土壤中重金属污染源解析研究进展.pdf

第6 0 卷第4 期 2008 年i1 月 有色金属 N 0 1 3 f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 0 ．N o ．4 N o v e m h e r20 0 8 土壤中重金属污染源解析研究进展 于瑞莲1 ，胡恭任1 ，2 1 ．华侨大学环境科学与工程系，福建泉州3 6 2 0 2 1 ； 2 ．东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室，南昌 3 3 0 0 13 摘要根据近年来国内外对土壤重金属污染研究的相关报道，概述国内外土壤重金属污染源解析的常用方法及其特点。重 点阐述铅、锶同位索、放射性核素示踪技术在重金属污染溯源研究中的应用，指出采用P b 、S r 、z n 等同位素示踪，空间分析与多元 统计相结合的方法。追踪重金属污染源和评价污染程度是今后土壤中重金属污染源解析研究的重点。 关键词环境工程；污染源解析；综述；重金属污染；铅锶同位素示踪；土壤． 中图分类号X 5 3 ；X 8 3 3文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 4 0 1 5 8 0 8 环境污染研究中特别关注的重金属主要是生物 毒性显著的H g ，C d ，P b ，C r 以及类金属A 5 ，还包括 具有毒性的重金属C u 和Z n 等。含重金属的污染 物通过各种途径进入土壤，造成土壤中相应重金属 元素的富集。食物链中重金属来源主要是植物通过 被动从土壤中吸收，对人类社会健康可持续发展严 重危害。因此，查明土壤中重金属污染物质来源，并 从源头上加以控制，对实施污染治理具有十分重要 的意义L 1 _ 3J 。遗憾的是，以往的工作大多局限于污 染程度方面的研究，对土壤中重金属污染的研究大 都局限于重金属的分布、赋存形态和生态环境危害 与修复等内容，而对土壤重金属污染来源的解析方 面较少，概述了近几年来国内外土壤重金属污染源 解析的常用方法及其研究方法中的一些特点，重点 阐述了铅、锶同位素、放射性核素示踪技术在重金属 污染溯源研究中的应用，针对以往研究工作的不足 和存在的问题，指出了今后土壤中重金属污染源解 析研究中的重点。 1 多元统计分析方法在土壤中重金属 污染源解析中的应用 环境科学中污染物来源的数学模型总体上分两 收稿日期2 0 0 6 0 3 1 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 4 0 6 7 3 0 6 1 ；泉州市科技计 划资助项目 2 0 0 7 2 4 3 ；东华理工大学核资源与环境教 育部重点实验室开放基金资助项目 0 7 0 7 1 4 作者简介于瑞莲 1 9 7 0 一 ．女。山东高密县人，副教授，博士生，主 要从事环境污染化学等方面的研究； 联系人胡恭任 1 9 6 6 一 ．男，江西赣县人，研究员，博士后，主要 从事环境地球化学等方面的研究与教学工作。 种，一种是以污染源为对象的扩散模型 d i f f u s i o n m o d e l ，另一种是以污染区域为对象的受体模型 r e c e p t o rm o d e l 【4 I 。2 0 世纪7 0 年代起，L a n t z y 【卅 等人开始由排放源转移到受体，进行大气颗粒物源 解析。近年来提出化学质量平衡法 C M B 、因子分 析法 F A 、目标变换因子分析法 1 v r F A 和正态矩 阵因子化 P M F 法、主因子分析法[ 主成分分析 F C A 法] 、I D N N 模型法、F A ／M L R 法、聚类分析、 富集因子分析法 富集系数法 、相关分析等方法，形 成受体模型的研究体系，为源解析奠定了基 础[ 6 7 | 。 、’ 运用多元统计分析方法研究元素的组合特征及 分布规律，有助于异常成因的解释推断，区分人为污 染和自然污染源。