程新偉

(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,河北 石家莊 050061)

土壤鉛污染研究進(jìn)展

程新偉

(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,河北 石家莊 050061)

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速,土壤鉛污染問題日趨嚴(yán)峻。本文簡要回顧了近幾十年來公路兩側(cè)土壤鉛污染、城市土壤鉛污染以及污灌區(qū)土壤鉛污染的現(xiàn)狀調(diào)查,并介紹了土壤中鉛的化學(xué)形態(tài)提取方法的發(fā)展過程。此外,還簡要介紹了各種土壤對鉛的吸附特性及影響吸附的因素。指出鉛的各種化學(xué)形態(tài)在包氣帶垂向上的遷移轉(zhuǎn)化機理研究將是今后鉛的環(huán)境地球化學(xué)行為研究的一個主要方向。

土壤;鉛;污染;化學(xué)形態(tài);進(jìn)展

0 引言

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加速,重金屬污染已成為全球關(guān)注的環(huán)境問題之一,尤其是土壤的重金屬污染,因其隱蔽性,不可逆性和積累性的特點,對土壤圈生態(tài)系統(tǒng)以及人類健康構(gòu)成巨大的潛在風(fēng)險,如,土壤重金屬通過植物吸收作用并經(jīng)由食物鏈進(jìn)入人體最終在人體內(nèi)積累并嚴(yán)重危害人類健康。此外,土壤重金屬會隨雨水或污水灌溉遷移到地下水中,造成地下水重金屬污染[1]。鉛是土壤中常見的重金屬污染元素之一,土壤中過量的鉛元素對植物生長能產(chǎn)生不利影響,同時它還可以通過植物根系在植物體內(nèi)積累,并通過食物鏈進(jìn)入人體,危害人的身體健康。人體積累的鉛過量會導(dǎo)致人體的神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)、消化系統(tǒng)以及生殖系統(tǒng)混亂,尤其對兒童的危害最大。因此,近些年土壤鉛污染研究已經(jīng)成為重金屬環(huán)境污染問題研究的主要方向之一。目前,鉛污染的土壤主要出現(xiàn)于公路兩側(cè)[2-3]、城市區(qū)[4-5]、菜地[6]以及污灌區(qū)[7]等地,因此,本文回顧了公路兩側(cè)、城市以及污灌區(qū)土壤的鉛污染現(xiàn)狀、土壤鉛的化學(xué)形態(tài)提取方法發(fā)展過程以及土壤對鉛的吸附特性,并提出了今后土壤鉛污染的重點研究方向,為土壤和地下水資源的防治規(guī)劃提供基礎(chǔ)參考依據(jù),該結(jié)果還將有利于農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的科學(xué)規(guī)劃。

1 公路兩側(cè)土壤鉛污染

隨著汽車行業(yè)的不斷壯大,汽車尾氣造成的公路兩側(cè)土壤的鉛污染問題正在不斷的得到重視。早在上世紀(jì) 80年代,Leonzio[8]、Warren[9]等人分別通過各自的研究指出公路兩側(cè)土壤中鉛含量主要分布在距公路 0～50 m內(nèi),在距離公路 70～150m以外基本達(dá)到當(dāng)?shù)赝寥赖谋尘爸邓?。之?中國的學(xué)者曹立新[10]、索有瑞[11]等也通過各自的研究得到相似的結(jié)果。當(dāng)然,也有差異較大的研究成果,例如,Münch通過研究德國多特蒙德公路兩側(cè)的森林土壤中的鉛含量發(fā)現(xiàn)在距離公路 10 m處鉛含量已達(dá)到背景值水平[12],Ozkan等人通過研究發(fā)現(xiàn)公路兩側(cè)土壤中鉛含量集中分布在距公路 15m的范圍內(nèi),在距公路 30 m時公路土壤中鉛含量趨于穩(wěn)定,并接近背景值水平[13]?？傮w而言,公路兩側(cè)土壤鉛含量的分布特征為隨距公路垂直距離的外延呈指數(shù)形式下降,重度污染與中度污染的臨界點和中度污染與輕度污染的臨界點(距離)分別為距公路 10m和 65 m[14]。影響公路兩側(cè)土壤鉛含量分布的因素除了土壤母質(zhì)之外,還受交通流量、車輛類型、地形與路面狀況、綠化帶配置等交通狀況以及當(dāng)?shù)仫L(fēng)力、風(fēng)速、降雨量、徑流量等氣象條件的影響[15-16]。

