采集某运行多年下渗设施0—20 cm表层土壤及周边背景土壤，自然通风晾干后过2 mm筛备用。将背景土壤与去离子水以质量比1:30 配制悬浊液，并放于超声波清洗器（AS-B，北京恒奥德，中国）中超声30 min，使土壤胶体充分分散在悬浊液中。将土壤悬浊液置于离心机（LXJ-IIb型，上海安亭，中国）中以750 r·min⁻¹和4500 r·min⁻¹连续离心4 min和30 min^[9]，得到0.2—10 µm土壤胶体储备悬浊液。另取超声后的土壤悬浊液逐步以750 r·min⁻¹离心4 min、2000 r·min⁻¹离心10 min、4500 r·min⁻¹ 离心30 min分别得到0.45—10 µm和0.2—0.45 µm的土壤胶体悬浊液^[9]。

将1.1.1节提取的0.2—10 µm土壤胶体悬浊液分别与10 mL浓度为10 mg·L⁻¹的硝酸铅（Pb(NO₃)₂）、硝酸铜（Cu(NO₃)₂）和硝酸镉（Cd(NO₃)₂）溶液均匀混合1 h，得到土壤胶体-重金属悬浊液备用。将土壤胶体悬浊液、土壤胶体-重金属悬浊液置于超声波清洗器中超声分散20 min，并使用HCl（0.01 mol·L⁻¹）和NaOH（0.01 mol·L⁻¹）精确调节pH值为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0后，采用激光粒度Zeta电位分析仪（Zetasizer Nano ZS90，Malvern Panalytical，英国）测定不同pH值条件下土壤胶体悬浊液、土壤胶体-重金属悬浊液的Zeta电位值。

在通风橱中将20 mg亚甲基蓝溶解在1 L甲醇溶液中制备亚甲基蓝溶液，裁剪多个滤纸条（4 cm×40 cm），重复使用亚甲基蓝溶液对其进行染色并晾干。将染色后的滤纸条竖直悬挂在土壤胶体悬浊液、土壤胶体-重金属悬浊液上方，滤纸条下端与烧杯内悬浊液水平面接触，4 h后用尺子分别测量胶体（h）和水（H）在纸条上的移动高度，通过公式RMV=h/H计算相对移动值^[10]得到胶体可移动性。

取0.5 g采集风干后的背景土壤与下渗设施土壤，分别置于25 mL聚四氟乙烯坩埚中，依次加入5 mL硝酸（HNO₃）、5 mL氢氟酸（HF）和3 mL 高氯酸（HClO₄），置于电热板上进行消解，直至坩埚内没有明显颗粒物后使用5%的HNO₃定容于25 mL容量瓶中，采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）（NexION 300，PerkinElmer，德国）测定重金属Pb、Cu和Cd含量^[11]。经测定扣除背景值后，下渗设施土壤中重金属Pb、Cu和Cd含量分别为118、95、46 μg·g⁻¹。

使用粒度分布仪（Mastersizer 3000，Malvern Panalytical，美国）测定土壤颗粒物粒径分布，利用重铬酸钾氧化-分光光度法测定土壤有机碳含量^[12]；根据测得的土壤粒度分布、有机碳含量等，使用Williams和Arnold^[13]提出的EPIC模型估算土壤可蚀性K值，公式如下：

式中，${\rm{SN}} = 1 - \dfrac{{{S_{\rm{d}}}}}{{100}} $，S_d、S_i和C_l分别为砂粒（0.05—2 mm）、 粉粒（0.002—0.05 mm）和黏粒（<0.002 mm）的体积占比（%）；C为有机碳含量（%），计算出来的K值乘以0.1317转换为国际制单位（t·h·MJ⁻¹·mm⁻¹）。

模拟下渗柱采用内径25 mm、高200 mm的内壁磨砂有机玻璃制成。下渗柱内部由下至上依次装填20 mm砾石（粒径为4—6 mm）、20 mm粗石英砂（粒径为1—2 mm）、20 mm细石英砂（粒径为0.5—1 mm）、40 mm受试土壤（下渗设施内采集土壤）和20 mm粗石英砂（粒径为1—2 mm）。装置结构及填料填充方式如图1所示。