乔胜英等⋯8 通过土壤中重金属 元素与主元素间的相关分析、聚类分析，表明H g 相 对于其他元素表现较独立，S 对H g 有一定的捕获能 力，触，C r 和N i 是受控于成土母质的元素组合，C d 和P b 是受人为污染影响较强的元素，C u 来源于地 质成因的比例较大，Z n 受控于土壤中锰氧化物粘 粒。 王学松等[ 9 ] 通过因子分析法 F A 和聚类分析 大致识别了徐州城市表层土壤2 1 个样品中重金属 元素的来源，研究区表层土壤样品中3 0 种元素可分 成4 个类别“自然因子”类别元素 T i ，C a ，V ，C o ， M n ，B e 和P t ；“交通因子”类别元素 A g ，S e ，S c ，P b ， C u ，Z n ，C A ，B r ，S ，M o 和A u ；“燃煤因子”类别元素 B i ，C r ，H g ，A s ，S b 和P d 和混合源类别元素 S n 和 B a 。 史贵涛等[ 1 0 ] 通过P e a r s o n 相关分析和主成分分 万方数据 第4 期于瑞莲等土壤中重金属污染源解析研究进展 1 5 9 析，推测人类活动造成了公园土壤和灰尘中重金属 的积累，其中最主要的污染源为工业和交通污染。 翟航【1 l J 运用因子分析方法探讨了长春市表层 土壤重金属污染的可能来源交通污染源；燃煤污染 源，居民采暖用煤和工业用煤以及燃烧方式落后为 长春市表层土壤燃煤污染的主要原因；工业污染源， 因子得分高值区分布在铁北一二道工业区，主要来 源于工业废水的排放；冶金污染源，污染区主要分布 在长春市区北部天林冶炼厂、西部火烧李附近的蓝 舟冶炼厂和中部钢厂附近。 B l a s e r 等【1 2 】按土壤发生层次采集了瑞士森林 的不同土壤，通过计算元素富集指数来区别土壤表 层元素含量异常是人为污染还是自然来源，并指出 元素富集指数由于考虑了土壤元素含量的剖面分布 和自然变异，因而要优于仅仅通过表层元素是否超 过最大允许浓度来判断土壤是否污染的方法。 2 计算机成图法在土壤中重金属污染 源解析中的应用 应用G I S 技术分析异常空间分布与污染源的 关系有可能直观地判断出异常的成因。如L m p e r a t o 等[ ”】对意大利那不勒斯市土壤c u ，C r ，P b 和z n 的空间分布研究，表明这些元素高含量点主要分布 于该市东部，与重工业和石油精炼厂分布位置一致， C u 则明显地在铁路和电轨线附近区域积累。D a v i e s 等[ t 4 ] 通过分析英国威尔斯一个老工业区7 0 个表层 土壤样的C A ，C o ，C u ，F e ，M n ，N i ，P b ，Z n 含量，结合 因子分析和计算机成图法，判定出这些重金属主要 来自当地镍精炼厂和冶炼厂废料堆两个污染源及相 应的贡献。C e l i n e 等[ 1 5 ] 分析了高度都市化和商业 化的香港市区，郊区以及国家公园表层土壤中微量 金属元素 镉，钴，铬，铜，镍，铅，锌 和主要元素 铝， 钙，铁，镁，锰 含量，主成分分析和聚类分析表明市 区、郊区以及国家公园土壤中微量金属元素和主要 元素 铝，钙，铁，镁，锰 显示出明显不同的成因关 系，并基于G I S 技术制作表层土壤微量金属元素的 土壤污染地图，重金属污染严重地区主要集中在香 港北部和西部，与那里高度繁忙的交通情况密切相 关，铅同位素组成也表明汽车废气是主要的人为来 源铅。张长波等[ 1 6 ] 采用地统计学软件G S 和G I S 相结合的方法，研究了面积约1 0 ．9 k m 2 的重金属污 染场7 种重金属含量的空间变异性，通过K r i g i n g 内插法对未测点重金属含量进行最优估计，并对这 些重金属的来源进行了初步识别。在研究区内7 种 重金属具有相似的空间分布特征，污染场地特殊的 污染源分布状况、污染程度和地理条件导致点状污 染源增大了重金属的空间结构性，呈现出与非典型 污染区不同的特征。冶炼厂高炉粉尘排放对重金属 的贡献明显高于母质等内在因素，是研究区重金属 的主要来源。