土壤铅污染研究进展

程新伟

(中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061)

土壤铅污染研究进展

程新伟

(中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061)

随着工业化和城市化进程的加速,土壤铅污染问题日趋严峻。本文简要回顾了近几十年来公路两侧土壤铅污染、城市土壤铅污染以及污灌区土壤铅污染的现状调查,并介绍了土壤中铅的化学形态提取方法的发展过程。此外,还简要介绍了各种土壤对铅的吸附特性及影响吸附的因素。指出铅的各种化学形态在包气带垂向上的迁移转化机理研究将是今后铅的环境地球化学行为研究的一个主要方向。

土壤;铅;污染;化学形态;进展

0 引言

随着城市化和工业化进程的加速,重金属污染已成为全球关注的环境问题之一,尤其是土壤的重金属污染,因其隐蔽性,不可逆性和积累性的特点,对土壤圈生态系统以及人类健康构成巨大的潜在风险,如,土壤重金属通过植物吸收作用并经由食物链进入人体最终在人体内积累并严重危害人类健康。此外,土壤重金属会随雨水或污水灌溉迁移到地下水中,造成地下水重金属污染[1]。铅是土壤中常见的重金属污染元素之一,土壤中过量的铅元素对植物生长能产生不利影响,同时它还可以通过植物根系在植物体内积累,并通过食物链进入人体,危害人的身体健康。人体积累的铅过量会导致人体的神经系统、造血系统、消化系统以及生殖系统混乱,尤其对儿童的危害最大。因此,近些年土壤铅污染研究已经成为重金属环境污染问题研究的主要方向之一。目前,铅污染的土壤主要出现于公路两侧[2-3]、城市区[4-5]、菜地[6]以及污灌区[7]等地,因此,本文回顾了公路两侧、城市以及污灌区土壤的铅污染现状、土壤铅的化学形态提取方法发展过程以及土壤对铅的吸附特性,并提出了今后土壤铅污染的重点研究方向,为土壤和地下水资源的防治规划提供基础参考依据,该结果还将有利于农产品安全生产的科学规划。

1 公路两侧土壤铅污染

随着汽车行业的不断壮大,汽车尾气造成的公路两侧土壤的铅污染问题正在不断的得到重视。早在上世纪 80年代,Leonzio[8]、Warren[9]等人分别通过各自的研究指出公路两侧土壤中铅含量主要分布在距公路 0～50 m内,在距离公路 70～150m以外基本达到当地土壤的背景值水平。之后,中国的学者曹立新[10]、索有瑞[11]等也通过各自的研究得到相似的结果。当然,也有差异较大的研究成果,例如,Münch通过研究德国多特蒙德公路两侧的森林土壤中的铅含量发现在距离公路 10 m处铅含量已达到背景值水平[12],Ozkan等人通过研究发现公路两侧土壤中铅含量集中分布在距公路 15m的范围内,在距公路 30 m时公路土壤中铅含量趋于稳定,并接近背景值水平[13]。总体而言,公路两侧土壤铅含量的分布特征为随距公路垂直距离的外延呈指数形式下降,重度污染与中度污染的临界点和中度污染与轻度污染的临界点(距离)分别为距公路 10m和 65 m[14]。影响公路两侧土壤铅含量分布的因素除了土壤母质之外,还受交通流量、车辆类型、地形与路面状况、绿化带配置等交通状况以及当地风力、风速、降雨量、径流量等气象条件的影响[15-16]。

