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稀土元素在土壤中的存在形式及其生态效应

文档作者：赵静文档来源：山西省环境监测中心直属站		点击数：	更新时间： 2024年09月03日
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2013年第7期(总第94期)
缸；夏与节钍
ENERGY AND ENERGY CONSERVATl0N 2013年7月
环境i赞源
稀土元素在土壤中的存在形式及其生态效应
赵静
(山西省环境监测中心直属站，山西太原030027)
摘要： 综述了稀土元素的特点、土壤中稀土的来源、分布规律、存在形态及生态效应，总结了土壤中稀土元素的研
究成果，展望了其未来的发展。
关键词：稀土元素；土壤；生态效应
中图分类号：X5 文献标识码：A 文章编号：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
自上世纪改革开放以来，中国稀土工业迅速发
展，应用前景日益广泛，产业规模不断扩大，以占世
界23％的稀土资源储量承担了世界90％以上的市场供
应。但在快速发展的同时，由于生产工艺和生产技术
的相对落后，生态环境遭到严重破坏，造成大量的水
土流失和土壤污染，直接影响着植物及农作物本身的
生长发育，从而影响人体健康。因此，研究稀土元素
在土壤中的分布、存在形态及对植物与农作物的生态
效应显得尤为重要，本文就上述内容做一简单的综合
性叙述。
1稀土元素的特点及其在土壤中的来源与分布
稀土元素(以下简称稀土)是元素周期表中原子
序数51。7l的镧系元素(镧、铈、镨、钕、钷、钐、
铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥)以及与镧系
化学性质相似的钇和钪，共17种化学元素，分为轻
稀土和重稀土，均为活泼金属，对氢、碳、氮、氧、
硫、磷和卤素具有极强的亲和力，容易形成稳定的配
合物。自然界中的稀土主要是轻稀土，约占整个稀土
收稿日期：2013—05—30
作者简介：赵静，1980年生，女，山西太原人，2007年毕业于
山西大学无机化学专业，硕士，助理工程师。
·68·
产量的95％，多以矿石形式存在，主要有独居石、铈
硅石、铈铝石、黑稀金矿等，其天然丰度较小。眼
下，稀土因其大量的应用正在潜移默化地影响着整个
生态系统，其中，土壤环境中稀土的分布及影响备受
关注。中国是稀土的储量大国，因其地貌形态的多样
化、复杂化，使得稀土成矿条件优越，各类稀土矿虽
天然丰度较小，但成矿种类繁多。经研究发现：中国
土壤中稀土含量总体分布趋势是南方成矿种类多，含
量高，一般在200 m班g以上，而北方则远远低于
200 mg／kg。纵观20余种主要土壤类型中的稀土背
景，花岗岩类土壤中高达522．7 mg／kg，而盐土中最
低，仅有85．0 ms@11。
土壤中稀土主要源于地壳岩石和成土母质，因其
地形地貌、成岩条件及气候条件的不同，花岗岩石类
和花岗闪长岩类中稀土含量较多，中性岩和基性岩次
之，碳酸岩和超基性岩类则相对较少。稀土通常富集
在土壤表层，含量从轻稀土逐渐向重稀土方向有规律
的降低，并且随着土壤层深度的增加而增加，而由成
土母质控制的风化层与下伏基岩相比都有一定程度的
富集嘲。
2稀土在土壤中的存在形态及络合效应
2．1稀土在土壤中的存在形态
土壤中稀土的存在形态受土壤pH值、粘度及氧
化还原电位的影响，形态各异，含量不均，是研究其
万方数据
2013年第7期赵静：稀土元素在土壤中的存在形式及其生态效应2013年7月
对植物及农作物影响的关键所在。土壤中稀土存在形
态的划分取决于分离试剂的种类及分离方法，其中
Tessier方法被广大研究人员采用。一般可以分为：可