调节降雨强度（i=2、3、4 mm·min⁻¹）、降雨溶液化学条件（使用氯化钠调节降雨溶液Na⁺浓度为0.002、0.02、0.2 mol·L⁻¹或使用的HCl（0.01 mol·L⁻¹）和NaOH（0.01 mol·L⁻¹）溶液调节降雨溶液的pH值为4.0、6.0、7.0和8.0），从模拟下渗装置顶部进行模拟降雨，连续收集下渗柱底部出流液。将不同时间收集的出流液采用离心分离法提取0.2—10 µm土壤胶体悬浊液，并采用紫外分光光度计（752型，上海舜宇恒平，中国）在600 nm处测定其胶体浓度^[14]。将提取的悬浊液消解后采用ICP-MS（NexION 300，PerkinElmer，德国）测定其中重金属Pb、Cu和Cd的浓度。

采用纯水对下渗柱以3 mm·min⁻¹的降雨强度进行模拟降雨，连续定时收集底部出流液；并将出流液样品置于离心机中逐步以750 r·min⁻¹离心4 min、2000 r·min⁻¹离心10 min、4500 r·min⁻¹离心30 min分别得到0.45—10 µm和0.2—0.45 µm的土壤胶体悬浊液^[9]。按1.3节的方法分别测定0.45—10 µm和0.2—0.45 µm粒径范围悬浊液的胶体和重金属浓度。

胶体悬浊液是一个高度分散的多相体系，可以利用Zeta 电位表征胶体悬浊液的稳定性。一般而言，Zeta电位的绝对值越低，土壤胶体表面的净负电荷总量越小，土壤胶体越不稳定^[15-16]。测定不同pH条件时土壤胶体及土壤胶体-重金属悬浊液Zeta电位值，结果如图2所示。

由图2可以看出，土壤胶体及土壤胶体-重金属悬浊液Zeta电位值均为负值，两者Zeta电位绝对值均随pH值升高而逐渐增加，说明其稳定性均随悬浊液的pH升高而增强；且同一pH值下，土壤胶体Zeta电位绝对值均高于其与重金属结合悬浊液，说明与重金属结合后土壤胶体稳定性及可移动性减弱。一般而言，pH较低时土壤胶体表面的负电荷与悬浊液中大量的H⁺发生电中和反应，所以土壤胶体表面的净负电荷总量减少，Zeta 电位绝对值较低；反之，当pH值较高时，土壤胶体表面的净负电荷总量较多，所以其Zeta电位绝对值较高。同理，当土壤胶体与重金属结合后，胶体表面负电荷被重金属阳离子中和，胶体表面净负电荷降低，致使其Zeta电位绝对值降低。与土壤胶体-Cu和土壤胶体-Cd悬浊液对比，土壤胶体-Pb悬浊液的Zeta电位绝对值较高，说明该类型土壤胶体对Pb的携带能力较强，更容易发生携带迁移现象。

0.45—10 μm与0.2—0.45 μm粒径范围土壤胶体及其重金属（Pb、Cu和Cd）复合胶体悬浊液的可移动性RMV值如表1所示。一般而言，可移动性RMV值越高，胶体越稳定，越容易迁移。

由表1可见，在同一粒径范围内，土壤胶体-重金属悬浊液的RMV值均小于土壤胶体的RMV值；说明与重金属结合后，土壤胶体的可移动性减弱，迁移能力降低；这与Zeta电位结果一致。0.45—10 μm土壤胶体及其与重金属结合悬浊液的RMV值均小于相应的0.2—0.45 μm土壤胶体及其与重金属结合悬浊液的RMV值；说明胶体粒径越小，可移动性越强，更容易携带重金属迁移。