杭嘉湖、珠三角以及其他地区大量的 调查资料也表明，某些重金属类污染元素异常与城 镇、工业和农业区等在空间分布上往往具有很好的 对应性，可以初步判定环境污染是这类异常的主要 成因[ 1 7 19 | 。 3铅同位素技术在土壤重金属污染研 究中的应用 以往铅同位素示踪技术主要应用于岩石学和矿 床学两大传统地学领域。近年来，基于研究对象的 铅同位素组成只与源区的铅同位素组成特征有关而 与重金属的迁移行为和轨迹没有关系这一特 点[ 2 0 - 2 1 | ，它才被广泛应用于环境样品，以监测和研 究环境铅的来源变化，有关土壤铅同位素示踪研究 起步较晚，其相对于大气颗粒物的研究要复杂的多， 土壤具有铅同位素组成不均一，纵向横向分布差异 明显，端元物质来源复杂，各端元物质贡献不稳定等 特点[ 2 2 - 2 5 l ，在土壤重金属污染研究中的应用主要 有几个方面。 3 ．1 判定土壤是否受特定污染源影响 判定环境是否受到污染时，通常的做法是选择 某一特定的区域 远离污染源 作为背景值，据此与 环境介质中污染元素总量进行对比来确定。实际上 未受人类影响的、原始清洁的自然背景含量已不可 能取到。如果考虑到多数由于人类工业活动所排放 的铅污染物不稳定，可下渗到下部土壤甚至地下水 中，仅利用土壤中铅浓度来评价它在土壤中的环境 影响是不够的【2 6 j 。 有时仅仅利用环境中铅浓度和铅同位素比值还 是不够。一项对以色列高速公路附近铅污染调查研 究显示，“汽油铅”是土壤中主要污染铅源，受污染程 度与其距离高速公路远近有关。下部土壤及远离高 速公路顶部土壤铅浓度及铅同位素组成与未受污染 土壤非常近似，通常情况下可以认为是未受污染的。 然而，若考虑到土壤的各种成分及其同位素比值的 话，那结论则完全不一样。在公路附近 8 2 3 m 下 部土壤及远离公路顶部土壤中除硅酸盐成分铅同位 素比值与自然铅一致外，其他所有土壤成分铅同位 素均偏离了自然背景铅而向汽油铅方向演化，这表 万方数据 1 6 0有色金属第6 0 卷 明所测试的土壤还是受到了“汽油铅”污染【2 6J 。 3 ．2 污染源示踪 近年来污染源示踪广泛应用于大气污染源示 踪、水体污染源示踪、沉积物污染源示踪、土壤污染 源示踪，国内外土壤污染源示踪工作主要有以下几 个方面。 为判别澳大利亚南部A d e l a i d e 土壤P b 的源区， G u l s o n 等[ 2 7 2 9 ] 采集了从A d e l a i d e 附近的一个城乡 交叉处到离A d e l a i d e5 0 k m 远的土壤，P b 同位素分 析表明，表层 约1 0 c m 土壤中含有大量来自B r o k e n H i l l 或M o u n t l s a 矿床的前寒武纪铅，也有少量年轻 一些的P b 存在，它们与来自M i s s o u r i 和年轻C a n a d a 矿床的铅相似。在A d e l a i d e ，这两种类型的P b 都 用来生产添加到汽油中的四乙基铅。源于母岩的天 然土壤P b 在3 0 ～4 0 c m 以下的土壤剖面中才是主 要成分，由此说明，果园喷洒、发电站和冶炼厂不是 主要表层土壤的P b 源，而是受到了汽油中四乙基 铅的沾染。P b 污染扩散的深度不会超过4 0 c m ，污 染物可以从源处扩散到至少5 0 k m 远的地方。 “ 为了区分土壤中人为和自然成因P b 以及由于 在土壤中的迁移而可能进入食物的危险性，M c G i l l 等[ 3 0 ] 将S E M 图像分析和等离子电离多接收质谱技 术结合起来，确定英国N o t t i n g h a m 和W o l v e r h a m p t o n 地区土壤中含P b 单颗粒的来源、迁移路径。结果表 明，在英国作为石油防爆添加剂的烷基铅和矿床P b 是两个主要污染源。获得的P b 同位素数据位于这两 个端元的混合区域内，表明可能存在次要P b 源，如水 管、屋顶、油漆、煤、煅烧炉灰和熔融矿渣。 R a b i n o w i t z [ 3 1 】等最近对上世纪美国几个州冶炼 厂附近土壤样本中的铅同位素组成进行了分析，结 果表明，虽然铅冶炼厂已经关闭多年，但目前旧址附 近土壤中的铅仍是当初冶炼厂污染所造成的。 