2 城市土壤铅污染

城市土壤铅污染具有来源多、差异性大以及对人体潜在危害大等特点。城市土壤铅的来源主要分为自然成因和人为输入两部分。自然成因就是指成土母质为城市土壤铅的重要来源之一。人为输入主要包括城市交通运输、生活垃圾堆放以及工业固废排放等人为活动引起的土壤铅污染。城市交通运输是城市土壤铅污染的另一个重要来源,汽车尾气排放、轮胎添加剂中的铅元素均可影响到土壤中铅的含量,且该元素的积累量与交通流量有关密切相关[17]。此外,城市生活垃圾与工业废弃物的堆放及填埋对其附近城市土壤中铅的含量与化学形态特征有着明显的影响,相关研究结果显示城市附近土壤中铅元素的含量与形态分布特征与垃圾中的铅含量及其有效态含量呈明显的正相关[18]。城市区内各区块由于其土地利用方式的不同造成其土壤铅含量分布也存在显著差异,一般情况下,城市交通道路两侧土壤的铅含量要明显高于城市内公园土壤的铅含量,工矿区土壤的铅含量明显高于其它功能区(居民区、商业区、风景区等)[19]。研究结果还表明城市区土壤的铅平均含量均明显高于城郊农区以及林地[20-21],Pouyat等人对纽约市 140 km长的”城区 -郊区 -农区“森林生态样带土壤中铅含量进行研究,结果显示城区土壤中的铅含量是农区土壤中铅含量的 2倍左右[22]。城市土壤中累积的铅对人体健康存在较大的潜在威胁,因为城市土壤中的铅可以通过土壤 -植物(蔬菜)-食物链进入人体,进而危害人体健康,是城市人群暴露土壤铅污染的主要途径之一。当然,另一个主要途径就是城市土壤中的铅通过扬尘进入大气,并最终通过人的呼吸作用而进入人体,从而直接影响到人体的健康。

3 污灌区土壤铅污染

随着工业化及城市化程度的不断提高,水资源日趋紧张,全国有近 80%的城市缺水,北方尤为严重,全国每年缺水总量达1 200亿 m3。水资源的匮乏,使污水成为灌溉用水的重要组成部分。目前,我国污水处理率低,灌溉水质严重超标。污水中的铅、汞、镉等重金属元素会在土壤中富集并具有难降解、毒性强等特点。这使土壤重金属污染的问题日益突出。研究资料表明污灌区是土壤铅污染的多发地之一。一般情况下,污灌区土壤铅含量随着污水中铅离子浓度的升高而增大,且污染程度随污灌时间的延长不断加重[23]。近期,胡文等人对北京市凉水河污灌区土壤铅含量做了研究,结果表明北京市凉水河污灌区土壤中铅含量在90.1-136.1mg/kg之间,其平均含量为 111.5mg/kg,是该地区土壤背景含量的4.53倍,表明长期的污水灌溉已经使凉水河污灌区土壤发生明显的铅累积[24]。吴光红等人对天津大沽排污河污灌区土壤中的铅含量做了研究,结果显示该污灌区土壤中铅的平均含量为 44.7mg/kg,其耕作层和底层土壤中铅的污染指数分别为2.0和1.6,表明该污灌区土壤铅含量呈中度污染,其耕作层和底层土壤中铅的相对富集系数均为 2.6,显示该污灌区土壤中铅呈低度富集[25]。黄冠星等人通过研究珠江三角洲典型污灌区土壤铅的分布状况结果显示表层土壤受铅污染的程度与表层土壤受污水灌溉强度密切相关,土壤表层各化学形态铅含量从大到小依次为残渣态＞氧化物结合态＞弱有机结合态 ＞碳酸盐结合态＞强有机结合态＞水溶态＞离子交换态,底层土壤受铅污染的程度与土壤的松散密实程度密切相关,包气带垂向上铅含量随深度增加逐渐减少[26]。

4 土壤铅的化学形态提取方法

始于二十世纪七八十年代的一些基于操作性定义的重金属化学形态提取技术所提供的分析结果与土壤中重金属的毒性和迁移性等之间存在着良好的相关性,极大地推进了土壤中的铅等重金属的环境地球化学行为研究。重金属化学形态的提取方法分单一形态的单独提取法和多种形态的连续提取法。在上世纪末,Quevauviller、Houba等人采用单独提取法分别用 1mol/L NH4NO3和 0.1mol/L CaCl2的溶液作为提取剂提取了土壤中的铅等重金属的迁移态[27-29]。连续提取法有若干种,其中,相对较权威的有 Tessier法和 BCR法,Tessier等人于 1979年提出了基于沉积物(土壤)中重金属形态分析的五步连续提取法,该方法将铅等重金属元素分成五种形态,即,可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态以及残余态,采用的提取剂分别为 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,许多学者直接采用 Tessier连续提取法或在Tessier法基础上改进提取剂研究不同地方的土壤中铅的形态特征[31-32],另外,三步连续提取法的 BCR法由欧共体参比司于 1987年提出,Ure等人于 1993年提出了四步提取的BCR法,即增加了残余态的提取[33],之后,G.Rauret等人于1999年对四步提取 BCR法再次提出了改进,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,并把酸度调节到 pH=1.5,该法被称为修正的BCR法[34],该修正后的BCR法被不少学者所采用[35]。

