鉛在石灰性褐土中的淋溶轉化研究

摘要：以石灰性褐土為供試土壤，采用室內模擬降雨淋溶土柱的方法，研究了相當于山西省太谷縣平均年降水量條件下，鉛在土壤垂直方向上遷移轉化規律。結果表明:不同肥力土壤中的鉛在0~20 cm土層中均有不同程度的遷移轉化，肥力不同的土壤遷移轉化的規律不同。淋溶后高肥力的土壤可促使其他形態的鉛向鐵錳氧化物結合態、殘渣態鉛轉化，降低了鉛的有效性。為探討鉛在土壤生態系統中的循環特征及污染土壤的改良和修復利用提供理論依據。

關鍵詞：鉛；石灰性褐土；淋溶；轉化

中圖分類號：O614.43+3文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2011.01.023

Leaching and Transformation of Lead in Calcareous Cinnamon soil

CHENG Hong-yan， XIE Ying-he， WANG Fei

(College of Resource and Environmental Science， Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi 030801， China)

Abstract：The characteristics of the leaching and transformation of Pb in vertical orientation was studied under the condition of the equivalent of the average annual precipitation in Taigu County. In the process， we used soil column leaching indoor simulation method and took calcareous cinnamon soil as the test soil. The results showed that in the 0~20 cm soil layer， the migration and transformation of Pb was varying in degrees. Because of different fertility lead to migration and transformation of the pattern was different. After leaching， high fertility of the soil may lead to encourage other forms transforming into oxide bound lead and residual lead， and thus decrease the effectiveness of lead elements. It provided the theory basises for discussing the lead cyclical characteristics in soil ecosystem and improvement of the contaminated soil.

Key words: lead; calcareous cinnamon soil; leaching; transformation

鉛是自然界中最常見的元素之一，是一種藍色或銀灰色的軟金屬。在自然界中很少發現純金屬鉛，多以硫化物形式存在，還有硫酸鹽、磷酸鹽、砷酸鹽及少數氧化物[1]。鉛在地殼中的平均豐度為12.5 mg·kg-1。此外，人類活動也可引起土壤中鉛含量升高。人類活動對鉛的區域性及全球性生物地球化學循環的影響比其他任何一種元素都明顯得多[2]。

石灰性褐土主要形成于較新沉積的黃土層上，所處地區較干燥，全剖面呈較強石灰性反應，Bt層粘化較弱，其剖面構型為A—B(t)k—Ck。石灰性褐土處于年降水量450～500 mm地區，氣候相對干燥。鉛在石灰性褐土中的淋溶情況隨降水量的不同和所使用的有機肥的種類的不同而有所差異，例如農田土壤，從鉛在土體的垂直分布來看，有自上而下含量逐步降低的趨勢，各土層的差異達顯著水平，這種土體分布的差異也顯示了農田土壤中的鉛主要是來自于外源鉛的特點。同時，上部與下部土壤中的鉛也存在顯著關系，說明下部土壤中的鉛大部分來自于上部土壤的淋溶。不同地區不同農戶的農田雖然在農田管理方式、用藥習慣及肥水管理方式等方面有很大差異，但土壤中鉛的含量在土體中的分布具有相同的規律。生物氣候條件直接影響著淋溶作用的強弱，在濕潤氣候地區淋溶作用較強，而在干旱、半干旱地區淋溶作用微弱甚至無淋溶作用。同時，地形對淋溶作用的強弱也有影響，在較高的地形部位淋溶作用較強，而在地形低洼處淋溶作用弱或無淋溶作用[4]。鉛各形態的含量主要受總鉛、總鐵、有機質、比表面、粘粒、粉粒、游離鐵氧化物、無定形鐵、鋁氧化物影響。 由于鉛在土壤中的難移動性和污染危害的長期性，人們對鉛作為污染重金屬開展了廣泛的研究，尤其在土壤鉛的形態區分與轉化、有機物質對土壤鉛吸附的影響以及土壤環境中鉛含量的標準和鉛污染土壤的改良方法等領域[4]。