R ．A ．S u t h e r l a n d 等L 3 2J 通过对道路两旁沉积物 中铅浓度和铅同位素组成进行分析，用以分配不同 排放源的污染量。Z h uB ．Q ．等【3 3J 通过测定珠江三 角洲地区风积尘、气溶胶和土壤中铅同位素组成，研 究表明铅同位素组成特征可以把珠江三角洲地区的 天然背景铅、汽车尾气铅和工业污染铅区分开，而且 证明其铅污染主要来自各种工业中铅金属的使用和 汽车尾气的排放。 杨元根等【3 4J 通过研究榨子厂附近一个废弃多 年的古老土法炼锌点土壤和沉积物中重金属积累的 P b 2 0 6 P b ／2 0 7 P b 1 ．1 8 2 3 ～1 ．1 8 5 3 ，平均为1 ．1 8 3 9 ， 与该区矿石中的比值1 ．1 7 3 6 ～1 ．1 8 7 0 非常一致 及 污染程度，显示研究区土壤中积累的P b 和S 为矿 山物质来源。’ 高志友等【3 5J 应用铅同位素示踪原理，对成都市 土壤的铅同位素地球化学特征进行了研究，表明成 都市燃煤端元和燃油端元物质的铅同位素组成总体 特征是放射成因铅高，燃煤的放射成因铅高于燃油， 特别是汽油铅和燃煤铅同位素组成区别明显。土壤 的铅同位素组成基本落在燃油铅和燃煤铅的范围， 表明燃油铅和燃煤铅是其主要的污染源，交通流量 大的城区铅同位素组成与燃油铅接近，郊区则呈现 燃煤铅的特征。 路远发等【3 6J 通过对茶园土壤中可溶相铅、残渣 态铅及城区表土全铅的同位素组成对比分析发现， 从土壤残渣态 代表土壤背景 一土壤可溶相一城区 表层土壤全铅2 0 6 P b ／2 0 7 P b 比值有明显的降低。2 0 8 P b ／2 0 6 2 0 7 ’P b 也有类似的变化趋势，将土壤与杭州 市的汽车尾气和大气等环境样品进行对比发现，随 着土壤受污染程度的增加，铅同位素组成逐渐向汽 车尾气铅漂移，表明汽车尾气排放的铅为其主要污 染源。 陈好寿等[ 3 7 ] 通过测定杭州地区工业和民用燃 煤及其残余物 煤灰、煤渣 和汽车尾气残余颗粒物、 土壤铅同位素比值 2 0 6p b ／2 0 4P b ，2 0 7P b 尸4P b ，2 0 8 P b p 0 4 p b 。2 0 6 p b ／岔0 7 P b ，发现土壤铅污染多数与汽油 铅关系密切，电厂及民用锅炉附近至少5 0 m 以内土 壤会受到燃煤污染。交通密集和公路或繁华街道的 两旁土壤受汽车尾气污染严重，表层土壤P b 也是 大气 扬尘、飞灰 铅的重要来源。 常向阳等[ 3 8 ] 通过分析珠江三角洲部分城区汽 车尾气、土壤、大气尘埃和气溶胶等的铅同位素组 成，说明该地区不仅存在严重的汽车尾气铅污染，而 且工业用铅以及铜、锌、铊等产生的污染则更为严 重。 W o n g 等[ 3 9 ] 分析了土样中C 0 ，C d ，P b 的化学分 异和铅同位素组成。结果表明，在许多采样点的农 作物、水稻和天然土壤中，铬和铅得到富集，尤其在 农作物土壤中非常突出，由此说明，大量使用化肥和 采用耕种方法不当使得农作物土壤受到了重金属铬 和铅的污染，有些土壤富集了来自汽车尾气和工业 的人为排放铅，它们与F e ／M n 氧化物和有机物／硫 化物相之间关系密切，说明外来污染源铅在沉积于 土壤中之后相对稳定。W o n g 等【4 0 J 通过对香港城区 土壤中铅的化学形态、含量及铅同位素比值进行分 析，表明交通要道旁边土壤已经受到严重的重金属 万方数据 第4 期 于瑞莲等土壤中重金属污染源解析研究进展1 6 1 污染，土壤中铅的浓度增加而2 0 6 P b 尸0 7 P b 降低，说明 铅污染主要是由于过去含铅汽油的燃烧引起的，2 0 6 P b ／2 0 7 P b 按碳酸盐态、可交换态、铁锰氧化态、有机 态、残留态顺序增加，进一步说明土壤中人类输入的 铅更具有溶解和迁移性，对环境有很大的危害。 3 ．3 确定外来污染源铅在土壤剖面中的迁移速率 铅的化合物在地表环境中很稳定，并且铅在各 类土壤、水体及植被中浓度很低，铅可在环境中滞留 很长时间。