确定重金属污染源位置的模型
阐述了重金属污染物的来源和分布，系统总结了国内外土壤重金属污染治理的研究工作，提出了土壤重金属污染物防治的环境矿物学新方法。利用环境矿物材料控制土壤中重金属污染物的方法具有成本低、效果好、无二次污染、可回收有用金属等优点，展示了环境矿物学研究和应用的广阔前景。并提醒人们提高土壤质量意识，保护生态环境。
1)工业废物造成的重金属污染
近年来，由于一些矿产开发选矿冶炼技术落后，一些矿区没有环保设备，废水废气排放产生的大量废弃物未经处理直接排入环境，其中的重金属随自然沉降和雨水淋溶进入土壤，进入正常循环生态系统，造成重金属污染，严重危害人民生产生活。
2)过度使用化肥和农药
重金属元素是肥料中报道最多的污染物，肥料中品位较差的过磷酸钙和磷矿粉含有微量重金属元素As和Cd (WILLIAMS C H，1973)。含铅和有机汞的农药在发挥作用的同时，也为土壤重金属污染埋下祸根，导致土壤胶体结构变化和养分流失，对作物产量和品质产生极大的不利影响。目前饲料添加剂中往往含有高含量的铜和锌(夏，1996)，使得有机肥中铜和锌的含量明显增加，随肥料施入农田。
3)汽车尾气排放
公路、铁路周边重金属呈条状分布，主要是汽车尾气的排放和汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘的沉积造成的。污染元素主要是铅、铜、锌等元素(李波，2005)。这些物质随风飘落，进入土壤造成重金属污染。实验表明，道路两侧土壤重金属污染严重，随着距离道路越来越近，土壤的污染程度越来越轻。
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重金属是指密度在4.0以上的约60种元素或密度在5.0以上的45种元素。砷和硒是非金属，但它们的毒性和某些性质与重金属相似，所以砷和硒被列入重金属污染物的范围。环境污染中的重金属主要是指具有明显生物毒性的汞、镉、铅、铬和类金属砷，还包括锌、铜、钴、镍、锡、钒等有毒重金属。
随着全球经济的快速发展，含有重金属的污染物通过各种途径进入土壤，造成了严重的土壤污染。土壤重金属污染可影响作物产量和品质下降，通过食物链危害人类健康，还会导致空气和水环境质量进一步恶化。因此引起了世界各国的广泛关注。目前，世界各地的土壤都存在不同程度的重金属污染。汞、铜、铅、锰和镍的年均排放量分别约为65438+50万t、340万t、500万t、65438+50万t。北京、天津、Xi、沈阳、济南、长春、郑州等北方大城市的蔬菜基地和部分商品粮基地也存在重金属污染。。
南方相对清淡，如福州、宁波、上海、武汉、成都等地。土壤中的重金属污染会对生态系统造成严重破坏。根据我国土壤资源状况，截至2000年底，我国人均耕地仅为0.1 hm2，随着今后我国经济社会的发展，如生态退耕、农业结构调整和自然灾害等，土壤资源将进一步减少。因此，如何有效控制和治理土壤重金属污染，改善土壤质量，将成为生态环境保护中非常重要的内容。
重金属污染原理
重金属，尤其是汞、镉、铅、铬等。，具有明显的生物毒性。它们不能被水中的微生物降解，只能以各种形式转化、分散和富集(即迁移)。重金属污染特征如下:(1)除被悬浮物带走外，还会因吸附、沉淀而富集在排污口附近的底泥中，成为长期的二次污染源；(2)各种无机配体(氯离子、硫酸根离子、氢氧根离子等。)和有机配体(腐蚀性物质等。)在水中会与其形成络合物或螯合物，导致重金属的水溶性更大，并可能使已进入沉积物的重金属重新释放出来；(3)不同价态的重金属具有不同的活性和毒性。它的形态随pH值和氧化还原条件而变化。(4)就其对环境的危害而言，表现为其毒性(一般为1 ~ 10 mg/L，汞和镉为0.01 ~ 0.001mg/L)；在微生物的作用下，会转化为毒性更大的有机金属化合物(如海洋-甲基汞)；可以被生物富集，通过食物链进入人体，产生慢性途径。喜硫重金属元素(汞、镉、铅、锌、硒、铜、砷等。)与人体组织中某些酶的巯基(-SH)有特别强的亲和力，能抑制酶的活性。嗜铁元素(铁、镍)可在人体的肾、脾、肝中蓄积，抑制精氨酸酶的活性。六价铬可能是蛋白质和核酸的沉淀剂，可抑制细胞内谷胱甘肽还原酶，导致高铁血红蛋白，可能致癌。过量的钒和锰(亲石元素)会损害神经系统的功能。
