外源Pb在三種典型土壤中老化過程差異性研究

孫 碩，李菊梅*，馬義兵，趙會薇

（1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2.國家半干旱農業工程技術研究中心，石家莊 050051）

Pb是一種危害人體健康的重金屬元素，土壤Pb污染常出現在污灌區和公路兩側[1-2]。近年來，人們對食品、環境安全的關注愈加密切，土壤Pb有效性高低直接關系到農產品安全，降低土壤中Pb有效性及其危害成為一個亟待解決的問題。研究表明，田間重金屬污染土壤與實驗室外源添加土壤中Pb的有效性或毒害存在較大的差異，相同條件下，新添加土壤中有效態Pb提取率高于田間污染土壤，其中重金屬的老化過程起著關鍵性作用[3-6]，然而長期以來，人們一直都認為土壤中添加重金屬后會很快達到平衡，而忽視了老化過程，以至于現行土壤環境質量標準都基于新添加的重金屬實驗條件下產生的生物有效性、生態毒理數據，往往高估了其生態風險[7]。

Pb的老化是指水溶性Pb進入土壤中迅速完成固液分配后，Pb的可交換性、可浸提性、生物可利用性或毒性效應隨時間延長而持續緩慢降低的過程[8-9]。與土壤中重金屬吸附和沉淀過程相比，老化過程較慢，除了老化時間的重要影響外，不同土壤性質顯著影響Pb的老化過程及其有效性高低，通常認為主要包括微孔擴散、固態擴散、有機質包裹、共沉淀或共絮凝導致的固相包裹等[8-9]，這與重金屬種類、土壤理化性質有關。已有研究表明[10-16]，pH、有機質、黏粒、碳酸鈣影響土壤中Pb吸附、絡合、沉淀等反應。據此，本文選取了理化性質相差較大的三種典型土壤，探究土壤性質對Pb老化過程的影響。

根據土壤中重金屬的可利用性，土壤中的重金屬可以分成3個庫[6]，不同化學提取劑（如：金屬螯合劑、中性鹽、酸試劑等[17]）提取的重金屬可表征不同的庫：①無生物效應的惰性庫；②反應活性庫（可用0.1 mol·L-1HCl、0.43 mol·L-1HNO3、0.05 mol·L-1EDTA-2Na等表征）③直接有效庫（可用0.01 mol·L-1CaCl2表征）。其中直接有效庫和反應活性庫在土壤環境中的移動性和有效性最強，二者之間存在快速反應平衡過程（吸附-解析、沉淀-溶解），惰性庫中重金屬的釋放非常緩慢，源于土壤中礦物風化[18]。本研究選用0.01 mol·L-1CaCl2提取態Pb表征土壤中直接可利用的Pb含量，0.43 mol·L-1HNO3和0.05 mol·L-1EDTA-2Na提取態Pb表征潛在有效態Pb含量。

目前對于外源Pb在土壤中的老化過程、速率及理化性質對老化過程影響的研究較少，本研究通過外源添加Pb到三種典型土壤進行室內培養，選用0.01 mol·L-1CaCl2、0.05 mol·L-1EDTA-2Na和0.43 mol·L-1HNO3提取土壤中有效態Pb含量，比較不同提取態Pb動態變化過程，旨在探究外源Pb在不同性質土壤中的老化過程變化機理及速率，為準確評價土壤中Pb污染的生態環境風險提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自江西鷹潭的紅壤（28°11′44.30″N，116°56′47.14″E），遼寧鐵嶺的黑土（42°28′12″N，124°51′36″E），河南鄭州的潮土（35°00′31.9″N，113°41′25.5″E），土地利用方式均為農田。于2016年11月采取表層土壤（0～20 cm），樣品風干后，去除雜質、磨碎后過2 mm篩備用。土壤pH、電導率（EC）、有機質含量、碳酸鈣含量、顆粒組成的測定方法參照《土壤理化分析與剖面描述》[19]；CEC、無定形（非晶質）鋁鐵的測定方法參照《土壤理化分析》[20]；游離（晶質）鋁鐵的測定方法參照《土壤農業化學分析方法》[21]；土壤Pb全量測定參照標準HJ 766—2015[22]。三種典型土壤基本理化性質測定結果見表1，土壤pH、有機質、CEC、顆粒組成和碳酸鈣含量等有較大差異，均無Pb污染，屬于清潔土壤。

