近年来，土壤重金属污染已对食品安全、生态环境和农业可持续发展构成严重威胁.目前，我国受重金属污染的耕地约2000万hm²，约占耕地总面积的1/6(宋伟等，2013).重金属不能被微生物降解，会影响作物和生物生长，并通过食物链危害人体健康和生命(朱清清等，2010;唐荣莉等，2012).土壤淋洗修复技术工艺简单，修复效果稳定、彻底，能够在短时间内完成高浓度污染土壤的治理，已成为土壤环境修复领域的研究热点(Dermont et al.,2008).常用的淋洗剂有无机淋洗剂、螯合剂和表面活性剂(易龙生等，2012).天然有机酸除了对土壤中重金属有一定的去除能力外，生物降解性也很好，不会引起二次污染，是一类具有良好应用前景的环境友好型淋洗剂，近年来在土壤修复中得到了广泛的关注和研究.由于不同有机酸性质不同，对不同来源及不同重金属污染类型土壤的浸提效果差异较大.罗冰等(2013)研究表明，用0.4 mol · L^-1的柠檬酸浸提1 h后对Cu和Zn的去除率分别为65.3%和74.8%.Moon等(2012)的研究表明，2 mol · L^-1的酒石酸和1 mol · L^-1的草酸分别能去除83.1%和72.9%的Zn.易龙生等(2014)的研究表明，0.6 mol · L^-1的柠檬酸振荡8 h后对Cu、Pb和Zn的去除率分别能够达到37.7%、35.4%和44.2%.其中，以对柠檬酸的研究比较多，且价格相对较低(许中坚等，2014).但相关研究多采用传统振荡浸提方式，而关于静置浸提下最优条件优化的研究还鲜有报道.

超声波具有很强的穿透能力，能够直接作用于样品内部，产生“空穴”作用，形成极端的物理和力学条件，产生强力喷射形成巨大的水力剪切力，是一种应用广泛的微波振荡技术.目前，关于其辅助浸提重金属的研究主要集中在污泥(Li et al.,2010;吴阳东等，2013)和固体废弃物方面(丁冬梅等，2006)，而有关辅助浸提土壤中重金属的研究还鲜有报导.因此，本文以重金属复合污染土壤为研究对象，以天然有机酸柠檬酸为淋洗剂，分析其在振荡浸提、静置浸提和超声浸提3种不同淋洗方式下对Cd、Cu、Pb和Zn的去除效果，确定最适宜的浓度和处理时间，并采用Tessier连续提取法分析浸提前后土壤中重金属形态变化，以期为复合重金属污染土壤淋洗修复提供科学理论依据.

土样采自浙江省富阳市某炼铜厂附近受Cd、Cu、Pb和Zn复合污染的土壤，采样深度 0~20 cm.风干土样剔除石块及残根后磨碎过 2 mm不锈钢筛，混合均匀后放入密封的自封袋中，贮存备用.其中，部分土样进一步研磨过0.15 mm尼龙筛，用于重金属元素形态和全量分析.

土样pH值采用FiveEasy Plus FE20型pH计测定，测定水土比 2.5 ∶ 1(mL/g)；土样有机质测定采用重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)外加热法；土壤颗粒组成采用比重计测定；重金属元素全量采用HF-HClO₄-HNO₃消化分析，用ICP-OES(Optima 7000DV，PerkinElmer，美国)测定(鲁如坤，2000).土壤基本理化性质见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physical-chemical properties of the test soil

表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physical-chemical properties of the test soil pH 有机碳/(g·kg-1) 粘粒 粉粒 砂粒 铜/(mg·kg-1) 锌/(mg·kg-1) 铅/(mg·kg-1) 镉/(mg·kg-1) 8.2 19.9 16.33% 36.00% 47.67% 740 2134 426 13.3

不同浓度对重金属去除效果：称取过2 mm筛土样1.0000 g装入100 mL离心管中，分别加入25 mL浓度为0.05、0.2、0.6、1.0 mol · L^-1的柠檬酸，于振荡器中180 r · min^-1下恒温(25 ℃)振荡4 h，4000 r · min^-1离心10 min，过滤，上清液用ICP-OES测定Cd、Cu、Pb和Zn浓度.每个处理重复3次，同时做空白试验.

