酸性矿山废水长期灌溉下稻田土壤中铜镉的淋溶行为与机制解析

针对酸性矿山废水(AMD)长期污染稻田土壤导致的重金属迁移机制不明问题，研究人员通过模拟AMD灌溉实验，结合表面络合模型(SCM)和Tessier五步提取法，揭示了Cu、Cd在pH-Eh动态变化中的吸附差异（Cu最大吸附量264.84 mg/kg，Cd为125.96 mg/kg）及形态分布规律（Cd以可交换态为主，Cu以铁锰结合态为主），为矿区土壤修复提供理论依据。

　　

在广东大宝山矿区，酸性矿山废水（AMD）长期灌溉导致周边稻田土壤饱受重金属污染之苦，甚至让当地得名"癌症村"。这种pH极低且富含硫酸盐和重金属的废水，不仅破坏土壤生态，更通过食物链威胁人体健康。尽管重金属在土壤中的吸附-解吸行为已有研究，但AMD持续输入条件下，铜（Cu）和镉（Cd）这两种典型毒害金属如何动态迁移、形态如何转化，仍是悬而未决的科学难题。尤其令人困惑的是，土壤氧化还原电位（Eh）的波动与重金属生物有效性的关系始终缺乏定量刻画。

来自中国某高校的研究团队在《Journal of Geochemical Exploration》发表的研究，通过180天的模拟AMD淋溶实验，首次揭示了Cu和Cd在酸性稻田土中的竞争吸附机制与时空分布规律。他们采用突破曲线模型结合原位Eh监测，发现土壤pH和Eh分别在84天和70天后趋于稳定；表面络合模型（SCM）证实pH 4.5-6.5时Cu吸附量显著高于Cd；Tessier分级提取则显示Cd主要存在于易迁移的可交换态（F1）和碳酸盐结合态（F2），而Cu更倾向于与铁锰氧化物（F3）和有机质（F4）结合。这项研究为预测重金属在AMD污染土壤中的长期归趋提供了关键参数。

关键技术包括：1）模拟AMD动态淋溶柱实验（采样深度0-20 cm）；2）原位Eh-pH同步监测系统；3）表面络合模型（SCM）定量拟合；4）Tessier五步连续提取法；5）电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）金属检测。

主要研究结果

1. 孔隙水动态变化
   AMD输入导致土壤Eh从300 mV骤降至-450 mV，其中5 cm土层波动最剧烈。Fe(III)还原反应消耗电子，促使SO₄
   ^2?
   转化为硫化物，进而影响重金属溶解度。

2. 吸附行为差异
   SCM模型显示土壤对Cu的最大吸附量（264.84 mg/kg）是Cd（125.96 mg/kg）的2.1倍。pH<6.5时，Cu-OH表面络合物占主导，而Cd更易以自由离子态存在。

3. 形态分布特征
   垂向剖面上，Cd的F1+F2占比达62%-75%，尤其在10-15 cm层富集；Cu的F3+F4占比超80%，表明其更易被土壤固定。相关分析指出Fe含量是控制Cu滞留的关键因子（r=0.87）。

结论与意义
该研究定量解析了AMD长期作用对土壤重金属活化的级联效应：酸性条件促进Cd解吸，而Eh降低通过Fe/S循环调控Cu形态。创新性发现包括：1）首次建立Eh阈值与金属形态转化的定量关系；2）证实土壤对Cu的截留能力显著强于Cd；3）揭示Fe(II)氧化-还原双路径对两种金属迁移的差异化调控。这些成果不仅为矿区土壤风险评估提供新指标，更指导了针对性修复策略的制定——针对Cd污染需优先调控pH，而Cu污染治理应侧重有机质改良。