基于土壤中重金属污染物的来源和分布以及目前土壤中重金属污染物的处理方法，提出了一种新的土壤重金属污染防治的环境矿物学方法。目的是保护环境，改善土壤环境质量。
1土壤中重金属污染物的来源与分布
土壤中重金属有多种来源。首先，母质本身含有重金属，不同母质和成土过程形成的土壤重金属含量差异很大。此外，人类工农业生产活动也对大气、水和土壤造成重金属污染。
1.1大气中的重金属沉积
大气中的重金属主要来自工业生产、汽车尾气排放和汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘。主要分布在工矿区周边和公路、铁路两侧。大气中的大多数重金属通过自然沉降[2]和雨水沉降进入土壤。如瑞典中部法伦市区的铅污染[3]主要来自市区内的铜矿工业厂、硫酸厂、涂料厂、采矿、化工等产生的大量废弃物。由于风的输送，这些铅的微粒从工业废料堆扩散到周围地区。南京某产铬重工业工厂[4]铬污染已超过当地背景值4.4倍。污染以车间烟囱为中心，范围为65438±0.5 km2，最大延伸下限为65438±0.38km..俄罗斯的一家硫酸生产厂也受到烟囱排放的硫、钒和砷的污染。公路、铁路两侧土壤重金属污染主要是Pb、Zn、Cd、Cr、Co、Cu。它们来自含铅汽油的燃烧，汽车轮胎磨损产生的含锌粉尘等等。呈带状分布，公路、铁路两侧重金属污染强度逐渐减弱；随着时间的推移，公路和铁路土壤中的重金属污染具有很强的叠加性。宁杭高速公路南京段两侧土壤中形成Pb、Cr、Co污染晕，沿公路延伸方向分布，从公路向两侧污染强度减弱。宁连一级公路槐荫段两侧土壤铅含量呈上升趋势，两侧逐渐下降，0~30 cm表层土壤铅含量较高。法国索洛涅省A71高速公路[8]沿线铅、锌、镉等重金属污染严重。沉降颗粒物浓度比当地土壤背景值高2-8倍，而公路旁重金属浓度比沉降颗粒物中高7-26倍。在斯洛文尼亚[9]，铅不仅分布在Guboga到Zagrebo的道路两侧，还受到阶地地貌和盛行风的影响。高铅出现在低地，道路下风侧的铅含量更高。通过自然沉降和雨水沉降进入土壤的重金属污染主要以工矿烟囱、废石堆和公路为中心，向四周和两侧扩散；从城市-郊区-农业区，随着离城市距离的增加而减少，特别是在城市郊区。此外，还与城市的人口密度、城市土地利用率、机动车密度呈正相关；重工业越发达，污染越严重。
此外，大气汞的干湿沉降也会引起土壤中汞含量的增加。大气汞通过干湿沉降进入土壤后，被土壤中的粘土矿物和有机质吸附或固定，在土壤表层富集，或被植物吸收转移到土壤中，导致土壤汞浓度升高。
1.2农药、化肥和塑料薄膜的使用
施用含铅、汞、镉、砷的农药和不合理施用化肥会导致土壤重金属污染。一般过磷酸钙含汞、镉、砷、锌、铅等重金属较多，磷肥次之，氮肥、钾肥含量较低，但氮肥中铅含量较高，其中砷、镉污染严重。通过对上海菜园地和粮棉地的研究，施肥后Cd含量从0.134 mg/kg增加到0.316 mg/kg，Hg含量从0.22 mg/kg增加到0.39 mg/kg，Cu和Zn增加了2/3。通过对新西兰50年前和现在同一个地方的58个土壤样品的分析，自从施用磷肥后，镉从0.39 mg/kg增加到0.85。
毫克/千克.在阿根廷，传统无机磷肥的施用导致土壤重金属如镉、铬、铜、锌、镍和铅的污染。
农用塑料薄膜生产中使用的热稳定剂含有Cd和Pb，在大量使用塑料大棚和塑料薄膜的过程中会造成土壤中的重金属污染。
1.3污水灌溉
