不同提取劑對土壤有效態(tài)Hg提取的效果淺析

趙首萍，張棋，肖文丹，陳德，葉雪珠，黃淼杰，胡靜，高娜

(浙江省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標準研究所 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全危害因子與風險防控國家重點實驗室(籌) 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品信息溯源重點實驗室，浙江 杭州 310021)

汞(Hg)是一種劇毒的全球性重金屬污染物，對神經(jīng)系統(tǒng)有很強的毒性作用。土壤中存在的汞可被植物吸收，并通過食物鏈進入人體。自20世紀50年代日本出現(xiàn)“水俁病”以來，汞污染問題已引起國內(nèi)外學者的廣泛重視[1]。據(jù)2014年《全國土壤污染調(diào)查公報》，我國耕地土壤超標率為19.4%，主要污染物為鎘(Cd)、鎳(Ni)、銅(Cu)、砷(As)、Hg、鉛(Pb)、滴滴涕和多環(huán)芳烴等。研究證實，Hg以多種形態(tài)廣泛存在于自然界，包括單質(zhì)汞、無機汞和有機汞，汞的化學形態(tài)決定著其毒性、生物利用性、遷移性，及其在食物鏈中的持久性和累積效應(yīng)[2-3]。

污染土壤中重金屬的有效性，特別是生物有效性，是近幾十年來重金屬污染研究的熱點，而元素的有效性通常受到多種因素影響，包括土壤類型、土壤環(huán)境的pH值、有機質(zhì)、陽離子交換量等。判定有效態(tài)重金屬提取劑質(zhì)量優(yōu)劣最重要的指標是，其提取量能否較好地判斷重金屬對植物的影響，同時植物吸收的重金屬量與提取劑提取的重金屬量是否有較好的相關(guān)性。近年來，國內(nèi)外研究者對土壤重金屬有效態(tài)含量的測定方法進行了大量的比較研究，尤其是對適用于Cd、鉻(Cr)、Pb、As等劇毒重金屬有效態(tài)的提取技術(shù)，針對不同土壤條件提出了相應(yīng)的最佳提取方案[4-5]，并制定了相關(guān)的檢測標準。目前，土壤有效態(tài)重金屬提取中應(yīng)用較廣的是單一萃取法，常用的提取劑主要有弱酸溶液(CH3COOH、HCl等)、螯合劑[二乙基三胺五乙酸(DTPA)、乙二胺四乙酸(EDTA)、硫代乙醇酸(巰基乙酸，TGA)等]、中性鹽溶液和緩沖溶液(CaCl2、NH4OAc、NaNO3等)等[6-10]。由于Hg在土壤中的存在形態(tài)，以及作物吸收過程都較復雜，目前還沒有適用于土壤有效態(tài)Hg的通用提取方法。為此，于浙江省蔬菜、水稻主產(chǎn)區(qū)采集土壤和相應(yīng)的農(nóng)產(chǎn)品樣品，采用常用的5種提取劑分析了浙江省特定地理條件下蔬菜、水稻種植系統(tǒng)土壤有效Hg的最佳提取方案，旨在為浙江省耕地土壤Hg污染風險評價提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

土壤和植物樣品于2017年8月和12月進行采集。土壤樣品與農(nóng)產(chǎn)品一一對應(yīng)采樣。土壤樣品按照隨機布點法采集，采集耕層0～20 cm土壤1.5 kg，每個基地隨機采集5點以上混合為1個樣品。土壤采集后帶回實驗室風干，過10目(孔徑2.00 mm)篩，待測。蔬菜樣品采集1.5 kg，鮮樣勻漿后-20 ℃保存待測。稻谷樣品采集后80 ℃烘干，脫殼，制成糙米樣品，磨粉，常溫保存待測。

