土壤鉛污染研究進展

程新偉

(中國地質科學院水文地質環境地質研究所,河北 石家莊 050061)

土壤鉛污染研究進展

程新偉

(中國地質科學院水文地質環境地質研究所,河北 石家莊 050061)

隨著工業化和城市化進程的加速,土壤鉛污染問題日趨嚴峻。本文簡要回顧了近幾十年來公路兩側土壤鉛污染、城市土壤鉛污染以及污灌區土壤鉛污染的現狀調查,并介紹了土壤中鉛的化學形態提取方法的發展過程。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。指出鉛的各種化學形態在包氣帶垂向上的遷移轉化機理研究將是今后鉛的環境地球化學行為研究的一個主要方向。

土壤;鉛;污染;化學形態;進展

0 引言

隨著城市化和工業化進程的加速,重金屬污染已成為全球關注的環境問題之一,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,對土壤圈生態系統以及人類健康構成巨大的潛在風險,如,土壤重金屬通過植物吸收作用并經由食物鏈進入人體最終在人體內積累并嚴重危害人類健康。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生不利影響,同時它還可以通過植物根系在植物體內積累,并通過食物鏈進入人體,危害人的身體健康。人體積累的鉛過量會導致人體的神經系統、造血系統、消化系統以及生殖系統混亂,尤其對兒童的危害最大。因此,近些年土壤鉛污染研究已經成為重金屬環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于公路兩側[2-3]、城市區[4-5]、菜地[6]以及污灌區[7]等地,因此,本文回顧了公路兩側、城市以及污灌區土壤的鉛污染現狀、土壤鉛的化學形態提取方法發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劃提供基礎參考依據,該結果還將有利于農產品安全生產的科學規劃。

1 公路兩側土壤鉛污染

隨著汽車行業的不斷壯大,汽車尾氣造成的公路兩側土壤的鉛污染問題正在不斷的得到重視。早在上世紀 80年代,Leonzio[8]、Warren[9]等人分別通過各自的研究指出公路兩側土壤中鉛含量主要分布在距公路 0～50 m內,在距離公路 70～150m以外基本達到當地土壤的背景值水平。之后,中國的學者曹立新[10]、索有瑞[11]等也通過各自的研究得到相似的結果。當然,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的森林土壤中的鉛含量發現在距離公路 10 m處鉛含量已達到背景值水平[12],Ozkan等人通過研究發現公路兩側土壤中鉛含量集中分布在距公路 15m的范圍內,在距公路 30 m時公路土壤中鉛含量趨于穩定,并接近背景值水平[13]?？傮w而言,公路兩側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]。影響公路兩側土壤鉛含量分布的因素除了土壤母質之外,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地風力、風速、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密切相關[17]。此外,城市生活垃圾與工業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形態特征有著明顯的影響,相關研究結果顯示城市附近土壤中鉛元素的含量與形態分布特征與垃圾中的鉛含量及其有效態含量呈明顯的正相關[18]。城市區內各區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,城市交通道路兩側土壤的鉛含量要明顯高于城市內公園土壤的鉛含量,工礦區土壤的鉛含量明顯高于其它功能區(居民區、商業區、風景區等)[19]。研究結果還表明城市區土壤的鉛平均含量均明顯高于城郊農區以及林地[20-21],Pouyat等人對紐約市 140 km長的”城區 -郊區 -農區“森林生態樣帶土壤中鉛含量進行研究,結果顯示城區土壤中的鉛含量是農區土壤中鉛含量的 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)-食物鏈進入人體,進而危害人體健康,是城市人群暴露土壤鉛污染的主要途徑之一。當然,另一個主要途徑就是城市土壤中的鉛通過揚塵進入大氣,并最終通過人的呼吸作用而進入人體,從而直接影響到人體的健康。

3 污灌區土壤鉛污染

隨著工業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,北方尤為嚴重,全國每年缺水總量達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,灌溉水質嚴重超標。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是土壤鉛污染的多發地之一。一般情況下,污灌區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土壤鉛含量做了研究,結果表明北京市涼水河污灌區土壤中鉛含量在90.1-136.1mg/kg之間,其平均含量為 111.5mg/kg,是該地區土壤背景含量的4.53倍,表明長期的污水灌溉已經使涼水河污灌區土壤發生明顯的鉛累積[24]。吳光紅等人對天津大沽排污河污灌區土壤中的鉛含量做了研究,結果顯示該污灌區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分別為2.0和1.6,表明該污灌區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均為 2.6,顯示該污灌區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土壤鉛的分布狀況結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,土壤表層各化學形態鉛含量從大到小依次為殘渣態＞氧化物結合態＞弱有機結合態 ＞碳酸鹽結合態＞強有機結合態＞水溶態＞離子交換態,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,包氣帶垂向上鉛含量隨深度增加逐漸減少[26]。

4 土壤鉛的化學形態提取方法

始于二十世紀七八十年代的一些基于操作性定義的重金屬化學形態提取技術所提供的分析結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性,極大地推進了土壤中的鉛等重金屬的環境地球化學行為研究。重金屬化學形態的提取方法分單一形態的單獨提取法和多種形態的連續提取法。在上世紀末,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[27-29]。連續提取法有若干種,其中,相對較權威的有 Tessier法和 BCR法,Tessier等人于 1979年提出了基于沉積物(土壤)中重金屬形態分析的五步連續提取法,該方法將鉛等重金屬元素分成五種形態,即,可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機物結合態以及殘余態,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,許多學者直接采用 Tessier連續提取法或在Tessier法基礎上改進提取劑研究不同地方的土壤中鉛的形態特征[31-32],另外,三步連續提取法的 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,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,并把酸度調節到 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)介質中,且關于鉛在土壤中的吸附 -解吸行為和遷移規律研究也進行的較早。在上世紀 80年代末,楊崇潔就對鉛進入土壤后的遷移規律及其吸附機理做了相關研究,認為鉛在土壤中的化學吸附(或叫專性吸附)明顯,主要表現為化學沉淀和沉積,其物理和物化吸附相對甚微,且二價鉛進入土壤后,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化規律進行了研究,認為土壤對鉛有極強的吸附能力,鉛在土壤中的分配系數隨土壤 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、絡合解離等化學過程,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,多數學者關注土壤有機質、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學方程有 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荷土壤中的吸附 -解吸動力學行為作了研究表明 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行為的最優方程[43]。近幾年,部分學者對鉛在土壤中的遷移能力方面做了相關研究,認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所吸附,所以一般情況下鉛較難進入地下水,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

隨著城市化和工業化進程的加快,土壤鉛污染問題日漸突出,尤其在城市區內、公路兩側、污灌區(菜地、農田等)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域土壤中鉛的來源、鉛在土壤中賦存的化學形態以及影響鉛在土壤中分布的因素等方面。此外,在遷移轉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,而關于鉛的不同化學形態在包氣帶垂向上的遷移機理研究卻少見報道,尤其是關于鉛的各種化學形態在包氣帶垂向上的動態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險時所需的主要參考依據和資料。因為不同的化學形態具有不同的遷移特征,如,水溶態鉛和離子交換態鉛為易遷移態具有很強的遷移能力,而碳酸鹽態、弱有機結合態以及鐵錳氧化物結合態等可遷移態的遷移能力則相對弱一些,它們在一定的環境條件下可以遷移,此外,殘渣態鉛被視為難遷移態,在環境條件改變的情況下也基本上不會遷移。因此,研究鉛的各種化學形態在包氣帶垂向上的遷移轉化機理將是今后鉛的環境地球化學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

X 53

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,主要從事環境影響評價研究;