无机阴离子对镉、铅解吸特性的影响

1、无机阴离子对镉、铅解吸特性的影响陈苏1, 2，孙丽娜1*，晁雷2，孙铁珩1, 21. 沈阳大学环境工程重点实验室，辽宁 沈阳 110044；2. 中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016摘要：土壤中重金属的解吸直接影响重金属在环境中的形态转化和植物有效性。而地表水环境及土壤中的无机阴离子能与重金属离子络合，影响重金属在环境中的迁移和作物的吸收。因此，有关无机阴离子对重金属解吸特性影响的研究，将有利于了解重金属的吸附-解吸机制及其控制措施。文章以我国东北地区草甸棕壤作为研究对象，采用静态解吸实验研究无机阴离子（C1-、SO42-、F-）对土壤中镉、铅的解吸行为的影响。结果表明，土壤

2、中镉、铅的解吸率与无机阴离子类型、浓度密切相关；随着解吸液中无机阴离子（C1-、SO42-、F-）浓度的增大，土壤镉、铅的解吸率随之提高。C1-、SO42-、F-这3种无机阴离子对解吸土壤中镉的影响力顺序是：C1- > SO42- > F-；对解吸土壤中铅的影响力顺序是：SO42- >C1- > F-。关键词：镉；铅；无机阴离子；解吸 中图分类号：X131 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）01-0105-04镉、铅在土壤中的积累、迁移和转化受制于其在土壤体系中的物理过程和氧化还原、沉淀溶解、吸附解吸、络合解离、酸碱平衡等化学过程，而其在土壤固液界

3、面上的行为却决定于土壤固相中有机、无机组分对Cd2+、Pb2+的吸附-解吸特性1。土壤中重金属的解吸是其被土壤吸附的反过程，它直接影响重金属在土壤及生态环境中的形态转化，制约这些元素在环境中的迁移和归趋、对植物的有效性及对环境的生物毒性，最终影响农产品的质量及人类的生存环境2-5。重金属在土壤中吸附-解吸行为受诸多因素影响，十分复杂6,7，以往的研究多侧重于重金属污染土壤的吸附行为研究，而目前，对重金属在土壤中的解吸行为研究则少见报道。重金属在地表水环境的迁移过程中，常伴随着无机阴离子，这些离子大部分被吸附于悬浮体，最后进入底泥、或灌溉进入农田。同时土壤自身表面还含有诸如Cl-、HCO3-、O

4、H-、SO42-等无机阴离子，在某些情况下，还有F-、S2-和PO42-。这些无机阴离子都能与重金属离子形成可溶性络离子，影响重金属在环境中的迁移和作物的吸收。因此，有关无机阴离子对重金属解吸特性影响方面的研究，将有利于了解重金属的吸附-解吸机制及其控制措施，从而为制定土壤对重金属的环境容量、防治重金属污染的控制措施等提供理论依据，对土壤管理和环境保护都具有重要的理论和实际意义。本文以我国东北地区普遍存在的草甸棕壤作为研究对象，通过无机阴离子（C1-、SO42-、F-）对土壤中镉、铅的解吸行为的研究，探索土壤中重金属解吸规律，为防治、修复土壤镉、铅污染提供必要的理论依据。1 材料与方法1.1

5、供试土壤草甸棕壤，采自中国科学院沈阳生态站，此地块为休耕地，属清洁土壤，采样深度为020 cm（表层土壤），土样风干后过20目筛，称取一定量的风干土壤进行基本性状的测定，土壤基本理化性质见表1。表1 供试土壤基本理化性质及重金属含量Table 1 Basic physical and chemical properties and contents of heavy metals in test soilpH有机质/ %机械组成/ %重金属含量/ mg·kg-1砂粒粉粒粘粒CdPb6.501.5521.446.532.10.1218.35采用上述清洁土壤自制2种不同污染负荷的污染土壤

6、，CdCl2·2.5H2O（分析纯）和Pb(NO3)2（分析纯）的投加量为：Cd+Pb=5+500，25+1000 mg·kg-1，记作L1、L2，污染土壤混匀后于室温下陈化2个月后待用。1.2 解吸实验选用3种无机阴离子，分别是SO42- (Na2SO4)，Cl- (NaCl)，F- (NaF)，均为分析纯，采用不同的浓度0.1，0.5，2，5，10，50，100，500，1000，2000 mmol·L-1，溶液pH值以1 mol·L-1HCl或NaOH调节为5.5。分别称取1.0000 g L1、L2土样置于100 mL离心管中，加入以上解吸液25

7、 mL，采用平衡法进行解吸实验，恒温（25 ）振荡2 h，4000 r·min-1离心20 min，原子吸收分光光度法测定上清液中Cd2+、Pb2+ 的浓度，计算不同无机阴离子及其不同浓度下Cd2+、Pb2+ 的解吸率。1.3 分析方法与数据处理表2 无机离子浓度与土壤中Cd解吸量回归分析Table 2 The regression between inorganic anion concentration and Cd desorption quantity无机离子土壤回归方程rSeNa2SO4L1y =0.03x3-0.63x2+0.70x+0.030.9721*0.0323L2