蔬菜和對應(yīng)的土壤樣本的具體信息如下：SC1，紅莧菜，采樣地位于溫州，地理坐標120°35′22.2″E、27°57′32.5″N，pH值5.62，陽離子交換量(CEC)27.82 cmol·kg-1，有機質(zhì)32.56 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量12.2%，粉砂粒含量50.0%，黏粒含量37.8%；SC2，紅莧菜，采樣地位于溫州，地理坐標120°32′09.4″E、27°58′17.4″N，pH值4.54，CEC 18.99 cmol·kg-1，有機質(zhì)52.74 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量12.2%，粉砂粒含量52.0%，黏粒含量35.8%；SC3，紅莧菜，采樣地位于溫州，地理坐標120°32′00.3″E、27°58′36.9″N，pH值4.34，CEC 23.01 cmol·kg-1，有機質(zhì)39.09 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量12.2%，粉砂粒含量46.0%，黏粒含量41.8%；SC4，白莧菜，采樣地位于麗水，地理坐標119°57′07.0″E、28°28′10.2″N，pH值4.49，CEC 11.24 cmol·kg-1，有機質(zhì)31.23 g·kg-1，土壤質(zhì)地為壤土，砂粒含量48.6%，粉砂粒含量30.0%，黏粒含量21.4%；SC5，紅莧菜，采樣地位于麗水，地理坐標119°57′07.0″E、28°28′10.2″N，pH值4.66，CEC 16.05 cmol·kg-1，有機質(zhì)26.68 g·kg-1，土壤質(zhì)地為壤土，砂粒含量46.6%，粉砂粒含量31.0%，黏粒含量22.4%；SC6，紅莧菜，采樣地位于紹興，地理坐標120°16′07.9″E、29°46′47.9″N，pH值5.37，CEC 17.66 cmol·kg-1，有機質(zhì)33.43 g·kg-1，土壤質(zhì)地為黏壤土，砂粒含量31.6%，粉砂粒含量39.2%，黏粒含量29.2%；SC7，紅莧菜，采樣地位于紹興，地理坐標121°07′19.9″E、30°04′35.6″N，pH值4.60，CEC 23.27 cmol·kg-1，有機質(zhì)34.49 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量9.6%，粉砂粒含量61.2%，黏粒含量29.2%；SC8，紅莧菜，采樣地位于臺州，地理坐標120°57′59.5″E、28°34′27.1″N，pH值5.05，CEC 9.72 cmol·kg-1，有機質(zhì)40.50 g·kg-1，土壤質(zhì)地為黏壤土，砂粒含量40.0%，粉砂粒含量34.0%，黏粒含量26.0%。

水稻和對應(yīng)的土壤樣本的具體信息如下：DM1，水稻品種為甬優(yōu)12，采樣地位于杭州，地理坐標119°52′51.3″E、29°52′56.3″N，pH值7.58，CEC 25.4 cmol·kg-1，有機質(zhì)15.63 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉壤土，砂粒含量18.0%，粉砂粒含量54.6%，黏粒含量27.4%；DM2，水稻品種為甬優(yōu)12，采樣地位于杭州，地理坐標120°39′47.0″E、30°04′35.8″N，pH值7.73，CEC 22.0 cmol·kg-1，有機質(zhì)10.24 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉壤土，砂粒含量18.0%，粉砂粒含量55.6%，黏粒含量26.4%；DM3，水稻品種為甬優(yōu)12，采樣地位于杭州，地理坐標120°39′47.0″E、30°04′35.6″N，pH值7.76，CEC 24.7 cmol·kg-1，有機質(zhì)8.09 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉壤土，砂粒含量19.0%，粉砂粒含量57.6%，黏粒含量23.4%；DM4，水稻品種為甬優(yōu)12，采樣地位于杭州，地理坐標120°39′47.0″E、30°04′35.0″N，pH值7.66，CEC 56.0 cmol·kg-1，有機質(zhì)17.79 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉壤土，砂粒含量18.0%，粉砂粒含量57.6%，黏粒含量24.4%；DM5，水稻品種為甬優(yōu)538，采樣地位于紹興，地理坐標120°39′49.0″E、30°04′33.0″N，pH值5.90，CEC 21.7 cmol·kg-1，有機質(zhì)10.78 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量14.0%，粉砂粒含量55.6%，黏粒含量30.4%；DM6，水稻品種為甬優(yōu)538，采樣地位于紹興，地理坐標120°39′44.0″E、30°04′34.8″N，pH值5.51，CEC 49.5 cmol·kg-1，有機質(zhì)28.43 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉壤土，砂粒含量13.0%，粉砂粒含量61.6%，黏粒含量25.4%；DM7，水稻品種為甬優(yōu)538，采樣地位于紹興，地理坐標120°37′42.0″E、30°04′34.3″N，pH值5.63，CEC 28.0 cmol·kg-1，有機質(zhì)10.24 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量15.0%，粉砂粒含量56.6%，黏粒含量28.4%；DM8，水稻品種為甬優(yōu)538，采樣地位于紹興，地理坐標120°39′43.0″E、30°04′35.0″N，pH值5.18，CEC 24.1 cmol·kg-1，有機質(zhì)11.05 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量9.0%，粉砂粒含量61.6%，黏粒含量29.4%。

