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重金属的土水分配行为研究——根际土壤溶液采样器的应用

2026年04月12日 09:58:47 来源：上海科器仪器设备有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：13

重金属的土水分配行为研究——根际土壤溶液采样器的应用①

郝汉舟1，靳孟贵2，李瑞敏3，王支农3，刘成武1，陈志1，钟学斌1

（1 咸宁学院资源与环境科学学院，湖北咸宁 437100； 2 中国地质大学（武汉）环境学院，武汉 430074； 3 中国地质环境监测院，北京 100081）

摘要：采用根际土壤溶液采样器（Rhizon-SMS）原位采集河南平原耕地土壤溶液。用土壤溶液中重金属浓度对数作为因变量、土壤溶液理化性质作为自变量，进行多元线性逐步回归，结果表明：只有有机碳进入Cu的相关方程，pH进入Cd的相关方程。土壤溶液pH和土壤中的Zn都作为自变量进入Zn的相关方程。土壤溶液中的Cu与pH没有线性关系，而Cd和Zn与土壤溶液 pH有显著的线性关系（p＜0.01）。计算了土壤中Cu、Cd、Zn在土壤与土壤溶液中的分配系数Kd 。本研究中，3 种重金属的Kd 大小顺序为：Cu＞Zn＞Cd。根据Freeze 和Cherry模型，联合log(Kd -Cd)、log(Kd -Zn)与pH的线性关系，估计了Cd和Zn在土壤中的迁移速度。

关键词：根际土壤溶液采样器；分配系数；重金属；土壤；河南

中图分类号： S153.6；F595

土壤溶液不仅是土壤化学反应发生的场所，也是植物根系获取养分的源泉。重金属在土壤和土壤溶液之间的分配行为是评价重金属在耕地中环境效应的一个重要方面。研究原位土壤固-液相的相互作用，对评价重金属的移动性和有效性具有十分重要的意义。

根际土壤溶液采样器（Rhizon-SMS）是美国 EPA 规定的表征危险废物点的标准方法，并得到广泛应用。根际土壤溶液采样器采样系统通常由 3 部分组成：多孔材料制成的吸杯（suction cup）、采样瓶和抽气容器。

重金属吸附平衡通常用分配系数Kd 来表示。Kd

（L/kg）表示溶液中某种物质对固体基质的相对亲和附着能力[1]，为土壤中重金属含量Mtotal（mg/kg）及土壤水中重金属浓度Msolution （mg/L）之比，即：

液pH值可以解析方程变异的 50%，但把土壤有机C引入方程中时可以显著提高方程的决定系数（R2 = 0.61） [4]。研究证实pH [5-7]、土壤有机C [8]、CEC是决定土壤 Kd 的重要因素[9]。

Cd 属于生物非必需元素，对植物毒性很强。当其进人植物体后能引起一系列不利于植物生长的反应。 1988 年 FAO/WHO 专家委员会提出了 Cd 的暂定每周

可耐受摄入量（provisional tolerated weekly intake，

PTWI）为 7 μg/kg(体重)。Cu 和 Zn 是人体健康和植物不可缺少的微量营养素，但过量对生物则产生危害。河南省黄淮平原经济区是我国有名的农业生产基地，其土壤质量状况直接影响到农业的可持续发展以及人体健康。然而，对河南省黄淮平原经济区重金属

K = M total

（1）

在原位条件下固-液两相分配研究少见报道。本研究采

Msolution

已经有报道称土壤Cd的Kd 值与土壤的理化性质有一定关系。Anderson等[2]发现土壤pH是控制Cd的Kd *重要的因子。Christensen[3]用土壤理化参数如pH、土壤黏粒含量、腐殖质和阳离子交换总量（CEC）以及土壤中活性组分如活性氧化铁、活性Mn、活性Al，通过逐步回归方法发现平衡时土壤溶液中pH可以解释 72% 的方差变异。多元线性回归模型发现，土壤溶

用自制的根际土壤溶液采样器原位采取土壤溶液，旨

在：①探讨 Cu、Cd、Zn 在固-液两相的分配行为；② 通过重金属分配系数估计重金属的迁移速度。

1材料与方法

在研究区选择 24 个剖面，每个剖面的规格是长 2 m，宽 0.8 m，深 2.2 m 的梯形。在剖面的 20、40、60、 80、130、160、210 cm 深度处各采集土壤样品 1 kg。

