淺談土壤污染的檢測手段

柴祿

摘 要 介紹目前幾種常見的土壤污染類型，并以此為基礎(chǔ)，闡述了氣相色譜分析法、高效液相色譜分析法、原子吸收光譜法、近紅外光譜法以及X射線熒光光譜法等土壤成分的分析和污染檢測手段。通過這些檢測手段可快速獲取土壤結(jié)構(gòu)和組成等多種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為開展土壤修復工作提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 土壤檢測;組成分析;檢測手段

中圖分類號：S289 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.15.095

任何植物的生長都離不開土壤。在當今農(nóng)業(yè)科技高度發(fā)展、我國人口與耕地資源極度不平衡的情況下，人們采取了多種手段獲取更多的植物資源，隨之帶來的是更多的化學肥料和殺蟲劑的使用，造成了嚴重的土壤污染，阻礙甚至破壞了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。因此，改善土壤問題亟待解決。而土壤成分分析和污染檢測將為土壤修復提供最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 土壤污染來源

土壤的污染主要分為肥料污染、農(nóng)藥污染和重金屬污染3大類[1]。

1.1 肥料污染

隨著社會的不斷發(fā)展，國家農(nóng)業(yè)的產(chǎn)能需求日益增長，農(nóng)耕地呈現(xiàn)日益減少的局面。為提高土壤的使用性能，追求產(chǎn)量和質(zhì)量，人們在農(nóng)作物生長過程中過度使用化學肥料，破壞了土壤原有的結(jié)構(gòu)，使得土壤出現(xiàn)酸化和板結(jié)現(xiàn)象。因此，種植人員應(yīng)科學合理使用化學肥料，保障土壤健康。

1.2 農(nóng)藥污染

土壤可以實現(xiàn)對部分污染物質(zhì)的有效凈化，但由于凈化能力有限，當污染物質(zhì)累積越來越多時，將超出土壤的凈化能力，形成土壤污染。適量的農(nóng)藥可以清除蟲害與雜草，但過度使用會造成土壤污染，影響農(nóng)作物和植物的生長。

1.3 重金屬污染

工業(yè)廢水廢渣的無處理排放、含重金屬廢水灌溉農(nóng)田以及重金屬農(nóng)藥的使用，均可造成土壤重金屬污染。重金屬能夠在很大程度上減弱土壤肥力、減低農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量，從而影響農(nóng)產(chǎn)品的持續(xù)生長。此外，殘存的重金屬污染物通過土壤進入生長的植物，直接威脅人的生命健康。

2 土壤檢測手段

為更好地應(yīng)對土壤污染，將重點介紹氣相色譜分析法、高效液相色譜分析法、原子吸收光譜法、近紅外光譜法和X射線熒光光譜法等常見的檢測手段。

2.1 氣相色譜檢測法

氣相色譜法是檢測土壤的常用方法之一，主要用于檢測農(nóng)藥殘留，通過載氣沖洗實現(xiàn)色譜分離，又稱氣相層析法。它的工作原理是利用色譜中流動相在固定相中不同分配系數(shù)的特性，當土壤中的成分被氣化后，進到色譜柱中進行多次分配與重組。此過程中各成分溶解程度不同，可以實現(xiàn)科學、合理分析。氣相色譜檢測法廣泛應(yīng)用于化工成品的檢測。這種方法的使用，可以實現(xiàn)對土壤中農(nóng)藥殘留的測定與分析，有助于充分了解土壤中的農(nóng)藥含量[2]。朱曉蘭等[3]采用加速溶劑萃取—氣相色譜法測定10種含有有機磷農(nóng)藥的土壤，將土壤樣品與萃取劑混合后在加速溶劑萃取儀上以10.3 MPa、60 ℃提取10 min，對土壤中的回收率在80.4%～113.7%，有機磷農(nóng)藥殘留檢出限為0.01～0.06 μg·kg-1。李飛飛等[4]應(yīng)用氣相色譜氮磷檢測器對土壤中霜霉威的殘留量進行測定，方法的最低檢出量為1×10-10 g，最低檢出質(zhì)量分數(shù)為0.03 mg·kg-1。