1.2 Pb老化室內培養實驗

試驗設計：三種土壤（紅壤、黑土、潮土），三個Pb水平，六個培養時段，三次重復。三個Pb水平參考我國《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）的二級標準，不同土壤性質規定的Pb標準不同，三個Pb水平分別為：土壤背景值，背景+二級標準×0.50倍，背景+二級標準×1.0倍，具體見表2。六個培養時段：潮土和黑土分別培養1、3、9、30、100、360 d，紅壤培養1、3、9、30、100 d。有研究表明[23]，EDTA提取態Pb 3個月后基本達到老化平衡，故在達到平衡之前設置多個時間點，平衡之后設置一個時間點，以期觀察有效態Pb的變化趨勢。外源Pb以Pb（NO3）2溶液形式向土壤中添加，與土壤混合均勻后，通過稱重法，每周定時加入蒸餾水，保持80%的田間持水量，在溫度為25℃、濕度為75%的人工氣候箱中培養，培養結束后土樣統一風干磨碎過2 mm篩備用。

1.3 測定項目及方法

0.01 mol·L-1CaCl2提取態 Pb[24]：土液比1∶10，200 r·min-1水平振蕩2 h，離心過濾，測定濾液中Pb含量。0.43 mol·L-1HNO3提取態Pb[25]：土液比1∶10，（25±10）r·min-1水平振蕩4 h，離心過濾，測定濾液中Pb含量。0.05 mol·L-1EDTA-2Na提取態 Pb[26]：土液比為 1∶5，200 r·min-1水平振蕩2 h，離心過濾，測定濾液中Pb含量。HNO3和EDTA提取態Pb含量用電感耦合等離子體發射光譜儀（Optima 5300DV）測定，0.01 mol·L-1CaCl2提取態Pb含量用電感耦合等離子體質譜儀（7700X ICP-MS）測定。

1.4 計算方法

土壤中外源有效態Pb濃度（mg·kg-1）計算方法為：Ct=Cta-Ct0

土壤中外源有效態Pb的提取率（外源有效態Pb含量占添加總量百分比）的計算方法為：

Ct（%）=Ct/Cadd

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Physical and chemical properties of soil samples

表2 三種類型土壤中外源Pb添加濃度（mg·kg-1）Table 2 The concentration of Pb added to three kinds of typical soils（mg·kg-1）

其中Ct為第t d時土壤中外源有效態Pb含量，mg·kg-1；Cta為第t d時經外源添加Pb處理土壤中所測得的有效態Pb濃度，mg·kg-1；Ct0為第t d時不添加外源Pb的對照土壤中所測得的有效態Pb濃度，mg·kg-1；Cadd為Pb的外源添加量，mg·kg-1。

1.5 數據處理

數據處理和標準誤差的計算采用Office Excel 2010進行處理；顯著性檢驗利用SPSS 13.0處理；模型擬合使用Origin 8.0。

2 結果與分析

2.1 不同土壤Pb老化過程中三種提取劑的提取效果

老化過程中不同提取態Pb動態變化圖1的橫坐標是老化時間（d），縱坐標是不同提取劑對外源Pb的提取率。為了便于比較不同土壤中不同提取劑對Pb提取率差異，將不同提取率的范圍及均值列于表3。

2.1.1 0.01 mol·L-1CaCl2對不同土壤中外源有效態Pb提取效果的比較

與HNO3和EDTA的提取率相比，0.01 mol·L-1CaCl2對外源Pb的提取率很低，且紅壤中顯著高于黑土和潮土，紅壤中為7.20%～13.84%，而黑土和潮土中僅為0.002%～0.075%，約相差3個數量級。另外，0.01 mol·L-1CaCl2對外源Pb的提取率在紅壤高濃度（11.39%～13.84%）中 顯 著 高 于 低 濃 度（7.20%～9.56%），潮土中高濃度中（0.007%～0.075%）略高于低濃度（0.005%～0.029%），而黑土低濃度（0.003%～0.022%）中高于高濃度（0.002%～0.012%）。

