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重金屬的土水分配行為研究——根際土壤溶液采樣器的應(yīng)用

日期：2025-06-25 21:04
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摘要：
重金屬的土水分配行為研究——根際土壤溶液采樣器的應(yīng)用①
 
 
郝漢舟1， 靳孟貴2， 李瑞敏3， 王支農(nóng)3， 劉成武1， 陳   志1， 鐘學(xué)斌1
（1 咸寧學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北咸寧 437100； 2 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，武漢 430074； 3 中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081）
 
 
摘 要： 采用根際土壤溶液采樣器（Rhizon-SMS）原位采集河南平原耕地土壤溶液。用土壤溶液中重金屬濃度對(duì)數(shù)作為 因變量、土壤溶液理化性質(zhì)作為自變量，進(jìn)行多元線性逐步回歸，結(jié)果表明：只有有機(jī)碳進(jìn)入Cu的相關(guān)方程，pH進(jìn)入Cd的相關(guān) 方程。土壤溶液pH和土壤中的Zn都作為自變量進(jìn)入Zn的相關(guān)方程。土壤溶液中的Cu與pH沒(méi)有線性關(guān)系，而Cd和Zn與土壤溶液 pH有顯著的線性關(guān)系（p＜0.01）。計(jì)算了土壤中Cu、Cd、Zn在土壤與土壤溶液中的分配系數(shù)Kd 。本研究中，3 種重金屬的Kd 大小順序?yàn)椋?/span>Cu＞Zn＞Cd。根據(jù)Freeze 和Cherry模型，聯(lián)合log(Kd -Cd)、log(Kd -Zn)與pH的線性關(guān)系，估計(jì)了Cd和Zn在土壤中 的遷移速度。
關(guān)鍵詞： 根際土壤溶液采樣器；分配系數(shù)；重金屬；土壤；河南
中圖分類號(hào)： S153.6；F595
 
 

土壤溶液不僅是土壤化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，也是 植物根系獲取養(yǎng)分的源泉。重金屬在土壤和土壤溶液 之間的分配行為是評(píng)價(jià)重金屬在耕地中環(huán)境效應(yīng)的一 個(gè)重要方面。研究原位土壤固-液相的相互作用，對(duì)評(píng) 價(jià)重金屬的移動(dòng)性和有效性具有十分重要的意義。
根際土壤溶液采樣器（Rhizon-SMS）是美國(guó) EPA 規(guī)定的表征危險(xiǎn)廢物點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)方法，并得到廣泛應(yīng)用。 根際土壤溶液采樣器采樣系統(tǒng)通常由 3 部分組成：多 孔材料制成的吸杯（suction cup）、采樣瓶和抽氣容器。
重金屬吸附平衡通常用分配系數(shù)Kd 來(lái)表示。Kd
（L/kg）表示溶液中某種物質(zhì)對(duì)固體基質(zhì)的相對(duì)親和 附著能力[1]，為土壤中重金屬含量Mtotal（mg/kg）及土 壤水中重金屬濃度Msolution （mg/L）之比，即：
液pH值可以解析方程變異的 50%，但把土壤有機(jī)C引 入方程中時(shí)可以顯著提高方程的決定系數(shù)（R2 = 0.61） [4]。研究證實(shí)pH [5-7]、土壤有機(jī)C [8]、CEC是決定土壤 Kd 的重要因素[9]。
Cd 屬于生物非必需元素，對(duì)植物毒性很強(qiáng)。當(dāng)其 進(jìn)人植物體后能引起一系列不利于植物生長(zhǎng)的反應(yīng)。 1988 年 FAO/WHO 專家委員會(huì)提出了 Cd 的暫定每周
可耐受攝入量（provisional  tolerated  weekly  intake，
PTWI）為 7 μg/kg(體重)。Cu 和 Zn 是人體健康和植物 不可缺少的微量營(yíng)養(yǎng)素，但過(guò)量對(duì)生物則產(chǎn)生危害。 河南省黃淮平原經(jīng)濟(jì)區(qū)是我國(guó)有名的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基 地，其土壤質(zhì)量狀況直接影響到農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以 及人體健康。然而，對(duì)河南省黃淮平原經(jīng)濟(jì)區(qū)重金屬

