在金属矿山采选过程中,土壤是最直接的收纳体,金属矿山采选所产生的废石、尾矿和酸性矿山废水会造成矿区及周边土壤中重金属的累积^{[1, 2]},累积在土壤中的重金属可通过食物链的富集作用进入人体,对人类健康造成一定程度的危害和影响.国内外学者对矿区重金属污染做了大量研究^{[3, 4, 5, 6, 7]},主要包括重金属污染来源和评价研究^{[8, 9, 10, 11, 12, 13]}、重金属的形态和生物有效性研究^{[14, 15, 16, 17, 18]}、重金属在土壤和水体中的迁移转化和释放机理^{[19, 20, 21, 22]}研究等等.

近年来人们逐渐认识到土壤腐殖质(Humic substances,HS)在重金属迁移转化过程中的重要作用^[23],研究表明腐殖质中有多种具有很高反应活性的官能团,它们对环境中的重金属离子具有强烈的结合能力,可以通过吸附和络合反应与重金属发生相互作用,从而影响重金属污染物在环境中的迁移转化和生物有效性^{[24, 25]}.腐殖质是土壤有机质的重要组成部分,是由动植物及微生物残体经生物酶分解、氧化以及微生物合成等过程逐步演化形成的一类高分子芳香族醌类聚合物^[26].胡敏酸(Humic acids,HA)是土壤腐殖质的可溶性组分之一,虽然胡敏酸在腐殖质中所占的比例很小,却是腐殖质中化学活性和不稳定性最高的组成部分^{[27, 28]},已有学者对重金属在污染土壤中胡敏酸的分布特征进行研究.李文军对开封市土壤有机质的组成、性质和重金属赋存情况进行了初步研究,结果表明胡敏酸中Cu元素含量最高,其次是Pb和Zn,Zn与胡敏酸含量呈显着相关^[29].Reyes-Solís等^[30]对墨西哥中部一污灌区不同深度土壤中的胡敏酸和富里酸进行提取并测定了重金属Cu、Zn、Cr和Pb在土壤、胡敏酸和富里酸中的含量,结果表明Cu和Zn含量主要与胡敏酸相关,并且土壤深度会影响重金属与腐殖质的相关性.因此,研究重金属在胡敏酸中的分布特征及相关性可以从宏观上了解重金属和胡敏酸之间的关系,为进一步从微观上研究胡敏酸的分子结构以及与重金属之间的作用机理奠定基础.

密云水库作为北京市重要的饮用水源地,相关学者对其周边矿区土壤的重金属进行了研究,主要包括重金属污染特征、形态分布和风险评价研究,但大多只是初步探讨了重金属与有机质的关系,并未深入研究腐殖质对重金属分布的影响^{[31, 32]}.鉴于此本文选取密云水库上游铁矿区为研究对象,对区域内典型的铁矿矿区进行土壤样品采集,并使用国际腐殖质协会(IHSS)推荐的方法从土壤中提取胡敏酸,研究了8种重金属元素在土壤样品和胡敏酸中的分布特征,并应用相关性分析法和富集因子法研究了重金属和胡敏酸之间的相互关系. 1 材料与方法 1.1 研究区域概况

密云水库位于北京市密云县城北13 km处,地理坐标为北纬40°23′、东经116°50′(图 1),属于大陆型半干旱半潮湿季风型气候.密云水库于1960年建成,属海河流域潮白河系,分白河、潮河、内湖3个库区.目前为北京市最大且唯一的饮用水源地.密云水库上游矿产资源丰富、矿山开采频繁,矿石采选过程中产生的废石尾矿、扬尘和废水,通过风化侵蚀、大气沉降和地表径流等作用已经对区域内土壤和水系造成了一定的影响^[31].本研究选取密云水库上游铁矿区为研究对象,包括四合铁矿区、小漕铁矿区、安子沟铁矿区、太师庄铁矿区和流河沟铁矿区(目前均已闭矿).采用网格布点法对铁矿区内土壤进行采集,采样位置见图 1,采样时间为2013年9月.共设11个采样点,采集深度分别为0~20 cm和20~40 cm,即每个采样点采集0~20 cm和20~40 cm土壤样品2个,共采集土壤样品22个.所有土壤样品保存在塑封袋中,并依次进行编号.带回实验室后将其风干,去除其中较大的砂石和草根等杂质,风干后的土壤样品装入新的塑封袋中,置于阴凉干燥处备用.

图 1 研究区域及采样点位置 Figure 1 Schematic map of studied area and sampling

图选项

首先进行土壤样品的基本理化性质(pH和总有机碳)测定,然后从土壤样品中提取胡敏酸,最后对土壤原样和胡敏酸中的重金属含量进行测定.具体方法分述于下.

