贫铀是天然铀经富集、提取²³⁵U后的副产品，其中²³⁵U的含量约为0. 2% ~ 0. 3%，²³⁸U含量约为99. 8%，其比活度为14. 8 kBq/g，约为天然铀的60%^[1]。贫铀属于长寿命核素，半衰期长达4. 49 × 10⁹a，同时具有放射性和重金属毒性，对肾脏、免疫系统、神经系统都有不同程度的损害，并且影响胎儿的发育，有可能发生DNA致突和致癌作用^{[2, 3]}。

美国在1991年的海湾战争中首次大规模使用了贫铀弹，用量大于300吨，1999年在科索沃冲突中再次使用，用量约30t。海湾战争综合症和巴尔干综合症引起了人们对贫铀使用后，对环境影响的重视。法国贫铀试验场的贫铀在30a内大约向下迁移了30cm，贫铀的迁移导致试验场地下水中铀浓度升高到25μg/L，而周围地区地下水的铀浓度不超过8μg/L^[4]。长期存在于土壤中的贫铀，有可能迁移进入地下水、并转移到农作物、水生生物等各种动植物体内，对人类健康造成危害，所以有必要研究贫铀在土壤中迁移的规律，以掌握贫铀的迁移情况。

土壤样品基体复杂，U元素的含量低，属痕量范畴。要准确测定其含量以及同位素丰度比并非易事，电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术具有灵敏度高、干扰少、检测限低、快速、可同时进行同位素浓度和比值的测定等优点^[5]。因此，实验利用ICP-MS测量土壤中铀浓度及²³⁵U/²³⁸U值。

元素迁移研究主要有实验室模拟和野外现场实验，其中实验室模拟占有重要地位，它可以通过控制其它实验条件，专门研究一种环境因素对元素迁移的影响，这是野外现场实验无法做到的。

本研究在本实验室郭志英^[6]所建模型的基础上，做了进一步改进，并且利用ICP-MS同时测量土壤中铀浓度和²³⁵U/²³⁸U值，而导出的DU在土壤中的迁移深度验证改进模型的模拟效果。

1 材料与方法 1.1 实验用土壤

实验用土壤取自北京地区地表以下2m，于干燥箱中80℃烘干，经粉碎机粉碎后，再过80目筛，用自封袋密封，备用。

1.2 仪器和装置

ICP-MS(Agilent 7500ce型，美国安捷伦有限公司)、超纯水制备系统(MILLI-Q Element，日本Millipore有限公司)、AE240型电子天平(AE240，瑞士METTLER公司)、酸度计(8417型，意大利HANNA公司)、多用预处理加热仪(XT-9800，上海新拓微波溶样测试技术有限公司)、流量计(LZB-3WB，江苏常州市成丰流量仪表有限公司)、蠕动泵(HL － 1B型、上海沪西分析仪器有限公司)。

1.3 试剂

浓硝酸(电子纯，65%，德国MERCK公司)、氢氟酸(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)、浓硫酸(分析纯，北京兴青红化工厂)、H₂O₂ (分析纯，30%，国药集团化学试剂有限公司)、标准物质溶液(#5183-4683，美国安捷伦有限公司)、Pt内标溶液(GSB 04-1744-2004，国家有色金属及电子材料分析测试中心)。

1.4 实验方法 1.4.1 模拟DU迁移装置的建立

郭志英建立的贫铀迁移模拟装置如图 1所示。

实验用循环柱采用普通玻璃制作而成，内径30mm、总长400mm，蠕动泵提供动力将贮液瓶内的液体从循环柱的底端输送到上端，接液漏斗的设置是为了循环过程中方便随时取样测量，淋洗液在实验过程中是循环使用的。

用图 1装置模拟20年雨水淋洗DU在土壤中的迁移深度最大不超过8cm，于水等^[7]测得我国铀模拟实验舱周围土壤中DU扩散至25cm以外，实验结果与现场测量结果相差较大，因此，在上述模拟装置的基础上，我们对装置作了进一步完善，图 2为改进的的装置示意图。

有机玻璃柱内径50mm，外径60mm，总长350mm，分为7节，每节长50mm，以便于分层取样及清洗。节与节连接处装有垫圈，起到密封作用，以防漏水。有机玻璃比普通玻璃结实耐用，方便拆卸和安装。上下隔层处设有带孔的有机玻璃挡板，起到承载土壤重量和压力的作用，挡板两端铺有滤纸、玻璃棉，防止土壤透过挡板进入淋溶液或淋出液(图 3)。

在蠕动泵的初始调节下，流量计的安装可以更精确的调节流速。实验中淋滤液不再循环使用，一方面考虑到循环过的淋滤液，其pH值、元素含量与初始淋溶液不同，会影响实验结果; 另一方面便于监测实验过程中淋滤液pH值和铀含量及²³⁵U/²³⁸U的变化，以便确定何时DU迁移出土壤进入淋出液。

将含1mg/cm³ DU的污染土壤加在柱子的最底端1cm处，然后用制备好的土壤将柱子填满、压实，柱子两端分别铺上滤纸、玻璃棉、有机玻璃挡板。

用硅胶管连接好装置，接通电源，调节蠕动泵转速和流量计流速，使流速达到0. 3 ~ 0. 5ml/min，定期收集淋出液，测其pH值和铀浓度。当总流量达到3 500ml时，停止通水，将柱子上下端硅胶管取下，卸开顶层盖子。分层取样，样品于80℃烘干、研磨，用自封袋密封，待测。

