不同質地土壤的環(huán)境效益研究

黃耀華等

摘要土壤既是各類污染物的載體，又是污染物的天然凈化場所。土壤質地是土壤重要的物理性質之一。不同質地土壤各級土粒在礦物組成和化學組成上具有較大差異，進而對土壤性質有不同程度的影響。該研究從重金屬吸附、水體及大氣污染物和物質遷移等方面，對近年來土壤在環(huán)境效益方面的研究進行概述。

關鍵詞土壤質地；粒徑；環(huán)境效益

中圖分類號S154.1文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2014）06-01624-03

Abstract The soil was the carrier as well as a natural purification place of various pollutants.The soil texture was one of the important physical properties of soil.Mineral composition and chemical composition varied from soil particles in different soil，which influenced soil properties to some extent.This paper summed up the environment efficiency of soil in recent years especially on adsorption of heavy metals，water and air pollutants and substance movement.

Key words Soil texture； Particle size； Environment efficiency

1土壤的凈化功能

土壤是無機物、有機物、生物等各種物質的混合體。構成土壤的各物質巧妙地維持著相互關系，并且在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。土壤具有環(huán)境凈化功能，一方面是通過物理、化學以及生物作用來降低或消除土壤中的污染物質和毒素；另一方面土壤本身通過吸附、分解、遷移、轉化等過程，使得土壤污染物濃度降低或消失。具體表現(xiàn)在以下3個方面。①土壤中含有各種各樣的微生物與土壤動物，對外界進入土壤的各種物質都能分解、轉化。成杰民等[1-2]研究認為，蚯蚓可以修復或協(xié)助修復被重金屬、廢棄物及農(nóng)藥污染的土壤。這主要是由于蚯蚓活動改善了土壤的理化性質、生態(tài)功能[3]以及土壤的通氣狀況[4]。

②由于土壤中存在復雜的土壤有機膠體與無機膠體體系，通過吸附、解吸、代換等過程，對外界進入土壤中的各種物質起著“蓄積作用”，使得污染物發(fā)生形態(tài)變化。是土壤最重要的化學性質之一是對土壤中的離子進行吸附和交換。重金屬易在土壤中發(fā)生吸附作用。這是土壤對重金屬元素具有一定的自凈能力和環(huán)境容量的根本原因[5]。

③土壤是綠色植物生長的基地。植物的吸收使得土壤中的污染物質發(fā)生遷移轉化。因此，某些性質不同的污染物在土體中可通過揮發(fā)、擴散、分解等作用，逐步降低污染物濃度，減少毒性或被分解成無害的物質；經(jīng)沉淀、膠體吸附等作用，污染物發(fā)生形態(tài)變化，或通過生物降解與化學降解，污染物變?yōu)槎拘暂^小或無毒性物質；另外，有些污染物在土體中還會被分解氣化，遷移至大氣中。這些現(xiàn)象從廣義上都可理解為土壤的凈化過程。

2土壤質地對土壤理化性質的影響

土壤質地是土壤重要的物理性質之一。根據(jù)土壤的顆粒組成，一般將土壤質地分為砂土、壤土和黏土3類，其類別和特點主要繼承成土母質的類型和特點。巖石、母質種類和風化成土過程的不同使得各種土壤及其各級土粒的礦物組成具有差異性。Garcia等[6]對幾種黏土礦物和含鐵礦物的研究表明，黏土和土壤膠體對Zn離子的吸附量較低，而海泡石對Cd的吸附量最大，其次為Cu和Zn，針鐵礦對As的吸附較大，沸石對一價和二價金屬離子的吸附效率較高。這可為土壤重金屬污染修復提供理論依據(jù)。