早期对土壤中铅迁移速率的研究认为铅 在森林土壤中的平均滞留时间为1 5 0 ～5 0 0 a 。然而 最近研究表明铅在森林土壤中的滞留时间要短得 多，只有1 7 ～8 0 a 【4 l I ，并且赋存于上部有机质层中的 铅在下部矿物层中进行了重新分配。 利用铅的含量及其同位素组成可以估计铅在土 壤剖面的迁移速率[ 4 2 J 。以色列一高速公路整个土 壤剖面汽油铅在4 0 a 的时间向下迁移了2 0 ～3 0 c m ， 平均迁移速率为0 ．5 c m ／a 。在具有5 5 5 a 历史的英 国D e r b y s h i r e 铅冶炼厂，地下断裂发育，发现在 4 ．5 m 深处铅同位素组成与冶炼厂废渣铅非常一致， 这说明此期间内铅垂向迁移了4 ．5 m ，迁移速率为 8 ．1 l m m ／a [ 4 1 ] 。 3 ．4 确定污染程度与判别污染途径 任何污染地区至少包括自然背景值和异常值 污染 两个方面，如何正确区分污染值及自然背景 值显然非常重要。如科拉半岛S e v e r o n i c k e l 冶炼厂 投入生产后，立刻引起毗邻该厂M o n c h e g o r s k 地区 表层土壤很强的铜、镍污染。当时的一些地球化学 家曾认为是下伏矿体剥蚀导致的次生晕，直到2 0 世 纪9 0 年代末期才查明该区C u ，N i 污染是由冶炼厂 造成的[ 4 3 j 。有时还可以利用同位素混合模型预测 未知污染源铅的组成特征，如E r e l 等【4 4 ] 利用2 0 6 P b 尸0 7 P b 一1 ／[ P b ] 模式图成功地预测出了该区未知 铅源的特点，2 0 6 p b ／2 0 7 P b 1 ．5 5 5 ～1 ．1 6 0 ，浓度约为 2 0 p g ／m 3 。 为了考察土壤铅污染源，W ．H a n s m a n n 等[ 2 1 ] 在 瑞士对选定区域的土壤剖面进行了铅同位素研究。 分析样品一部分采自瑞士国家公园，这里没有明显 的污染源，但铅含量却很高，另一部分样品采自苏黎 世北部污染区。主要污染源的铅同位素组成都已于 1 9 9 3 至1 9 9 5 年间取样测定。垃圾焚化炉里飘出的 飞灰的铅同位素组成 2 0 6 P b ／2 0 4 P b 保持在1 7 ．9 2 ～ 1 7 ．9 6 ，且不随厂区和采样时间的不同而变化。汽油 铅样品的铅同位素组成差异较大 2 0 6 P b ／2 0 4 P b 1 7 ．1 3 ～1 7 ．5 2 ，且具有最少的放射性成因铅同位素 组成。下水道中淤泥的同位素组成居中 1 7 ．7 4 ～ 1 7 ．8 8 ，气溶胶的铅同位素组成 1 7 ．4 9 ～1 7 ．7 7 介 于汽车尾气铅和焚化炉飞灰铅之间，表现出两者混 合的特征。由于空气沉积，考虑到气溶胶会随时间 演化，计算出2 0 世纪铅同位素的均值 1 7 ．9 9 。通 过未被污染的土壤的铅同位素组成 z 0 6 P b ／2 0 4 P b 1 8 ．8 与人工污染物的铅同位素组成的对比，可以监 测到几乎整个土壤剖面的污染情况。在人为铅污染 低的土壤中，铅主要来源于大气沉积，对于重度铅污 染土壤剖面，污染源多端元，铅污染的来源难以鉴 别。 K a s t e [ 4 5 ] 通过分析低绒度落叶林区域土壤铅同 位素组成，发现大气铅沉降主要富集在土壤表层 1 0 c m 附近，高纬度针叶林地区由于地表覆盖有较厚 的植被故阻止大气铅沉降至地表，近似能反映大气 6 0 年左右的铅含量变化。 T e u t s c h 等【2 6J 通过顺序提取法研究土壤剖面中 铅的化学形态，结合铅浓度及其同位素比值发现外 来污染源铅主要与土壤中碳酸盐成分有关，铅在土 壤剖面中的迁移主要是与碳酸盐结合向下迁移的， 而土壤上部硅酸盐成分中铅同位素比值的变化主要 是因为硅酸盐中自然背景铅与外来污染铅 人为污‘ 染铅 发生交换的结果。 刘敬勇等【4 6J 利用铊和铅具有相似的地球化学 性质，并且在云浮硫铁矿区污染土壤中其分布与铅 有很好的相关性，采用铅同位素作为示踪工具探讨 了土壤中铊的污染特征，初步研究表明，铊污染物主 要累积在土壤深度0 ～1 6 ．