2.2 高效液相色譜法

高效液相色譜主要是在典型液相色譜方法的基礎(chǔ)上研究提出的，是一種全新的分離技術(shù)。近年來，高效液相色譜法的使用范圍逐漸擴大，重要性也在提升。高效液相色譜法具有檢測效率高、結(jié)果準確和適用性廣的特點，可以實現(xiàn)對土壤、水分以及大氣等多種物質(zhì)的檢測，還能對其中的農(nóng)藥殘留與殺蟲劑殘留進行針對性測試，有效幫助檢測人員高效分析土壤情況，但檢測成本較高。因此，要想這一技術(shù)得到廣泛使用，需要加強降低檢測成本的相關(guān)研究[2]。李彥文等[5]利用固相萃?。⊿PE）-高效液相色譜法（HPLC）同時測定水和土壤中5種磺胺類抗生素的分析方法，檢出限分別為0.94～13.2 ng·L-1和0.24～3.3 μg·kg-1。

2.3 原子吸收光譜法

原子吸收光譜通過檢測蒸汽中被檢測元素中的基態(tài)原子所吸收原子共振輻射強度大小，有效確定元素的具體含量。目前，可通過火焰原子吸收光譜法、石墨爐原子吸收光譜法和氫化物發(fā)生法等3種檢測手段實現(xiàn)[6]。幾種方法的優(yōu)缺點和適用范圍見表1。

采用原子吸收光譜法前，需先對土壤樣品進行處理。由于土壤樣品基質(zhì)的差異性，可依據(jù)實際情況采取不同的處理方式。目前的方式主要有電熱板濕法消解法、干灰化法和微波消解法。其中，電熱板濕法消解法操作簡單，使用普遍。例如土壤中金屬鎘的檢測，可采用二乙基二硫代氨基甲酸鈉為檢測絡(luò)合劑，使用四氯化碳作為萃取劑，利用硝酸-過氧化氫進行反萃取，使之轉(zhuǎn)化成水相，然后可以使用火焰原子吸收光譜法檢測金屬鎘。另外，土壤中鋁元素的檢測可采取石墨爐檢測法。

2.4 近紅外光譜法

土壤是身份復雜的物質(zhì)，主要包含有機物和無機物。其中，有機物中有大量的烷烴、芳香族、含氮和含氧物質(zhì)等，而土壤有機質(zhì)的含量與土壤肥力密切相關(guān)。通過近紅外光譜檢測手段可實現(xiàn)土壤中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成的分析[7]。

近紅外光的波長范圍為700～2 500 nm，電磁波介于中紅外光和可見光。近紅外光譜可吸收C-C、C-H、C-O、N-H、P-H以及S-H等集團。幾乎所有有機物的主要結(jié)構(gòu)在近紅外譜區(qū)都有信號，且光譜易獲取、譜圖穩(wěn)定，可快速實現(xiàn)對土壤中水分、有機質(zhì)以及氮磷鉀等含量的檢測[8]。Bowers等[9]用1 400 nm、1 900 nm和2 200 nm反射波長準確測量了土壤水分含量。Dalal等[10]用1 744 nm、1 870 nm和2 052 nm波長對澳大利亞土壤有機碳進行預(yù)測并取得了良好結(jié)果。Linker等[11]用中紅外傅里葉變換—衰減全反射法（FTIR—ATR）直接測定土壤團粒中的氮含量，根據(jù)土壤類、碳酸鹽含量和土壤粘土含量將土壤分類，得到了較準確的氮含量。

2.5 X射線熒光光譜法

X射線熒光光譜法主要通過X射線透射被檢測物質(zhì)中的原子，使其產(chǎn)生X射線，而不同元素與X射線熒光一一對應(yīng)，以此為基礎(chǔ)分析物質(zhì)的物理和化學構(gòu)成。此外，X熒光射線的強度與元素的含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，因此X射線熒光光譜法可實現(xiàn)對土壤中元素的定性和定量分析[12]。

利用X射線檢測的過程中，因檢測結(jié)果會受到同物質(zhì)的相互作用，如相干散射及康普頓散射等，需對熒光光譜本底進行扣除，以保證檢測結(jié)果的科學性和準確性。為減輕不同元素之間的相互影響，需用經(jīng)驗系數(shù)法、理論影響系數(shù)法以及基本參數(shù)法等數(shù)學校正方法進行熒光分析基體校正。該方法具有檢測過程簡單、檢測數(shù)據(jù)準確和不破壞樣品的特點，在土壤檢測分析中得到了廣泛應(yīng)用。賈立于[13]利用粉末壓片X射線熒光光譜法對土壤環(huán)境質(zhì)量指標Pb、As、Zn、Cu、Ni和Cr進行測定，技術(shù)指標良好。滕彥國等[14]利用EDXRF方法成功分析了攀枝花地區(qū)土壤中重金屬的含量，評價了該區(qū)土壤重金屬污染的特征，結(jié)果表明該區(qū)重金屬污染主要與工礦活動有關(guān)。