土壤質地差異一方面影響土壤的養(yǎng)分供給，另一方面影響土體中水、熱、氣等環(huán)境條件。這就要求在制定水肥優(yōu)化管理措施時綜合考慮上述因素。關于土壤質地對土體理化性質的影響近年來有諸多報道。李久生等[7]以均質砂土、均質壤土和上砂下壤層狀土壤為研究對象，發(fā)現(xiàn)土壤質地對土壤水分和硝態(tài)氮的運移分布有重要影響；粗質地土壤中水分和硝態(tài)氮運移深度明顯大于細質地土壤，更易造成水氮淋失。李剛等[8]研究表明，在地下滴灌時，砂土中的灌水器流量較大，壤土次之，黏土最?。坏?，土壤質地越輕，灌水器流量對土壤容重和土壤含水率變化越敏感，隨著二者的增加，灌水器流量減小，程度增大，而在質地較重的黏土中，灌水器流量的減小程度較小，壤土居中。這與不同質地土壤的孔隙度和孔隙分布、透水性與持水能力有關。劉經(jīng)星等[9]研究表明，土墑條件較好、質地輕的土壤熱量傳遞速度較慢，阻礙土壤的熱擴散。李毅等[10]研究表明，砂粒、粉粒和黏粒含量對土壤熱性質有不同程度的影響；不同質地土壤的熱性質與土壤水吸力之間存在定量關系。

3不同質地土壤的環(huán)境效益

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，各種有機化合物、有機農(nóng)藥等有毒物質的排放日益加劇，進入水體和大氣中的有害物質影響著人類的健康和繁衍。土壤圈是與水圈、大氣圈、巖石圈以及生物圈緊密聯(lián)系的重要圈層。土壤既是各類來源污染物的載體，又是污染物的天然凈化場所，具有重要的生態(tài)學意義。Falciglia等[11]研究發(fā)現(xiàn)，污染物（柴油）的吸附解析效果在很大程度上受到土壤質地的影響，并且處理溫度和時間是修復過程中的關鍵因子。在砂土和粉砂土中，去除柴油污染的溫度在175 ℃就足夠了，而在黏土中需要250 ℃。同時，黏土對柴油的吸附能力比粗砂質壤土要高6倍。

3.1土壤質地對金屬離子的影響

近年來，重金屬在土壤中的化學行為受到人們的廣泛關注[12-14]。李粉茹[15]研究認為，Zn在土壤中的最大吸附量與供試土壤<0.001 mm的黏粒含量在0.01水平顯著相關，與<0.001 mm的物理黏粒含量在0.05水平顯著相關，因此認為供試土壤<0.001 mm的黏粒含量對Zn的最大吸附量的影響較大。綜合分析認為，在土壤質地較接近的情況下，土壤對Zn的最大吸附量是土壤基本理化性質各因子相互作用的結果，其中土壤有機質和黏粒含量的影響較大。王凱麗等[16]通過對膠體存在時不同質地土壤吸附Zn、Cd的研究發(fā)現(xiàn)，Zn 、Cd在3種質地土壤中在加膠體與不加膠體時吸附量順序均為砂壤 > 粉壤 > 粉砂壤，認為不同質地土壤對重金屬離子的吸附量存在很大的差別。砂壤土pH高，有利于Zn離子和Cd離子的水解反應，形成的羥基金屬化合物更易被吸附；砂壤土有機質含量高，其中大量的官能團尤其是活性基團能在一定條件下與溶液中的金屬離子絡合形成穩(wěn)定的絡合物[17]；砂壤土黏粒含量越高，土壤顆粒粒級越細，比表面積越大，越能提供更多的吸附位點[18]。李娜等[19]通過添加納米型蒙脫土和高嶺土，對溶液中Cu離子的去除取得很好的效果，當溶液中Cu離子濃度低于120 mg/L時，納米型蒙脫土、高嶺土對Cu離子的最大去除率分別高達99.5%和94.3%，其吸附等溫線可以用Langmuir和Freundlich方程進行擬合。