污水灌溉一般是指利用经过处理的城市污水灌溉农田、森林和草原。城市污水包括生活污水、商业污水和工业废水。由于城市工业化的快速发展，大量工业废水涌入河流，使得城市污水中含有的许多重金属离子随着污水灌溉进入土壤。在分布上，靠近污染源和城市工业区的土壤污染往往比较严重，远离污染源和城市工业区的土壤几乎不受污染[17]。近年来，污水灌溉已成为农业灌溉用水的重要组成部分。20世纪60年代以来，我国污水灌溉面积迅速扩大，尤其是北方干旱地区，占全国污水灌溉总面积的90%以上。南方地区污灌区只占6%，其余在西北和青藏[18]。污水灌溉导致土壤重金属汞、镉、铬、砷、铜、锌、铅含量增加。淮阳污灌区自污水灌溉以来，重金属Hg、Cd、Cr、Pb、As逐渐升高，从1995到1997已超过警戒水平。太原污灌区重金属Pb、Cd、Cr含量远远超过其当地背景值，且积累量逐年增加。
1.4污泥施肥
污泥中含有大量的有机物和氮、磷、钾等营养物质，但也含有大量的重金属。随着大量城市污泥进入农田，农田中重金属含量不断增加。污泥施肥可以增加土壤中Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb的含量，污泥施用越多，污染越严重，Cd、Cu、Zn会造成水稻和蔬菜的污染。镉和汞会对小麦和玉米造成污染；随着污泥的增加，蔬菜中的Cd、Cu、Zn、Ni、Pb也增加】。Anthony的研究表明，当用城市污水和污泥改良土壤时，重金属如Hg、Cd和Pb的含量也明显增加。
1.5含重金属废物的累积
含有重金属的废物种类繁多，其危害方式和污染程度也各不相同。污染范围一般在弃堆周围扩散。通过对武汉垃圾场[23]、杭州某铬渣堆放区、城市生活垃圾场[25]和汽车堆放场[26]附近土壤重金属污染的研究，这些地区重金属Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、As、Sb、V、Co、Mn含量均高于当地土壤背景值，土壤中重金属含量较高。由于废物种类不同，重金属污染程度不同，如铬渣堆存区Cd、Hg、Pb为重度污染，Zn为中度污染，Cr、Cu为轻度污染。
1.6金属矿山酸性废水污染
金属矿山的采矿、冶炼、重金属尾矿、冶炼废渣、堆渣都可以用酸浸出。随矿井排水和降雨带入水环境(如河流)或直接进入土壤，可间接或直接造成土壤重金属污染。1989年，我国有色冶金行业向环境排放重金属汞56 t，镉88 t，砷173 t，铅226 t。矿山酸性废水中重金属污染的范围一般在矿山周围或河流下游。河流不同断面的重金属污染往往受污染源(矿山)控制，同一污染源的河流下游断面从上游到下游。由于金属元素迁移能力的减弱和水体自净能力的适度恢复，金属化学污染强度逐渐降低。由于江西乐安江谷口-中州德兴铜矿的污染，水体和土壤中重金属Cu、Pb、Zn、Cr含量增加，在鄱阳湖中逐渐降低。受采矿影响，重金属元素Cd、Zn、Pb、As在美国科罗拉多州洛拉多河谷的浓度在污染源中最高，随后随着离污染源的距离逐渐降低。来安河[30]的重金属污染来源于某大型铜矿，导致重金属浓度远超当地背景值。重金属污染随季节变化，旱季重金属含量明显高于雨季。河流流速缓慢可导致该段重金属含量增加。
同一地区土壤中重金属污染物的来源可以是单一的，也可以是多种途径的。胡永定指出，Cr、Cu、Zn、Pb是垃圾施用造成的，As是农业灌溉造成的，Cd是农业灌溉和垃圾施用造成的，Hg是以各种方式存在的。王文祥对山东省耕地重金属污染的研究表明，工业快速发展地区的铅高于农业环境，铅与公路的距离有关。乡镇企业技术装备落后，原料利用率低，造成周边土壤重金属污染严重。据贵州1986统计，全省乡镇排放汞14.7万kg，土壤中有的地方达到56.64 mg/kg，是未污染土壤的84.5倍。我们应该高度重视它。
一般来说，工业化程度越高，污染越严重，城区高于远郊和农村，地表高于地下。污染区域污染时间越长，重金属积累越多。大气中重金属污染的土壤具有很强的叠加性，成熟度越高，重金属含量越高。
2当前土壤中重金属污染物的处理方法
国外对土壤重金属污染物的研究始于上世纪六七十年代，如澳大利亚、美国、德国等国家，尤其是澳大利亚。在1983中，我国对土壤环境容量的主要类型进行了初步研究，如土壤重金属的生态效应、地带性分异规律和临界含量分区等。
