通过铅同位素特征来解读矿渣堆在土壤中的清除效果

《Journal of Environmental Management》：Deciphering the clearance efficacy on the soil of slag stockpiles via lead isotopic signatures

本研究通过铅同位素分析与部分提取技术评估铝钢渣清理效果，发现清理后土壤铅绝对浓度和可浸出比例显著下降，同位素指纹证实铝钢渣贡献占比从95.2%降至41.4%，该方法有效验证环境修复成效。

　　

陶正华|张丽娜|贾琳|潘柯|魏荣飞|陈珊珊|朱晓颖|王宁宁|杨丹华|夏天祥

中国北京市生态环境保护研究院污染场地风险建模与修复重点实验室，北京，100037

摘要

由于金属渣含有有害成分，它已成为日益严重的环境问题，因此全球范围内都在采取措施清除历史遗留的金属渣堆，作为土壤修复计划的一部分。然而，评估这些清除工作的有效性仍然具有挑战性，因为难以区分残留的渣污染是来自地质来源还是人为因素。本研究旨在通过结合铅（Pb）同位素特征和部分提取技术，定量评估铝钢渣堆清除的效果，以评估修复前后土壤污染的变化。基于1/Pb与²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值之间的显著相关性，采用二元混合模型进行源解析，从而确认了共同的金属渣来源。模型计算表明，金属渣的相对贡献显著降低，从清除前的95.2%降至清除后的41.4%，减少了约55.9%。同时，绝对Pb浓度从557.3 mg/kg大幅降至20.6 mg/kg，减少了约96.3%。这一显著变化表明，虽然绝对质量的减少验证了修复工作的有效性，但相对贡献的持续存在突显了长期管理中需要重新考虑的源动态。我们的研究确立了铅同位素分析作为一种稳健的方法，其在评估环境清理效果方面优于传统的批量浓度测量方法。

引言

工业活动的迅速扩张，尤其是在冶金和建筑领域，导致全球铝渣和钢渣的积累量大幅增加（Tsakiridis, 2012; Piatak et al., 2015; Zhang et al., 2023）。由于回收能力有限和成本限制，这些金属渣材料通常被堆放在露天场地或垃圾填埋场（Guo et al., 2018; Jiang et al., 2018; Fisher and Barron, 2019）。每年全球产生的铝渣超过1000万吨，钢渣超过4亿吨，其中中国约占50%（Wan et al., 2023; Harmaji et al., 2024）。这些渣的碱性和多孔结构促进了有毒金属元素向周围土壤的渗出（Riley et al., 2015; Gomes et al., 2016）。长期暴露于雨水渗透和风化作用使这些渣堆成为持续的污染源，对陆地生态系统和人类健康构成重大威胁（Gwon et al., 2018; Li et al., 2023; Hou et al., 2025）。

铅（Pb）、铬（Cr）和镉（Cd）等重金属是从铝钢渣堆中渗出的最有害成分之一（Nguyen et al., 2022; Kong et al., 2023）。其中，铅尤其令人担忧，因为它具有高毒性、在环境中持久存在，并且具有很强的生物累积潜力（Nriagu, 2023; Ren et al., 2023; Zhang et al., 2024）。先前的研究表明，铝钢渣处置场周围的土壤中Pb浓度比当地背景水平高出10-100倍，产生的污染羽流可延伸数百米（Hu et al., 2024）。由于铅不可降解且在土壤中滞留性强，它造成了长期的慢性暴露途径，这与神经发育障碍和心血管疾病有关（Collin et al., 2022; Xu et al., 2025）。尽管近几十年来人为排放受到越来越严格的监管，但历史遗留的渣堆仍然持续作为污染源，这凸显了制定有针对性和可验证的修复策略的紧迫性（Hou et al., 2023）。

清除历史遗留的铝钢渣堆已成为全球修复工作的核心（Das et al., 2020）。虽然挖掘和迁移这些渣堆可以有效消除主要污染源并减少进一步的金属迁移，但这些干预措施的有效性常常存在争议。传统的评估方法侧重于比较清除前后的批量金属浓度，往往无法区分残留的渣污染和地质来源或扩散的人为来源（Li et al., 2015a）。因此，批量Pb水平的看似下降可能掩盖了清除不完全或额外污染途径的影响，导致对修复效果的评估过于乐观（Yu et al., 2016）。为了准确评估清除效果，必须采用能够区分来自铝钢渣堆的人为Pb与其他来源的方法（Cheng and Hu, 2010）。