1.2 土壤有效態(tài)Hg提取

參考國內(nèi)外相關(guān)資料，選擇目前普遍應(yīng)用的HCl、DTPA、NH4OAC、CaCl2、TGA等5種提取劑，具體配置方法如下：(1)HCl提取劑：吸取8.4 mL HCl(優(yōu)級純)加水稀釋至1 L，即為0.1 mol·L-1HCl。(2)DTPA提取劑：稱取1.967 g DTPA溶于14.92 g三乙醇胺(TEA)和少量水中，再將1.11 g CaCl2溶于水后，一并轉(zhuǎn)入1 L容量瓶中，加水至約950 mL，再用6 mol·L-1HCl溶液調(diào)節(jié)pH至7.30，最后用水定容，貯存于塑料瓶中。(3)NH4OAC提取劑：稱取77.08 g NH4OAC加水溶解稀釋至1 L，即為1 mol·L-1NH4OAC。(4)CaCl2提取劑：稱取11.1 g CaCl2加水溶解稀釋至1 L，即為0.1 mol·L-1CaCl2。(5)TGA提取劑：稱取9.47 g Na2HPO4溶解于水中，吸取0.3 mL TGA于已溶的Na2HPO4溶液中，轉(zhuǎn)移、定容至1 L容量瓶。

準確稱取過2 mm篩的土樣5 g(精確至0.01 g)于250 mL塑料瓶中，加入50 mL相應(yīng)的提取劑于塑料瓶中，以180 r·min-1的速度在25 ℃振蕩，振蕩2 h后，過濾待測。

1.3 Hg含量測定方法

土壤有效態(tài)汞的檢測按照GB/T 22105.1—2008《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法 第1部分：土壤中總汞的測定》進行，水稻和蔬菜樣品汞的測定按照GB 5009.17—2014《食品安全國家標準 食品中總汞及有機汞的測定》進行。土壤全Hg、有效態(tài)Hg，以及蔬菜和水稻Hg的含量均采用AFS-9230原子熒光光度計(北京吉天儀器有限公司)進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010軟件和SPSS 11.5軟件進行統(tǒng)計分析，對有顯著(P<0.05)差異的，采用Duncan法進行多重比較，相關(guān)性分析選用皮爾遜(Pearson)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸提劑提取的有效態(tài)Hg含量分析

同一土壤樣品，不同提取劑浸提的有效態(tài)Hg含量有顯著差異(表1)。供試8個蔬菜地土壤樣本都以TGA提取的有效態(tài)Hg含量最高，DTPA提取的有效態(tài)Hg含量最低。CaCl2、NH4OAC和HCl提取的有效態(tài)Hg含量顯著低于TGA提取的有效態(tài)Hg含量，顯著高于DTPA提取的有效態(tài)Hg含量。供試的8個蔬菜地土壤樣本中，有5個土壤樣本CaCl2和NH4OAC提取的有效態(tài)Hg含量顯著高于HCl提取的有效態(tài)Hg含量，另3個土壤樣本CaCl2和NH4OAC提取的有效態(tài)Hg含量與HCl提取的有效態(tài)Hg含量無顯著差異。所有蔬菜地土壤樣本CaCl2提取的有效態(tài)Hg含量與NH4OAC提取的有效態(tài)Hg含量間均無顯著差異。