1.4.2 底层污染土壤中贫铀添加量的确定

依据UNEP假设^[8]: 3架飞机攻击几辆车辆，将导致10kgDU散落在1 000m²地面上，假设DU对于土壤的污染发生在上层1cm范围内，则贫铀在表层1cm土层内的分布密度是1mg/cm³。测得北京地区土壤密度为1. 46 g/cm³，实验用DU粉末U含量为19. 1%，柱子内径为5cm，故将102. 7mgDU混入28. 65g土壤中配制成1mg/cm³的污染土壤。

1.4.3 淋溶液总流量的确定

气象资料^[9]表明我国年均降水量为500mm左右，考虑到实验设计中水流量的限制和实验周期问题，确定淋溶液总流量为3 500ml，用于模拟3. 5a降水对贫铀迁移深度的影响。

1.4.4 淋溶液流向的确定

与现场情况相反，实验中含有DU的土壤是加在柱子最底部的，这样做主要是考虑到，如果水流从上向下流，会造成大部分淋溶液沿管壁流下，而真正穿过土壤流下的水量很少，达不到模拟现实降雨的目的，从而影响实验结果。

1.4.5 土壤pH值的测定

本实验秤取20g土样于50 mL烧杯内，加入20 mL去离子水，持续搅拌悬浮液5min。静置悬浮液约1h，使悬浮液的大部分固体沉淀，必要时利用过滤或离心取得水相层，测定其pH值。

1.4.6 实验分组

前期实验做了pH = 5. 6的正常降雨、pH = 4. 0和pH = 3. 0的酸雨淋溶土壤，根据DU迁移情况验证模拟装置的可行性。

1.4.7 DU在土壤中迁移深度的确定

正常土壤中²³⁵U/²³⁸U值几乎恒定，约为0. 00720，如果土壤受到DU污染，²³⁵U/²³⁸U值将会降低，所以土壤中²³⁵U/²³⁸U值可以作为判断土壤受DU污染的敏感指标，通过测定²³⁵U/²³⁸U值判断土壤是否受到贫铀污染; 实验测得对照土壤的U含量为1 137μg/kg，在考察土壤受DU污染程度时，还应考虑土壤中U含量的变化程度。实验中，若土壤中²³⁵U/²³⁸U值小于0. 0065，并且U含量大于正常本底值的1. 2倍，就认为贫铀已经迁移到此处。

2 结果 2.1 对照土壤的pH值

用上述方法测得对照土壤的pH值为8. 70，参照戴树桂对土壤酸碱度分级方法^[12] (如表 2所示)，实验用对照土壤酸碱性属于强碱性。

2.2 DU在不同pH淋溶液下的迁移深度

随着降雨酸度的增加，贫铀迁移深度明显增加，其中pH = 3. 0的实验组已经超出了35cm，进入淋出液。淋出液中铀的量为140. 64μg，也远远超出正常本底值2μg左右，从比值²³⁵U/²³⁸U的变化来看，当淋溶液在1 900ml ~ 2 400ml时，²³⁵U/²³⁸U = 0. 005779，贫铀已经迁移出土柱的最顶端。

在三种模拟降雨酸度条件下，淋出液pH变化不大，在7. 12 ~ 8. 18之间，由于土壤中阳离子与酸雨中氢离子发生交换反应，使得淋出液pH值大于淋溶液pH值。淋出液U含量随淋溶液酸度增大而增加，分别为1. 97μg、2. 66μg、140. 64μg。

2.3 两种实验装置模拟结果与现场测量值的比较

原装置模拟DU在土壤中迁移20a最大迁移距离才到达8cm，与科索沃战争后1. 5a贫铀就已经迁移到20cm相差甚远。而改进后装置DU迁移距离与现场测量值比较吻合。科索沃战场与我国铀模拟舱和法国贫铀实验场比较，DU迁移时间相差很大，但是迁移距离差别不大。

3 讨论

为了更好的模拟自然界降雨淋溶土壤，应尽可能扩大淋溶的横截面积，同时考虑到要做多次实验需要的土壤量及工作量问题，在设计有机玻璃柱时，将内径扩大至5cm; 随着土壤中水分含量的增加，蠕动泵从下至上输入淋溶液所需的压力逐渐增加，因为蠕动泵提供的最大压力是一定的，所以限制了淋溶液的流速，土壤压力增加到最大时，只能在0. 3 ~ 0. 5ml/min之间调节。

本实验模拟DU3. 5a在土壤中的迁移深度为11cm ~ 35cm，pH = 3. 0实验组已经迁移到35cm以外，但是90%左右的DU都集中在表层10cm范围内。于水等测得我国铀模拟实验舱周围土壤中DU已经扩散到25cm以外，但是超出90%的DU停留在表层10cm范围内，80%以上的DU停留在表层5cm的深度，由于该模拟靶场已经使用10a以上，说明DU的垂直迁移速度十分有限。另外法国贫铀实验场的DU在30年内大约向下迁移了30cm，科索沃战争一年半后，专家检测到落在地表的贫铀迁移到了10cm ~ 20cm。三个现场测量结果比较可以发现，DU最初在地表迁移较快，随着迁移深度增加，迁移速度逐渐变慢。本实验结果与现场检测结果总体趋势是一致的，说明建立的实验室模型能够比较成功的模拟自然界中DU的迁移情况。

4 结论

用改进的实验室模型模拟DU在土壤中的迁移，所得的迁移深度基本上与现实情况一致，说明模型的设计基本是成功的; 酸雨能够促进DU在土壤中向深层迁移，甚至会污染地下水。