土壤質地對金屬在土壤中的分布也有顯著影響。據(jù)報道，城市土壤中一些金屬在細顆粒中的濃度比較粗顆粒中大[20-23]。Luo等[24]認為，痕量金屬在城市土壤中最初累積于黏土、粉粒和細小的砂粒中，且在不同粒徑大小顆粒中的含量隨著粒徑的減小而增加；痕量金屬（如Cu、Zn、Pb、Co、Ni、Cr、Mn）的載荷量在粒徑<280 μm的土壤顆粒中呈現(xiàn)大量增加的趨勢，特別是在<2 μm和10～2 μm顆粒中的表現(xiàn)更加明顯。較小顆粒（<10 μm）中的黏土礦物和鐵鋁氧化物可能是痕量金屬的主要吸附點。人類活動帶來的金屬物質（如Pb、Cu和Zn）在城市土壤的細小顆粒中呈富集趨勢。 Lagomarsino等[25]分析了Cu污染土壤中Cu在不同粒徑大小土壤顆粒中的分布。結果表明，80%以上的Cu都聚集在砂粒和黏粒中。于靜等[26]研究了銪在粉質粘土上的吸附分配比，認為銪的吸附分配比隨粉黏土粒度的減小而增大。據(jù)Rodriguez等[27]報道，鈾、釷230、鐳226在3種粒度（0.500～2000 mm的粗砂，0.067～0.500 mm的細砂，<0.067的粉砂和黏粒）土壤中的有效濃度隨著土壤顆粒粒徑的增加而減少；有效鈾在土壤的粗粒中所占比例最大，鐳在細砂顆粒中含量最多。

3.2不同質地土壤對水體污染物的凈化差異

長期施用禽畜排泄物可導致抗生素在土壤中的積累，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。章明奎等[28]報道，抗生素（泰樂菌素和土霉素）在土壤中的吸附、遷移行為與土壤性質有關，土壤對抗生素的吸附能力主要與土壤黏粒含量、有機質和氧化鐵呈正相關；吸附強度隨著土壤黏粒含量的增加而增加，可遷移性隨黏粒含量的增加而減弱；同時，上述2類抗生素在黏質土壤剖面中的遷移能力較弱，而泰樂菌素在砂質土壤中較易遷移，從而具有較大的環(huán)境風險。毛萌等[29]采用平衡法和流動平衡法對農(nóng)藥阿特拉津在砂質土壤中的吸附特性研究表明，阿特拉律在砂質土壤中的移動能力很強；土壤中土壤礦物粒徑越小，阿特拉律與之結合越穩(wěn)定，越不易解吸或揮發(fā)，因此土壤質地越黏，吸附阿特拉津的能力就越強。高敏苓等[30]報道，土壤對阿特拉津的吸附還與土壤中無定型鐵或鋁氧化物含量呈正相關。這是因為無定型鐵或鋁氧化物具有較高的比表面積和質子供體官能團，不帶電的阿特拉津分子雜環(huán)氮能被質子化，然后吸附在帶負電荷的土壤顆粒表面。

細菌和病毒等致病微生物通過化糞池、污水污泥、廢水等進入地下水體，造成病毒污染。這已經(jīng)引起各國科學家的高度關注。Powell等[31]認為，土壤質地能夠以土壤空隙、裂縫、通道以及病毒移動障礙物等方式影響病毒的遷移。Quanrud等[32]研究發(fā)現(xiàn)，砂土中病毒的衰減作用很弱；在粉砂土壤中，大腸桿菌噬菌體的衰減更有效，而且粉砂壤對大腸桿菌噬菌體的吸持作用比粗砂大得多；病毒的衰減速率與過濾速率呈負相關，所以砂土中病毒衰減速率要低于黏土。土壤中鐵氧化物及其他金屬氧化物對吸附病毒起重要作用[33]。鋁氧化物能夠增加病毒的衰減[34]。

3.3土壤質地對大氣污染物的影響

甲烷的釋放受到土壤理化性質的影響。Garnier等[35]研究認為，土壤質地通過影響土壤的通透性和水分含量，促進或延緩土壤有機質的氧化還原過程，進而影響甲烷的產(chǎn)生和遷移擴散。目前，土壤質地對甲烷的影響研究主要集中在濕地特別是水稻田。蔣靜艷等[36]研究表明，甲烷排放量與土壤砂粒含量呈正比，而且甲烷排放可通過土壤砂粒含量和C/N的線性組合進行定量描述。焦燕等[37]研究認為，黏質土壤中甲烷的平均排放通量在0.05水平顯著低于壤質和砂質土壤。

