土-岩界面重金属行为的研究进展 - 生态环境学报.DOC

土-岩界面重金属行为的研究进展 陈素华，孙铁珩 （中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016）A 文章编号：1008-181X（2002）01-0075-04 长期以来，许多研究在阐明物质在环境中所发生的各种现象和过程时都曾涉及到多环境介质问题[1，2]。重金属在单一介质内部的行为与跨越不同介质时所发生的行为过程在机理和速度上都有很大的差别，后者较前者复杂，这主要是由于跨介质时的行为涉及到介质与介质间存在的界面效应[3]。界面效应不仅作用于重金属的跨介质迁移过程，而且表现在其它过程之中，如在环境界面附近物质的化学与生物学转化，常常表现出其在远离界面的环境介质内部不同的性质。 土-岩界面的重金属交换及其对土壤健康质量的影响逐步受到土壤学界、环境科学界与医学界的高度重视。一方面，从基岩转变为土壤的生物地球化学过程蕴含了各种大量与微量元素的迁移转化。由于成土母质的差异，形成了不同类型土壤中不同元素的富集与亏缺，从而影响土壤的健康与质量。另一方面，大量研究[4-6]表明，土-岩界面进行着非常频繁的物质交换，它既包括了岩石风化成土过程中元素的置换与溶解过程，也涉及到土壤成岩过程中元素的沉积与固定作用，从而形成一个漫长复杂的土-岩界面生态化学过程。当土壤中的生命有益元素如Se、I、Zn等通过置换反应和沉积作用不断进入岩石系统而导致土壤中有益元素的下降，同时岩石通过土-岩界面向土壤释放大量有害元素如重金属、放射性元素等而导致土壤中有害元素的不断累积，这两者的作用都将对土壤质量产生负面影响。 1 土-岩界面的概念及特性 由于多介质环境的存在，重金属总是通过物理、化学和生物学过程进行跨介质边界迁移。界面作为介质与介质之间的物理转换区，是环境介质单元间相互作用的产物，具有一定的厚度[4]。 界面两侧的环境介质（本体相）表现出状态、结构及物理化学性质的不同，物质通过界面的传输相对于它原来所在介质中的传输将会加快或减慢，表现出明显的非线形特征。界面具有一定的空间特性,它本身就是一类非常重要的微环境，自然风化物、污染物和微小生物在界面中会表现出特殊的性质。因此界面不仅是物质跨介质迁移的通道，而且是物质或微小生物的高富集区。 国内外已有不少关于土-岩界面的结构和组成特征的研究。李景阳等对碳酸盐岩风化壳岩土界面的粘土层进行了系统研究并测出界面土层厚度约1 m[7]。Whitworth在野外实验中研究沙/页岩界面对溢出的非水相液体的迁移与俘获作用时，曾挖出厚10cm的界面[8，9]。对土-岩界面物质的传输研究目前也有一些报道，如花岗岩类风化壳中重金属元素的地球化学研究[10，11]。 2 土-岩界面重金属的生物地球化学过程 土壤溶液是土壤化学过程和溶质运移的场所，同时又是土-岩石界面物质交换最重要最活跃的部分。李韵珠等用化学动力学和运移动力学相结合的方法，研究了以土壤溶液为中心的土壤各相之间可能发生的各种化学过程[12]。 在自然状态下，土-岩界面中发生的不同化学过程，其速率差异很大[13，14]。土壤中各类反应过程中，反应速度最快的是离子络合过程和离子交换，达到平衡所需的时间尺度在微秒至分之间：其次为吸附过程，其跨度为微秒至月；再次为多价离子水解过程，时间尺度为分至天或年：较慢的是矿物与溶液间的溶解沉淀反应，时间尺度在天至年之间；需时最长的是矿物结晶过程，达到年至兆年计。 3 土-岩界面重金属交换的动力学模型 模拟重金属离子和土壤间的相互作用，建立相应的模型，对了解土壤污染的修复过程及评价因污染产生的风险极为重要。进一步研究重金属离子的模型要在两方面深入：一是用包含化学条件（pH，离子强度，配位化合物溶液）的方程描述吸附过程；二是用其解释环境土壤的异质性[15]。 表面络合模型（surface complexation models，SCMs）起源于金属离子和矿物表面间的平衡化学过程，在近20 a中得到不断发展。由于在表面反应和质量定律方程（mass law equation）的静电校正因子两问题存在分歧，人们对界面结构的定义也不尽相同，这样就导致了SCMs有较大差别[16，17]。忽略静电效应的SCMs已成功地用于碳酸盐矿物/水界面的反应[18]。简单的等温模型、不包含静电条件的SCMs、多点模型及连续分布模型都曾用于土壤、腐殖质等异质吸附剂对重金属的吸附。 冶金学上也相继提出了描述重金属从矿物中沥滤的动力学模型，如混合动力学模型[19，20]、反应区模型[21]、缩核模型[22]等。多孔矿物中多反应物沥滤的理论模型[23]将沥滤过程用两个模型表示：固体颗粒变化的微模型和系统变化的宏模型。Peter用一个总的数学模型模拟了整个沥滤系统中重金属的动力学过程 [24]。 4 影响土-岩界面重金属行为的因子 重金属在土-岩