筆者采用室內模擬方法，用五步連續萃取法研究了淋溶條件下鉛在石灰性褐土中的遷移轉化規律。為探討鉛在土壤生態系統中的循環特征及污染土壤的改良和修復利用提供理論依據。

1材料和方法

1.1供試材料

供試土壤：石灰性褐土，其中菜園土和農田土采集深度為0～20 cm，生土采集深度為1 m以下，土樣均來源于山西省太谷縣。其理化性狀如表1所示。

1.2試驗方法

試驗于2009年3月至8月在山西農業大學環境監測中心進行。共設置3個處理，每個處理設置3個重復。分別將過2 mm 篩的供試土壤裝入內徑4.5 cm 的硬質PVC 管中，并壓實為高20 cm（管高25 cm）的勻質土柱，每柱土質量約400 g。柱下端放一濾紙并用尼龍網布扎緊，用一大漏斗承接淋洗液于500 mL容量瓶中，加水飽和土壤，使土柱中土壤含水量至田間持水量的70%，并平衡48 h，然后從管上端加入462.9 mm（以太谷縣年平均降水量的60%進入土壤，40%通過徑流循環計算）淋洗水，以模擬1年降水量對土壤的淋溶，共分4次加入，每次加水110 mL。待土壤落干后分土層0～5，5～10，10～20 cm取樣，之后分層測定各種形態鉛的含量。

1.3測定項目及方法

全鉛: HCl-HNO3-HF-HClO4消煮，電感耦合等離子發射光譜法；pH:電位法；有效氮:堿解擴散法；有效磷: NaHCO3浸提，鉬藍比色法；速效鉀: NH4OAC浸提，火焰光度法；有機質:重鉻酸鉀容量法-外加熱法[5]。

土壤鉛形態分析:采用Tessier重金屬形態分析（五步連續萃取法）提取五種形態的鉛[6]。(1)S1可交換態鉛；(2)S2碳酸鹽結合態鉛；(3)S3鐵錳氧化物結合態鉛；(4)S4有機結合態鉛；(5)S5殘渣態鉛。用電感耦合等離子發射光譜法測定。

2結果分析

土壤水分是土粒養分移動的基質，增加土壤水分，可提高養分的移動性。土壤且有對養分的吸附和固定作用，土壤組分的化學形態和性質是決定土壤養分遷移的內因[7]。筆者將土壤鉛形態分為可交換態(含水溶態)、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態和殘渣態。一般而言，可交換態鉛、有機結合態鉛和碳酸鹽結合態鉛對作物營養影響或毒害較大，而鐵錳氧化物結合態鉛和殘渣態鉛的影響較小。土壤中鉛的各種形態相互轉化，維持一個動態的平衡[8-10]。

在平均年降水量(分4次強降水)條件下淋溶結束后，所測定土壤中垂直方向上各形態鉛的分布和遷移狀況如下。

2.1可交換態鉛在不同肥力土壤中的淋溶轉化狀況

圖1為可交換態鉛在3種土壤中不同深度淋溶狀況。從圖中可以看出，淋溶后菜園土中可交換態鉛含量逐漸增加，但增加的幅度不大。在農田土壤中，5～10 cm可交換態鉛含量增加；在10～20 cm處降低到了0.303 mg·kg-1，降低了33.1個百分點。在生土中可交換態鉛含量隨著深度的增加逐漸減小，在10～20 cm處為0.382 mg·kg-1。表明降雨后在農田土和生土中可交換態鉛含量減少。由此可見，在水分淋洗條件下可促使可交換態鉛向其他形態的鉛轉化。

2.2碳酸鹽結合態鉛在不同土壤中的淋溶轉化狀況

圖2為碳酸鹽結合態鉛在不同土壤中的淋溶轉化狀況。從圖中可以看出，農田土和生土淋溶前碳酸鹽結合態鉛的含量基本相同，而菜園土中碳酸鹽結合態鉛的含量略低。淋溶后在0～5 cm處，3種土壤中碳酸鹽結合態鉛的含量均降低，并且菜園土降低的幅度最大。碳酸鹽結合態鉛對土壤酸堿度變化敏感，較易重新釋放進入土壤液相，潛在危害性大。降雨可使表層土壤中碳酸鹽結合態鉛向其他形態的鉛轉化。

2.3鐵錳氧化物結合態鉛在不同土壤中的淋溶轉化狀況

圖3為不同土壤鐵錳氧化物結合態鉛含量比較。從圖中可以看出，淋溶后在菜園土和農田土壤中鐵錳氧化物結合態的鉛在各土層均有所增加，在0～5 cm土層中，菜園土增加了49.4%，農田土增加了10.3%，而在生土中，鐵錳氧化結合態鉛含量的增減隨土層深度變化無明顯的規律性。表明降雨可使高肥力土壤中其他形態的鉛向鐵錳氧化物結合態鉛轉化。以鐵、錳氧化物結合態存在的鉛雖然含量較高，但它們均以較強的結合力吸附在土壤中的鐵錳氧化物上形成配位化合物，或同晶置換鐵錳氧化物中的Mg2+和Fe2+而存在于它們的晶格中，不容易被植物直接吸收，只有當土壤酸堿度和氧化還原電位變低時，這類鉛才逐漸釋放出來。