2 城市土壤鉛污染

城市土壤鉛污染具有來源多、差異性大以及對人體潛在危害大等特點。城市土壤鉛的來源主要分為自然成因和人為輸入兩部分。自然成因就是指成土母質(zhì)為城市土壤鉛的重要來源之一。人為輸入主要包括城市交通運輸、生活垃圾堆放以及工業(yè)固廢排放等人為活動引起的土壤鉛污染。城市交通運輸是城市土壤鉛污染的另一個重要來源,汽車尾氣排放、輪胎添加劑中的鉛元素均可影響到土壤中鉛的含量,且該元素的積累量與交通流量有關(guān)密切相關(guān)[17]。此外,城市生活垃圾與工業(yè)廢棄物的堆放及填埋對其附近城市土壤中鉛的含量與化學(xué)形態(tài)特征有著明顯的影響,相關(guān)研究結(jié)果顯示城市附近土壤中鉛元素的含量與形態(tài)分布特征與垃圾中的鉛含量及其有效態(tài)含量呈明顯的正相關(guān)[18]。城市區(qū)內(nèi)各區(qū)塊由于其土地利用方式的不同造成其土壤鉛含量分布也存在顯著差異,一般情況下,城市交通道路兩側(cè)土壤的鉛含量要明顯高于城市內(nèi)公園土壤的鉛含量,工礦區(qū)土壤的鉛含量明顯高于其它功能區(qū)(居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、風(fēng)景區(qū)等)[19]。研究結(jié)果還表明城市區(qū)土壤的鉛平均含量均明顯高于城郊農(nóng)區(qū)以及林地[20-21],Pouyat等人對紐約市 140 km長的”城區(qū) -郊區(qū) -農(nóng)區(qū)“森林生態(tài)樣帶土壤中鉛含量進(jìn)行研究,結(jié)果顯示城區(qū)土壤中的鉛含量是農(nóng)區(qū)土壤中鉛含量的 2倍左右[22]。城市土壤中累積的鉛對人體健康存在較大的潛在威脅,因為城市土壤中的鉛可以通過土壤 -植物(蔬菜)-食物鏈進(jìn)入人體,進(jìn)而危害人體健康,是城市人群暴露土壤鉛污染的主要途徑之一。當(dāng)然,另一個主要途徑就是城市土壤中的鉛通過揚塵進(jìn)入大氣,并最終通過人的呼吸作用而進(jìn)入人體,從而直接影響到人體的健康。

3 污灌區(qū)土壤鉛污染

隨著工業(yè)化及城市化程度的不斷提高,水資源日趨緊張,全國有近 80%的城市缺水,北方尤為嚴(yán)重,全國每年缺水總量達(dá)1 200億 m3。水資源的匱乏,使污水成為灌溉用水的重要組成部分。目前,我國污水處理率低,灌溉水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)。污水中的鉛、汞、鎘等重金屬元素會在土壤中富集并具有難降解、毒性強等特點。這使土壤重金屬污染的問題日益突出。研究資料表明污灌區(qū)是土壤鉛污染的多發(fā)地之一。一般情況下,污灌區(qū)土壤鉛含量隨著污水中鉛離子濃度的升高而增大,且污染程度隨污灌時間的延長不斷加重[23]。近期,胡文等人對北京市涼水河污灌區(qū)土壤鉛含量做了研究,結(jié)果表明北京市涼水河污灌區(qū)土壤中鉛含量在90.1-136.1mg/kg之間,其平均含量為 111.5mg/kg,是該地區(qū)土壤背景含量的4.53倍,表明長期的污水灌溉已經(jīng)使涼水河污灌區(qū)土壤發(fā)生明顯的鉛累積[24]。吳光紅等人對天津大沽排污河污灌區(qū)土壤中的鉛含量做了研究,結(jié)果顯示該污灌區(qū)土壤中鉛的平均含量為 44.7mg/kg,其耕作層和底層土壤中鉛的污染指數(shù)分別為2.0和1.6,表明該污灌區(qū)土壤鉛含量呈中度污染,其耕作層和底層土壤中鉛的相對富集系數(shù)均為 2.6,顯示該污灌區(qū)土壤中鉛呈低度富集[25]。黃冠星等人通過研究珠江三角洲典型污灌區(qū)土壤鉛的分布狀況結(jié)果顯示表層土壤受鉛污染的程度與表層土壤受污水灌溉強度密切相關(guān),土壤表層各化學(xué)形態(tài)鉛含量從大到小依次為殘渣態(tài)＞氧化物結(jié)合態(tài)＞弱有機結(jié)合態(tài) ＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)＞強有機結(jié)合態(tài)＞水溶態(tài)＞離子交換態(tài),底層土壤受鉛污染的程度與土壤的松散密實程度密切相關(guān),包氣帶垂向上鉛含量隨深度增加逐漸減少[26]。

