅污染程度的主要生化指标。土壤中不同元素的交互作用是很复杂的,目前,土壤中多种重金属复合污染条件下的形态分布及其对生物有效性影响的研究还处于初期阶段。许多研究表明,在低水平和高水平下,重金属间的交互作用对植物吸收的影响是

10、不同的。如镉、锌共存对植物吸收镉、锌均有影响,高水平镉促进锌吸收,高水平锌抑制镉吸收。同时重金属的交互作用在不同的植物类型下表现也不同,当多种元素存在时,其交互作用更为复8 广东微量元素科学2008年 GUANGDONGWEI LI ANG YUANSU KEXUE 第15卷第1期 杂。2 土壤重金属生物有效性测定土壤重金属有效性可用多种方法测定,如化学试剂浸提法、同位素稀释法、快速生物法和解吸法等。虽然同位素稀释法、快速生物法中的试管根法和解吸法等对表征土壤重金属的生物有效性比较好,但是它们所要求的技术、设备条件较高或有待于进一步完善,化学试剂浸提法在实践中比较常用。实际操作中,浸提法又分为

11、连续提取法与单一浸提法。连续提取法也称选择性连续提取法,即用一系列提取剂分别提取出不同形态的重金属。目前,应用最广泛的形态分析方法是TESSIER(1979)10 提出的连续提取法。TESSIER按提取顺序将土壤中重金属划分为5种形态:交换态(包括水溶态)、碳酸盐结合态(包括专性结合态)、铁锰氧化物结合态、有机物-硫化物结合态(简称有机结合态)、残渣态(即硅酸盐态)。5种形态中越靠前的越容易为植物所利用,一般认为有机物-硫化物结合态和残渣态的重金属几乎不能被植物利用。采用单一浸提法浸提土壤重金属的化学试剂主要有三类:弱(稀)酸类、络合剂类和中性盐类。其中稀(弱)酸类主要包括:011 mol/L

12、 HCl,011 mol/L HNO3,015 mol/L HOAc等。DTPA和EDT A是常用的络合剂,李永涛等(2004)11 的研究结果表明,DTPA浸提的土壤重金属与植物吸收量具有显著的相关性。很多研究表明,EDT A是良好的浸提剂且能对重金属污染土壤的进行修复 12-13。常用的中性盐提取剂包括NH4OAc,NH4NO3,NaNO3等一价阳离子盐溶液和CaCl2,BaCl2等二价阳离子盐溶液,它们都能较好地保持土壤溶液原有的pH值,后者由于交换和络合能力较强,便于浸出液的测定,因而更受重视。3 土壤重金属有效态与土壤环境质量标准制订各国都曾对土壤重金属环境质量标准作了大量研究,并制

13、定出一些暂行规定或建议标准。这些标准主要以土壤重金属总量为指标,有些标准对土壤其它理化性质也有所考虑,如美国按土壤CEC的大小分为四类土壤,分别定出总量标准。我国农用污泥重金属控制标准目前采用土壤重金属总量和pH这两个指标为依据。但是,不少学者提出异议。如吴启堂 1 认为,我国的农用污泥重金属控制标准按pH 615和pH 615把土壤分为酸性土和碱性土,过于简单。在pH 615的土壤中,强酸性(pH 510)与弱酸性土(610pH 615)的环境容量相差较大,但却采用同一标准;而弱酸性土和中性土的环境容量相差不很大,采用的标准却有13倍的差异。因此,适当的细分,如分为四段或五段较为合适。何忠俊

14、等 2 认为,现行土壤环境质量标准以总量作为土壤环境质量标准难以反映重金属对植物的效应。应用土壤重金属有效态作土壤质量标准,涉及到很多方面的工作,包括:测定方法的确定;临界含量的确定;不同土壤临界值的确定;不同植物临界值的确定等等。参考文献:1 吴启堂.土壤重金属的生物有效性和环境质量标准J.热带亚热带土壤科学,1992,1(1):45-53.2 何忠俊,梁社往,洪常青,等.土壤环境质量标准研究现状及展望 J.云南农业大学学报:2004,19(6):700-704.3 李法云,付宝荣,王效举土壤植物系统重金属镉、锌生物有效性的数学模型评价辽宁大学学.-J.9 广东微量元素科学2008年 GUA

15、NGDONGWEI LI ANG YUANSU KEXUE 第15卷第1期 报:自然科学版,2004,31(3):193-198.4 唐翔宇,朱永官.土壤中重金属对人体生物有效性的体外试验评估J.环境与健康杂志,2004,21(3):183-185.5 单孝全,王子健,张淑贞,等.形态分析、生物可给性与生态毒理研究 J.中国科学院院刊,2002,17(1):37-40.6 孙歆,韦朝阳,王五一.土壤中砷的形态分析和生物有效性研究进展J.地球科学进展,2006,21(6):625-632.7 刘宗平.环境重金属污染物的生物有效性J.生态学报,2005,25(2):273-278.8 徐应明,林大

16、松,吕建波,等.化学调控作用对Cd、Pb、Cu复合污染菜地土壤中重金属形态和植物有效性的影响J.农业环境科学学报,2006,25(2):326-330.9 刘霞,刘树庆.土壤重金属形态分布特征与生物效应的研究进展 J.农业环境科学学报,2006,25(S1):407-410.10 TESSIER A,C AMPBELL P G C,B I SS ON M.Sequential extraction p rocedure for the speciation of trace metalsJ.Analytical chemistry,1979,51:844-851.11 李永涛,刘科学,张池,等

17、.广东大宝山地区重金属污染水田土壤的Cu、Pb、Zn、Cd全量与DTPA浸提态含量的相互关系研究 J.农业环境科学学报,2004,23(6):1110-1114.12 王显海,刘云国,曾光明,等.EDTA溶液修复重金属污染土壤的效果及金属的形态变化特征J.环境科学,2006,27(5):1008-1012.13 曾敏,廖柏寒,曾清如,等.3种萃取剂对土壤重金属的去除及其对重金属有效性的影响 J.农业环境科学学报,2006,25(4):979-982.The Bioava ilab ility of Heavy M etal and Environm entalQua lity Standard

18、 for SoilLI Feng1,2,ZHANG Xuexian1,DAIRuizhi2(1.Jiaying College,Guangdong Meizhou 514015,China;2.Schoolof EnvironmentalScience and Engineering,Sun Yat-sen University,Guangdong Guangzhou 510275,China)Abstract:The suitable environmental quality standard for soil is vital to appraise soil and food qual

19、ity,and the bioavailability of soil heavy metal is significant to making the suitable environmental qualitystandard for soil.The bioavailability of soil heavy metal is mainly referred to the availability of p lantswhich has close relationship with the speciation of heavy metals.Many factors influenc

20、e the bioavailabilityof soil heavy metal mainly including:pH of soil,Eh,CEC,organic content,grain making up,ironaluminum manganese oxide content,plant kind,soilm icroorganism,soil temperature,source of heavymetals etc.Chemical reagent soaking is usually used to measure bioavaitability of soil heavym

21、etal.Thereare three kinds of chemical reagent used:weak acid,comp lexant and neutral salt and the neutral salt ispaid attention to because it can t influence soil pH value.The current soil quality standard of our countryis based on the total amount of heavy metal and pH.Many scholars think that this standard is onlysuitable for the soilwhere the bioavailability of soil heavy metal is high.Key words:heavy metal of soil;bioavailability;environ mental quality standard for soil 01