表1 不同提取劑提取的土壤有效態(tài)Hg含量

在稻田土壤樣本上，TGA提取的有效態(tài)Hg含量同樣顯著高于其他提取劑提取的有效態(tài)Hg含量，而DTPA的提取量最低，8個樣本的DTPA提取量均顯著低于其他4種提取劑提取的有效態(tài)Hg含量。8個稻田土壤樣本中，4個堿性土壤表現(xiàn)為CaCl2和NH4OAC提取的有效態(tài)Hg含量顯著高于HCl提取的有效態(tài)Hg含量，而4個酸性土壤則表現(xiàn)為CaCl2和NH4OAC提取的有效態(tài)Hg含量與HCl提取的有效態(tài)Hg含量無顯著差異(表1)。這似乎說明，在選用的5種提取劑中，螯合劑類的提取劑，如TGA和DTPA提取能力相對穩(wěn)定，不受土壤pH值的影響，TGA的提取能力高于弱酸類和中性鹽類提取劑，而DTPA的提取能力則低于弱酸類和中性鹽類提取劑；但弱酸類和中性鹽類提取劑，如CaCl2、NH4OAC和HCl，尤其是HCl提取的有效態(tài)Hg含量則與土壤pH值有一定的關(guān)系，在酸性土壤中，其提取能力與NH4OAC和CaCl2相近，而在堿性土壤中，其提取能力低于NH4OAC和CaCl2。NH4OAC和CaCl2對土壤有效態(tài)Hg的提取能力相對比較穩(wěn)定，二者沒有顯著差異。

2.2 不同浸提劑提取的有效態(tài)Hg適用性分析

表2列出了供試蔬菜和水稻及其相應(yīng)的土壤Hg含量：菜地土壤Hg含量在0.094～0.68 mg·kg-1時，蔬菜植株Hg含量僅為0.001 7～0.005 7 mg·kg-1，蔬菜Hg含量占土壤全Hg的0.4%～2.0%；稻土土壤Hg含量在0.087～1.7 mg·kg-1之間，水稻籽粒Hg含量在0.002 7～0.005 5 mg·kg-1，水稻籽粒Hg含量占土壤全Hg的0.2%～4.1%。可見，水稻對Hg的吸收能力稍高于蔬菜，但總體來說，Hg仍屬于不易被植物吸收的元素。因此，對土壤有效態(tài)Hg，即生物有效性Hg含量進行監(jiān)測和風險評價就顯得尤為重要。

表2 蔬菜和水稻樣品Hg含量及其對應(yīng)的 土壤全Hg含量 單位：mg·kg-1

為了更好地評價不同提取劑對不同土壤的適用性，對土壤有效態(tài)Hg含量與蔬菜或水稻Hg含量進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。從水稻種植體系來看，HCl、NH4OAC和CaCl2提取的有效態(tài)Hg含量都與水稻籽粒Hg含量呈顯著正相關(guān)，尤其是HCl和CaCl2提取的有效態(tài)Hg含量與水稻Hg含量呈極顯著正相關(guān)，說明HCl、NH4OAC和CaCl2較適于稻田土壤有效態(tài)Hg的提取。進一步將8個水稻樣品按土壤pH值分為酸性和堿性2類，分別與水稻籽粒Hg含量進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，其相關(guān)性均未達到顯著水平(數(shù)據(jù)未給出)。從蔬菜種植體系來看，僅CaCl2提取的有效態(tài)Hg含量與蔬菜Hg含量的相關(guān)性達到顯著水平，但二者呈負相關(guān)關(guān)系，具體原因還有待于深入研究。

表3 不同提取劑提取的土壤有效態(tài)Hg與蔬菜或 水稻籽粒Hg含量的相關(guān)系數(shù)

2.3 不同浸提劑提取的有效態(tài)Hg相關(guān)性分析

如表4、5所示：在菜地土壤樣本上，不同浸提劑提取的有效態(tài)Hg含量之間并無顯著相關(guān)性；在稻田土壤樣本上，CaCl2提取的有效態(tài)Hg含量分別與HCl或NH4OAC提取的有效態(tài)Hg含量呈極顯著或顯著正相關(guān)。這可能是因為蔬菜種植體系中蔬菜品種的頻繁變更導致其土壤特性較為復雜，因此，壤土有效態(tài)Hg的提取也更加復雜，不同浸提劑的提取效果存在較大差異。