K  =  M total 
（1）
在原位條件下固-液兩相分配研究少見(jiàn)報(bào)道。本研究采

Msolution
已經(jīng)有報(bào)道稱土壤Cd的Kd 值與土壤的理化性質(zhì) 有一定關(guān)系。Anderson等[2]發(fā)現(xiàn)土壤pH是控制Cd的Kd *重要的因子。Christensen[3]用土壤理化參數(shù)如pH、土 壤黏粒含量、腐殖質(zhì)和陽(yáng)離子交換總量（CEC）以及 土壤中活性組分如活性氧化鐵、活性Mn、活性Al，通 過(guò)逐步回歸方法發(fā)現(xiàn)平衡時(shí)土壤溶液中pH可以解釋 72% 的方差變異。多元線性回歸模型發(fā)現(xiàn)，土壤溶
用自制的根際土壤溶液采樣器原位采取土壤溶液，旨
在：①探討 Cu、Cd、Zn 在固-液兩相的分配行為；② 通過(guò)重金屬分配系數(shù)估計(jì)重金屬的遷移速度。
 
1材料與方法
 
在研究區(qū)選擇 24 個(gè)剖面，每個(gè)剖面的規(guī)格是長(zhǎng) 2 m，寬 0.8 m，深 2.2 m 的梯形。在剖面的 20、40、60、 80、130、160、210 cm 深度處各采集土壤樣品 1 kg。

 
 
①基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40772155）、咸寧學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目（BK0704）和生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（BGEG0809） 資助。
作者簡(jiǎn)介：郝漢舟（1970－），男，湖北英山人，博士，主要從事生態(tài)修復(fù)的教學(xué)與科研工作。E-mail: haohz110@163.com

 

在開(kāi)挖的土壤剖面上采用負(fù)壓式土壤溶液采樣器采 集土壤溶液。在剖面深度 20、40、60、80、130、 160 cm 處埋置陶瓷頭。土壤溶液采集有以下步驟：
①清洗。第一次使用的新儀器，在安裝前用稀酸洗 干凈并用蒸餾水浸泡陶瓷頭 24 h 以上。②埋置。用 直徑略大于陶瓷頭的土鉆在預(yù)定的剖面深度處打 
孔，打孔時(shí)略向下傾斜，將土鉆中的土壤取出，過(guò)
篩去掉粗砂和石礫，加水?dāng)嚭统?/span>泥漿倒回孔中，把 陶瓷頭放入孔中央，使泥漿沒(méi)過(guò)陶瓷頭，加土壓實(shí) 密封防止大氣進(jìn)入。③連接。把陶瓷頭通氣支管用 金屬桿堵塞，確保密閉。④潤(rùn)洗。按壓真空泵抽氣， 使瓶?jī)?nèi)氣壓為 -0.7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。*初抽取的溶液 并不取樣，只用于潤(rùn)洗陶瓷頭、導(dǎo)管和采樣瓶。⑤ 采樣。在負(fù)壓達(dá)到要求時(shí)，經(jīng)過(guò)潤(rùn)洗后即可進(jìn)行采 樣。
土壤及土壤溶液中 Cu 和 Zn 用 IRIS Intrepid 全譜 儀測(cè)定（檢測(cè)方法依據(jù) DZ/T0064-93），Cd 用 M6 石 墨爐原子吸 收分光光度 計(jì)測(cè)定（檢 測(cè)方法依據(jù) GB5750-85 ）。土壤溶 液 pH 用美 國(guó)哈希 HACH sensION4 便攜式 pH 計(jì)測(cè)定。土壤有機(jī) C 用用重鉻酸 鉀氧化-外加熱法測(cè)定。
 
2分析與討論
 
2.1土壤溶液重金屬濃度
不同深度土壤溶液中的重金屬濃度見(jiàn)表 1，*大值 和*小值相差 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。其中，在 20  cm 深度上，
溶液中的 Cu 濃度范圍為 0.001 ~ 0.404 mg/L，平均值 為 0.018 mg/L；Cd 濃度范圍為 0.01 ~ 0.08 μg/L，平均
值為 0.06 μg/L；Zn 濃度范圍為 0.034 ~ 0.343 mg/L，平
均值為 0.095 mg/L。

