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稀土元素在土壤中的存在形式及其生態(tài)效應(yīng)

文檔作者：趙靜文檔來源：山西省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心直屬站		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年09月03日
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2013年第7期(總第94期)
缸；夏與節(jié)釷
ENERGY AND ENERGY CONSERVATl0N 2013年7月
環(huán)境i贊源
稀土元素在土壤中的存在形式及其生態(tài)效應(yīng)
趙靜
(山西省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心直屬站，山西太原030027)
摘要： 綜述了稀土元素的特點(diǎn)、土壤中稀土的來源、分布規(guī)律、存在形態(tài)及生態(tài)效應(yīng)，總結(jié)了土壤中稀土元素的研
究成果，展望了其未來的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：稀土元素；土壤；生態(tài)效應(yīng)
中圖分類號(hào)：X5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095—0802一(2013)07—0068—03
Existence Form and Ecological Efficiency of Lanthanon in the Soil Forms and Ecological Effects
ZHAO Jing
(Station Directly under Shanxi Environment Monitoring Center，Taiyuan 030027，Shanxi，China)
Abstract：Describes the characteristics，the sources in soil，the distribution rule and the ecological efficiency of lanthanon，sum--
marizes the research findings of lanthanon in soil and looks forward to its future development．
Key words：lanthanon；soil；ecological effect
0引言
自上世紀(jì)改革開放以來，中國(guó)稀土工業(yè)迅速發(fā)
展，應(yīng)用前景日益廣泛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，以占世
界23％的稀土資源儲(chǔ)量承擔(dān)了世界90％以上的市場(chǎng)供
應(yīng)。但在快速發(fā)展的同時(shí)，由于生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)技術(shù)
的相對(duì)落后，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，造成大量的水
土流失和土壤污染，直接影響著植物及農(nóng)作物本身的
生長(zhǎng)發(fā)育，從而影響人體健康。因此，研究稀土元素
在土壤中的分布、存在形態(tài)及對(duì)植物與農(nóng)作物的生態(tài)
效應(yīng)顯得尤為重要，本文就上述內(nèi)容做一簡(jiǎn)單的綜合
性敘述。
1稀土元素的特點(diǎn)及其在土壤中的來源與分布
稀土元素(以下簡(jiǎn)稱稀土)是元素周期表中原子
序數(shù)51。7l的鑭系元素(鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、
銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥)以及與鑭系
化學(xué)性質(zhì)相似的釔和鈧，共17種化學(xué)元素，分為輕
稀土和重稀土，均為活潑金屬，對(duì)氫、碳、氮、氧、
硫、磷和鹵素具有極強(qiáng)的親和力，容易形成穩(wěn)定的配
合物。自然界中的稀土主要是輕稀土，約占整個(gè)稀土
收稿日期：2013—05—30
作者簡(jiǎn)介：趙靜，1980年生，女，山西太原人，2007年畢業(yè)于
山西大學(xué)無機(jī)化學(xué)專業(yè)，碩士，助理工程師。
·68·
產(chǎn)量的95％，多以礦石形式存在，主要有獨(dú)居石、鈰
硅石、鈰鋁石、黑稀金礦等，其天然豐度較小。眼
下，稀土因其大量的應(yīng)用正在潛移默化地影響著整個(gè)
生態(tài)系統(tǒng)，其中，土壤環(huán)境中稀土的分布及影響備受
關(guān)注。中國(guó)是稀土的儲(chǔ)量大國(guó)，因其地貌形態(tài)的多樣
化、復(fù)雜化，使得稀土成礦條件優(yōu)越，各類稀土礦雖
天然豐度較小，但成礦種類繁多。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：中國(guó)
土壤中稀土含量總體分布趨勢(shì)是南方成礦種類多，含
量高，一般在200 m班g以上，而北方則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于
200 mg／kg。縱觀20余種主要土壤類型中的稀土背
景，花崗巖類土壤中高達(dá)522．7 mg／kg，而鹽土中最
低，僅有85．0 ms@11。
土壤中稀土主要源于地殼巖石和成土母質(zhì)，因其
地形地貌、成巖條件及氣候條件的不同，花崗巖石類
和花崗閃長(zhǎng)巖類中稀土含量較多，中性巖和基性巖次
之，碳酸巖和超基性巖類則相對(duì)較少。稀土通常富集
在土壤表層，含量從輕稀土逐漸向重稀土方向有規(guī)律
的降低，并且隨著土壤層深度的增加而增加，而由成
土母質(zhì)控制的風(fēng)化層與下伏基巖相比都有一定程度的
富集嘲。
2稀土在土壤中的存在形態(tài)及絡(luò)合效應(yīng)
2．1稀土在土壤中的存在形態(tài)
土壤中稀土的存在形態(tài)受土壤pH值、粘度及氧
化還原電位的影響，形態(tài)各異，含量不均，是研究其
萬方數(shù)據(jù)
2013年第7期趙靜：稀土元素在土壤中的存在形式及其生態(tài)效應(yīng)2013年7月
對(duì)植物及農(nóng)作物影響的關(guān)鍵所在。土壤中稀土存在形
態(tài)的劃分取決于分離試劑的種類及分離方法，其中
Tessier方法被廣大研究人員采用。一般可以分為：可
交換態(tài)，主要靠擴(kuò)散作用和外層絡(luò)合作用吸附在土壤
表面，通過離子交換作用被植物吸收利用；鐵錳氧化
物結(jié)合態(tài)，因其鐵錳氧化物本身的特征，導(dǎo)致以該形
態(tài)存在的稀土不易被植物吸收利用，特別是在一定的
還原劑條件下，易被還原釋放出所結(jié)合的稀土；殘?jiān)?