5 c m 范围内，深度为 1 6 ．5 c m 以下土壤受到废渣中铊污染的影响较小，但 废渣周围土壤深度约4 4 c m 范围已经受到来自废渣 中铊的影响。 4其他示踪技术在土壤重金属污染溯 源中的应用 4 ．1 锶同位素示踪技术在土壤重金属污染研究中 的应用 8 7 S r 是放射成因的，8 6 s r 是非放射成因的，它们 都是稳定同位素，且一般不因物理或生物过程发生 分馏作用。与P b 同位素类似，在研究物质迁移和 变化过程中，8 7 S r ／8 6 s r 同位素技术是行之有效的示 踪手段[ 4 7 】。叫 8 7 S r ／w 8 6 S r 的比值可用来监测土 壤一植物系统的污染，土壤样、煤飞灰中S r 同位素 质量分数比值可指示煤飞灰在土壤中的分布、转 移[ 48 | 。 万方数据 1 6 2 有色金属第6 0 卷 H u r s t 等[ 4 9 ] 通过分析美国内华达州一个正在运 行的火力发电厂周围的煤灰、土壤及植物的锶同位 素组成，清楚地揭示了燃煤对土壤环境锶的影响。 T h o m a s d 等[ 5 0 】通过分析受酸沉降影响土壤及其上 生长的红云杉中的8 7s r ／8 6s r 和碱土金属元素s r ， C a ，B a 地球化学特征，说明土壤及其上生长的红云 杉中c a 的来源。P r o h a s k a 等【5 1 j 通过分析森林道路 旁一条垂直剖面土壤中N H 4 N 0 3 提取态和总量 R b ，S r ，C a ，B a ，C u ，Z n ，M n ，F e ，P b ，C r ，C d 的含量，s r 和P b 同位素组成，发现垂直剖面6 0 c m 处土壤总量 的P b 同位素比值增加，1 2 0 c m 处土壤总量的盯S r 严 s r 比值增加，最表层土攘中N I - t 4 N 0 3 提取态的8 7 S r ／B 6 S r 比值比总量及其下层土壤中8 7 S r ／G 6 S r 比值 高，指示森林道路尘埃中的锶影响了最表层土壤， 1 2 0 c m 处土壤总量8 7 S r ／6 S r 比值的显著变化与这一 层的土壤岩性变化密切相关，同时能识别出最表层 土壤中由人为活动来源累积的重金属和深处土壤层 长期释放的重金属。 S t e i n m a n n 等【5 2 J 通过分析重金属污染土壤1 m o l ／LH A c ，1m o l ／LH C l 和1m o l ／LH N 0 3 三步连 续提取态中的稀土元素行为及铅，锶，钕同位素组 成，揭示了人为活动来源的铅主要富集在最表层0 ～1 0 c m 富含有机质土壤中，醋酸提取态中的8 7 S r ／8 6 S r 比率几乎恒定，土壤中碳酸盐来自区域出露的富 含碳酸盐的沉积物。大部分盐酸和硝酸提取态有较 高多的放射性锶同位素组成，稀土元素的深度分布 主要受控制于土壤醋酸提取态时的酸碱度及硝酸提 取态时的铁、锰氧化物。醋酸提取态中的稀土元素 含量随深度和土壤的p H 值增加，表明它们源自于 表面，因此是人为来源0 1 4 3 N d ／1 4 4 N d 同位素比值呈 现出土壤剖面自然端员和人为端员物质的混合，人 为活动来源的稀土元素以溶解态碳酸盐化合物形式 搬运，然后随着土壤p H 的增加向下迁移沉淀。 4 ．2 锌同位素示踪技术在土壤重金属污染研究中 的应用 近年来，多接收器电感祸合等离子体质谱议 M C I C P M S 的快速发展，使自然体系中过渡族金 属同位素的高精度测定成为可能，利用多接收电感 耦过渡族金属同位素的研究日益受到关注，过渡族 元素同位素体系在地球化学、环境科学等方面有着 广泛的应用前景‘5 3J 。 s e t h 等[ 5 4 】分析了几种不同人为来源 纯金属 锌、锌粉尘、美国便士、电镀五金、快速纯化电化学镀 金属锌、镀锌钢、维生素 艿6 6 z n 护6 Z n [ 6 6 z n ／6 4 Z n 。m p l 。／ 6 6 Z n ／s 4 Z n J M c3 - 0 7 4 9 L 一1 ] 1 0 3 值的变 化范围一0 ．