交换态，主要靠扩散作用和外层络合作用吸附在土壤
表面，通过离子交换作用被植物吸收利用；铁锰氧化
物结合态，因其铁锰氧化物本身的特征，导致以该形
态存在的稀土不易被植物吸收利用，特别是在一定的
还原剂条件下，易被还原释放出所结合的稀土；残渣
态，常常存在于稀土矿石的晶格结构中，稳定性好，
不易被释放，更不能被植物有效地吸收利用；有机物
与硫化物结合态，稳定性高，只有在强氧化剂存在的
条件下才能释放出所结合的稀土，被植物体利用。
近年来，外源稀土进入土壤成为稀土研究人员的
又一工作热点。在土壤中，只有极少量的稀土分布在
土壤溶液中，大部分的稀土被土壤表面所吸附，通过
水解、沉淀、络合吸附和氧化还原等一系列反应与土
壤中其它不同的组分结合形成不同的形态，并且不同
的土壤类型中外源稀土存在的形态不同。据报道，外
源稀土在砖红壤、黄棕壤、黑土和黑钙土中，主要以
无定形结合态和有机结合态存在【31，在酸度和无定形
氧化铁锰含量均低的红壤中，以交换态和氧化锰结合
态存在，同时，土壤环境条件的变化也会影响土壤稀
土形态的变化，研究发现：在同一pH值下，土壤中
以交换态和铁锰氧化物结合态存在的稀土，随氧化还
原电位的降低，含量逐渐减／J、[4～，表明在电位降低
时，可溶性稀土主要来自于交换态和铁锰氧化物结合
态，在同一氧化还原电位时，随土壤pH值的降低，
各稀土存在形态含量逐渐减小。
2．2稀土在土壤中的络合稳定性
稀土的电子排布中具有未充满的4f电子层结构，
能够产生多种电子能级，活泼性仅次于碱金属和碱土
金属元素，形成的离子其离子势较小，极化能力较
弱，故绝大多数的稀土络合物是离子型化合物，配体
的电负性越强，离子键越强，生成的络合物越稳定，
通过土壤对稀土的吸附与解吸，从而影响植物对稀土
的吸收和向地下水迁移的能力。许多学者研究了各种
配体对稀土吸附解吸的影响。中国顾志忙等研究人员
首次研究了黑土腐植酸对五种稀土离子(La3+，Ceh，
Gd“，Smn，Y卦)的吸附作用，结果表明，腐植酸对
稀土的吸附符合Freundlich方程，吸附容量依次为：
Smb LabCebGdbY“。在大于60℃时对腐植酸吸
附稀土有较大影响，吸附前后的红外谱图变化显示，
腐植酸羧基与稀土元素发生了配合作用，改变了土壤
中稀土的存在形态，降低了土壤溶液中稀土元素的浓
度。此外，通过离子交换法测量了富里酸和稀土元素
作用的配合稳定常数，发现富里酸对五种稀土元素最
大结合能力(MBA)分别为：Y3+(4．4l一4．44)，其它
稀土(0．72～1．03)。不难看出，富里酸与中稀土的结
合能力较强，在一定程度上，改变了溶液中的稀土元
素存在形态，减少了离子态稀土浓度。
3稀土对植物及农作物的生态效应
大量研究资料表明，植物及农作物对稀土的吸收
取决于其种类及生长环境，主要在根部进行富集，因
其细胞与稀土特点，仅仅停留在细胞表面而不能深入
细胞内部，大大阻碍了稀土向上的传输。适量的稀土
可以增加叶肉组织中叶绿体的数量，提高微管束的排
列密度，增加叶面积和光强度，提高叶绿素相对含
量，增强植物的光合作用，促进植物对养分特别是
N、P、K和其它微量元素的吸收的吸收、转化和利
用。例如，富镧稀土对小麦喷施或拌种，大大提高了
小麦对氮，磷肥的吸收，运转，利用，减少土壤中氮
的损失，促进生长发育，结实穗数和籽粒数；花生喷
施稀土，对根瘤固氮活性和叶片硝酸还原酶活性有显
著的促进作用，提高叶片氨氮含量，降低了硝态氮含
量，优化了植株的碳氮代谢，对改善品质，提高产量
起到了积极的作用；橡胶树中稀土元素，根部的吸收
能力强，含量最高，而果肉的吸收能力弱，含量低。
与此同时，适量的稀土能维持细胞膜的通透性和稳定
性，提高细胞膜的保护功能，增强植物及农作物对外
界不良环境的抵抗能力，使得植物内源与外界激素的
有机结合，充分利用，促进和抑制酶活性的作用，调
节生理代谢过程，有效地抑制病原体侵染，提高抗病