態(tài)，常常存在于稀土礦石的晶格結(jié)構(gòu)中，穩(wěn)定性好，
不易被釋放，更不能被植物有效地吸收利用；有機(jī)物
與硫化物結(jié)合態(tài)，穩(wěn)定性高，只有在強(qiáng)氧化劑存在的
條件下才能釋放出所結(jié)合的稀土，被植物體利用。
近年來，外源稀土進(jìn)入土壤成為稀土研究人員的
又一工作熱點(diǎn)。在土壤中，只有極少量的稀土分布在
土壤溶液中，大部分的稀土被土壤表面所吸附，通過
水解、沉淀、絡(luò)合吸附和氧化還原等一系列反應(yīng)與土
壤中其它不同的組分結(jié)合形成不同的形態(tài)，并且不同
的土壤類型中外源稀土存在的形態(tài)不同。據(jù)報(bào)道，外
源稀土在磚紅壤、黃棕壤、黑土和黑鈣土中，主要以
無定形結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)存在【31，在酸度和無定形
氧化鐵錳含量均低的紅壤中，以交換態(tài)和氧化錳結(jié)合
態(tài)存在，同時(shí)，土壤環(huán)境條件的變化也會(huì)影響土壤稀
土形態(tài)的變化，研究發(fā)現(xiàn)：在同一pH值下，土壤中
以交換態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)存在的稀土，隨氧化還
原電位的降低，含量逐漸減／J、[4～，表明在電位降低
時(shí)，可溶性稀土主要來自于交換態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合
態(tài)，在同一氧化還原電位時(shí)，隨土壤pH值的降低，
各稀土存在形態(tài)含量逐漸減小。
2．2稀土在土壤中的絡(luò)合穩(wěn)定性
稀土的電子排布中具有未充滿的4f電子層結(jié)構(gòu)，
能夠產(chǎn)生多種電子能級(jí)，活潑性僅次于堿金屬和堿土
金屬元素，形成的離子其離子勢(shì)較小，極化能力較
弱，故絕大多數(shù)的稀土絡(luò)合物是離子型化合物，配體
的電負(fù)性越強(qiáng)，離子鍵越強(qiáng)，生成的絡(luò)合物越穩(wěn)定，
通過土壤對(duì)稀土的吸附與解吸，從而影響植物對(duì)稀土
的吸收和向地下水遷移的能力。許多學(xué)者研究了各種
配體對(duì)稀土吸附解吸的影響。中國(guó)顧志忙等研究人員
首次研究了黑土腐植酸對(duì)五種稀土離子(La3+，Ceh，
Gd“，Smn，Y卦)的吸附作用，結(jié)果表明，腐植酸對(duì)
稀土的吸附符合Freundlich方程，吸附容量依次為：
Smb LabCebGdbY“。在大于60℃時(shí)對(duì)腐植酸吸
附稀土有較大影響，吸附前后的紅外譜圖變化顯示，
腐植酸羧基與稀土元素發(fā)生了配合作用，改變了土壤
中稀土的存在形態(tài)，降低了土壤溶液中稀土元素的濃
度。此外，通過離子交換法測(cè)量了富里酸和稀土元素
作用的配合穩(wěn)定常數(shù)，發(fā)現(xiàn)富里酸對(duì)五種稀土元素最
大結(jié)合能力(MBA)分別為：Y3+(4．4l一4．44)，其它
稀土(0．72～1．03)。不難看出，富里酸與中稀土的結(jié)
合能力較強(qiáng)，在一定程度上，改變了溶液中的稀土元
素存在形態(tài)，減少了離子態(tài)稀土濃度。
3稀土對(duì)植物及農(nóng)作物的生態(tài)效應(yīng)
大量研究資料表明，植物及農(nóng)作物對(duì)稀土的吸收
取決于其種類及生長(zhǎng)環(huán)境，主要在根部進(jìn)行富集，因
其細(xì)胞與稀土特點(diǎn)，僅僅停留在細(xì)胞表面而不能深入
細(xì)胞內(nèi)部，大大阻礙了稀土向上的傳輸。適量的稀土
可以增加葉肉組織中葉綠體的數(shù)量，提高微管束的排
列密度，增加葉面積和光強(qiáng)度，提高葉綠素相對(duì)含
量，增強(qiáng)植物的光合作用，促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分特別是
N、P、K和其它微量元素的吸收的吸收、轉(zhuǎn)化和利
用。例如，富鑭稀土對(duì)小麥噴施或拌種，大大提高了
小麥對(duì)氮，磷肥的吸收，運(yùn)轉(zhuǎn)，利用，減少土壤中氮