不同时间对重金属去除效果：称取过2 mm筛土样1.0000 g装入100 mL离心管中，加入25 mL浓度为1.0 mol · L^-1的柠檬酸，于振荡器中180 r · min^-1下恒温(25℃)分别振荡0.5、4、12、24 h，其余步骤同2.2.1节中不同浓度对重金属去除效果实验.

不同浓度对重金属去除效果：称取过2 mm筛土样1.0000 g装入100 mL离心管中，分别加入25 mL浓度为0.05、0.2、0.6、1.0 mol · L^-1的柠檬酸，恒温(25℃)静置24 h，其余步骤同2.2.1节中不同浓度对重金属去除效果实验.

不同时间对重金属去除效果：称取过2 mm筛土样1.0000 g装入100 mL离心管中，加入25 mL浓度为1.0 mol · L^-1的柠檬酸，恒温(25 ℃)分别静置0.5、4、12、24 h，其余步骤同2.2.1节中不同浓度对重金属去除效果实验.

不同浓度对重金属去除效果：称取过2 mm筛土样1.0000 g装入100 mL离心管中，分别加入25 mL浓度为0.05、0.2、0.6、1.0 mol · L^-1的柠檬酸，放入超声波清洗机中以功率500 W超声30 min，其余步骤同2.2.1节中不同浓度对重金属去除效果实验.

不同时间对重金属去除效果：称取过2 mm筛土样1.0000 g装入100 mL离心管中，加入25 mL浓度为0.6 mol · L^-1的柠檬酸，放入超声波清洗机中以功率500 W分别超声5、15、30 min，其余步骤同2.2.1节中不同浓度对重金属去除效果实验.

不同功率对重金属去除效果：称取过2 mm筛土样1.0000 g装入100 mL离心管中，加入25 mL浓度为0.6 mol · L^-1的柠檬酸，放入超声波清洗机中分别以功率200、350、500 W超声30 min，其余步骤同2.2.1节中不同浓度对重金属去除效果实验.

采用Tessier连续提取法(Tessier et al.,1979)，对原土和用0.2 mol · L^-1柠檬酸在最佳处理时间及功率下浸提1次和2次后土壤中重金属进行形态分析，对比柠檬酸浸提前后土壤中重金属的可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态5种形态的含量变化.

由图 1a可见，Zn的去除率随着柠檬酸浓度的增加增加，在柠檬酸浓度为1.0 mol · L^-1时达到最高(98.6%).Pb与Zn有类似的规律，但增幅随着柠檬酸浓度的增加而明显下降，在柠檬酸浓度为1.0 mol · L^-1时达到最高(74.5%).随着柠檬酸浓度的增加，Cu的去除率呈现出先增加后基本保持不变的趋势.Cd的去除率随着柠檬酸浓度的增加变化不明显.

由图 1b可以看出，随着振荡时间的增加，Cd、Cu、 Pb和Zn 4种重金属的去除率变化趋势相同，均随着时间的增加而表现出先增加后趋于稳定的趋势，去除效果依次是Zn＞Pb＞Cu＞Cd.在0.5~4.0 h内，4种重金属的去除率增加较明显；时间从4 h增加至24 h，4种重金属的去除率保持稳定.

综上所述，振荡浸提方式中最佳浓度和振荡时间分别为1.0 mol · L^-1和4 h，此时，柠檬酸对Cd、Cu、Pb和Zn 4种重金属的去除率分别达到53.0%、69.6%、74.5%和98.6%.

图 1(Fig. 1)

图 1 不同柠檬酸浓度(a)和振荡时间(b)对重金属去除效果 Fig. 1 Removal efficiency for the heavy metals under different concentrations of citric acid(a) and contact times(b)

由图 2a可见，Pb和Zn的去除率均随着柠檬酸浓度的增加而增加，但增幅随浓度的增加而下降.Pb和Zn的去除率在柠檬酸浓度为1.0 mol · L^-1时达到最高，分别为99.9%、67.4%.柠檬酸浓度的增加对Cd和Cu的去除率影响不大，但均呈现随着浓度的增加而先增加后基本不变的趋势，分别在0.6 mol · L^-1和0.2 mol · L^-1时达到最高，去除率分别达到70.3%、54.6%.