性。如，用300 mg／kg稀土溶液处理棉花种子，枯萎
病发病率可降低约19％一11％。
然而，大剂量的施用稀土会对植物及农作物的生
长产生明显的抑制作用，甚至枯死。不同的稀土微量
元素对于不同部位的杀伤作用表症不同，抑制作用机
理不同。黄丽玫等[61用VMT检测14种稀土元素的致
突变性发现：重稀土较中稀土及轻稀土致突变性最
强，其阈值为1 mg／L一5 rng／L。在一定浓度下，稀
土抑制作用表现为根尖发黑甚至变硬，显微镜下纤维
组织增多，细胞变小，萎缩或变形，显示了稀土的杀
伤毒性，严重阻碍了其生长发育。
4总结与展望
自上世纪九十年代以来，稀土开发在造福人类的
同时，与之相伴的资源和环境问题不断凸显，在稀土
的开发利用中，研究稀土的环境行为显得至关重要。
中国环境工作者对于稀土生态效应的研究已取得重大
·69·
万方数据
2013年第7期红濠占芋钍2013年7月
成果，特别是土壤中的稀土及生态效应，但由于中国
土壤生态环境的多样性，以及实验条件的不同，对于
稀土是否是植物及农作物生长的必需元素，以及稀土
通过生态循环进入人体后对人体的健康影响尚无明确
定论。随着科学技术的飞速发展，环境监测分析手段
逐渐多元化、现代化，电感耦合等离子质谱法、高效
液相色谱法等大量先进的分析方法都已运用于土壤中
稀土的分析，相信在未来的几年里，稀土元素在土壤
中的转化机制和各营养元素之间的作用机理，以及对
环境和人体健康的影响等问题将取得突破性的研究
进展。
参考文献：
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[6]黄丽玫．稀土元素的致突变性研究[J]．中国环境科学，1996，
16(4)：262—265．
(责任编辑：刘倩倩)
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(上接67页)
40 mg／L时，随着起始浓度的增加，吸附效率在降低，
保持在50％以上，Cr(Ⅵ)的初始浓度在0 mg／L～20
mg／L时，吸附效率达到80％以上，起始浓度为60
mg／L时，酵母菌对Cr(91)的吸附效率低于41．40％。实
验结果表明，啤酒酵母对Cr(VI)的吸附位点是有限的，
起始浓度在5 mg／L时吸附效率最高，达91．17％。
100
80
誉60
铸丧
《40
20
0
0 20 40 60 80 100
Cr(VI)初始浓度／(mg·L-1)
图6酵母菌对不同浓度Or(、／I)的吸附曲线
4结语
结合生物吸附的基本原理，分析了影响生物吸附
的主要条件，研究结果表明，使用聚乙烯醇一海藻酸
钠包埋法固定化的小球最利于吸附，最佳pH为2．0，
最佳PVA：SA的配比为2：1，60 min为最佳吸附时
间，菌体使用量为40 mg／L时吸附效率最高。
参考文献：
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·70·
究[J]．环境科学研究，2002，15(2)：25—29．
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郑州大学学报(理学版)，2004，36(1)：86—91．
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治理技术与设备，2003，4(11)：68—71．
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_能源知识*
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(责任编辑：高志凤)
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