2.1.2 0.05 mol·L-1EDTA-2Na對不同土壤中外源有效態Pb提取效果比較

三種土壤中0.05 mol·L-1EDTA-2Na提取率由大到小為：黑土＞紅壤＞潮土。在Pb老化過程中，紅壤和黑土中0.05 mol·L-1EDTA提取率為87%～99%，平均為93%，高低濃度下兩條動態曲線幾乎重合（圖1），說明Pb在紅壤和黑土老化過程中，兩個添加Pb水平對外源PbEDTA提取率無顯著影響；而潮土低濃度處理下，EDTA提取率為66%～84%，平均為77%，高濃度處理下EDTA提取率為70%～86%，平均為81%，說明潮土中高濃度下EDTA提取率高于低濃度，有效態Pb更高。

2.1.3 0.43 mol·L-1HNO3對不同土壤中有效態Pb的提取效果比較

在紅壤老化過程中，HNO3對外源Pb的提取率為94%～99%，平均為96%。由圖1可看出，高、低Pb水平下兩條HNO3提取率動態曲線幾乎重合，說明兩個Pb添加濃度對紅壤中HNO3提取率影響很小。在黑土和潮土Pb老化過程中，不同添加濃度對HNO3提取率有顯著影響，黑土高濃度（88%～94%，均值91%）高于低濃度（81%～85%，均值84%）；潮土高濃度（98%～99%，均值99%）高于低濃度（91%～97%，93%），說明黑土和潮土中HNO3提取態Pb比例隨Pb外源添加量增加而增加。

表3 三種提取劑對不同土壤中外源Pb的提取率Table 3 The Pb extraction efficiency of three extractants in different kinds of soils

圖1 三種類型土壤中不同提取態Pb動態圖Figure 1 Dynamic changes of Pb extracted by different extractants in three kinds of soil during the aging process

續圖1三種類型土壤中不同提取態Pb動態圖Continued figure 1 Dynamic changes of Pb extracted by different extractants in three kinds of soil during the aging process

總體來看，有效態Pb的提取率受提取劑種類、土壤性質和添加濃度的影響。0.01 mol·L-1CaCl2作為提取劑提取Pb能力較弱，在黑土和潮土中的提取率很低，幾乎測不出來，而在酸性紅壤中提取率也僅為7.20%～13.84%。0.05 mol·L-1EDTA-2Na和0.43 mol·L-1HNO3都是較強的提取劑，提取三種土壤中Pb含量均較高，0.05 mol·L-1EDTA-2Na對Pb的提取率在不同土壤中表現為：黑土＞紅壤＞潮土；0.43 mol·L-1HNO3對Pb的提取率在不同土壤中表現為：紅壤＞潮土＞黑土；另外，由圖1可看出，三種土壤中HNO3提取態Pb幾乎不隨老化時間而變化，單向方差分析也證明，HNO3提取態Pb在三種土壤中不同老化時間下差異不顯著（P＞0.05）。

2.2 不同提取態Pb在三種土壤老化過程中動態變化及老化程度

有效態Pb降幅占總降幅的比例可以比較不同處理間相同老化時間內Pb老化速率。降幅的計算是與老化1 d相比，老化t d時的有效態Pb降低量除以老化1 d時的有效態Pb含量的比值。由于潮土、黑土中最長老化時間為360 d，而紅壤中最長老化時間為100 d，為了統一總降幅的計算，本研究用達到平衡時（以老化方程中的平衡濃度為準）有效態Pb含量與老化1 d時相比的降低量除以老化1 d時有效態Pb含量作為總降幅。上面分析中得出三種土壤中HNO3提取態Pb幾乎不隨老化時間而變化，因此對于老化過程中有效態Pb變化只看CaCl2和EDTA提取態。為了更清楚地比較不同土壤的老化程度及速率，表4列出了不同土壤老化3、9、30、100 d時0.01 mol·L-1CaCl2和0.05 mol·L-1EDTA-2Na提取態Pb的降幅及占總降幅比例。

