重金屬鉛污染土壤的淋溶特征研究

舒曉曉魏雨露

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710021；2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075； 3.自然資源部退化及未利用土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021；4.自然資源部土地工程技術(shù)創(chuàng)新中心，陜西 西安 710021；5.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710021)

引言

《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)耕地土壤的污染指數(shù)高達(dá)19.4%，其中Cr、Ni、Cu、Hg、Pb、As、多環(huán)芳烴等污染物占主要部分[1]。污染土壤中的重金屬除了可以在土壤-植物系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化，影響植物的生長(zhǎng)及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，也可通過地表徑流、淋溶等作用逐漸向水體(包括地表和地下水體)遷移，從而對(duì)水體水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生面源污染[2,3]。鉛(Pb)是最嚴(yán)重的重金屬污染元素之一，易造成人類生殖障礙[4]。過量的鉛會(huì)損傷腸胃健康、毒害腎臟，損害神經(jīng)，導(dǎo)致高血壓、鉛性貧血，影響人的智力發(fā)育，降低人體免疫力[5]。過去50a間排放到全球環(huán)境的Pb已達(dá)7.83×105t[6]。鉛污染已蔓延至生活的方方面面，因此進(jìn)行重金屬Pb污染防治至關(guān)重要。

針對(duì)重金屬Pb的遷移、轉(zhuǎn)化機(jī)理及規(guī)律已開展了大量研究[7,8]。鄭順安等[7]模擬降雨下重金屬淋溶試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)重金屬淋溶速率與淋溶量有關(guān)，2000mL內(nèi)是紫色土中重金屬快速釋放時(shí)期；2000mL后，淋溶液內(nèi)重金屬濃度很低，累計(jì)釋放量變化不大。上官宇先等[8]利用大型土柱自然淋溶研究土壤重金屬的遷移及形態(tài)轉(zhuǎn)化，結(jié)果表明，模擬試驗(yàn)后殘留在土柱中的重金屬主要分布在土壤表層(0～30cm)，而深層(>30cm)較少，且6種重金屬在4種土壤中的殘留率表現(xiàn)為砂土<潮土<黑土<紅壤。

但這些研究大多集中于重金屬修復(fù)，對(duì)于其在土壤深層的內(nèi)在運(yùn)移規(guī)律研究較少，且重金屬本身具有一定的隱蔽性、積累性和持久性，易破壞土壤結(jié)構(gòu)，隨水入滲至下層[9]。因此，本文通過監(jiān)測(cè)Pb在土壤深層中的運(yùn)移規(guī)律，探究淋溶對(duì)土體穩(wěn)定性的影響，為開展鉛污染修復(fù)提供有效的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 鉛污染土壤制備

本試驗(yàn)于室內(nèi)開展，供試土壤選擇當(dāng)?shù)攸S土。對(duì)土壤進(jìn)行重金屬鉛污染，將供試土壤裝在塑料盆中，控制含水量為田間持水量的60%，培養(yǎng)7d后，按《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618-2018)，將重金屬濃度擴(kuò)大5倍，在0～20cm的表層土壤中添加適量鉛的重金屬硫酸鹽，將其溶解后一起施入土中，使鉛的濃度達(dá)到600mg·kg-1，以此濃度作為鉛污染土壤的啟動(dòng)值，控制含水量為田間持水量的65%，每隔3d檢查1次，并用稱重差量法調(diào)節(jié)土壤水分，老化30d，獲得重金屬pb污染土壤。

1.2 淋溶試驗(yàn)

試驗(yàn)采用室內(nèi)土柱淋溶模擬試驗(yàn)。選擇容重1.0g·cm-3、1.4g·cm-3的2組容重水平，設(shè)置粒徑3組粒徑水平(<1mm粒徑含量>80%、1～2mm粒徑含量>80%、>2mm粒徑含量>80%)，共設(shè)置12個(gè)處理，每30cm柱體的填充粒徑不同，具體處理填充如表1。每個(gè)處理根據(jù)0～30cm、30～60cm、60～90cm分別記為土層1、2、3。每個(gè)處理重復(fù)3次，淋溶時(shí)采用間歇式淋溶方式，使土壤有一定的反應(yīng)時(shí)間。淋溶前，土柱分別用去離子水淋洗至土壤飽和。每次淋溶灌水量500mL，每3d淋溶1次，取各層淋出液進(jìn)行測(cè)定，淋溶結(jié)束后，分層取土，測(cè)定土柱中重金屬殘留量。