表4 菜地土壤樣本上不同浸提劑提取的有效態(tài) Hg含量的相關(guān)性

表5 稻田土壤樣本上不同浸提劑提取的有效態(tài) Hg含量的相關(guān)性

3 小結(jié)與討論

土壤中的汞以多種形態(tài)存在。本研究表明，水稻籽粒Hg含量僅為土壤全Hg的0.2%～4.1%，而蔬菜Hg含量僅為土壤全Hg的0.4%～2.0%，可見利用土壤Hg全量指標并不足以反映土壤Hg的污染風險。有效Hg是指能被植物吸收或植物能夠從土壤中提取的Hg，是一個可以衡量土壤Hg污染程度的量化指標[11]，在土壤污染風險評估中比土壤全Hg具有更重要的意義[12]。近年來，關(guān)于土壤有效態(tài)Cd、Cr、Pb、Cu、Zn提取的相關(guān)研究已經(jīng)取得了較多進展，并形成了成熟的方法，但關(guān)于土壤有效態(tài)Hg的提取則仍處于摸索階段。Zhu等[13]用CaCl2提取法評估了土壤有效態(tài)Hg含量，發(fā)現(xiàn)CaCl2僅提取了土壤中的大部分離子態(tài)Hg和少量甲基Hg。Pelcová等[14]報道，薄膜擴散梯度技術(shù)(DGT)提取的土壤有效態(tài)Hg與豌豆根、莖和葉部的Hg含量呈顯著正相關(guān)，但該方法操作繁瑣，提取周期長，目前應(yīng)用不多。本研究以目前常用的5種土壤有效態(tài)重金屬提取劑為研究對象，發(fā)現(xiàn)其提取效率表現(xiàn)為TGA>NH4OAC≈CaCl2≥HCl>DTPA。劉繁燈等[5]在油茶林地的研究發(fā)現(xiàn)，DTPA對土壤有效態(tài)Hg的提取能力強于HCl；而荊延德等[15]在對長三角地區(qū)青紫泥稻菜輪作土壤上的研究表明，不同浸提劑對有效態(tài)Hg的提取能力表現(xiàn)為CaCl2>HCl>NH4OAc>DTPA。上述結(jié)果說明，不同的土壤和不同的作物體系下，不同提取劑對土壤有效態(tài)Hg的提取能力有所差異?，F(xiàn)有的其他關(guān)于有效態(tài)重金屬的研究也發(fā)現(xiàn)，不同提取劑對土壤有效態(tài)重金屬的提取能力有很大差異，且在不同土壤、作物條件下存在明顯差異[5,8,16-18]?？梢?，不同提取劑在不同土壤、作物條件下的提取能力變化是普遍存在的。

樣本相關(guān)性分析結(jié)果表明，HCl、NH4OAC和CaCl2提取的有效態(tài)Hg與水稻籽粒Hg含量呈顯著正相關(guān)，而且HCl和CaCl2提取的有效態(tài)Hg含量與水稻籽粒Hg含量呈極顯著正相關(guān)；而蔬菜上各浸提劑提取的有效態(tài)Hg與蔬菜Hg含量的正相關(guān)性均未達到顯著水平。這說明與水稻種植體系相比，蔬菜土壤有效態(tài)Hg的最佳提取劑是不同的，也再次說明不同土壤條件或種植作物類型都會對土壤有效態(tài)Hg的浸提產(chǎn)生影響。張傳琦[19]對黃棕壤的研究發(fā)現(xiàn)，0.1 mol·L-1HCl提取的有效態(tài)Hg、Cd含量與禾本科草類的相關(guān)性略大于與茶葉的相關(guān)性，而0.1 mol·L-1HCl提取的有效態(tài)Pb、As含量和氯化鈣提取的有效態(tài)Cr含量則是與茶葉的相關(guān)性要大于與禾本科草類的相關(guān)性；姚羽等[20]和陳靜等[21]都報道，CaCl2提取的土壤有效態(tài)Cd與小麥和玉米體內(nèi)Cd含量呈顯著正相關(guān)；孫芳芳等[22]報道，小白菜和胡蘿卜的Hg含量與TGA提取的土壤有效態(tài)Hg含量相關(guān)性良好。本研究中，僅水稻籽粒Hg含量與部分浸提劑提取的土壤有效態(tài)Hg含量的正相關(guān)性達到顯著水平，供試各浸提劑提取的土壤有效態(tài)Hg含量與蔬菜Hg含量的正相關(guān)性均未達到顯著水平。結(jié)合各供試樣本的土壤理化性狀分析，似乎CEC含量高的土壤(本研究中，稻田土壤樣本的CEC平均含量高于菜地土壤)更適于中性鹽和弱酸類的提取劑。