图 2(Fig. 2)

图 2 不同柠檬酸浓度(a)和静置时间(b)对重金属去除效果 Fig. 2 efficiency for the heavy metals under different concentrations of citric acid(a) and contact times(b)

由图 2b可以看出，柠檬酸对4种重金属去除能力依次为Zn>Cu>Pb>Cd.随着静置时间增加，柠檬酸对Cu、Pb和Zn去除率的变化趋势相同，均是随着时间增加而增加.其中以Zn增加速率最快，Pb其次，Cu最慢.在0.5~4 h和12~24 h之间时，Pb去除率的增幅较小.而Cd的去除率随着时间的增加变化不大.

综上所述，静置浸提方式中最佳浓度和静置时间分别为1.0 mol · L^-1和24 h，此时柠檬酸对Cd、Cu、Pb和Zn 4种重金属的去除率分别是53.3%、68.1%、67.4%和99.9%.

由图 3a可见，当柠檬酸浓度由0.05 mol · L^-1增至0.6 mol · L^-1时，Pb和Zn的去除率大幅度上升，在0.6 mol · L^-1时达到最高，分别达到59.8%和97.4%；浓度再增加至0.8 mol · L^-1，去除率保持稳定.Cd和Cu的去除率随着柠檬酸浓度的增加而增加，在 0.6 mol · L^-1时达到最高，分别达到52.9%和64.2%，之后均基本保持不变.

图 3(Fig. 3)

图 3 不同柠檬酸浓度(a)、超声时间(b)和超声功率(c)对重金属去除效果 Fig. 3 Removal efficiency for the heavy metals under different concentrations of citric acid(a)，contact times(b) and ultrasonic powers(c)

由图 3b可以看出，柠檬酸对4种重金属的去除能力依次为Zn＞Cu＞Pb＞Cd.Pb和Zn的去除率变化趋势均随着时间的延长而增加，其中以Zn去除率的增幅最大，而Cd和Cu的去除率变化不明显.

由图 3c可以看出，Cd、Cu、Pb和Zn 4种重金属的去除率变化趋势均是随着超声功率的增加而增加.在350 W之前，4种重金属的去除率增加较缓；功率增加至500 W时，4种重金属的去除率均有较明显的增加，其中以Pb和Zn去除率的增加最为明显.

综上所述，超声浸提方式中最加浓度、超声时间和超声功率分别为0.6 mol · L^-1、30 min和500 W，此时柠檬酸对Cd、Cu、Pb和Zn 4种重金属的去除率分别是52.9%、64.2%、59.8%和97.4%.

在3种浸提方式下，用0.2 mol · L^-1柠檬酸连续浸提2次，结果如图 4所示.可以看出，经0.2 mol · L^-1柠檬酸振荡浸提2次后，对Cd、Cu、Pb和Zn 4种重金属的去除率分别为56.8%、79.4%、74.2%和93.4%；静置浸提2次后，4种重金属的去除率分别为61.0%、77.4%、66.0%和94.7%；超声浸提2次后，4种重金属的去除率分别为55.3%、69.7%、56.7%和92.7%.对于Cd，3种浸提方式中静置2次效果最好；对Cu和Pb的去除能力分别为振荡2次>静置2次>超声2次；而对Zn去除效果3种浸提方式差异不大.

图 4(Fig. 4)

图 4 0.2 mol · L-1柠檬酸浸提2次对重金属去除效果 Fig. 4 Removal efficiency for the heavy metals under two separate extractions with using 0.2 mol · L-1 of citric acid