8、y =1.34x3-4.61x2+5.23x+0.270.9877*0.1385NaClL1y =1.61x3-6.04x2+7.05x+0.010.9980*0.0650L2y =5.88x3-24.66x2+33.76x +0.510.9971*0.4394NaFL1y =0.05x3-0.13x2+0.13x +0.020.9815*0.0067L2y =0.32x3-0.75x2+0.64x+0.170.9640*0.0587模型拟合常用相关系数（r）和标准误差（Se）来衡量，r 越大，Se越小，该模型越优。*p<0.01, *p<0.05.土壤基本理化性质采用常规的测定方

9、法8。Cd2+, Pb2+ 的浓度采用原子吸收分光光度法进行测定9。采用Microsoft Excel，SPSS进行有关数据的计算与处理。2 结果与讨论2.1 无机阴离子对镉解吸特性的影响在本实验中，无机阳离子相同（均为Na+），所选用的无机阴离子及其不同的浓度对土壤L1、L2中重金属Cd、Pb的解吸均产生了影响。从图1可知，镉的解吸率与无机阴离子浓度密切相关：当SO42-浓度从0.1增加到10 mmol·L-1时，镉的解吸率变化较小且不明显，而当SO42-浓度从10 mmol·L-1继续增加时，对镉的解吸率明显增加；对C1-来说，当C1-浓度在0.150 mmol

10、3;L-1范围内对镉的解吸作用较小，但C1-浓度在50500 mmol·L-1范围内对镉的解吸率存在一个迅速提高的过程，而当C1-浓度从500 mmol·L-1继续增加时，镉的解吸率增长幅度变小，对镉的解吸作用也趋于平缓；就F- 而言，在实验浓度范围内，其对镉的解吸率随着F- 浓度增高而缓慢提高。在相同浓度下，当无机离子的阴离子为Cl-时，NaC1对镉的解吸率最高，其次是Na2SO4, 而NaF对镉的解吸率最低，例如当无机离子浓度为500 mmol·L-1时，SO42-、C1-、F- 对土壤L1中镉的解吸率依次为4.04%、45.85%、1.11%，对土壤L2中镉

11、的解吸率依次为7.05%、49.31%、1.23%，这3种无机离子对土壤L2镉的解吸率要高于土壤L1，对土壤中镉的解吸影响力顺序是：C1-> SO42-> F-。NS: 代表Na2SO4；NC: 代表NaCl；NF: 代表NaF 图1 不同无机离子对污染土中Cd的解吸率(%)Figure 1 The desorption rate of Cd under different inorganic anions in polluted soil (%)回归分析表明，无机离子浓度（mol·L-1）与土壤L1、L2中镉的解吸量（mg·kg-1）之间的关系能很好地用多项式

12、方程：y=ax3+bx2+cx+d 加以描述，相关系数r均达到极显著水平（p <0.01），方程系数a，b，c，d反映了不同无机阴离子的行为差异，3种无机离子的回归关系式见表2所示。2.2 无机阴离子对铅解吸特性的影响对于铅离子而言，以土样L2为例，由图2数据可知，当溶液中无机阴离子的浓度分别为0.1 mmol·L-1、50 mmol·L-1 和2000 mmol·L-1 时，NaF对铅的解吸率分别为0.02%、0.26%和0.56%；NaCl对铅的解吸率分别为0.02%、0.81%和6.68%；Na2SO4对铅的解吸率分别为0.06%、1.23%和18.1

13、7%，可以看出，随着解吸液中无机离子浓度的增大，铅的解吸率亦随之提高。解吸率的增加是由于无机络合物的增加以及Na+ 竞争吸附作用的增强所引起的。就F- 而言，铅的解吸率随着F- 浓度增高而缓慢提高，但其解吸率始终较低。当无机离子浓度<10 mmol·L-1 时，3种无机离子对Pb的解吸率均较小且不同处理的解吸率之间的差异也比较小；当无机离子浓度10 mmol·L-1 时，对SO42-来说，随着无机离子浓度的进一步增大，其对Pb的解吸率明显增大。当Cl-浓度10 mmol·L-1 时，氯化钠对铅的解吸率随着Cl- 浓度的增大而增大，增幅较大，但Cl- 浓度在5

14、00 mmol·L-1以上时对铅的解吸作用趋于平缓，解吸率增加幅度变小。在相同的无机离子浓度下，Na2SO4对Pb的解吸率最高，其次是NaC1，而NaF对Pb的解吸率最低，表明这3种无机离子对解吸土壤中Pb的影响力顺序是：SO42-> C1-> F-。此外在土壤L1、L2中，3种无机离子对重金属Cd、Pb的解吸率的大小顺序为Cd >Pb，例如C1-对Cd的解吸率最高可达65.91%，而对Pb的解吸率较小，最高达到6.68%，这主要与重金属本身各自的活性有关，重金属本身活性越强，就易与Cl- 形成易溶于水的络合物。无机离子浓度（mol·L-1）与土壤L1、L