以降雨强度i 为2、3、4 mm·min⁻¹时分别对下渗柱进行人工模拟降雨，测定不同时间出水中土壤胶体浓度及其携带的重金属浓度，结果如图3所示。

由图3可见，下渗柱出流液中土壤胶体及其携带重金属出流峰值浓度随降雨强度的增强而增高，即降雨强度越大，两者的出流峰值浓度越高。当降雨强度从2 mm·min⁻¹增加到3 mm·min⁻¹时，土壤胶体峰值释放量增长15%，与胶体结合迁移出的Pb、Cu和Cd峰值浓度分别提高93.3%、103.7%、234.9%；而当降雨强度从3 mm·min⁻¹增加到4 mm·min⁻¹时，胶体的出流峰值浓度增长35%，与胶体结合迁移出的Pb、Cu和Cd峰值浓度分别提高−1.1%、36.5%、7.0%。说明降雨强度增加可以促进土壤胶体及重金属的共释放量，但超过一定降雨强度后与土壤胶体共释放迁移的重金属量增幅降低。这可能是由于降雨强度较大时，水力冲刷作用增强，土壤胶体释放量增大；同时土壤胶体迁移速度加快使其与重金属的结合时间缩短，使得共释放迁移的重金属量增幅降低。

由图3还可以看出，随降雨历时增加，土壤胶体及与其结合的重金属出流浓度呈现先快速增加至峰值再减小的趋势；峰值出现时间随降雨强度增加而提前。这是因为降雨初期对土壤表面的侵蚀作用比持续降雨的作用更明显，由入渗引起的水动力条件改变使土壤中易扩散移动胶体携带重金属快速释放，且降雨强度越大，水流速度越高，土壤胶体及重金属的出流峰值越靠前；之后土壤胶体释放迁移致下渗柱内较大孔隙被堵塞，降雨后期只有少量的土壤胶体-重金属释出迁移。

通常，土壤可蚀性（K）可反映土壤对外部侵蚀力的敏感性，其值可衡量土壤可蚀能力强弱；K值越大，土壤越易被侵蚀，释放的可移动胶体量越多，从而携带迁移的重金属量可能越高。经测定，下渗柱土壤K值为（0.0473±0.0026） t·h·MJ⁻¹·mm⁻¹，属于高可蚀性；说明该类型土壤较易被降雨冲蚀，并携带重金属迁移。在同一降雨强度下，土壤胶体对3种重金属携带迁移能力顺序依次为：Pb>Cu>Cd；结果与Zeta电位及可移动性RMV值结果一致，说明该类型土壤对Pb的携带迁移能力最强。由于Pb是地表径流中主要的重金属风险污染物^[17-18]，因此使用该类型土壤的下渗设施应采取换填土壤等措施以减少土壤胶体对Pb的向下携带迁移。

调节模拟降雨溶液Na⁺浓度分别为0、0.002、0.02、0.2 mol·L⁻¹，以3 mm·min⁻¹降雨强度对下渗柱进行人工模拟降雨，测定不同时间下出流液中土壤胶体及其携带的重金属浓度，结果如图4所示。

由图4可见，进水溶液Na⁺为0 mol·L⁻¹时，土壤胶体的峰值释放量为229.67 mg·L⁻¹，Pb、Cu和Cd峰值释放量分别高达640.48、470.05、344.66 μg·L⁻¹，明显高于Na⁺为0.002、0.02、0.2 mol·L⁻¹时土壤胶体及重金属的峰值释放量，故进水Na⁺存在能够抑制土壤胶体对重金属的携带迁移能力；且随进水Na⁺离子强度增加，土壤胶体释放量逐渐降低，其对Pb、Cu和Cd的携带迁移能力也逐渐降低；即进水Na⁺存在能够抑制土壤胶体对重金属的携带迁移能力，进水Na⁺浓度越高，下渗柱同一出流时刻土壤胶体浓度越低、携带重金属的量也越少。这是因为进水Na⁺离子强度越高，土壤胶体表面呈负电的压缩双电层越容易被破坏，造成土壤胶体与土壤颗粒之间的静电斥力减弱，致使土壤胶体通过桥接、表面沉积等作用团聚于土壤颗粒表面不易被释放^[19]。因此，进水Na⁺强度越高，下渗柱淋出液中胶体释放浓度降低。此外，进水Na⁺加入使土壤胶体表面部分可吸附位点被抢占^[20]，导致其对重金属的携带迁移量减少，使更多的重金属被滞留与下渗柱土壤中。因此，降雨入渗携带的Na⁺能抑制土壤胶体释放，降低土壤胶体-重金属的共迁移量。