(1)土壤pH值测定:采用电位法,使用超纯水作为浸提剂^[33].

(2)土壤有机质(OM)测定:使用LiquiⅡ(Elementar)测试仪测定土壤中总有机碳(TOC)的含量,测定值乘以1.724即为有机质含量^[34].

(3)土壤胡敏酸的提取和纯化:胡敏酸提取与纯化采用国际腐殖质协会推荐的方法,并加以改进.具体步骤为:①称取75 g土壤样品放入1000 mL塑料瓶中,用1 mol·L^-1 HCl调pH为1~2之间,然后加入0.1 mol·L^-1 HCl至液固比为10∶1(10 mL∶1 g).在室温下振荡1 h,溶液稳定后移液或者低速离心分离上清液和沉淀物.②用1 mol·L^-1的NaOH将沉淀物pH调为7.0,然后在N₂保护下用0.1 mol·L^-1 NaOH调整液固比10∶1.N₂条件下间歇性振荡至少4 h,静置过夜后移液或离心收集上清液.③用1 mol·L^-1 HCl酸化上清液,持续搅拌至pH =1.0,静置12~16 h,沉淀物即为粗制胡敏酸.④在N₂的保护下,加入少量的0.1 mol·L^-1的NaOH溶解胡敏酸,高速离心,分离去除悬浮物后,向溶液中加入1 mol·L^-1 HCl并持续搅拌至pH=1.0,静至12~16 h.离心分离胡敏酸沉淀.⑤向胡敏酸沉淀物中添加0.1 mol·L^-1 HCl/0.3 mol·L^-1 HF 的混合溶液,在室温下振荡过夜.离心并重复处理,直至灰分小于1%.用水使沉淀物成泥浆状态并转移至透析袋中,用超纯水透析直至AgNO₃检测不到透析水中的Cl^-.冷冻真空干燥胡敏酸,4 ℃冰箱中避光保存.⑥使用分析天平称量冷冻干燥后的胡敏酸的质量(g),除以75 g即为胡敏酸在土壤样品中的质量分数,本文中简称为胡敏酸含量.

(4)土壤样品和胡敏酸中重金属含量测定:根据GB/T 14506.30-2010《硅酸盐岩石化学分析方法 第30部分:44个元素量测定》,使用PerkinElmer,Elan DCR-e 型等离子体质谱分析仪进行测定.土壤样品和胡敏酸中的重金属含量均采用此种方法测定. 1.3 富集因子评价法

采用富集因子来表征胡敏酸对重金属元素的富集程度.富集因子的计算方法是将测试样品中元素的浓度与基线中元素浓度进行对比,由此来判断表生环境介质中元素的人为污染状况.Sutherland^[35] 根据富集因子的大小,将污染程度划分为5个级别,如表 1所示.标准化元素常选择表生过程中地球化学性质稳定的元素作为参比,如Al、Ti、Fe、Sc等.富集因子计算公式如下:

表 1 富集因子(EF)的污染判断标准 Table 1 Grades of contamination degree by enrichment factor

表选项

密云水库上游铁矿区土壤的pH值、有机质含量和HA含量如表 2所示.由于S2、S6、S7和S10的有机质含量较低(<0.90%),未能提取出足够量用于测试的胡敏酸,因此只对其他7个采样点14个土壤样品进行胡敏酸的提取与测试.在采样深度为0~20 cm的土壤样品中,pH大部分趋于中性(6.89~7.45);有机质的含量范围为0.77%~3.60%,变化范围较大,有机质的最小值出现在S10,为安子沟铁矿区表层土,有机质的最大值出现在S4,为庄稼地表层土;胡敏酸的含量范围为0.028%~0.183%,平均值为0.055%,占有机质平均含量的2.65%.

表 2 密云水库上游铁矿区土壤 pH值及有机质(OM)、胡敏酸(HA)含量 Table 2 pH values,organic matter and humic acid contents in soils

表选项

在采样深度为20~40 cm的土壤样品中,pH值的范围为5.85~8.06,与表层土壤相比,除了S1和S4点外,pH值差别不大;有机质的含量范围为0.60%~2.36%,平均值为1.28%,大部分采样点20~40 cm土壤的有机质含量低于表层;胡敏酸的含量范围为0.028%~0.134%,平均值为0.045%,占有机质平均含量的2.42%.与有机质相似,随着土壤深度增加,胡敏酸含量降低. 2.2 土壤样品及胡敏酸中重金属的分布特征

