不同植被土壤對重金屬Pb的吸附及其模擬

吳 玉

（北京建工環境修復股份有限公司，北京 110000）

研究表明，國內主要海域以及淡水濕地的底泥土壤樣品中均存在不同程度的重金屬超標現象，尤其Cd、Cr、Pb、As的污染更為嚴重[1-3]。重金屬在濕地土壤中會發生一系列的遷移轉化過程，主要包括吸附、配合、氧化還原和沉淀-溶解等，其中吸附過程最為普遍，是土壤對重金屬具有一定自凈能力和環境容量的根本原因，也直接影響土壤-植物系統中重金屬的生物利用度和生態毒性[4，5]，最終影響動植物正常生長甚至人類的健康。

因此，研究土壤中重金屬的吸附特性，對于了解和控制土壤-植物系統中重金屬的環境行為、預測重金屬的環境效應具有重要的現實意義[6，7]。

土壤對重金屬的吸附量與平衡濃度不僅受土壤重金屬種類及土壤本身性狀的影響[8]，也受耕作[9]、施肥[10，11]以及水分管理等人為措施的調控[12]。但由于土壤重金屬吸附過程以及涉及因素過于復雜，目前對于不同土地利用或覆被方式下形成的不同土壤對重金屬吸附特性的差異研究仍較為缺乏。

因此，本研究通過對崇明濕地光灘、互花米草、蘆葦以及水杉人工林四種不同覆被類型土壤，研究其對Pb的吸附過程差異，并借助Langmuir、Freundlich、Temkin吸附等溫模型分析其吸附特征，以明確不同土地利用變化對土壤吸附重金屬性能的影響，進而為不同利用方式下土壤重金屬環境效應的評估和預測提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣地概況與樣品采集

供試土壤采自上海崇明東灘濕地。崇明東灘屬于北亞熱帶海洋氣候，氣候濕潤，平均氣溫為15.2℃，年降水量約1025mm，優勢植物為蘆葦（Phragmites auatralis）和互花米草（Spartina alterniflora）[13]。沿陸向海依確定4條采樣帶分別為蘆葦、水杉、互花米草與光灘。在每條采樣帶內，按S形多點采樣法采取樣地0cm～20cm的表層土壤。土壤經風干，去除雜物后過2mm篩，備用。

1.2 等溫吸附試驗方案

稱取土樣1.0g，向樣品中各加入0、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0、200.0、400.0、800.0mg·L-1）Pb(NO3)2溶 液 各 50mL，0.01mol·L-1的 CaCl2（NaNO3）作支持電解質，在30℃恒溫振蕩箱中以200rpm轉速振蕩2h，吸取上清液過0.45μm濾膜過濾，濾液用于濃度測定。每處理重復3次。

根據所測得土壤溶液中Pb的濃度，分別計算平衡吸附量，并繪出等溫吸附關系曲線。

1.3 吸附平衡模型模擬

為研究不同植被土壤對重金屬離子的等溫吸附特性，分別采用Langmuir模型、Freundlich模型、Temkin模型進行擬合（模型公式見表1）。

2 結果與分析

2.1 四種覆被類型土壤對重金屬Pb的等溫吸附

在所給初始條件下，4種覆被下土壤對重金屬Pb的吸附量變化趨勢均相似（圖1）。隨著Pb初始濃度增加，吸附量逐漸增加，隨后又逐漸降低。當濃度較低時（0～100.0mg·L-1），四種土壤對Pb的吸附均比較強烈；在平衡液Pd濃度分別接近100.0mg·L-1、200.0mg·L-1、100.0mg·L-1時，互 花米草覆被土壤、光灘和水杉覆被土壤對Pb的吸附分別出現明顯的折點；在200mg·L-1、400mg·L-1、100mg·L-1時，互花米草覆被土壤、光灘和水杉覆被土壤對Pb的吸附量增加速度漸趨平緩。而當初始濃度為800mg·L-1時，蘆葦覆被土壤對Pb的吸附量仍表現較為明顯的上升趨勢。

圖1 土壤對Pb的等溫吸附曲線

就對Pb的吸附容量而言，蘆葦覆被土壤為最大，可以達到22300mg·kg-1左右，顯著高于互花米草和光灘土壤，水杉覆被土壤對Pb的吸附容量則顯著低于其他3個處理，約為7250mg·kg-1左右。可以看出，本研究對Pb的吸附能力與其他重金屬不同，產生此種差異的原因可能在于占據的吸附點位不同[14]。

2.2 土壤對重金屬Pb的吸附平衡模擬

常用的等溫吸附模型有Langmuir模型、Freundlich模型、Temkin模型。表1為不同覆被土壤對重金屬Pb和Cd等溫吸附數據的模型擬合結果。由相關指數R2判斷，總體上Temkin模型的R2均較小，表明該模型不適用于本實驗供試土壤對重金屬的等溫吸附。Freundlich模型與Langmuir模型相比，Langmuir模型具有更好的相關性。

表1 四種覆被土壤對Pb等溫吸附方程的擬合參數

Langmuir方程中，KL為Langmuir吸附常數，也稱作親和常數，表示吸附位點對吸附質的吸附強度大小，即KL越大，親和力越好，土壤對重金屬的吸附性能越好。四種土壤吸附Pb的KL排序為蘆葦>光灘>互花米草>水杉，蘆葦對Pb有最大的吸附親和力，水杉最小[15]。從Langmuir方程可計算出蘆葦、水杉、互花米草和光灘對Pb的最大吸附量（飽和吸附量）分別 為 21705.0166mg·kg-1、7936.4509mg·kg-1、19145.1507mg·kg-1、17142.2010mg·kg-1，四種土壤對Pb的吸附能力排序為蘆葦>互花米草>光灘>水杉。而在本實驗設置的初始濃度范圍內，這四種土壤對Pb的最大吸 附 量 分 別 為20207.59mg·kg-1、7362.87 mg·kg-1、15685.95mg·kg-1、14879.31mg·kg-1。四種土壤的最大吸附量各有差異，可以為制定不同類型土壤的環境容量提供依據。本研究也表明，Langmuir模型也更適合初始濃度范圍較大的實驗，對比四種土壤的KL與最大吸附量順序基本一致，也再次證明Langmuir模型的KL參數值作為土壤對Pd的結合能指標，其大小能大致表現出土壤對重金屬的吸附性能大小。

3 結論

四種覆被土壤對Pb的吸附量大小為蘆葦>互花米草>光灘>水杉。0～800mg·kg-1范圍內，四種覆被土壤對Pb的飽和吸附量分別為22304mg·kg-1、16780mg·kg-1、15020mg·kg-1、7250mg·kg-1。四種覆被土壤對Pb的等溫吸附曲線最優擬合模型是Langmuir模型。擬合結果證實，蘆葦、互花米草覆被土壤對Pb的吸附能力均大于水杉人工林，而親和力低于水杉人工林。