5 6 ‰～- I - 0 ．5 8 ‰，远小于锌矿床样品的 总扩6 Z n 值，锌在矿石加工和纯化过程中锌同位素 易均一化，电镀五金中显示出含较多的轻锌同位素， 电镀过程中重锌同位素可能被纳入废物流。通过确 定这些典型的常见锌产品8 6 6 Z n 值的范围，能更有 效地利用锌同位素示踪不同人为锌的来源。 J 6 r 6 m e 等[ 5 5 ] 通过分析喀麦隆南部一个由花岗 岩母岩发育的典型山坡地土壤剖面的锌同位素组 成，表层枯枝落叶层和大多表层土壤扩Z n 值为 0 ．1 2 ‰至0 ．2 5 ‰，植物根系土壤层舻6z n 值为 0 ．4 2 ‰- 0 ．7 6 ‰，深部与表层土壤锌同位素组成之 间的差别，表明锌同位素可被用来判断土壤层中由 河水灌溉造成的锌和其他重金属污染来源。 4 ．3 放射性核素示踪技术在土壤重金属污染研究 中的应用 王凌青等【5 6 ] 研究了宝鸡燃煤电厂周围土壤天 然放射性核素的空间分布特征，研究结果显示，宝鸡 燃煤电厂周围土壤中2 2 6 R a 平均比活度稍低，变化范 围是1 2 ．5 4 ～4 0 ．1 8 B q ／k g ，2 3 2 T h 平均比活度比较 高，变化范围分别是。3 8 ．0 2 ～7 2 ．5 5 B q ／k g ，空间分布 具有明显的西北一东南向条带状特征，这一效应可 能与主导风向影响引起电厂飞灰沉降的不均衡有 关。M a y s 和M o r t v e d t 报道了在一块按1 1 2 t ／h m 2 施肥的土地上，大约一年后，在1 5 c m 表层土壤中2 2 6 R a 的活度从3 5 增加到7 3 B q ／k g ，在1 5 c m 表层以下 土壤中放射性活度没有改变”7 j 。S u l l y 等对一块未 受污染的土壤中2 2 6 R a , 2 2 8 R a 和2 2 8 T h 的空间变异特 性进行了分析，指出这些放射性核素相当均匀地分 布在地表2 5 c m 的土壤中[ 5 8 ] 。张骏等研究发现[ 5 9 】， 粉煤灰的施用使土壤中2 2 6 R a 和2 2 8 R a 的比活度上 升，施粉煤灰后的土壤中2 2 6 R a 和2 2 8 R a 的存在形态 主要为非交换态，土壤中可交换态2 2 6 R a 和2 2 8 R a 比 活度分别只占土壤中2 2 6 R a 和2 2 8 R a 比活度的1 ．6 ％ ～0 ．4 ％和5 ．4 ％～1 ．1 ％。 5 研究展望 污染物来源的鉴别，在微观上对人们认识污染 元素在土壤中的化学行为及其与作物和环境的关系 等方面的机理提供重要的证据，宏观上是对环境质 量现状、污染程度进行正确评价和对污染源进行准 确、有效治理的前提。然而，由于重金属污染来源非 常复杂，因而对其识别是一个比较困难的过程。目 前，土壤中重金属污染来源解析方法还存在各自的 万方数据 第4 期于瑞莲等土壤中重金属污染源解析研究进展1 6 3 不足，因此，有必要对土壤中重金属污染源解析问题 展开全面、系统的研究，尤其是在以下几方面应得到 加强与发展。 1 国内外首先采用环境地球化学中的化学质 量平衡法 C M B 、因子分析法 F A 、富集因子法 e n r i c h m e n tf a c t o r ，E F 、多元线性回归 M L R 探索 环境中重金属污染物来源，通过对环境中重金属富 集因子的相关性分析，确定不同环境介质重金属对 土壤重金属累积的影响，但有时应用C M B 法和富 集因子法解析重金属污染来源时采矿尘、冶金尘以 及土壤尘的成分区别不明显，标识元素的选择较困 难L 6 0 J 。富集因子法只能定性的判断降尘中元素的 来源，解析的结果含有较多的主观因素。 2 国内外较多采用单一铅同位素示踪土壤中 重金属污染物质的来源，利用铅同位素的二元混合 模型定量评价外来污染源铅对土壤污染的贡献及影 响，查明某些重金属元素与铅含量的相关性，借助铅 参考文献 同位素示踪技术对这些元素的来源进行示踪研究。 3 进一步应用放射性核素和Z n 同位素示踪 土壤中重金属污染物质来源。 