本研究对土壤样品和胡敏酸中的V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb含量进行了测试分析,采用海河流域土壤元素背景值^[36]作为参比,进而确定密云水库上游铁矿区土壤重金属污染情况.对各采样点重金属含量的统计学分析见表 3.结果表明,除Pb元素外,其他重金属含量的平均值都已经超出了海河流域土壤背景值,Cr和Ni元素甚至超出了1~2倍.不同采样点同一深度的土壤样品中:Zn元素含量变化不大(99.1~71.6 mg·kg^-1,99.5~66.6 mg·kg^-1),变异系数为0.09~0.12;Cr、Ni、Cd和Pb元素的含量变化范围较大,变异系数为0.4~0.6,这4种元素的分布呈现一定的空间差异性,研究区域已经受到一定程度的人为活动影响^[35].同一采样点不同深度的土壤样品中,V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的浓度变化不大,即8种重金属元素在0~20 cm和20~40 cm土壤中的含量基本相同,说明深度对重金属元素在土壤中的含量分布影响不大.密云水库上游铁矿区土壤样品中重金属元素平均含量从大到小为Cr>V>Zn>Ni>Cu>Co>Pb>Cd.

表 3 土壤样品和胡敏酸中重金属含量(mg·kg^-1)的统计学分析结果 Table 3 Statistics of concentrations of heavy metals in humic acids and soils (mg·kg^-1)

表选项

表 3显示胡敏酸结合态重金属含量与对应的土壤样品重金属含量.胡敏酸结合态的Cr、Cu和Zn元素的含量明显高于其他5种元素,其平均含量分别为19.9、66.2、14.5 mg·kg^-1(0~20 cm).重金属元素在不同深度的胡敏酸中的分布特征表明,不同采样点的胡敏酸中的V、Cr、Zn和Cd含量变化范围较大,特别是Zn,而在土壤样品中Zn含量的空间变化不大,说明不同采样点的土壤特性不同,胡敏酸的来源不同,使得胡敏酸对Zn元素的吸附和结合能力也不同.除了Cu元素外,其他重金属元素在胡敏酸中的含量均比土壤样品中低,没有在胡敏酸中出现富集,而Cu元素在胡敏酸中的平均含量是土壤样品的1.5倍,说明胡敏酸对Cu元素的吸附和络合作用很强.朱先芳等^[37]研究密云水库沉积物中腐植酸对重金属的吸附结果也表明,腐植酸结合态的Cu含量明显高于Cr、Ni、Mn、Cd和V等金属,腐植酸比沉积物对Cu具有更强烈的吸附络合能力,该研究认为密云水库沉积物中的Cu主要来源于矿业活动和自然来源,人为来源的金属离子容易被腐植酸吸附结合.在不同深度的胡敏酸中,Cd元素在20~40 cm 胡敏酸中的含量比表层大,其他元素的平均含量随深度变化不大,说明不同深度的胡敏酸对重金属吸附特性差别不大. 3 讨论 3.1 土壤样品和胡敏酸各指标间的相关性分析

在对铁矿区土壤pH值、有机质含量、胡敏酸含量及土壤样品和胡敏酸中8种重金属含量进行统计分析的基础上,分析了各指标间的相关关系,得出了对应的Pearson相关系数,结果如表 4和表 5所示.表 4是22个土壤样品中的重金属与其他指标的相关系数,表 5是14个样品中提取的胡敏酸中的重金属与其他指标的相关系数,从中可以看出,土壤中的重金属和胡敏酸中的重金属与其他指标间的相关性是不同的.

表 4 土壤样品中重金属与pH、有机质和胡敏酸含量的相关系数 Table 4 Correlation coefficients of heavy metals,pH,organic matter and humic acids in soils

表选项

表 5 土壤胡敏酸中重金属与有机质和胡敏酸含量的相关系数 Table 5 Correlation coefficients of heavy metals,organic matter and humic acids in HA

表选项

从表 4可以看出,V、Cr、Co、Ni、Cu、Cd和Pb与有机质含量和胡敏酸含量均表现出了显着相关性(P<0.01),并且相关系数变化趋势一致,其中V、Cr、Co、Ni和Cu与有机质和胡敏酸含量均呈显着负相关,Cd和Pb与有机质和胡敏酸呈显着正相关.吕金妹^[38] 对崇明东滩沉积物腐植酸与重金属的相关性研究认为,沉积物中的细颗粒物质是腐植酸和微量元素的重要载体,腐植酸主要吸附到沉积物中相对较细的颗粒上从而与细颗粒物质一起吸附重金属.并且V、Cr、Co、Ni和Cu之间呈两两显着正相关(P<0.01),Cd和Pb之间呈显着正相关(P<0.01).因此,本研究中与胡敏酸呈负相关的V、Cr、Co、Ni和Cu很有可能主要赋存于较粗颗粒,而Cd和Pb则主要来源于较细颗粒.Cd和Pb与有机质和胡敏酸显着的相关性还表明有机质中的Cd和Pb主要以胡敏酸结合态存在.同时可以看出,V、Co和Cu也与胡敏酸和有机质含量之比(HA/OM)呈显着负相关,Cr、Ni、Zn与HA/OM呈负相关,说明重金属在土壤中的含量不仅受有机质含量的影响,还与胡敏酸在有机质中的质量分数有关.

