乔翠平，赵贵章，刘少康，高 菁，赵明星，杨 柳
（华北水利水电大学，郑州450045）
摘 要：研究重金属污染对土壤介电特性的影响规律，可为高频物探设备及地质雷达探测重金属污染以及评价提供重要的理论依据。以土壤铬（Cr）、镉（Cd）、铅（Pb）污染为例，在细砂、粉土、黏土3种土样中分别加入不同质量浓度的Cr、Cd、Pb污染液，利用介电常数仪测定不同含水率下土样的介电常数的变化特征，分析Cr、Cd、Pb污染液质量浓度、土壤含水率以及土壤颗粒粗细对介电常数的影响规律。结果表明，细砂、粉土、黏土在无污染条件下，控制介电常数变化的主导因素是土壤含水率和颗粒粒度径；在加入Cr、Cd、Pb污染液的情况下，当含水率大于15%，尤其是大于20%时，3种土样的介电常数均随重金属污染液质量浓度的增大而显著增大。土壤颗粒越细、越偏黏性，其介电常数对重金属污染质量浓度的变化越敏感。利用高频物探设备和地质雷达探测土壤重金属污染时，在黏性介质中，对Cr、Cd、Pb污染的探测效果好。
关键词：土壤；重金属；污染；介电常数；土壤含水率
随着我国工业化进程的不断加快，土壤重金属污染问题日益严重。近年来，我国约有1 000万hm2的耕地被污染，每年因土壤重金属污染而损失的粮食产量达1 200×104t[1]。我国土壤重金属污染主要涉及As、 Cr、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn和Ni等8种重金属，Cr、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn污染程度均超过国家Ⅰ级标准，Cd已超过国家Ⅱ级标准，污染最为严重[2]。重金属经不同途径进入土壤后，大多在土壤表层分布[3]，其不仅能够通过食物链进入人体内，严重危害身体健康，而且会引起土壤组成、结构和功能发生变化。因此，治理和修复重金属污染土壤已迫在眉睫。然而，有效的土壤重金属污染探测和评价是治理和修复工作开展的前提和基础。污染物质量浓度的判别是土壤重金属污染探测和评价的主要内容，被污染土壤的介电特性会发生变化，直接表现在土壤介电常数发生改变。为此，很多学者对污染土壤的介电特性进行了大量研究。Francisca等[4]基于终端开路反射法对含有有机污染物的土壤进行了测试，结果表明污染土壤的介电常数随着污染物质量浓度的改变而改变；Shang等[5]通过室内试验发现污染土壤的介电常数可以明显地反映重金属离子的运移情况；李建丽等[6]研究认为土壤中的污染物成分复杂，其量与介电常数之间具有很强的非线性关系；能昌信等[7]研究了在不同含水率、不同质量浓度铬盐污染物的情况下污染土壤的导电性、激电性和介电特性，对于铬污染土壤的介电特性，其研究结果表明，介电常数随含水率和污染质量浓度的增加而变大。但是，关于重金属污染与土壤介电常数之间相互影响规律研究却非常少。
土壤中重金属的来源是多途径的，首先是成土母质本身含有重金属；其次是城市污水灌溉、污泥及城市垃圾正成为土壤重金属的另一个主要来源。近年来污水已成为农业灌溉用水之一，随着灌溉水中重金属质量浓度的增加，土壤中的重金属量也相应增加[8-9]。以铬（Cr）、镉（Cd）、铅（Pb）污染为例，配置不同质量浓度的污染标准液来模拟重金属污染的灌溉水，进行人工污染土样，利用介电常数仪测定加入不同质量浓度的重金属污染液以及在不同含水率条件下的土样介电常数的变化特征，探索重金属污染与土壤介电常数、含水率之间互相影响的规律，以期为介电常数与重金属污染质量浓度关系模型的建立奠定基础，为土壤重金属污染以及评价提供重要的理论依据。