调节模拟降雨溶液pH分别为4.0、6.0、7.0和8.0，以3 mm·min⁻¹降雨强度对下渗柱进行人工模拟降雨，测定不同时间下淋出液中土壤胶体及其携带的重金属浓度，结果如图5所示。由图5可知，土壤胶体及其携带重金属的输出浓度均随进水pH升高呈先增强后逐渐降低的趋势，在中性条件时土壤胶体及其携带的重金属出流峰值浓度达到最高。进水pH值较低时，土壤胶体表面的负电荷与降雨入渗引入的大量H⁺发生电中和反应，使得土壤胶体和土壤颗粒之间的静电斥力降低，土壤胶体更易团聚或沉淀在土壤颗粒表面而不被释放，由此其携带迁移的重金属量也降低；随进水pH值升高至7.0，因H⁺减少致使土壤胶体和土壤颗粒之间静电斥力变大，土壤胶体易于携带重金属释放迁移，使淋出液中土壤胶体和重金属浓度均增加；当进水pH继续升高至8.0时，虽然溶液中大量OH⁻会使得土壤胶体与土壤颗粒间的静电斥力进一步增大从而增加土壤胶体释放量，但因调节pH时使用了NaOH溶液引入了Na⁺，Na⁺破坏了土壤胶体颗粒扩散双电子层中的静电平衡，两者共同作用最终导致土壤颗粒和土壤胶体的静电斥力降低，淋出液中土壤胶体浓度减少，其携带迁移的重金属量也减少。

采用纯水对下渗柱以3 mm·min⁻¹的降雨强度进行模拟降雨，出流液中0.45—10 µm和0.2—0.45 µm两种粒径土壤胶体及其携带的重金属浓度如图6所示。

由图6可见，在同一出流时刻，下渗柱释放的0.2—0.45 µm土壤胶体浓度明显低于0.45—10 µm的土壤胶体；且与粒径为0.45—10 μm的土壤胶体相比，0.2—0.45 μm胶体峰值出流时间明显提前，这是由于小粒径胶体更容易穿透土壤空隙释出造成的。虽然下渗柱中0.45—10 μm胶体携带出流的重金属浓度明显高于0.2—0.45 µm土壤胶体，但0.2—0.45 μm胶体对Pb、Cu和Cd的携带能力（0.029、0.050、0.066 mg·mg⁻¹）却高于0.45—10 μm胶体（0.028、0.024、0.017 mg·mg⁻¹）。这是因为土壤胶体粒径越小，土壤胶体比表面积越大且布朗运动越明显^[21]，对重金属离子的吸附携带能力越强；结合2.2.2节不同粒径土壤胶体可移动性RMV值可见，0.2—0.45 μm土壤胶体可移动性较强，其携带重金属在下渗柱中的迁移速度较快。因此，在下渗设施中应着重关注小粒径土壤胶体携带重金属的向下迁移行为。

（1）降雨入渗会引起下渗设施中土壤胶体与重金属Pb、Cu和Cd同步释放迁移，Zeta电位和RMV值结果表明与重金属结合后土壤胶体可移动性减弱，迁移能力降低。在降雨初期土壤胶体与重金属的共释放迁移作用较明显，随降雨历时增加两者的释放量均逐渐降低至稳定。

（2）土壤胶体-重金属共释放迁移量随降雨强度增强而增高，但超过一定降雨强度后与土壤胶体共释放迁移的重金属量增幅降低。在同一降雨强度下，土壤胶体对3种重金属迁移携带能力顺序依次为：Pb>Cu>Cd。

（3）降雨入渗引起的土壤溶液化学条件变化对土壤胶体-重金属共释放迁移量影响较大，土壤胶体-Pb、Cu和Cd的共迁移量随入渗溶液Na⁺浓度的减小而增加，随入渗水pH的升高呈先增多后降低的趋势，且土壤胶体粒径越小其携带重金属离子迁移的能力越强。