4 土壤鉛的化學(xué)形態(tài)提取方法

始于二十世紀(jì)七八十年代的一些基于操作性定義的重金屬化學(xué)形態(tài)提取技術(shù)所提供的分析結(jié)果與土壤中重金屬的毒性和遷移性等之間存在著良好的相關(guān)性,極大地推進(jìn)了土壤中的鉛等重金屬的環(huán)境地球化學(xué)行為研究。重金屬化學(xué)形態(tài)的提取方法分單一形態(tài)的單獨提取法和多種形態(tài)的連續(xù)提取法。在上世紀(jì)末,Quevauviller、Houba等人采用單獨提取法分別用 1mol/L NH4NO3和 0.1mol/L CaCl2的溶液作為提取劑提取了土壤中的鉛等重金屬的遷移態(tài)[27-29]。連續(xù)提取法有若干種,其中,相對較權(quán)威的有 Tessier法和 BCR法,Tessier等人于 1979年提出了基于沉積物(土壤)中重金屬形態(tài)分析的五步連續(xù)提取法,該方法將鉛等重金屬元素分成五種形態(tài),即,可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機物結(jié)合態(tài)以及殘余態(tài),采用的提取劑分別為 1 mol/L MgCl2、 1mol/L NaOAC/HOAC、 0.04 mol/L NH2OHHCl、0.02mol/L HNO3+5 m l H2O230%以及 40%HF/70%HClO4[30]。之后,許多學(xué)者直接采用 Tessier連續(xù)提取法或在Tessier法基礎(chǔ)上改進(jìn)提取劑研究不同地方的土壤中鉛的形態(tài)特征[31-32],另外,三步連續(xù)提取法的 BCR法由歐共體參比司于 1987年提出,Ure等人于 1993年提出了四步提取的BCR法,即增加了殘余態(tài)的提取[33],之后,G.Rauret等人于1999年對四步提取 BCR法再次提出了改進(jìn),在第二步提取中,以 0.5 mol/L的 NH2OH·HCl代替了 0.1 mol/L的NH2OH·HCl,并把酸度調(diào)節(jié)到 pH=1.5,該法被稱為修正的BCR法[34],該修正后的BCR法被不少學(xué)者所采用[35]。