15、2中铅的解吸量（mg·kg-1）之间的关系能很好地用多项式方程：y=ax3+bx2+cx+d 加以描述，相关系数r均达到极显著水平（p <0.01），3种无机阴离子对铅的回归关系式见表3所示。3 结论土壤中镉、铅的解吸率与无机阴离子浓度密切相关。随着解吸液中无机离子（C1-、SO42-、F-）浓度的增大，土壤镉、铅的解吸率随之提高。C1- 、SO42-、F-这3种无机离子对解吸土壤中镉的影响力顺序是：C1- > SO42- > F-；对解吸土壤中铅的影响力顺序是：SO42- >C1- > F-。参考文献：1 宗良纲, 徐晓炎. 土壤中镉的吸附解吸研究进展

16、J. 生态环境, 2003, l2(3): 331-335.Zong Lianggang, Xu Xiaoyan. Advance in studies of cadmium sorption and desorption in soilsJ. Ecology and Environment, 2003, l2(3): 331-335.2 王建林, 刘芷宇. 重金属在根际中的化学行为 土壤中吸附态铜解吸的根际效应J. 应用生态学报, 1990, 1(4): 338-343.Wang Jianlin, Liu Zhiyu. Chemical behavior of heavy metaIs in

17、 rhizosphere II. The rhizosphere effect of desorption of adsorbed Cu in soilJ. Journal of Applied Ecology, 1990, 1(4): 338-343. 图2 不同无机离子对污染土中Pb的解吸率(%)Figure 2 The desorption rate of Pb under different inorganic anions in polluted soil (%)NS: 代表Na2SO4；NC: 代表NaCl；NF: 代表NaF3 徐明岗, 李菊梅, 张青. pH对黄棕壤重金属解吸特

18、征的影响J. 生态环境, 2004, l3(3): 312-315.Xu Minggang, Li Jumei, Zhang Qing. Effect of pH on desorption of heavy metals from yellow brown earthJ. Ecology and Environment, 2004, l3(3): 312-315.表3 无机离子浓度与土壤中Pb解吸量回归分析Table 3 The regression between inorganic anion concentration and Pb desorption quantity无机离子土壤回

19、归方程rSeNa2SO4L1y =11.59x3-41.29x2+64.71x +0.740.9860*2.8725L2y =33.51x3-118.98x2+193.17x +3.360.9836*9.7014NaClL1y =7.32x3-31.81x2+46.62x +0.010.9995*0.2703L2y =33.47x3-129.80x2+159.07x +0.0040.9988*1.1732NaFL1y =2.59x3-8.20x2+7.08x +0.240.8805*0.3733L2y =5.02x3-16.23x2+14.79x+0.840.9092*0.7353模型拟合常用

20、相关系数（r）和标准误差（Se）来衡量，r 越大，Se越小，该模型越优。*p <0.01, *p <0.05.4 杨金燕, 杨肖娥, 何振立, 等. pH和Cu2+、 Zn2+对两种可变电荷土壤中吸附态Pb解吸行为的影响J. 农业环境科学学报, 2005, 24(3): 469-475.Yang Jinyan, Yang Xiaoe, He Zhenli, et al. Desorption of adsorbed Pb in the presence of Cu2+, Zn2+ at various pH values in two variable charge soilsJ.

21、 Journal of Agro Environment Science, 2005, 24(3): 469-475.5 ZHOU D M, CHEN H M, WANG S Q, et al. Effects of organic acids, o-phenylenediamine and pyrocatechol on cadmium adsorption and desorption in soil J. Water, Air, and Soil Pollution, 2003, 145: 109-121.6 GAO Y Z, HE J Z, LING W T, et al. Effec

22、ts of organic acids on copper and cadmium desorption from contaminated soils J. Environment International, 2003, 29: 613-618.7 孙卫玲, 赵蓉, 张岚, 等. pH对铜在黄土中吸持及其形态的影响J. 环境科学, 2001, 22(3): 78-83.Sun Weiling, Zhao Rong, Zhang Lan, et al. Effect of pH on copper sorption by the loess and its speciesJ. Environ

23、mental Science, 2001, 22(3): 78-83.8 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法M. 北京: 中国农业科技出版社, 2000: 65-100.Lu Rukun. Chemical analysis method of soil agricultureM. Beijing: Chinese Agriculture Technology Press, 2000: 65-100.9 WEI S H, ZHOU Q X. Identification of weed species with hyperaccumulative characteristics of heavy

24、metals J. Progress in Natural Science, 2004, 14(6): 495-503.Effects of inorganic anions on the desorption character of cadmium, leadChen Su1, 2, Sun Lina1*, Chao Lei2 , Sun Tieheng1, 21. Key Laboratory of Environment Engineering of Shenyang University, Shenyang 110044, China;2. Institute of Applied

25、Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, ChinaAbstract: Desorption of heavy metals from soils has direct influence on the speciation transform and phytoavailability of heavy metals in the environment. While inorganic anions in surface water environment and soils could combine with heavy metal ions, and have influences on the transference of heavy metals in environment and the assimilation by crops. So study the influences of inorganic ani