Nicholaus等[38]研究了土壤質地中不同顆粒分布對農(nóng)田土壤產(chǎn)生PM10的影響，結果表明粉砂和黏粒的含量比與PM10濃度之間呈0.05水平顯著相關性，當土壤干旱時粉砂和黏粒含量比越高，其產(chǎn)生PM10的潛力越大。Silvia等[39]發(fā)現(xiàn)，砂土中粉砂含量越高，PM10的最大釋放量越大。Funk等[40]也認為，風干的黏質土比砂質土能釋放更多的PM10。

邱罡等[41]通過研究常溫、常壓下松砂土和中壤土不同理化性質對水體和大氣污染物（對硝基甲苯）還原的影響，發(fā)現(xiàn)當土壤粒徑在0.85～0.25 mm之間時，對硝基甲苯的還原率隨著土壤粒徑的減少而減??；而當粒徑為0.250～0.075 mm時，還原率隨粒徑的減小而增大。吳雙桃等[42]研究了土壤理化性質對Fe還原硝基苯的影響，結果表明硝基苯在中壤土中的還原率大于松砂土，粒徑偏小的中壤土中硝基苯的還原較徹底。Lee等[43]為了研究土壤質地對疏水有機污染物（甲苯、三氯苯、二磺酸鹽等）的影響，選取6個地區(qū)的土壤為研究對象，發(fā)現(xiàn)在Crippin 粉砂黏壤土（黏粒含量約30%）和Webster 黏壤土（黏粒含量約35%）中，甲苯和三氯苯的移動趨勢最明顯。

3.4土壤質地對物質遷移的影響

土壤中一些元素的遷移、流失可造成水體富營養(yǎng)化，例如N、P的流失會引起面源污染。許多長期施肥試驗對土壤中元素的分布、遷移做了相關的研究。于丹等[44]認為，土壤中氧化鐵、氧化鋁和有機質對P都有一定的固定作用；另外，土壤質地結構特別是黏粒能影響土體內P的遷移和轉化。隨著土壤剖面中深層土壤黏粒含量的增加，土壤對P的吸附能力增強，限制P向下層土壤的遷移，也促使P在深層土壤的累積。據(jù)報道，相對質地較輕的沙土而言，土壤黏粒對P有較強的吸附作用[45-46]。溫以華[47]研究認為，氯離子在黏粒含量高的土壤中水動力彌散系數(shù)大于黏粒含量低的土壤，說明黏粒含量以及介質空隙狀況是影響溶質運移的重要因素。曹雪艷等[48]通過模擬滲漏流失和徑流流失過程，選取砂質壤土、黏壤土、砂質黏土和壤質黏土4中典型土壤質地為研究對象，發(fā)現(xiàn)壤質黏土在2種流失方式下都極易發(fā)生養(yǎng)分流失，砂質土壤的徑流量和滲流量較高。Walton等[49]認為，砂黏壤土比粉質輕壤土、粉質黏壤土的養(yǎng)分徑流流失量大。楊春霞等[50]研究了尿素在不同質地紅壤中受雙氰胺的硝化抑制作用的影響，結果表明尿素在壤土、黏土中的水解過程快于砂壤土；雙氰胺抑制了壤土、黏土中尿素水解的銨硝化作用，促進了尿素在砂壤土中的硝化作用。劉倩等[51]研究表明，雙氰胺在不同質地土壤上的硝化抑制作用表現(xiàn)為砂土>黏土>壤土。

4小結

研究表明，不同質地土壤對環(huán)境的影響具有較顯著的差異。土壤質地的差異導致土壤孔隙度不同，影響各種物質在其中的移動規(guī)律；粒徑大小影響土壤結構，對土壤中吸附過程也有重要影響。沙土顆粒大，黏粒含量少，有機質含量較低，金屬的吸附較弱，而各物質與元素的遷移較顯著；壤土中含有大量黏粒，且有機質含量較高，各種鐵鋁氧化物等也提供許多吸附位點，從而能更有效地吸附進入土壤中的各種污染物。

安徽農(nóng)業(yè)科學2014年

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