三種土壤中CaCl2提取態Pb變化過程為：與老化1 d相比，老化3 d時，黑土和潮土中CaCl2提取態Pb升高了20%～90%；老化9 d時，潮土和紅壤中降幅占總降幅的比例為18%～46%。老化30 d時，紅壤中降幅占總降幅的比例最高為58%，潮土中甚至達到88%，而黑土中平均約為28%。老化100 d時，紅壤和潮土中降幅占總降幅比例為85%～93%，基本達到平衡，而黑土中約為54%，還在繼續老化，直到老化360 d時降幅才達到總降幅的95%以上。

與 0.01 mol·L-1CaCl2提取態 Pb 相比，0.05 mol·L-1EDTA-2Na提取態Pb的降幅均較低，幾乎都在10%以下。三種土壤中EDTA提取態Pb變化過程為：與老化1 d相比，黑土中EDTA提取態Pb在3～30 d內有小幅度升高（增幅＜5%）。老化9 d時，紅壤中降幅已達總降幅的一半，而潮土中低于28%。老化30 d時，紅壤和潮土中降幅占總降幅比分別約為98%、34%，紅壤中基本達到平衡。老化360 d時，潮土中降幅占比達90%以上，而黑土中約為67%左右，仍在繼續老化。

總體來看，紅壤中CaCl2和EDTA提取態Pb隨著老化時間的延長而逐漸降低，而黑土和潮土中在老化3～9 d時先小幅度升高再隨老化時間延長而降低。老化過程中，紅壤和潮土中CaCl2和EDTA提取態Pb在老化30 d之前快速下降，之后變化緩慢，老化100～360 d后基本達到平衡，而黑土中變化相對緩慢。老化實驗中三種土壤適宜的老化時間分別為：紅壤（100 d）、潮土（360 d）、黑土（＞360 d）。不同提取態Pb隨老化時間變化幅度不同，大小順序為：0.01 mol·L-1CaCl2＞0.05 mol·L-1EDTA-2Na＞0.43 mol·L-1HNO3。CaCl2提取態Pb在三種土壤中的老化速度為：潮土＞紅壤＞黑土，而EDTA提取態Pb為：紅壤＞潮土＞黑土。由表1還能得出，紅壤中低濃度Pb老化速率高于高濃度，而潮土和黑土中高濃度Pb的老化速率與低濃度相當或高于低濃度。

2.3 老化過程擬合

研究重金屬穩定化過程常見的動力學模型有：Elovich模型、二級動力學模型、一階指數衰減模型[27]，本研究經過對不同模型進行嘗試，一階衰減模型擬合效果最好，擬合度在0.93～0.99之間，擬合方程均為極顯著（P＜0.001），模型方程式為[28]：

Ct=Ce+Ae（-kt）

式中，Ct是老化時間為t時，土壤中外源有效態Pb濃度占添加濃度的百分比，A表示強度，Ce為函數擬合達到平衡時土壤中有效態Pb濃度占添加濃度的百分比，k為表觀穩定化速率的常數，其值越大越容易達到平衡。表5列出老化過程中不同土壤CaCl2和EDTA提取態Pb擬合的一階指數衰減模型參數k和Ce。

表4 老化過程中CaCl2和EDTA提取態Pb降幅及占總降幅百分比的變化（%）Table 4 The decreases of Pb extracted by CaCl2and EDTA and its proportion to total decreases in the aging process（%）

對比參數k（表4）可知，擬合方程中，CaCl2提取態Pb在潮土中k值最大，約是黑土和紅壤中的10倍，老化速率最快，不同類型土壤中的老化速率依次為：潮土＞紅壤＞黑土。EDTA提取態Pb在紅壤中k值最大，老化速率最快。潮土和黑土中高濃度下老化速率高于低濃度或與低濃度相當，而紅壤中低濃度下老化速率高于高濃度。

由平衡濃度占添加總量比值Ce可看出，EDTA作為提取劑時的Ce要高于CaCl2。Ce在不同土壤中表現為：達到平衡時，CaCl2提取態Pb含量占添加總量的比例很低，除了紅壤中在7%～11%之間，黑土和潮土中均低于0.01%；而EDTA提取態Pb含量占添加總量比例在紅壤和黑土中較高，在85%～92%之間，但在潮土中較低，約為70%。以上分析結果與圖1中顯示的實測數據變化趨勢相一致，說明一階指數衰減方程能較好地反映紅壤、黑土、潮土中有效態Pb的老化過程。