3 結(jié)語

氣相色譜利用流動相在固定相中的不同分配系數(shù)的特性，土壤中的成分被氣化后進到色譜柱中進行多次分配與重組，可科學、合理地測定和分析土壤中的農(nóng)藥殘留。高效液相色譜是一種全新的分離技術(shù)，可實現(xiàn)對土壤、水分以及大氣等多種物質(zhì)的檢測，還能夠?qū)ζ渲械霓r(nóng)藥殘留與殺蟲劑殘留進行針對性測試，可高效準確地分析土壤情況。原子吸收光譜通過檢測蒸汽中的被檢測元素中的基態(tài)原子所吸收原子共振輻射強度大小，可有效確定元素的具體含量。紅外光譜法通過特定官能團可獲取土壤中物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成，幾乎所有有機物的主要結(jié)構(gòu)在近紅外譜區(qū)有信號且光譜易獲取、譜圖穩(wěn)定，可快速實現(xiàn)對土壤中水分、有機質(zhì)以及氮磷鉀等含量的檢測。X射線熒光光譜法主要通過X射線透射被檢測物質(zhì)中的原子使其產(chǎn)生X射線，而不同元素與X射線熒光一一對應(yīng)，以此為基礎(chǔ)分析物質(zhì)的物理化學結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對土壤中元素的定性和定量分析。

參考文獻：

[1] 章哲，章日亮，楊佳佳，等.農(nóng)業(yè)環(huán)境中的土壤污染及檢測手段分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2018（5）：177-178.

[2] 傅程玲.基于環(huán)境中的土壤污染及檢測手段研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2017（2）：52.

[3] 朱曉蘭，蔡繼寶，楊俊，等.加速溶劑萃取-氣相色譜法測定土壤中的有機磷農(nóng)藥殘留[J].分析化學，2005，33（6）：821-824.

[4] 李飛飛，黃榮茂，胡德禹，等.氣相色譜測定土壤中霜霉威的殘留[J].農(nóng)藥，2010，49（2）：131-132.

[5] 李彥文，莫測輝，趙娜，等.高效液相色譜法測定水和土壤中磺胺類抗生素[J].分析化學，2008，36（7）：954-958.

[6] 臧娜.原子吸收方法在土壤檢測中的應(yīng)用研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2016（5）：186.

[7] 劉燕德，熊松盛，劉德力.近紅外光譜技術(shù)在土壤成分檢測中的研究進展[J].光譜學與光譜分析，2014，34（10）：2639-2644.

[8] 陳鵬飛，劉良云，王紀華，等.近紅外光譜技術(shù)實時測定土壤中總氮及磷含量的初步研究[J].光譜學與光譜分析，2008，28（2）：295-298.

[9] Hanks R J，Bowers S A.Non-Steady-State Moisture，Temperature，and Soil Air Pressure Approximation With an Electric Simulator[J].Soil Science Society of America Journal，1960，24（4）：699-705.

[10] Dalal R C，Henry R J.Cultivation Effects on Carbohydrate Contents of Soil and Soil Fractions[J].Soil Science Society of America Journal，1986（50）：120.

[11] Linker R，Weiner M，Shmulevich I，et al.Nitrate Determination in Soil Pastes Using Attenuated Total Reflectance Mid-infrared Spectroscopy：Improved Accuracy via Soil Identification[J].Biosystems Engineering，2006，94（1）：111-118.

[12] 陳霄龍.X射線熒光光譜法檢測土壤中重金屬的研究[D].長春：長春理工大學，2014.

[13] 賈立于.土壤環(huán)境質(zhì)量指標Pb、As、Zn、Cu、Ni、Cr的X射線熒光光譜法快速測定[J].環(huán)?？萍?，2010，16（1）：14-16.

[14] 滕彥國，度先國，倪師軍，等.EDXRF方法在土壤重金屬污染評價中的應(yīng)用[J].核技術(shù)，2003，26（6）：440-443.

（責任編輯：趙中正）