研究发现(Sastre et al.,2004; Sharma et al.,2008)，土壤中重金属的生物活性与环境效应不仅与其总量有关，更取决于其化学形态.重金属形态的不同会产生不同的活性和生物毒性，直接影响到重金属迁移和在自然界的循环(Jankait et al.,2005).因此，将原土和3种浸提方式下0.2 mol · L^-1柠檬酸 浸提1次及2次后的土壤用Tessier法进行连续提取分析，比较浸提前后土壤中Cd、Cu、Pb和Zn的形态含量变化，结果如图 5所示.从图中可看出，原土中Cd以残渣态为主，其次为可交换态，其含量分别占土壤中总Cd的45.2%和27.8%.无论哪种浸提方式，柠檬酸对残渣态Cd的去除效果均不明显，而生物可利用性高的可交换态和碳酸盐结合态的去除率较高.使用振荡、静置和超声方式对土壤浸提1次后，可交换态Cd的去除率分别达到83.7%、90.2%和74.5%，碳酸盐结合态Cd的去除率分别达到91.4%、80.5%和75.6%，残渣态Cd的去除率分别为15.1%、22.8%和21.1%.使用振荡和超声浸提方式对土壤连续浸提2次后，可交换态Cd的去除率分别增加了7.6%、13.3%，残渣态Cd的去除率分别增加了4.9%和7.5%，而碳酸盐结合态Cd的去除率无明显增加；连续静置浸提2次后，碳酸盐结合态Cd的去除率增加了19.4%，而可交换态和残渣态Cd的去除率无明显增加.

图 5(Fig. 5)

图 5 柠檬酸浸提前后土壤中重金属形态分布 Fig. 5 Fractions of heavy metals in the tested soil before and after washing with citric acid

原土中Cu、Pb和Zn均以碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态为主.无论哪种浸提方式，柠檬酸对残渣态和有机结合态的去除效果均不明显，对碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态的去除效果较好，而可交换态的含量反而有所增加.使用振荡、静置和超声浸提方式浸提1次后，碳酸盐结合态Cu和Pb的去除率分别达到92.5%~96.3%和91.8%~93.4%，而对于Zn，3种浸提方式下其碳酸盐结合态的去除率均高达99.0%.连续浸提2次后，3种重金属的碳酸盐结合态的去除率均无明显增加.振荡、静置和超声浸提1次后，铁锰氧化物结合态Cu的去除率分别为61.4%、65.3%和63.6%，Pb的去除率分别为53.1%、46.5%和51.2%.连续振荡和静置浸提2次后，铁锰氧化物结合态Cu的增幅为9.9%和5.6%，Pb的增幅为11.6%和12.0%.而超声浸提2次后，Cu和Pb的铁锰氧化物结合态均无明显增加.Zn的铁锰氧化物结合态经浸提1次后，去除率分别为82.9%、87.9%和94.5%，浸提2次后，增幅分别为11.1%、7.4%和7.1%.

柠檬酸属于低分子有机酸，也是一种天然螯合剂，能够通过降低pH值和螯合作用提取重金属(甘文君等，2012).本研究结果表明，在3种浸提方式中，柠檬酸均是对Zn的去除效果最好，而对Cd的去除效果最差，Cu和Pb的去除率相当.这与许丹丹等(2013)采用人工模拟污染土壤的研究结果一致：柠檬酸对Zn的去除率好于Cu和Pb.这是由于有机酸对重金属的去除效果与有机酸和重金属离子的配位能力有关，与重金属离子形成的配合物越稳定越难被土壤吸附固定，重金属的去除效果就越好(高彦征等，2002).另一原因可能为本研究中Cd主要以残渣态形式存在(45.2%，图 5)，而Cu、Pb和Zn主要以碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态形式存在.Yobouet等(2010)发现，土壤淋洗法能够有效去除交换态、碳酸盐结合态、氧化物结合态的重金属离子.本实验中Cu、Pb和Zn 3种重金属碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态两者之和均超过94.0%，而Cd只有23.4%.因此，Cu、Pb和Zn的去除率高于Cd.但李玉双等(2012)的研究结果表明，柠檬酸对土壤中Cd的去除效果最好，Cu其次，Pb最差.朱光旭等(2013)的研究结果也表明，柠檬酸对Cd的去除效果好于Cu、Pb和Zn.这可能是由于李玉双等(2012)和朱光旭等(2013)的研究中Cd分别以可交换态(73.1%)和酸可提取态(40.0%)为主，因此，去除效果较好.另外，与柠檬酸的浓度、土壤性质和土壤污染状态等因素有关.