的損失，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，結(jié)實(shí)穗數(shù)和籽粒數(shù)；花生噴
施稀土，對(duì)根瘤固氮活性和葉片硝酸還原酶活性有顯
著的促進(jìn)作用，提高葉片氨氮含量，降低了硝態(tài)氮含
量，優(yōu)化了植株的碳氮代謝，對(duì)改善品質(zhì)，提高產(chǎn)量
起到了積極的作用；橡膠樹中稀土元素，根部的吸收
能力強(qiáng)，含量最高，而果肉的吸收能力弱，含量低。
與此同時(shí)，適量的稀土能維持細(xì)胞膜的通透性和穩(wěn)定
性，提高細(xì)胞膜的保護(hù)功能，增強(qiáng)植物及農(nóng)作物對(duì)外
界不良環(huán)境的抵抗能力，使得植物內(nèi)源與外界激素的
有機(jī)結(jié)合，充分利用，促進(jìn)和抑制酶活性的作用，調(diào)
節(jié)生理代謝過程，有效地抑制病原體侵染，提高抗病
性。如，用300 mg／kg稀土溶液處理棉花種子，枯萎
病發(fā)病率可降低約19％一11％。
然而，大劑量的施用稀土?xí)?duì)植物及農(nóng)作物的生
長(zhǎng)產(chǎn)生明顯的抑制作用，甚至枯死。不同的稀土微量
元素對(duì)于不同部位的殺傷作用表癥不同，抑制作用機(jī)
理不同。黃麗玫等[61用VMT檢測(cè)14種稀土元素的致
突變性發(fā)現(xiàn)：重稀土較中稀土及輕稀土致突變性最
強(qiáng)，其閾值為1 mg／L一5 rng／L。在一定濃度下，稀
土抑制作用表現(xiàn)為根尖發(fā)黑甚至變硬，顯微鏡下纖維
組織增多，細(xì)胞變小，萎縮或變形，顯示了稀土的殺
傷毒性，嚴(yán)重阻礙了其生長(zhǎng)發(fā)育。
4總結(jié)與展望
自上世紀(jì)九十年代以來，稀土開發(fā)在造福人類的
同時(shí)，與之相伴的資源和環(huán)境問題不斷凸顯，在稀土
的開發(fā)利用中，研究稀土的環(huán)境行為顯得至關(guān)重要。
中國(guó)環(huán)境工作者對(duì)于稀土生態(tài)效應(yīng)的研究已取得重大
·69·
萬方數(shù)據(jù)
2013年第7期紅濠占芋釷2013年7月
成果，特別是土壤中的稀土及生態(tài)效應(yīng)，但由于中國(guó)
土壤生態(tài)環(huán)境的多樣性，以及實(shí)驗(yàn)條件的不同，對(duì)于
稀土是否是植物及農(nóng)作物生長(zhǎng)的必需元素，以及稀土
通過生態(tài)循環(huán)進(jìn)入人體后對(duì)人體的健康影響尚無明確
定論。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測(cè)分析手段
逐漸多元化、現(xiàn)代化，電感耦合等離子質(zhì)譜法、高效
液相色譜法等大量先進(jìn)的分析方法都已運(yùn)用于土壤中
稀土的分析，相信在未來的幾年里，稀土元素在土壤
中的轉(zhuǎn)化機(jī)制和各營(yíng)養(yǎng)元素之間的作用機(jī)理，以及對(duì)
環(huán)境和人體健康的影響等問題將取得突破性的研究
進(jìn)展。
參考文獻(xiàn)：
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44-48．
[2]丁維新．土壤中稀土元素研究的進(jìn)展[J]．稀有金屬，1995，19
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[3]冉勇，劉錚．外源性稀土在我國(guó)主要土壤中化學(xué)形態(tài)的
變化[J]．中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，1993，14(2)：31—35．
[4]曹心德，陳瑩，王曉蓉．環(huán)境條件變化對(duì)土壤中稀土元素
釋放的影響[J]．中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2000，20(6)：486—490．
[5] 曹心德，趙責(zé)文．土壤中可給態(tài)稀土元素的研究進(jìn)展[J]．稀