试验制备3种类型的土样，即细砂、粉土、黏土。土样取自河南境内黄河沿岸（开封段）1 m以下的土层，
为无污染土。将取回的土样经烘干、筛分、水洗、晾晒、再烘干，制成细砂试样，然后储存备用；将土样经水洗、暴晒、破碎碾压、筛分、烘干，制成粉土、黏土试样，储存备用。
试验配置不同质量浓度水平的Cr、Cd、Pb污染标准液，选用基准重铬酸钾（K2Cr2O7）配置Cr6+污染标准液，其质量浓度分别为1、2、3、4、5 mg/L；选用光谱纯金属镉粒配置Cd污染标准液，其质量浓度分别为0.05、0.1、0.2、0.4、0.5 mg/L；选用光谱纯金属铅配置Pb污染标准液，其质量浓度分别为1、2、4、6、10 mg/L。根据试验设定的含水率水平，将污染标准液加入制备好的土样（取500 g）中，采取边加污染液边搅拌的方法，且每次取2个平行样，测定其在该条件下的含水率与介电常数，当误差小于5%时，视为混合均匀。
每种土样的含水率水平分别设置为0、5%、10%、15%、20%、30%，在无污染和分别加入不同质量浓度Cr、Cd、Pb污染液的条件下，测定土样的介电常数，然后将该土样放入铝盒中，采用烘干法测定土样在该条件下的实际含水率。
试验方案如下：首先，测定细砂、粉土、黏土3种土样在无污染条件下的介电常数随含水率变化的特征，为研究重金属污染质量浓度与介电常数的关系提供基础依据；其次，分析加入不同质量浓度的Cr、Cd、Pb污染液时3种土样的介电常数与含水率的关系；再次，绘制细砂、粉土、黏土3种土样在含水率约为5%、15%、30%水平下的介电常数与Cr、Cd、Pb污染液质量浓度的关系曲线。
选用烘干法测量土壤含水率。土壤介电常数的测定采用DZ5001型介电常数测试仪，振荡频率范围为10～52 MHz。该仪器的基本原理是采用高频谐振法，以89C51单片计算机作为仪器的控制核心，测量核心采用频率数字锁定，可在较高的测试频率条件下，测量高频电感或谐振回路的Q值、电感器的电感量和分布电容量，通过式（1）计算土样的介电常数[10-11]：
式中：ε为土样的介电常数；c为土样的电容量；d为土样的高度；φ为土样的直径。
为了分析不同重金属污染对土壤介电常数的影响，首先分析无污染条件下，土壤介质的介电常数与含水率之间的关系，结果如图1所示。
由图1可知，在无污染条件下，当含水率小于5%时，黏土与粉土的介电常数变化特征基本一致，整体上大于细砂的介电常数。因此，含水率较小时，颗粒粗细是控制土壤介电特性的主导因素；当含水率大于5%时，3种土壤介质的介电常数变化规律基本为：黏土＞粉土＞细砂，其介电常数基本上呈线性增长，土壤介电特性主要由含水率和颗粒粗细主导。
图1 不同介质介电常数随含水率的变化曲线
2.2.1 细砂
将不同质量浓度的Cr、Cd、Pb污染标准液分别加入细砂土样中，测定细砂在不同含水率下的介电常数，绘制变化曲线于图2。
图2 加入不同质量浓度的污染液时细砂介电常数与含水率的关系曲线
图3 加入不同质量浓度的污染液时粉土介电常数与含水率的关系曲线
由图2可知，细砂中加入不同质量浓度的Cr、Cd、Pb污染液，最大介电常数为16.7，而无污染情况下该介质的最大介电常数为6.2，可见重金属污染对于细砂介电特性的影响非常明显。细砂的介电常数随不同金属离子污染液质量浓度的增大有增大的趋势。
2.2.2 粉土
由图3可知，粉土中加入不同质量浓度的Cr、Cd、Pb污染标准液，最大介电常数为22.7，而无污染情况下该介质的最大介电常数为5.4，可见重金属污染对于粉土介电特性的影响也十分明显；被重金属污染的粉土的介电常数的变化规律与细砂的类似。
