重金屬的土水分配行為研究——根際土壤溶液采樣器的應用①

郝漢舟1， 靳孟貴2， 李瑞敏3， 王支農3， 劉成武1， 陳   志1， 鐘學斌1

（1 咸寧學院資源與環境科學學院，湖北咸寧 437100； 2 中國地質大學（武漢）環境學院，武漢 430074； 3 中國地質環境監測院，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數作為 因變量、土壤溶液理化性質作為自變量，進行多元線性逐步回歸，結果表明：只有有機碳進入Cu的相關方程，pH進入Cd的相關 方程。土壤溶液pH和土壤中的Zn都作為自變量進入Zn的相關方程。土壤溶液中的Cu與pH沒有線性關系，而Cd和Zn與土壤溶液 pH有顯著的線性關系（p＜0.01）。計算了土壤中Cu、Cd、Zn在土壤與土壤溶液中的分配系數Kd 。本研究中，3 種重金屬的Kd 大小順序為：Cu＞Zn＞Cd。根據Freeze 和Cherry模型，聯合log(Kd -Cd)、log(Kd -Zn)與pH的線性關系，估計了Cd和Zn在土壤中 的遷移速度。

關鍵詞： 根際土壤溶液采樣器；分配系數；重金屬；土壤；河南

中圖分類號： S153.6；F595

土壤溶液不僅是土壤化學反應發生的場所，也是 植物根系獲取養分的源泉。重金屬在土壤和土壤溶液 之間的分配行為是評價重金屬在耕地中環境效應的一 個重要方面。研究原位土壤固-液相的相互作用，對評 價重金屬的移動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）(衢州新芝生物科技有限公司大量現貨訂購： 王女士）是美國 EPA 規定的表征危險廢物點的標準方法，并得到廣泛應用。 根際土壤溶液采樣器采樣系統通常由 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Kd 來表示。Kd

（L/kg）表示溶液中某種物質對固體基質的相對親和 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C引 入方程中時可以顯著提高方程的決定系數（R2 = 0.61） [4]。研究證實pH [5-7]、土壤有機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，對植物毒性很強。當其 進人植物體后能引起一系列不利于植物生長的反應。 1988 年 FAO/WHO 專家委員會提出了 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 不可缺少的微量營養素，但過量對生物則產生危害。 河南省黃淮平原經濟區是我國的農業生產基 地，其土壤質量狀況直接影響到農業的可持續發展以 及人體健康。然而，對河南省黃淮平原經濟區重金屬

K  =  M total 

（1）

在原位條件下固-液兩相分配研究少見報道。本研究采

Msolution

已經有報道稱土壤Cd的Kd 值與土壤的理化性質 有一定關系。Anderson等[2]發現土壤pH是控制Cd的Kd zui重要的因子。Christensen[3]用土壤理化參數如pH、土 壤黏粒含量、腐殖質和陽離子交換總量（CEC）以及 土壤中活性組分如活性氧化鐵、活性Mn、活性Al，通 過逐步回歸方法發現平衡時土壤溶液中pH可以解釋 72% 的方差變異。多元線性回歸模型發現，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 通過重金屬分配系數估計重金屬的遷移速度。

1 材料與方法

在研究區選擇 24 個剖面，每個剖面的規格是長 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基金項目：國家自然科學基金項目（40772155）、咸寧學院重點項目（BK0704）和生物地質與環境地質教育部重點實驗室開放基金項目（BGEG0809） 資助。

作者簡介：郝漢舟（1970－），男，湖北英山人，博士，主要從事生態修復的教學與科研工作。E-mail: haohz110@163.com

在開挖的土壤剖面上采用負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定的剖面深度處打 

孔，打孔時略向下傾斜，將土鉆中的土壤取出，過

篩去掉粗砂和石礫，加水攪和成泥漿倒回孔中，把 陶瓷頭放入孔中央，使泥漿沒過陶瓷頭，加土壓實 密封防止大氣進入。③連接。把陶瓷頭通氣支管用 金屬桿堵塞，確保密閉。④潤洗。按壓真空泵抽氣， 使瓶內氣壓為 -0.7 個標準大氣壓。zui初抽取的溶液 并不取樣，只用于潤洗陶瓷頭、導管和采樣瓶。⑤ 采樣。在負壓達到要求時，經過潤洗后即可進行采 樣。

土壤及土壤溶液中 Cu 和 Zn 用 IRIS Intrepid 全譜 儀測定（檢測方法依據 DZ/T0064-93），Cd 用 M6 石 墨爐原子吸 收分光光度 計測定（檢 測方法依據 GB5750-85 ）。土壤溶 液 pH 用美 國哈希 HACH sensION4 便攜式 pH 計測定。土壤有機 C 用用重鉻酸 鉀氧化-外加熱法測定。

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表 1，zui大值 和zui小值相差 2 個數量級。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 濃度描述統計（n = 24）（mg/L）

Table 1   Cu, Cd and Zn concentrations in soil solution at different depths

在對溶液中重金屬進行對數轉換后作為因變量， 用土壤溶液中理化性質作為自變量，進行多元線性回 歸。自變量進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 機碳（Corg ）的函數：

( ) ( )

有log(Corg )、pH、log(Zntotal) 進入方程。

log   M solution

= a  +

b  ′ pH  + c  ′

log  M total

從表 2 可知，對于土壤溶液中Cu來講，只有土壤

+ d ′

log (Corg  )

（2）

溶液中有機C（Corg ）進入了方程，其他土壤理化性質 沒有作為自變量進入方程。對于土壤溶液中Cd來講， 只有土壤溶液pH進入了方程。對于土壤溶液中的Zn， 土壤溶液pH和土壤中的Zn濃度都作為自變量進入方 程。已有資料報道[10]，土壤溶液中的重金屬（Msolution ）

該模型中a、b、c、d為常數。該模型前提假設是土壤

溶液中的離子和H+ 競爭土壤的吸附位。該模型對來自 與田間和認為污染的土壤進行回歸預測，對土壤溶液 中的Cu、Cd、Zn，方程的決定系數分別為 0.611、0.884、 0.618[10]。

表 2    土壤溶液中重金屬預測方程

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%。無論是土壤溶液中的 有機C還是土壤黏粒含量，作為自變量進入方程后不能 進一步提高決定系數R2的大小。對于Cd和Zn，pH是zui 重要的預測土壤溶液中重金屬的因子，土壤溶液中的 土壤有機質沒有相同的預測效果。從回歸方程可以看 出，土壤溶液中的Cu和Cd、Zn*不一樣，土壤溶液 中的有機質能夠解釋方程變異的 32.2%，土壤溶液pH