表1 不同處理土柱填充方案

1.3 樣品測(cè)定與數(shù)據(jù)處理

每周采集不同土層淋溶液測(cè)定其重金屬Pb2+含量，淋溶結(jié)束后采集土壤樣品，風(fēng)干研磨，過篩，按照土壤測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)消解方法進(jìn)行微波消解，過濾定容后經(jīng)等離子耦合發(fā)射光譜(ICP/MS)重金屬Pb2+含量測(cè)量。

數(shù)據(jù)采用ANOVA統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，Excel 2010繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同容重和粒徑下Pb2+淋溶特征

圖1 不同容重和粒徑下0～90cm土層的Pb2+淋溶特征

圖1中，0～30cm土層淋出液濃度范圍為0～3.7μg·L-1，30～60cm土層濃度為0～0.8μg·L-1，相比0～30cm土層濃度范圍大幅降低，60～90cm土層濃度范圍為0～0.7μg·L-1，與30～60cm土層差異不大，Pb2+淋溶主要集中于0～30cm表層，隨水遷移至深層較少。所有土層淋出液濃度均隨著時(shí)間先增加而后降低，0～60cm土層均于淋溶水量2000mL(7月24日)時(shí)出現(xiàn)Pb2+釋放峰值，而60～90cm土層由于土層較深，峰值延遲出現(xiàn)，且A4、A6處理分別于淋溶第5、6次后出現(xiàn)淋溶峰值，其它處理均于淋溶第4次出現(xiàn)峰值，可能與填充的粒徑不同有關(guān)。0～90cm土層，A處理在整個(gè)淋溶階段的釋放量均高于D處理，說明土壤容重較小有利于水溶態(tài)Pb2+淋溶浸出。0～30cm土層，D處理淋出趨勢(shì)為D2>D3>D1>D6>D4>D5，說明容重較大時(shí)，土壤粒徑復(fù)配較通體同一粒徑也增加了水溶態(tài)Pb2+淋溶浸出風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 不同容重和粒徑下各土層Pb2+殘留量變化特征

淋溶結(jié)束后，重金屬Pb2+主要?dú)埩粲?～30cm土層，30～90cm土層的殘留量較少，見圖2。A5處理相比D5處理Pb2+殘留總量增加了40.64mg·kg-1，其它相同粒徑設(shè)置下A處理(容重為1.0)土壤中Pb2+殘留量相對(duì)D處理(容重為1.4)增加了102.5～357.4mg·kg-1。同一容重水平下，土壤中Pb2+殘留量為A1>A2>A4>A6>A5>A3，D5>D6>D4>D2>D1=D3，容重較小時(shí)，增加0～30cm土層中小顆粒含量有利于增加水溶態(tài)Pb2+含量，容重越大時(shí)進(jìn)行不同土層粒徑復(fù)配增加了水溶態(tài)的重金屬Pb2+殘留量。由于添加的外源重金屬含量固定，因此增加容重，減少粒徑復(fù)配可減少重金屬Pb2+轉(zhuǎn)化為其它形態(tài)。

圖2 不同粒徑和容重下Pb2+殘留規(guī)律

3 結(jié)論

本試驗(yàn)中，2000mL是重金屬鉛淋溶量分界點(diǎn)。0～30cm土壤中，1.0比1.4的土壤容重有利于Pb釋放，且<1mm的土壤粒徑釋放Pb2+濃度更大。Pb2+在30～90cm土層的淋出液濃度范圍為0～0.8μg·L-1，較0～30cm土層濃度范圍大幅降低，Pb2+不易隨水發(fā)生向下淋溶。增加土壤容重有利于減少土壤Pb2+殘留量，有利于土壤水溶性Pb離子向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化。