2.4 土壤理化性質與Pb老化過程參數的相關分析

老化過程中CaCl2提取態Pb含量極低，老化360 d時平衡濃度更低，尤其是潮土和黑土中；HNO3提取態Pb較高且隨老化時間無顯著變化，相對來說，EDTA作為研究紅壤、黑土、潮土中鉛老化過程較適合。為了進一步探究土壤理化性質對平衡濃度Ce和老化速率k的影響，將土壤理化性質與EDTA提取態Pb的老化方程中這兩個參數之間做了相關性分析（表6）。總的來看，EDTA提取態Pb老化速率與pH、EC呈極顯著負相關，與非晶質鐵、晶質鐵、晶質鋁呈顯著正相關。EDTA提取態Pb的平衡濃度占添加量的百分比受土壤性質影響較小，與添加濃度呈顯著正相關，說明高添加濃度下EDTA提取的有效態Pb更高。

表5 土壤中Pb老化過程的一階指數衰減模型擬合參數k和CeTable 5 Parameter k and Cemodeled by exponential decay equation for the aging of Pb added to soils

表6 土壤理化性質與Pb老化速率k和平衡濃度占添加量比例Ce相關系數Table 6 Correlation coefficient of soil properties with stabilization velocity（k）and the ratio of equilibrium concentration to the Pb of added（Ce）

3 討論

3.1 利用不同提取態Pb描述外源Pb老化過程優缺點分析

研究不同土壤中Pb老化過程，需要選擇一種既能反映老化過程而且測定方便的提取劑。不同提取劑提取的有效態Pb含量不同，EDTA和HNO3提取態含量遠高于CaCl2提取態，這主要與提取劑的提取機理有關。CaCl2作為中性鹽溶液，主要提取水溶態和可交換態，但是潮土和黑土中CaCl2提取態含量極低，對測定有較高的精度要求，不利于分析。EDTA-2Na是螯合劑，除了提取可交換態外還能將有機復合物中重金屬提取出來，而對土壤的物化性質影響較小[26]，能較好地表現外源Pb的老化過程。此外，研究表明EDTA提取態Pb能較好地反映土壤中Pb的生物有效性[29]，而HNO3的代換機制是H+的置換作用[17]，除了殘渣態幾乎能將各種形態的Pb提取出來[6，30]，其強大的提取能力可能掩蓋了Pb的老化作用，因此硝酸提取態Pb隨老化時間變化不明顯，綜合來看，EDTA提取態Pb較適合研究Pb老化過程。

3.2 土壤理化性質對Pb在土壤中化學反應的影響

外源Pb在不同性質土壤中的化學反應不同，使得不同土壤中有效態Pb含量不同。土壤pH越低，H+對Pb2+的競爭吸附作用越大，可交換態Pb含量越高；pH升高，H+的影響減小，而絡合吸附和沉淀作用卻隨之加強[10]，外源Pb容易形成Pb氫氧化物、硫化物、碳酸鹽等沉淀[10]，外源Pb一旦進入土壤，立即被固定，可交換態Pb含量迅速降低。同時，CaCO3含量也影響土壤Pb吸附，研究表明[11]土壤吸附Pb過程中Pb2+很可能取代碳酸鈣的Ca2+的位置，形成含Pb碳酸鈣沉淀，而沉淀的結晶會進一步加速吸附金屬離子沉降下來[12]，從而影響土壤對Pb的吸附量和吸附強度[13]。黏粒含量可以改變土壤CEC而影響土壤Pb的吸附，黏粒含量越高，CEC相應增加，通過靜電吸引而吸附的Pb離子也越多[14-15]。鐵鋁氧化物有巨大的表面積，對Pb有較強的吸附力，有研究推測Pb可能吸附在Fe氧化物上[31]，Pb的溶解度與土壤Fe化學有著密切關系[32]，因此Fe氧化物可能是影響Pb活性的重要因素，這也可能是EDTA提取態Pb老化速率與鐵鋁氧化物含量成正比的原因。除此之外，外源Pb在土壤中化學反應還受有機質影響，土壤腐殖質含有多種含氧功能團，王波等[33]研究發現多種腐植酸的紅外譜圖中在3500～3100、1720 cm-1和 1620、1226 cm-1處的強吸收分別表明含有酚羥基、羧基和醇氧基，而這些官能團對Pb2+的吸附很強，可達99%[16]，極易與Pb2+發生絡合或螯合反應[16，34]。