2.2.3 黏土
由图4可知，黏土中加入不同质量浓度的Cr、Cd、Pb污染标准液，最大介电常数为31.6，而无污染情况下该介质的最大介电常数为6.5，可见重金属污染对于黏土介电特性的影响显著。综合分析表明重金属污染对细颗粒土壤介电特性的影响比粗颗粒土壤的影响要大；被重金属污染的黏土的介电常数的变化规律与细砂和粉土的不同，当含水率大于20%时，其介电常数随Cr、Cd、Pb污染液质量浓度的增大均呈明显的增大趋势。
图4 加入不同质量浓度的污染液时黏土介电常数与含水率的关系曲线
为了更直观地分析3种重金属质量浓度对土壤介电常数的影响，分析了土样含水率水平为5%、15%、30%时，3种土样中Cr、Cd、Pb污染液质量浓度与介电常数的关系，如图5所示。
图5 不同含水率下3种土样中3种重金属污染液质量浓度与介电常数的关系
从图5可以看出：①土壤颗粒的粗细对介电常数的影响程度不同，总体而言，从高到低依次为：黏土、粉土、细砂。②土壤的介电常数随含水率的增大而增大，随Cr、Cd、Pb污染液质量浓度的增加呈现出不同的变化规律。③当含水率低于15%时，Cr、Cd、Pb污染液质量浓度的变化对细砂、粉土、黏土的介电常数影响不大。④当含水率高于15%时，Cr污染液质量浓度对3种土样的介电常数影响明显，土壤颗粒越细，介电常数增加的幅度越大；Cd污染液质量浓度增大，土样介电常数也随之增大，但是黏土的介电常数增大的幅度明显比细砂和粉土的大；随着Pb污染液质量浓度的增加，细砂和粉土的介电常数增大的幅度并不大，而黏土的介电常数增大的幅度非常明显。
被重金属污染的土壤其介电特性会发生变化，直接表现在土壤介电常数发生改变[4,7]。本研究利用Cr、 Cd、Pb污染标准液模拟被污染的灌溉水，通过测定重金属污染土壤的介电常数与含水率，发现当土壤中加入不同质量浓度的Cr、Cd、Pb污染液后，随着重金属离子的进入，3种土样的介电常数均出现较大变化；而且当含水率大于15%，尤其是大于20%时，Cr污染对这3种土样的介电特性影响均十分明显，介电常数均随Cr污染液质量浓度的增大而显著增大。这与能昌信等[7]对铬污染土壤的介电特性的研究结果一致。本研究还发现，当含水率低于15%时，Cr、Cd、Pb污染液质量浓度的变化对3种土样的介电常数影响不太明显；在细砂和粉土中，Cd、Pb污染液质量浓度的变化对介电常数的影响不明显；但是在黏土中，介电常数对Cr、Cd、Pb污染液质量浓度的变化很敏感，随着污染液质量浓度的增大而增大，说明土壤介质颗粒越细，其介电常数对重金属污染质量浓度的变化越敏感。
刘豪睿等[12]研究表明，污染成分对土壤介电特性的改变是可以观测的，并且具有明显的规律，通过介电特性来获取污染物的质量浓度是可行的。本研究结果也表明，在细砂、粉土介质中，通过研究介电常数来初步判别Cr污染质量浓度的方法是可行的；在黏性介质中，则可以通过研究介电常数的变化来初步判别Cr、Cd、Pb的污染质量浓度。因此，当土壤介质的含水率越高、颗粒越细时，利用高频物探设备和地质雷达探测土壤重金属污染的效果会越好。
参考文献：
[1]TENG Y,NI S,WANG J,et al.A geochemical survey of trace elements in agricultural and non-agricultural topsoil in Dexing area,China[J].Journal of Geochemical Exploration,2010,104(3):118-127.