本研究结果表明，振荡浸提和静置浸提最佳柠檬酸浓度均为1 mol · L^-1，超声浸提最佳浓度为0.6 mol · L^-1.当柠檬酸浓度为0.2 mol · L^-1、浸提2次后与上述条件下去除效果比较发现，无论哪种浸提方式，经过0.2 mol · L^-1柠檬酸浸提2次后，Cd和Cu的去除率较上述最优条件时的去除率分别增加2.3%~7.6%和5.5%~9.8%；而Pb和Zn的去除率小于上述最优条件时的去除率，降幅分别为0.3%~3.1%和4.7%~5.3%.虽然Pb和Zn的去除率有所下降，但下降幅度与其去除率相比不大，综合考虑去除率和成本等因素，选用0.2 mol · L^-1(即960.7 g · kg^-1)柠檬酸，浸提2次为最优条件.

本研究结果表明，柠檬酸对可交换态和碳酸盐结合态Cd及碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态Cu、Pb和Zn的去除效果最好，有效地降低了4种重金属的生物可利用性，进而减轻了污染土壤的生态风险.这与李玉双等(2012)采用人工污染土壤的研究结果一致：柠檬酸主要去除以可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态形式存在的重金属.杨忠芳等(2005)研究发现，土壤pH值会在很大程度上影响土壤中重金属的形态分布.柠檬酸作为有机酸，会影响土壤的pH值，很大程度上改变了Cd、Cu、Pb和Zn在土壤中的形态分布，柠檬酸对重金属进行络合作用，并且向土壤中输入H⁺，以此改变土壤中重金属赋存的形态(曾敏等，2006).经柠檬酸浸提1次后，Cd主要以残渣态为主，而Cu、Pb和Zn均主要以可交换态和铁锰氧化物结合态为主.浸提2次后，Cd的残渣态并没有明显的变化，可见增加浸提次数未能对残渣态Cd产生影响.并且总Cd的去除率并未有明显的下降，除了超声浸提方式.这是由于超声浸提1次后，可交换态含量高于振荡和静置浸提方式.浸提1次后，可交换态的Cu、Pb和Zn均有所提高.黄川等(2014)研究结果表明，经过草酸和EDTA复合淋洗剂浸提后，可交换态的Cu和Zn均有所增加.梁金利等(2012)的研究结果也表明，经过草酸浸提后，酸可提取态的Cu和Zn有所增加.可能是由于柠檬酸作为一种螯合剂，具有活化重金属的作用，其它形态向可交换态转化，导致浸提后土壤中重金属Cu、Pb和Zn的有效性发生变化.经超声辅助浸提后，Cu、Pb和Zn的可交换态含量较振荡和静置浸提方式增加更加明显，可能是由于增加超声波作用时，在液体中会产生大量的空化泡，这些空化泡在超声波的声压作用下会发生瞬间破裂，产生强烈的超声空化效应，进而解吸附着在土壤颗粒及表面的固着态重金属离子而形成游离态.而浸提2次后，可交换态的Cu、Pb和Zn均有所下降，其中以Zn的下降幅度最大.可见，第2次浸提所去除的Cu、Pb和Zn主要来自于可交换态.

虽然浸提方式不同，但4种重金属的去除率随柠檬酸浓度的增加呈现相同的变化规律(图 1a、图 2a和图 3a).Pb和Zn的去除率随着柠檬酸浓度的增加而增加，但增幅随之减少，并且在低浓度时，Pb去除率低于Cd.Cu的去除率则先增加后基本保持不变，特别是Cd，其去除率基本不变.董汉英等(2010)研究发现，当土壤中可交换态、碳酸盐结合态等活性较高的形态得到提取后，再增加淋洗剂的浓度并不会明显增加对重金属的去除效果.可能是由于在低浓度时，柠檬酸已经将高活性形态Cd全部提取.振荡浸提方式中，随着振荡时间的增加，4种重金属去除率的增幅逐渐变小，最后趋于稳定(图 1b).易龙生等(2013)也有类似的研究结果：柠檬酸对4种重金属的去除率均是先增加后逐渐平稳并有略微下降.这可能是由于螯合作用相比离子交换需要更长的时间，也可能是随着浸提时间的增加，淋洗剂必须通过溶解土壤矿物基质，才能进一步溶解重金属，而柠檬酸作为有机螯合剂，分子量相对较大，进入土壤基质较难(Gheju et al.,2011).静置浸提相比振荡浸提，达到最佳浸提效果需要更长的时间，这是由于振荡浸提能够使土样和试剂得到充分接触.