黑土中有機質和CEC含量最高，推測正是黑土中強大的絡合吸附作用使外源Pb一旦進入土壤，立即被吸附固定，而潮土中pH和碳酸鈣含量最高，沉淀反應為主，且其逆反應解吸難以進行[35]，所以黑土和潮土中可交換態Pb含量最低；紅壤中pH低，黏粒含量高，靜電吸附反應占主要地位，其中可交換態Pb遠高于黑土和潮土，這一點與前人的研究結果相同[36-37]。

潮土中的高pH和沉淀反應，也許是潮土中EDTA提取態低的原因，因為EDTA提取劑偏酸性，在潮土中被部分中和，絡合物的穩定性受到pH和沉淀的影響[38]；利用EXAF技術探究污染土壤中Pb的化學形態，結果表明Pb吸附在針鐵礦和胡敏酸上[39]，而EDTA能將Pb從有機物中釋放出來，這可能是黑土中EDTA提取態Pb含量最高的原因[40]。而HNO3能溶解潮土中Pb的沉淀物，將一些非代換吸附態Pb也提取出來，因此潮土中硝酸提取態要高于EDTA提取態[41]。黑土中HNO3提取態含量較低，可能與有機質包裹的Pb不易被酸溶解有關。有研究表明[42]，酸性條件下富里酸發生解離后可以與重金屬絡合，其絡合物與黏土顆粒有一定的結合能力，因此黏土對重金屬的吸附能力增強。

3.3 不同土壤中Pb老化過程差異分析

外源Pb進入土壤就迅速被固定，活躍態Pb向穩定的有機結合態轉變[43-44]，經過沉淀和有機質包裹等快反應階段后，進入微孔擴散的慢反應階段[8]。Ma等[9]研究Cu老化過程發現，快反應過程在1 d內就可完成。黑土和潮土中CaCl2提取態Pb在老化3～9 d時先升高，之后再隨老化時間延長而降低。這一現象可能是由于擴散反應造成的Pb2+減少，而使Pb（OH）2、PbCO3等沉淀發生逆反應，而發生沉淀的再溶解[9]，使Pb2+含量升高，蔡瓊瑤等[23]的研究中也出現相同的現象。

相比于紅壤和潮土，黑土中老化速率較慢，這可能由于有機質與Pb結合強于吸附態，不易隨時間發生變化有關。潮土中CaCl2提取態Pb老化速率顯著高于紅壤和黑土，有研究表明[13]pH升高能加速Pb穩定化速率，而CaCO3含量是影響pH的重要因素[45]。紅壤中低濃度下Pb老化速率高于高濃度，而潮土和黑土中高濃度下老化速率與低濃度相當或高于低濃度，Ma等[46]研究Zn的老化過程時也得出高添加濃度下老化速率高于低添加濃度，這可能由于在高添加濃度下，中性、堿性土壤中沉淀和有機質吸附作用增強[8]，導致其老化速率增強。

4 結論

（1）外源Pb的提取率受提取劑種類和土壤性質的顯著影響，0.05 mol·L-1EDTA-2Na和0.43 mol·L-1HNO3提取率遠高于 0.01 mol·L-1CaCl2，其中紅壤中0.01 mol·L-1CaCl2提取率遠高于潮土和黑土，黑土中0.05 mol·L-1EDTA-2Na提取率最高，0.43 mol·L-1HNO3提取率較高且隨老化時間無顯著變化，0.05 mol·L-1EDTA-2Na較適合作為研究Pb老化過程中的提取劑。

（2）外源Pb在不同土壤中老化過程不同，紅壤和潮土中CaCl2和EDTA提取態Pb在老化30 d之前快速下降，之后緩慢降低，100～360 d后基本達到平衡，而黑土中老化相對緩慢。

（3）外源Pb在三種土壤中的老化過程符合一階指數衰減方程。EDTA提取態Pb與pH、EC極顯著負相關，與鐵鋁氧化物含量呈顯著正相關。