目前，世界各国都非常重视重金属污染控制方法的研究，开展了广泛的研究工作。一般来说，有四种控制措施:
2.1项目管理方法
工程治理是指利用物理或物理化学原理对土壤重金属污染进行治理。主要是:外来土是在污染的土壤中加入未污染的新土；换土就是把污染的土去掉，换上没有污染的新土；翻土就是把污染的表层土翻至下层；表土清除是指清除污染的表土等。比如日本富士县神童川谷痛病的起源，就是因为长期食用含镉的大米引起的。通过研究，他们清除了15 cm的表土，并压实了底土。在连续淹水条件下，大米中镉含量小于0.4 mg/kg。去除表土后，间歇灌溉水稻镉含量不会超标，土壤超过20 cm效果更好。另外，淋洗法是用淋洗液淋洗污染土壤；热处理法是对污染土壤进行加热，使土壤中的挥发性污染物(Hg)挥发，并收集起来进行回收或处理。电解是在电解、电迁移、电渗和电泳的作用下，在阳极或阴极去除土壤中的重金属。
上述措施的优点是效果彻底、稳定，但缺点是实施复杂，处理成本高，容易降低土壤肥力。
2.2生物处理方法
生物处理是指利用生物的一些习性来适应、抑制和改善重金属污染。主要包括:动物防治是利用土壤中的一些低等动物，如蚯蚓、老鼠等，来吸收土壤中的重金属；微生物处理是利用土壤中的某些微生物对重金属的吸收、沉淀、氧化和还原作用来降低土壤中重金属的毒性。例如，柠檬酸杆菌产生的酶可以使U、Pb和Cd形成不溶性磷酸盐。原核生物(细菌、放线菌)比真核生物(真菌)对重金属更敏感，革兰氏阳性菌可以吸收Cd、Cu、Ni、Pb等。植物管理是利用某些植物可以耐受和过量积累某些重金属的特性，去除土壤中的重金属；重金属的植物吸收、淋溶和无效态的数量将只取决于其有效态的数量，土壤中重金属溶液浓度与其有效态的关系遵循Freundlich吸附方程[41]。超积累植物能够吸收和积累大量重金属，目前已发现400多种。超积累植物积累的Cr、Co、Ni、Cu、Pb含量一般在0.1%以上，积累的Mn、Zn含量一般在1%以上。印度芥菜可以吸收锌、镉、铜、铅等。，并能在250毫克/千克铜、500毫克/千克铅和500毫克/千克锌的条件下生长，在200毫克/千克镉时变黄[42]。印度芥菜对Cr6+、Cd、Ni、Zn和Cu的富集倍数分别为58、52、365、438+0、65、438+07和7倍。高冰草能吸收铜等。英国的山姜属植物可以吸收高浓度的铜、钴、锰、铅、硒、镉和锌。
生物防治措施的优点是实施简单，投资少，对环境的破坏小，缺点是防治效果不明显。
2.3化学处理方法
化学处理是向污染土壤中投放改良剂和抑制剂，增加土壤有机质、阳离子代换物和粘粒含量，改变pH、Eh、电导等理化性质，使土壤中的重金属发生氧化、还原、沉淀、吸附、抑制和拮抗作用，从而降低重金属的生物有效性。其中，沉淀法是指土壤溶液中的金属阳离子在介质发生变化时(pH值、OH-、SO42-等)形成金属沉淀。)减少土壤中重金属的污染；如果把钢渣放入土壤中，它在土壤中很容易被氧化成氧化铁，可以吸附沉淀镉、镍、锌的离子，从而固定金属。在沈阳张世污灌区进行的大规模石灰改良试验表明，种子中镉含量每公顷降低50% [1500~1875 kg]。有机质法是指有机质中的腐殖酸能络合重金属离子形成不溶性络合物，从而减少土壤中重金属的污染；吸附法是指重金属离子可以被膨润土、沸石和粘土矿物吸附固定，从而减少土壤中重金属的污染。
化学处理措施的优点是处理效果和费用适中，缺点是容易被再次活化。
2.4农业治理方法