本实验将超声波应用于重金属污染土壤淋洗中，效果良好.Cd、Cu和Pb 3种重金属随着超声时间的增加，去除率变化不大；而Zn的去除率有明显的增加，在30 min时，去除率达到97.4%(图 3b).这与Wei等(2013)研究结果一致：增加超声后柠檬酸对土壤中Zn的去除率为68%，并且随着超声时间的增加，去除率有明显提高.本研究中，超声浸提2次相比振荡浸提2次，Cd与Zn的去除率无明显差异，Cu和Pb的去除率超声浸提低于振荡浸提.而Zheng等(2013)对超声辅助草酸浸提土壤中Cu的研究表明，在草酸浓度为0.1 mol · L^-1、固液比1 ∶ 20、超声时间为30 min的条件下达到最佳，超声浸提相比振荡浸提对Cu的去除率能提高7.2%.邱琼瑶等(2014)研究结果表明，在EDTA浓度为50 mmol · L^-1、固液比1 ∶ 20的条件下，振荡浸提2 h后Cd、Cu、Pb和Zn的去除率分别为42.8%、26.4%、15.8%和11.1%；而增加超声作用振荡2 h后Cd、Cu、Pb和Zn的去除率分别为79.8%、44.0%、61.8%和16.9%.这可能是由土壤污染程度及淋洗剂种类不同而导致.另外，在本研究中，随着超声功率的增加，柠檬酸对4种重金属的去除率均随之增加(图 3c)，可能是由于随着超声功率的增加，空化效率加强，溶液的温度会上升，而温度上升有利于重金属的溶解(张桂君等，2012).因此，在本研究中超声浸提效果没有明显好于振荡浸提可能是由于超声功率比较低.高功率对重金属去除效果的影响需进一步研究.在本实验中，经0.2 mol · L^-1柠檬酸浸提2次后，振荡、静置和超声处理下重金属均能得到较好的去除.超声浸提下，经超声30 min后，Cd、Cu、Pb和Zn 4种重金属的去除率分别可达55.3%、69.7%、56.7%和92.7%.此时对于振荡浸提和静置浸提，要达到同等效果则分别需要振荡4 h和静置24 h.由此可见，超声波辅助浸提土壤中重金属是可行的，效果好，时间短，具有研究前景.

1)柠檬酸对4种重金属均具有良好的去除效果，无论哪种浸提方式，均是以Zn效果最好，Cd效果最差，而Cu和Pb效果相当.尽管浸提方式不同，Pb和Zn的去除率均随着柠檬酸浓度的增加而增加，但增幅随之减少，并且在低浓度时，Pb去除率低于Cd.Cu的去除率则先增加后基本保持不变.而Cd的去除率变化不明显.

2)从柠檬酸对Cd、Cu、Pb和Zn的去除率分析得出，最佳振荡时间为4 h，最佳静置时间为24 h，最佳超声功率为500 W，最佳超声时间为30 min.0.2 mol · L^-1柠檬酸连续浸提2次后，Cd和Cu的去除率与浸提一次得出最优条件时的去除率相比有所提高，而Pb和Zn的去除率有所下降，在综合考虑成本和去除率下，0.2 mol · L^-1柠檬酸浸提2次为最优条件.

3)通过比较浸提前后土壤中重金属形态分布的变化，柠檬酸能够在很大程度上改变土壤中重金属的形态分布，主要去除以可交换态和碳酸盐结合态形式存在的Cd及以碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态形式存在的Cu、Pb和Zn.

4)通过对比3种浸提方式在浸提2次条件下对重金属的去除效果，在同等去除效果的条件下，静置浸提相比振荡浸提需要更长的时间.而应用超声波，相对于振荡浸提和静置浸提，需要更少的时间.因此，超声波辅助浸提土壤中重金属是可行的，具有良好的研究前景.