5 土壤對鉛的吸附特性

鉛作為一種重金屬,較易被吸附在土壤(包氣帶)介質(zhì)中,且關(guān)于鉛在土壤中的吸附 -解吸行為和遷移規(guī)律研究也進(jìn)行的較早。在上世紀(jì) 80年代末,楊崇潔就對鉛進(jìn)入土壤后的遷移規(guī)律及其吸附機理做了相關(guān)研究,認(rèn)為鉛在土壤中的化學(xué)吸附(或叫專性吸附)明顯,主要表現(xiàn)為化學(xué)沉淀和沉積,其物理和物化吸附相對甚微,且二價鉛進(jìn)入土壤后,既有被還原為零價鉛也有被氧化為四價鉛[36]。之后,劉兆昌等人對鉛在下包氣帶的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行了研究,認(rèn)為土壤對鉛有極強的吸附能力,鉛在土壤中的分配系數(shù)隨土壤 pH值的升高而增大[37-38]。鉛在土壤中的積累、遷移和轉(zhuǎn)化受制于其在土壤體系中的生物、物理過程和氧化還原、沉淀溶解、吸附解吸、絡(luò)合解離等化學(xué)過程,而其在土壤的固液界面上的行為卻決定于土壤固相中有機、無機組分對鉛離子的吸附-解吸特性[39-40]。目前,多數(shù)學(xué)者關(guān)注土壤有機質(zhì)、土壤礦物組成、pH值、競爭離子以及溫度等因素對土壤中鉛的吸附-解吸行為的影響[41-42]。通常描述土壤鉛吸附過程的數(shù)學(xué)方程有 Langmuir方程、Freundlich方程和 Temkin方程,而陳蘇等人對不同濃度組合的鉛在不同污染負(fù)荷土壤中的吸附 -解吸動力學(xué)行為作了研究表明 Elovich方程是描述沈陽污灌土壤不同濃度組合的鉛的吸附動力學(xué)行為的最優(yōu)方程[43]。近幾年,部分學(xué)者對鉛在土壤中的遷移能力方面做了相關(guān)研究,認(rèn)為鉛主要滯留在土壤的表層和亞表層,向下遷移的量較少,且遷移能力很弱[44-45]。阮心玲等人通過高密度采樣的方式研究了土壤中重金屬分布特征及遷移速率,估算出鉛的遷移速率大約為 0.28 cm/a[46]。由于鉛容易被土壤或包氣帶介質(zhì)所吸附,所以一般情況下鉛較難進(jìn)入地下水,因此地下水中檢出的鉛含量往往很低[47-48],且地下水中的鉛往往以膠狀組分存在。

6 展望

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快,土壤鉛污染問題日漸突出,尤其在城市區(qū)內(nèi)、公路兩側(cè)、污灌區(qū)(菜地、農(nóng)田等)等地的表層土壤鉛富集明顯。目前的研究主要集中于這些區(qū)域土壤中鉛的來源、鉛在土壤中賦存的化學(xué)形態(tài)以及影響鉛在土壤中分布的因素等方面。此外,在遷移轉(zhuǎn)化機理方面的研究也大多集中于鉛總量在包氣帶垂向上的遷移狀況、各種土壤對鉛總量的吸附 -解吸機制以及影響各種影響吸附 -解吸機制的因素等方面,而關(guān)于鉛的不同化學(xué)形態(tài)在包氣帶垂向上的遷移機理研究卻少見報道,尤其是關(guān)于鉛的各種化學(xué)形態(tài)在包氣帶垂向上的動態(tài)模擬運移機理研究更是鮮見報道,而該點恰恰是評價土壤鉛污染狀況對地下水的污染風(fēng)險時所需的主要參考依據(jù)和資料。因為不同的化學(xué)形態(tài)具有不同的遷移特征,如,水溶態(tài)鉛和離子交換態(tài)鉛為易遷移態(tài)具有很強的遷移能力,而碳酸鹽態(tài)、弱有機結(jié)合態(tài)以及鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)等可遷移態(tài)的遷移能力則相對弱一些,它們在一定的環(huán)境條件下可以遷移,此外,殘渣態(tài)鉛被視為難遷移態(tài),在環(huán)境條件改變的情況下也基本上不會遷移。因此,研究鉛的各種化學(xué)形態(tài)在包氣帶垂向上的遷移轉(zhuǎn)化機理將是今后鉛的環(huán)境地球化學(xué)行為研究的其中一個主要方向。

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Research progress of lead pollution on soils

CHENG Xin-wei

(Institute of Hyd rogeology and Environmental Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Shijiazhuang 050061,China)

Absrtact:The po llution of lead on soils is increasingly seriouswith the rapid development of industrialization and urbanization.This paper reviewed the investigation of lead pollution on soils for both sides ofhighway,cities and sewage irrigation area in the lastdecades,and introduced the development process of chemical form extraction method for lead in soils.In addition,this paper also introduced the adsorp tion characteristics for lead on soils and the influenc ing factors,and pointing out the research on transformation and migration mechanism of lead chemical forms in unsaturated zone will be one of the main directions for the research of lead environmental geochemical behavior.

soil;lead;pollution;chemical form;progress

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B

1004-1184(2011)01-0065-04

2010-08-20

程新偉(1981-),男,安徽黃山人,碩士,助理工程師,主要從事環(huán)境影響評價研究;