5 土壤对铅的吸附特性

铅作为一种重金属,较易被吸附在土壤(包气带)介质中,且关于铅在土壤中的吸附 -解吸行为和迁移规律研究也进行的较早。在上世纪 80年代末,杨崇洁就对铅进入土壤后的迁移规律及其吸附机理做了相关研究,认为铅在土壤中的化学吸附(或叫专性吸附)明显,主要表现为化学沉淀和沉积,其物理和物化吸附相对甚微,且二价铅进入土壤后,既有被还原为零价铅也有被氧化为四价铅[36]。之后,刘兆昌等人对铅在下包气带的迁移转化规律进行了研究,认为土壤对铅有极强的吸附能力,铅在土壤中的分配系数随土壤 pH值的升高而增大[37-38]。铅在土壤中的积累、迁移和转化受制于其在土壤体系中的生物、物理过程和氧化还原、沉淀溶解、吸附解吸、络合解离等化学过程,而其在土壤的固液界面上的行为却决定于土壤固相中有机、无机组分对铅离子的吸附-解吸特性[39-40]。目前,多数学者关注土壤有机质、土壤矿物组成、pH值、竞争离子以及温度等因素对土壤中铅的吸附-解吸行为的影响[41-42]。通常描述土壤铅吸附过程的数学方程有 Langmuir方程、Freundlich方程和 Temkin方程,而陈苏等人对不同浓度组合的铅在不同污染负荷土壤中的吸附 -解吸动力学行为作了研究表明 Elovich方程是描述沈阳污灌土壤不同浓度组合的铅的吸附动力学行为的最优方程[43]。近几年,部分学者对铅在土壤中的迁移能力方面做了相关研究,认为铅主要滞留在土壤的表层和亚表层,向下迁移的量较少,且迁移能力很弱[44-45]。阮心玲等人通过高密度采样的方式研究了土壤中重金属分布特征及迁移速率,估算出铅的迁移速率大约为 0.28 cm/a[46]。由于铅容易被土壤或包气带介质所吸附,所以一般情况下铅较难进入地下水,因此地下水中检出的铅含量往往很低[47-48],且地下水中的铅往往以胶状组分存在。

6 展望

随着城市化和工业化进程的加快,土壤铅污染问题日渐突出,尤其在城市区内、公路两侧、污灌区(菜地、农田等)等地的表层土壤铅富集明显。目前的研究主要集中于这些区域土壤中铅的来源、铅在土壤中赋存的化学形态以及影响铅在土壤中分布的因素等方面。此外,在迁移转化机理方面的研究也大多集中于铅总量在包气带垂向上的迁移状况、各种土壤对铅总量的吸附 -解吸机制以及影响各种影响吸附 -解吸机制的因素等方面,而关于铅的不同化学形态在包气带垂向上的迁移机理研究却少见报道,尤其是关于铅的各种化学形态在包气带垂向上的动态模拟运移机理研究更是鲜见报道,而该点恰恰是评价土壤铅污染状况对地下水的污染风险时所需的主要参考依据和资料。因为不同的化学形态具有不同的迁移特征,如,水溶态铅和离子交换态铅为易迁移态具有很强的迁移能力,而碳酸盐态、弱有机结合态以及铁锰氧化物结合态等可迁移态的迁移能力则相对弱一些,它们在一定的环境条件下可以迁移,此外,残渣态铅被视为难迁移态,在环境条件改变的情况下也基本上不会迁移。因此,研究铅的各种化学形态在包气带垂向上的迁移转化机理将是今后铅的环境地球化学行为研究的其中一个主要方向。

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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

程新伟(1981-),男,安徽黄山人,硕士,助理工程师,主要从事环境影响评价研究;