①基金项目：国家自然科学基金项目（40772155）、咸宁学院重点项目（BK0704）和生物地质与环境地质重点实验室开放基金项目（BGEG0809）资助。

作者简介：郝汉舟（1970－），男，湖北英山人，博士，主要从事生态修复的教学与科研工作。E-mail: haohz110@163.com

在开挖的土壤剖面上采用负压式土壤溶液采样器采集土壤溶液。在剖面深度 20、40、60、80、130、 160 cm 处埋置陶瓷头。土壤溶液采集有以下步骤：

①清洗。第一次使用的新仪器，在安装前用稀酸洗干净并用蒸馏水浸泡陶瓷头 24 h 以上。②埋置。用直径略大于陶瓷头的土钻在预定的剖面深度处打

孔，打孔时略向下倾斜，将土钻中的土壤取出，过

筛去掉粗砂和石砾，加水搅和成泥浆倒回孔中，把陶瓷头放入孔，使泥浆没过陶瓷头，加土压实密封防止大气进入。③连接。把陶瓷头通气支管用金属杆堵塞，确保密闭。④润洗。按压真空泵抽气，使瓶内气压为 -0.7 个标准大气压。*初抽取的溶液并不取样，只用于润洗陶瓷头、导管和采样瓶。⑤ 采样。在负压达到要求时，经过润洗后即可进行采样。

土壤及土壤溶液中 Cu 和 Zn 用 IRIS Intrepid 全谱仪测定（检测方法依据 DZ/T0064-93），Cd 用 M6 石墨炉原子吸收分光光度计测定（检测方法依据 GB5750-85 ）。土壤溶液 pH 用美国哈希 HACH sensION4 便携式 pH 计测定。土壤有机 C 用用重铬酸钾氧化-外加热法测定。

2分析与讨论

2.1土壤溶液重金属浓度

不同深度土壤溶液中的重金属浓度见表 1，*大值和*小值相差 2 个数量级。其中，在 20 cm 深度上，

溶液中的 Cu 浓度范围为 0.001 ~ 0.404 mg/L，平均值为 0.018 mg/L；Cd 浓度范围为 0.01 ~ 0.08 μg/L，平均

值为 0.06 μg/L；Zn 浓度范围为 0.034 ~ 0.343 mg/L，平

均值为 0.095 mg/L。

表 1 不同深度土壤溶液中 Cu、Cd、Zn 浓度描述统计（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

0.004

0.002

平均值

0.06

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

130

160

在对溶液中重金属进行对数转换后作为因变量，用土壤溶液中理化性质作为自变量，进行多元线性回归。自变量进入方程选择逐步回归方法（stepwise），

是土壤溶液pH、土壤中重金属浓度（Mtotal ）、土壤有机碳（Corg ）的函数：

()()

有log(Corg )、pH、log(Zntotal) 进入方程。

log M solution

=a +

b ´ pH + c ´

log M total

从表 2 可知，对于土壤溶液中Cu来讲，只有土壤

+d ´

log (Corg )

（2）

溶液中有机C（Corg ）进入了方程，其他土壤理化性质没有作为自变量进入方程。对于土壤溶液中Cd来讲，只有土壤溶液pH进入了方程。对于土壤溶液中的Zn，土壤溶液pH和土壤中的Zn浓度都作为自变量进入方程。已有资料报道[10]，土壤溶液中的重金属（Msolution ）

该模型中a、b、c、d为常数。该模型前提假设是土壤

溶液中的离子和H+ 竞争土壤的吸附位。该模型对来自与田间和认为污染的土壤进行回归预测，对土壤溶液中的Cu、Cd、Zn，方程的决定系数分别为 0.611、0.884、 0.618[10]。

表 2 土壤溶液中重金属预测方程

Table 2 Prediction equations for heavy metal in soil solution

在本研究中，Cd、Zn的线性回归方程中，pH能解

释方差变异的 42.3% 和 64.5%。无论是土壤溶液中的有机C还是土壤黏粒含量，作为自变量进入方程后不能进一步提高决定系数R2的大小。对于Cd和Zn，pH是* 重要的预测土壤溶液中重金属的因子，土壤溶液中的土壤有机质没有相同的预测效果。从回归方程可以看出，土壤溶液中的Cu和Cd、Zn不一样，土壤溶液中的有机质能够解释方程变异的 32.2%，土壤溶液pH

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