 
 
表 1   不同深度土壤溶液中 Cu、Cd、Zn 濃度描述統(tǒng)計(jì)（n = 24）（mg/L）
Table 1   Cu, Cd and Zn concentrations in soil solution at different depths
 
深度
 
 
平均值
 
0.018
 
0.026
 
0.021
 
0.023
 
0.022
 
0.008
Cu (mg/L)
*小值*大值
 
0.0010.404
 
0.0010.126
 
0.0010.059
 
0.0050.064
 
0.0020.051
 
0.0010.019
 
 
CV 0.004
0.009
 
0.005
 
0.005
 
0.004
 
0.002
 
 
 
平均值
 
0.06
 
0.10
 
0.10
 
0.12
 
0.08
 
0.06
Cd (μg/L)
*小值*大值
 
0.010.08
 
1.6 0.20
 
1.7 0.14
 
0.060.14
 
0.050.09
 
0.040.08
 
 
CV 0.002
0.003
 
0.001
 
0.004
 
0.002
 
0.003
 
 
 
平均值
 
0.095
 
0.080
 
0.092
 
0.100
 
0.076
 
0.059
Zn (mg/L)
*小值*大值
 
0.0340.343
 
0.0040.260
 
0.0070.211
 
0.0310.260
 
0.0080.189
 
0.0180.110
 
 
CV 0.024
0.019
 
0.017
 
0.018
 
0.016
 
0.008
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
20
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
40
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
60
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
80
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
130
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
160
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

在對(duì)溶液中重金屬進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后作為因變量， 用土壤溶液中理化性質(zhì)作為自變量，進(jìn)行多元線性回 歸。自變量進(jìn)入方程選擇逐步回歸方法（stepwise），
是土壤溶液pH、土壤中重金屬濃度（Mtotal ）、土壤有 機(jī)碳（Corg ）的函數(shù)：
 
()()

有log(Corg )、pH、log(Zntotal) 進(jìn)入方程。
log   M solution
=a  +
b  ´ pH  + c  ´
log  M total

從表 2 可知，對(duì)于土壤溶液中Cu來(lái)講，只有土壤
+d ´
log (Corg  )
（2）

溶液中有機(jī)C（Corg ）進(jìn)入了方程，其他土壤理化性質(zhì) 沒(méi)有作為自變量進(jìn)入方程。對(duì)于土壤溶液中Cd來(lái)講， 只有土壤溶液pH進(jìn)入了方程。對(duì)于土壤溶液中的Zn， 土壤溶液pH和土壤中的Zn濃度都作為自變量進(jìn)入方 程。已有資料報(bào)道[10]，土壤溶液中的重金屬（Msolution ）
該模型中a、b、c、d為常數(shù)。該模型前提假設(shè)是土壤
溶液中的離子和H+ 競(jìng)爭(zhēng)土壤的吸附位。該模型對(duì)來(lái)自 與田間和認(rèn)為污染的土壤進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)，對(duì)土壤溶液 中的Cu、Cd、Zn，方程的決定系數(shù)分別為 0.611、0.884、 0.618[10]。

 
表 2    土壤溶液中重金屬預(yù)測(cè)方程
Table 2   Prediction equations for heavy metal in soil solution
在本研究中，Cd、Zn的線性回歸方程中，pH能解
釋方差變異的 42.3% 和 64.5%。無(wú)論是土壤溶液中的 有機(jī)C還是土壤黏粒含量，作為自變量進(jìn)入方程后不能 進(jìn)一步提高決定系數(shù)R2的大小。對(duì)于Cd和Zn，pH是* 重要的預(yù)測(cè)土壤溶液中重金屬的因子，土壤溶液中的 土壤有機(jī)質(zhì)沒(méi)有相同的預(yù)測(cè)效果。從回歸方程可以看 出，土壤溶液中的Cu和Cd、Zn完全不一樣，土壤溶液 中的有機(jī)質(zhì)能夠解釋方程變異的 32.2%，土壤溶液pH