2.4有機結合態鉛在不同土壤中的淋溶轉化狀況

有機態鉛主要是以配合或螯合形式存在于土壤中，相對穩定，但螯合物受氧化還原電位變化的影響較大，如果環境條件改變，有機物也有可能被氧化釋放出鉛。圖4表示在不同土壤中，淋溶后有機結合態鉛在不同土層中含量的變化。可以看出，淋溶前有機質含量越高的土壤有機結合態的鉛含量越高。淋溶后在菜園土壤中，有機結合態鉛的含量逐漸減少，從淋溶前8.319 mg·kg-1減低到了2.382 mg·kg-1，含量降低了71.4個百分點。在農田土壤中，0～5 cm有機結合態鉛含量減少；在5～20 cm有機結合態鉛含量增加。在生土中，有機結合態鉛含量0～10 cm增加；在5～10 cm含量達到6.259 mg·kg-1；在10～20 cm有機結合態鉛含量降低。表明淋溶后在菜園土中，有機結合態鉛的含量呈一定規律減少，降水可促使高肥力土壤中有機結合態鉛向其他形態的鉛轉化。

2.5殘渣態鉛在不同土壤中的淋溶轉化狀況

殘渣態的鉛存在于固體顆粒礦物晶格中，它是非常穩定的，一般情況下不會遷移轉化，所以對生物是無效的，這種形態的重金屬所占比例越高，對農作物的危害性越小。圖5為3種不同土壤中殘渣態鉛的含量比較。由圖可以看出，殘渣態鉛含量都很高，土壤中鉛主要以殘渣態存在。由于3種土壤有機質含量和土壤肥力均不相同，所以在淋溶條件下，土壤中鉛的遷移轉化規律不同。在年降水量條件下菜園土中殘渣態鉛含量在不同土層均有增加，表明高肥力能促進土壤中其他形態的鉛向殘渣態轉化。

3小結

在山西省太谷縣年平均降水量（4次強降水）條件下，不同形態的鉛在土壤垂直方向上有不同程度的遷移轉化。

（1）鉛的大多數形態很難隨水分運動而發生遷移，一年的降水可促使部分可交換態鉛向其他形態的鉛轉化。

（2）在水分淋洗條件下，碳酸鹽結合態鉛在表層土壤中遷移量最大。降水可使表層土壤中碳酸鹽結合態鉛向其他形態的鉛轉化。

（3）在水分淋洗條件下，可促使高肥力土壤中其他形態的鉛向鐵錳氧化物結合態鉛轉化。

（4）在水分淋洗條件下，菜園土和農田土壤中鐵錳氧化物結合態鉛均有所增加，表明降雨可使高肥力土壤中其他形態的鉛向鐵錳氧化物結合態鉛轉化。

（5）土壤肥力高的土壤中有機結合態的鉛含量相對較高。淋溶后在菜園土壤中，有機結合態鉛的含量逐漸減少，表明降水可促使高肥力土壤中有機結合態鉛向其他形態的鉛轉化。

（6）土壤中殘渣態的鉛不易被作物所吸收，高肥力能促進土壤中其他形態的鉛向殘渣態鉛轉化。因此，我們可以通過控制土壤肥力來有效地減少重金屬鉛對農作物的影響。

參考文獻：

[1] 洪堅平.土壤污染與防治[M].北京：中國農業出版社，2005.

[2] 程紅艷. 臨汾市農業土壤中重金屬元素分析與評價[M].北京：中國農業科學技術出版社，2007.

[3] 王曉燕，田均良.用137Cs法研究黃土區耕墾歷史不同的坡面土壤侵蝕強度分異[J].水土保持通報， 2005，25(1):1-4.

[4] 陳世儉，胡靄堂.土壤鉛形態及有機物質的影響[J].長江流域資源與環境，1995，4(4):367-371.

[5] 鮑士旦.土壤農化分析[M].北京:中國農業出版社，2000.

[6] Tessier A， et al. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals[J].Analytical Chemistry，1979，51(7):844-851.

[7] 于素華，楊守祥，劉春生，等.水分淋洗下菜園土壤各形態鋅的遷移轉化特征[J].水土保持學報，2006，20(4):31-34.

[8] 石元值，康孟利，馬立鋒，等.茶園土壤中鉛形態的連續浸提測定方法研究[J].茶葉科學，2005，25（1）：23-29.

[9] 張輝，馬東升.南京地區土壤沉積物中重金屬形態研究[J].環境科學學報，1997，17(3):346-351.

[10] 劉云惠，魏顯有，王秀敏，等.土壤中鉛鎘的化學形態和有效態的提取與分離研究[J].河北農業大學學報，1998，21(4):44-47.