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[6]黃麗玫．稀土元素的致突變性研究[J]．中國(guó)環(huán)境科學(xué)，1996，
16(4)：262—265．
(責(zé)任編輯：劉倩倩)
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(上接67頁(yè))
40 mg／L時(shí)，隨著起始濃度的增加，吸附效率在降低，
保持在50％以上，Cr(Ⅵ)的初始濃度在0 mg／L～20
mg／L時(shí)，吸附效率達(dá)到80％以上，起始濃度為60
mg／L時(shí)，酵母菌對(duì)Cr(91)的吸附效率低于41．40％。實(shí)
驗(yàn)結(jié)果表明，啤酒酵母對(duì)Cr(VI)的吸附位點(diǎn)是有限的，
起始濃度在5 mg／L時(shí)吸附效率最高，達(dá)91．17％。
100
80
譽(yù)60
鑄喪
《40
20
0
0 20 40 60 80 100
Cr(VI)初始濃度／(mg·L-1)
圖6酵母菌對(duì)不同濃度Or(、／I)的吸附曲線
4結(jié)語(yǔ)
結(jié)合生物吸附的基本原理，分析了影響生物吸附
的主要條件，研究結(jié)果表明，使用聚乙烯醇一海藻酸
鈉包埋法固定化的小球最利于吸附，最佳pH為2．0，
最佳PVA：SA的配比為2：1，60 min為最佳吸附時(shí)
間，菌體使用量為40 mg／L時(shí)吸附效率最高。
參考文獻(xiàn)：
[1]劉恒，王建龍，文湘華．啤酒酵母吸附重金屬離子鉛的研
·70·
究[J]．環(huán)境科學(xué)研究，2002，15(2)：25—29．
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鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版)，2004，36(1)：86—91．
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研究，2005，2(22)：63—65．
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治理技術(shù)與設(shè)備，2003，4(11)：68—71．
≯業(yè)業(yè)誓鞋逝糇
_能源知識(shí)*
湊芥恭齊奪恭索
(責(zé)任編輯：高志鳳)
太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)概況及其應(yīng)用
太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)通過太陽(yáng)光直接照在太陽(yáng)能電池板
上產(chǎn)生電能，并對(duì)蓄電池充電，可為直流節(jié)能燈，收錄
機(jī)，電視機(jī)，DVD，衛(wèi)星電視接收機(jī)等產(chǎn)品供電，本品具
有過充、過放、短路、溫度補(bǔ)償、蓄電池反接等保護(hù)功
能，可輸出12 V直流電和220 V交流電。太陽(yáng)能發(fā)電
機(jī)由以下三部分組成：太陽(yáng)電池組件：充、放電控制器、
逆變器、測(cè)試儀表和計(jì)算機(jī)監(jiān)控等電力電子設(shè)備和蓄
電池或其它蓄能和輔助發(fā)電設(shè)備。
太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)可以為邊遠(yuǎn)無電地區(qū)、野外場(chǎng)所、野
外活動(dòng)、家居應(yīng)急、偏遠(yuǎn)地區(qū)、別墅、移動(dòng)通訊基站、衛(wèi)
星地面接受站、氣象臺(tái)站、森林防火站、邊防哨所、無電
島嶼、草原牧區(qū)等提供電力，可替代國(guó)家電網(wǎng)部分能
源，無污染，安全，新能源實(shí)現(xiàn)可持續(xù)使用25 a以上。
適用于草原、海島、沙漠、山區(qū)、林場(chǎng)、養(yǎng)殖場(chǎng)所、漁船等
斷電或缺電地區(qū)。

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