农业管理就是因地制宜地改变一些耕作管理制度，以减少重金属和不进入食物链的植物对污染土壤的危害。主要包括:控制土壤水分是指通过控制土壤水分来调节其氧化还原电位(Eh)以达到减少重金属污染的目的；选择化肥是指选择能减少土壤中重金属污染，又不影响土壤供肥的化肥；增加有机肥的施用，就是有机肥可以固定土壤中的各种重金属，以减少土壤中重金属的污染；选择作物品种是指选择抗污染的植物，不在重金属污染的土壤上种植进入食物链的植物；如果在含镉100 mg/kg的土壤中改种苎麻，五年后土壤中镉含量平均下降27.6%。种植玉米、水稻、大豆、小麦等。因地制宜，水稻根系吸收的重金属含量占作物吸收总量的58%~99%，玉米茎叶吸收的重金属含量占作物吸收总量的20%~40%，玉米种子吸收最少。重金属在作物中的分布规律是根>茎叶>种子。土壤重金属污染也是导致生态系统破坏的重要因素。合理利用农业生态系统工程措施，还可以保持土壤肥力，改善和预防土壤重金属污染，提高土壤质量，与自然生态循环和系统协调工作。如果能在污染区的道路两侧种树、花、草或经济作物(如蓖麻)，种上草皮或观赏树，不仅能美化环境，还能净化土壤；蓖麻可以作为肥皂的原料。也可以进行农业改良，即在污染地区培育种子(水稻、玉米)，然后在非污染地区种植；或者种植非食用作物(高粱、玉米)，收获后的秸秆提取酒精，残渣压成纤维板，提取糠醛，或者残渣制沼气作为能源。
农业防治措施的优点是操作简单，成本低，缺点是周期长，效果不明显。
3.用天然矿物处理土壤中重金属污染物的新方法
除粘土矿物外，土壤中还有大量的天然铁、锰、铝的氧化物、氢氧化物、氧化硅、碳酸盐、有机硫化物等天然矿物。在国内外对土壤重金属污染物的防治研究中，人们一直强调土壤的自净能力，但土壤的自净能力离不开土壤中矿物物种对重金属的吸附和解吸、固定和释放，土壤中特定矿物的净化能力真实地反映了土壤本身的净化能力和容纳能力。土壤中有毒有害元素的含量并不是直接判断土壤环境质量乃至土壤生态效应的唯一标志。关键问题是揭示这些重金属与土壤中各种无机物之间的环境平衡关系。国内外为了寻求地下水和土壤有机污染的修复方法，直接研究土壤中各种粘土矿物的改性，即用有机表面活性剂替代天然粘土矿物中存在的大量可交换无机阳离子，形成有机粘土矿物，可以有效拦截或固定有机污染物，防止地下水的进一步污染，限制有机污染物在土壤环境中的迁移和扩散。但特别需要指出的是，在粘土矿物改性的过程中，固定的重金属也被置换，导致土壤系统中已建立的环境平衡被破坏，土壤环境中解吸释放的重金属污染物总量大大增加。到目前为止，土壤中的重金属污染物既来自土壤中的活性重金属，也来自粘土矿物改性时置换释放的重金属。以天然铁锰铝氧化物和氢氧化物为例，其中磁铁矿、赤铁矿、针铁矿、软锰矿、硬锰矿和铝土矿也正在成为国际上天然矿物污染净化方法研究的重点对象之一。我们认为天然铁锰铝氧化物和氢氧化物的表面具有明显的化学吸附特征，锰氧化物和氢氧化物也具有较为完善的孔隙特征。特别是铁和锰是自然界中稀有但常见的变价元素，其氧化物和氢氧化物往往表现出一定的氧化还原作用。因此，天然铁锰铝氧化物和氢氧化物具有净化重金属污染物的潜在功能，可以成为吸附土壤环境中固定重金属污染物的有效物质。
综上所述，国内外在土壤重金属污染现状及治理方面取得了一定的成果，但也存在一些理论和技术问题，如对土壤中重金属吸附与解吸、固定与释放平衡的研究，对土壤中重金属形态特征、转化与迁移规律的系统研究，以及对土壤中次生污染物的及时治理等。
土壤重金属污染应从源头抓起，控制污染源。土壤重金属污染已经到了相当严重的程度，要充分认识其长期性、隐蔽性、不可逆性和无法完全分解或消失的特点。土壤质量是经济可持续发展和社会全面进步的战略性问题，直接影响土壤质量、水质、作物生长、农业产量、农产品质量等，并通过食物链对人类健康造成危害。工业生产中排放的污染物尚未得到完全控制，特别是在农业生产中盲目使用化肥和农药的今天，河流、湖泊、海洋、地下水和土地中无机和有机污染物的总积累量与日俱增，使得土地环境质量极其脆弱。一旦土壤对这些污染物尤其是重金属的吸收能力达到饱和，这些污染物对耕地生产能力的潜在破坏性损害可能迫在眉睫，有人形象地称之为农业生产中的“定时炸弹”。从这个意义上说，土地管理和保护不仅是对耕地总量的监管，也是对耕地质量的保护和提高。保护土壤质量就是保护耕地生产力，也是提高土地利用效率的有力措施之一。对于中国这样一个人口众多的农业大国来说，开展土地质量调查与评价，开展土壤重金属污染物的实验研究，开发控制耕地污染的方法和技术更加必要和迫切。