[2]纪小凤,郑娜,王洋,等.中国城市土壤重金属污染研究现状及展望[J].土壤与作物,2016,5(1):42-47.
[3]丁光晔,樊贵盛,张艳.山西省汾河再生水灌区土壤重金属污染及分布特征[J].灌溉排水学报,2015,34(2):53-55.
[4]FRANCISCA F M，RINALDI V A.Complex dielectric permittivity of soil-organic mixtures(20 MHz～1.3 GHz)[J].Journal of Environmental Engineering,2003,129(4):347-357.
[5]SHANG J Q,ROWE R K.Detecting landfill leachate contaminationusing soil electrical properties[J].Practice Periodical of Hazardous,Toxic and Radioactive Waste Management,2003,7(1):3-11.
[6]李建丽,李杰,田跃,等.利用复介电常数和BP人工神经网络进行环境监测的可行性研究技术[J].污染防治技术,2006,19(2):3-6.
[7]能昌信,刘玉强,刘豪睿,等.铬污染土壤的导电性、频谱激电性和介电特性的实验结果[J].环境科学,2011,32(3):758-765.
[8]周建军,周桔,冯仁国.我国土壤重金属污染现状及治理战略[J].中国科学院院刊,2014,29(3):315-320.
[9]吴泽鑫,邢文昕,高青环,等.土壤重金属Cr污染及其治理研究进展[J].河南化工,2011,28(7):33-36.
[10]孙宇瑞.非饱和土壤介电特性测量理论与方法的研究[D].北京:中国农业大学,2000.
[11]赵贵章,乔翠平,闫永帅,等.介质含水量与介电常数模型参数试验研究[J].水文地质工程地质,2016,43(3):7-10.
[12]刘豪睿,能昌信,王聪，等.基于介电特性获取污染土壤中污染物含量的研究[J].地球物理学进展,2010,25(6):2 184-2 192.
Study of the Impact of Heavy Metals Contamination on Dielectric Properties of Soils
QIAO Cuiping,ZHAO Guizhang,LIU Shaokang,GAO Jing,ZHAO Mingxing,YANG Liu
（North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450045,China）
Abstract：Dielectric properties of soils are the basis for using the high frequency geophysical equipment and ground penetrating radar to assesse and evaluate heavy metals incontaminated soils.Taking chromium(Cr),cadmium(Cd)and lead(Pb)as examples,this paper investigated the change in dielectric constants of three soil samples-fine sand,silt and clay-using a dielectric constant instrument under different soil moisture contentafter adding Cr,Cd and Pb at different concentrations to the three soil samples.We analyzed the effect of Cr,Cd and Pb concentration,soil moisture,as well as soil particle size gradation on the dielectric constant.The results showed that without metal pollution,the dielectric constants of the three soils depended mainly on moisture and particle size gradation.After adding Cr,Cd and Pb,the dielectric constants of the soils increased significantly,especially when the soil moisture was higher than 20%.The dielectric constant is sensitive to soil texture,increasing with clay and silt contents.Therefore,the high frequency geophysical equipment and ground penetrating radar are more effective for detecting heavy medals in fine-texture soils dominated by clays and/or silts.
Key words:soil;heavy metal;pollution concentration;dielectric constant;soil moisture
中图分类号：S151；X143
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.08.013
责任编辑：陆红飞
乔翠平，赵贵章，刘少康，等.重金属污染对土壤介电特性的影响规律研究[J].灌溉排水学报，2017，36（8）：77-82.
收稿日期：2017-04-10
基金项目：国家自然科学基金项目（41372260，41202178）；中国科学院流域地理学重点实验室开放基金项目（WSG2015004）；河南省高校科技创新人才支持计划项目（13HASTIT035）
作者简介：乔翠平（1975-），女，山西定襄人。工程师，硕士，主要从事水土资源与环境方面的研究。E-mail：qiaocp@126.com
文章编号：1672-3317（2017）08-0077-06