从表 5可以看出,各重金属与胡敏酸的相关性很小,相关系数的绝对值<0.4.这说明胡敏酸中的重金属浓度与胡敏酸含量基本无关,原因是在胡敏酸的提取和纯化过程中,重金属的存在形态很可能发生了转变.一方面是非胡敏酸结合态的重金属在胡敏酸的吸附和络合作用下转化为胡敏酸结合态的重金属,另一方面是胡敏酸结合态的重金属在提纯过程中发生解吸,转化成以非胡敏酸结合态形式存在.表 5还反映了胡敏酸中重金属元素之间的相关性,V和Ni、Cr、Pb呈显着相关性(P<0.01),V和Zn也呈显着相关性.朱先芳^[37] 研究认为,胡敏酸结合态金属主要来源于环境中游离态的金属离子,胡敏酸中金属含量的相关性表明金属之间有一定相似或相同的来源,因此胡敏酸结合态金属含量的大小可以反映人类活动的影响. 3.2 胡敏酸对重金属元素的富集

以土壤样品中重金属含量为背景值,对V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的含量与Sc含量进行标准化比值计算,得到各重金属在不同深度的胡敏酸中的富集系数(图 2).可以看出在不同深度的胡敏酸中,各重金属元素的富集因子变化规律是一致的.在0~20 cm和20~40 cm胡敏酸中,V、Cr、Ni、Zn和Pb的富集系数均<1,说明这5种重金属元素在胡敏酸中没有出现富集.Co和Cu元素在不同深度的胡敏酸中均出现了明显的富集,特别是Cu的平均富集因子>6,富集程度很高.由此可见,胡敏酸对V、Cr、Ni、Zn和Pb的结合能力不强,而对Cu元素的结合能力很强,胡敏酸是土壤中Cu离子的一个重要化学载体.Cu可以和腐植酸中羧基和羟基功能团发生吸附络合作用,Cu与其他离子同时存在下能够在腐殖质中竞争得到更多络合点位而形成更稳定的络合物.因此,胡敏酸对Cu有很大的吸附容量,胡敏酸比相应的土壤本身对Cu具有更强的络合能力,且胡敏酸与Cu形成的腐植酸络合态结构稳定,不容易发生形态改变^[37].在0~20 cm的胡敏酸中Cd的富集因子平均值为1,而在20~40 cm的胡敏酸中Cd的富集因子平均值为3,最大值甚至达到7,说明20~40 cm的胡敏酸对Cd的富集程度更高.这可能是由20~40 cm胡敏酸与表层胡敏酸的分子特性不同所致.不同采样点的胡敏酸结合态金属含量有明显的差异,在相同采样点不同金属元素与胡敏酸络合量也不同,表明胡敏酸与金属元素的结合不仅与胡敏酸本身结构有关,也与离子类型和环境中的离子含量有关^[37].

图 2 胡敏酸中重金属元素富集因子 Figure 2 Enrichment factors of heavy metals in humic acids

图选项

(1)密云水库上游铁矿区受采矿活动和其他人为活动影响的土壤已经受到一定程度的污染.

(2)土壤深度对土壤中的重金属含量影响不大,但对胡敏酸中的重金属含量有影响,主要是由于不同深度土壤中的胡敏酸对重金属的吸附和结合能力不同.

(3)不同采样点同一深度的土壤样品中Zn元素的含量变化范围不大(变异系数为0.09~0.12),但在相对应的胡敏酸中Zn元素的含量变化范围很大(0.78~0.85),说明来源于不同采样点的胡敏酸结构不同,对Zn的吸附特性不同.

(4)相关性分析表明重金属在土壤中的含量不仅受有机质含量的影响,还与胡敏酸在有机质中的质量分数有关.富集因子分析表明胡敏酸对V、Cr、Ni、Zn和Pb的结合能力不强,而对Cu元素的结合能力很强,不同深度的胡敏酸的分子特性不同.可以进一步研究胡敏酸的分子结构特性与胡敏酸对重金属结合能力之间的关系.