铅同位素技术为这一方法论挑战提供了有效的解决方案。与总Pb浓度不同，Pb同位素比值作为污染来源的保守指标，在整个环境传输和风化过程中保持稳定（Wiederhold, 2015; Cheema et al., 2020）。这一特性允许在复杂的多源环境中进行精确的源解析，即使地质来源和扩散的人为输入可能掩盖残留的渣污染。多采集器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）的最新进展显著提高了Pb同位素分析的分辨率，能够高精度地检测人为和地质Pb来源之间的细微差异（Tao et al., 2023a, 2023b）。因此，Pb同位素指纹技术已被有效用于阐明Pb在大气、土壤和水环境中的来源和传输途径（Deng et al., 2020; Mitra et al., 2021; Wang et al., 2021a; Cooke et al., 2022; Xia et al., 2023; Li et al., 2024）。例如，Lee et al.（2020）利用Pb同位素特征表明，锌冶炼厂附近农业土壤中升高的砷浓度与天然砷黄铁矿及其转化产物的风化有关，而非来自冶炼厂的排放。这一重要结论仅通过基于浓度的测量是无法得出的。工业活动赋予了独特的特征，例如来自矿石和回收材料的渣Pb，这与基岩来源的土壤中的Pb有显著差异（Wang et al., 2024）。这种差异使得Pb同位素比值可以作为保守的示踪剂，有助于精确量化渣的贡献。然而，迄今为止还没有研究使用Pb同位素来评估清除历史金属渣堆的效果，特别是在绝对质量减少和相对贡献方面。

在这项研究中，我们测量了清除前后土壤中批量Pb浓度、分数和同位素特征的变化，旨在利用Pb同位素方法评估清除效果，并为金属渣堆的管理提供见解。同时，还分析了铝（Al）和铁（Fe）浓度，作为保守的岩石生成示踪剂，以计算Pb/Al和Pb/Fe比值，帮助区分人为Pb富集和自然背景变化。我们的发现不仅阐明了清除在减轻土壤Pb污染中的机制作用，还确立了同位素技术作为验证修复结果和指导渣管理策略的重要工具。

研究区域和样本收集

研究区域和样本收集

这些金属渣堆位于中国北方，已有40多年的历史，总面积约为1.5平方公里（图1）。这些渣堆主要由铝渣、钢渣和各种工业固体废物组成。这些材料来自三个主要来源：1）当地铝冶炼企业产生的废物；2）从外部工厂回收的再加工钢渣残余物；3）工业残余物，包括除尘器灰烬和煤灰

清除前后土壤中铅浓度和分数的比较

图2A显示了清除前后土壤中的铅浓度及其分数，为多维度评估清除效果提供了有价值的见解。清除前，土壤中的批量Pb浓度显著升高，平均值为578.1 ± 444.4 mg/kg。这一水平超过了背景浓度（17.0 mg/kg；Wedepohl, 1995）约34.0倍，并超过了农业用地的风险筛查值（170 mg/kg；

结论

在这项研究中，我们分析了中国铝钢渣堆清除前后土壤中的Pb浓度和同位素比值，以及可提取部分和残留部分。我们的结果表明，批量土壤Pb浓度的显著降低以及可提取部分的减少表明，修复有效地减轻了Pb从土壤基质中的迁移和随后的跨隔室污染。

作者贡献声明

陶正华：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，资源获取，调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。张丽娜：撰写 – 审稿与编辑，调查，资金获取。贾琳：撰写 – 审稿与编辑，调查。潘柯：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。魏荣飞：撰写 – 审稿与编辑。陈珊珊：撰写 – 审稿与编辑，软件使用。朱晓颖：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢中国科学院地球化学研究所提供的技术支持和分析设施。本研究得到了国家重点研发计划（编号：2023YFC3706405, 2023YFC3706401）、北京市自然科学基金（编号：8254055）和北京市生态环境保护研究院基金（编号：Y2025-004）的支持。