4 综合运用多种来源解析方法，相互辅助从而 便于解释和鉴别土壤重金属污染的来源。如基于 G I S 技术的空间分析与多元统计的结合L 6 1 | ，空间分 析与多元统计的结合垂直剖面重金属元素含量、形 态分析与多元统计的结合[ 6 2 ] ，垂直剖面重金属元素 形态分析和铅同位素比值的结合[ 6 3 ] 、铅同位素比值 与多元统计的结合等。 5 查明环境主要污染端元物质的铅、锶、锌同 位素和放射性核素 2 2 6 R a ，2 2 8 R a ，2 3 8 U ，2 3 2 T h 组成， 结合研究对象的同位素组成分布特征和一些环境因 素，辅以元素地球化学特征，对污染物污染范围、污 染程度进行半定量、定量区分以及定量评价人为活 动释放污染物对环境质量的相对贡献和影响。 [ 1 ] 高志友，尹观．铅同位素在示踪城市环境污染源研究中的应用[ J ] ．广东微量元素科学，2 0 0 5 ，1 2 7 1 7 2 1 ． [ 2 ] 吕晓男，孟赐福，麻万诸．重金属与土壤环境质量及食物安全问题研究[ J ] ．中国生态农业学报，2 0 0 7 ，1 5 2 1 9 7 2 0 0 ． [ 3 ] 姚玉增，金成洙．铅同位素示踪技术及其在辽宁省矿业环境评价中的应用前景[ J ] ．地质与资源，2 0 0 4 ，1 3 4 2 4 2 ～2 4 5 ． [ 4 ] 朱坦，自志鹏．源解析技术在环境评价中的应用区域大气污染物总量控制[ [ J ] ．中国环境科学，2 0 0 0 ，2 0 s 1 2 6 ． [ 5 ] L a n t z yRT ，M a i k e n z i eFT ．A t m o s p h e r i ct r a c em e t a l s g l o b a lc y c l e 8a n da s s e s s m e n to fm a n ’si m p a c t [ J ] ．G e o c h i mC o s m o c h i m A e t a ，1 9 7 9 ，4 3 4 5 1 1 5 2 5 ． [ 6 ] 戴树桂，朱坦，白志鹏．受体模型在大气颗粒物源解析中的应用和进展[ J ] ．中国环境科学，1 9 9 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2 5 6 ． [ 1 4 ] D a v i e sBE ．H e a v ym e t a lc o n t a m i n a t e ds o i l si na no l di n d u s t r i a la r e ao fW a l e s ，G r e a tB r i t a i n s o u r c ei d e n t i f i c a t i o nt h r o u g hs t a t i s t i c a ld a t ai n t e r p r e t a t i o n [ J ] ．W a t e r ，A i ra n dS o i lP o l l u t i o n ，1 9 9 7 ，9 4 1 ／2 8 5 9 8 ． [ 1 5 ] C e J i n eS i u l a nL e e ，X i a n g d o n gL i ，W e n z h o n gS h i ．M e t a lc o n t a m i n a t i o ni nu r b a n ，s u b u r b a n ，a n dc o u n t r yp a r ks o i l so fH o n g K o n g As t u d yb a s e do nG I Sa n dm u l t i v a r i a t es t a t i s t i c s [ J ] ．S c i e n c eo fT h eT o t a lE n v i r o n m e n t ，2 0 0 6 ，3 5 6 1 3 4 5 6 1 ． [ 1 6 ] 张长波，李志博，