土壤中重金屬有效態(tài)分析技術研究進展

賈雙琳，李長安

(1.貴州省地質礦產(chǎn)中心實驗室，貴州 貴陽 550018；2.黔南民族師范學院化學化工學院，貴州 都勻 558000)

由于人類活動如污水灌溉、堆放垃圾、重金屬冶煉工廠排放的廢水、廢渣，煤、石油等燃燒排放的煙塵等，產(chǎn)生的重金屬隨大氣沉降或降雨等被引入土壤中，造成土壤中重金屬污染。用重金屬有效態(tài)含量來評價土壤污染程度越來越被認可。土壤中重金屬形態(tài)不同，活性不同，其毒性和環(huán)境行為也不同(周衛(wèi)紅 等，2017)。

國際標準化組織規(guī)定重金屬的生物有效性包含三個部分即環(huán)境有效態(tài)、生物有效性重金屬和毒性生物有效性重金屬。在環(huán)境行業(yè)標準中，將土壤中能夠被植物根系吸收的元素稱為有效態(tài)，通常分析測試的量是指環(huán)境標準中定義的部分，且一定的提取劑所提取的量即為有效態(tài)量，這部分通常是經(jīng)過相關試驗驗證為有效的部分。有效態(tài)在重金屬污染研究中被稱為可提取態(tài)。

土壤中重金屬有效態(tài)的研究，有助于人們認識元素的地球化學過程，評價金屬活動態(tài)的潛在性和活動態(tài)引發(fā)的風險，土壤重金屬有效態(tài)的數(shù)據(jù)成為土壤污染風險評價的重要參數(shù)。有效態(tài)的測試方法研究，也對當前的土壤污染修復工作起到積極的指導作用。如有實驗表明，目前常用的對土壤施用生石灰的土壤污染修復技術非常有效，在施用一定量的生石灰后，土壤中的有效態(tài)重金屬銅鉛鋅鎘的含量降低(劉軍 等，2017)。

土壤金屬元素形態(tài)和生物有效性取決于其地球化學行為、元素成因來源、土壤理化條件以及植物根際效應等(周國華，2014)。通常土壤pH下降，土壤中會釋放更多的金屬離子。有機質對土壤中金屬離子有固定作用，可減少植物吸收的有效金屬量(Morman S A et al，2009)。通過研究紅壤和潮土、黃褐土和水稻土中pH、有效態(tài)鎘鉛和總量之間的關系，表明隨pH增大，有效鎘和鉛含量降低(杜英秋，2015；楊夢麗 等，2019)。

化學提取法是測試金屬有效態(tài)的常用方法，采用特定的提取劑和提取流程，對釋放出的特定量進行檢測。按照提取步驟，有單步提取和連續(xù)提取法。

1 單步提取法

通常認為單步提取法所提取的重金屬形態(tài)即是環(huán)境有效態(tài)，同一浸提劑對不同重金屬浸提效果不同。單步提取法主要提取土壤中相對活動或有潛在活動態(tài)的金屬元素，是化學提取法中常用的手段。在化學提取法中，提取劑的濃度(劉羽翼 等，2017)、提取時間、振蕩方式(呂明超 等，2014)、振蕩頻率、溫度(王志成，2019)等對結果都有影響。提取劑主要有中性鹽、絡合劑、酸類等。由于不同提取劑提取機理不同，因此不同提取劑的提取量也有一定差別，通常情況下提取量從小到大的順序為：中性鹽提取劑、絡合劑提取劑、酸類提取劑。

1.1 中性鹽提取劑

中性鹽溶液不會對硅酸鹽或氫氧化物造成影響，不會影響土壤pH值，可置換出土壤顆粒吸附的金屬離子，通常包括CaCl2、MgCl2、銨鹽等。CaCl2屬弱代換劑，能真實反映土壤自然pH條件下元素的有效性，主要置換土壤中的水溶態(tài)和交換態(tài)，其對重金屬的提取量通常較低。強酸銨鹽類，如硝酸銨(International Standard，2008)或氯化銨，會降低土壤的pH，促進粘土礦物的水解，但在提取中銨鹽易揮發(fā)，使浸提液的濃度和酸堿度受到影響，故測定結果不穩(wěn)定。

CaCl2提取劑的濃度通常為0.1 mol/L(Wei-hong Zhou et al，2019)(Feiying Zhang et al，2020)。中性提取劑提取土壤中有效砷，提取率較低(杜晶，2018)，是因為鈣與砷形成難溶性化合物。CaCl2等對酸性土壤中有效鎘的提取呈現(xiàn)土壤中全鎘含量高則有效鎘的提取率低，全鎘含量低則有效鎘的提取率高的反效應規(guī)律(肖振林 等，2008)。CaCl2用于提取鈣質土壤中有效鎘銅鐵錳鎳和鋅(Mohsen Jalali et al，2017)。0.1 mol/LMg(NO3)2可提取土壤中鉛鎳鋅銅鎘(Bushra Haroon et al，2020)。

1.2 絡合劑提取劑

絡合劑與金屬離子形成穩(wěn)定絡合物一定程度上模擬了作物根系分泌物對金屬的活化、絡合作用，因此絡合劑提取劑應用較廣。常用的絡合劑有二乙基三胺五乙酸(DTPA)、EDTA等，DTPA屬較強的代換劑，與銅等螯合，形成穩(wěn)定的螯合物，在適當條件下，DTPA可以將土壤固相表面吸附的金屬離子提取出來，而以絡合劑-酸-鹽配成的復合提取液，可改善提取效果從而獲得穩(wěn)定的實驗結果。

DTPA提取劑在1978年被應用，我國早在1985年就有使用DTPA的報道(靳啟增 等，1985)。土壤中有效鎘研究顯示DTPA提取效果較好(趙立紅 等，2014；楊曉磊 等，2016)。對土壤中有效錳銅鋅鉛等的研究(李旭暉 等，2019)，表明DTPA是適用于酸性和堿性土壤中有效態(tài)金屬的提取劑。用DTPA提取埃及最大的水稻產(chǎn)區(qū)之一土壤中鎘銅鉛鋅鎳的方法效果較好(Ahmed S.Abuzaid et al，2020)。2016年我國環(huán)保部標準(中華人民共和國環(huán)境保護部，2016)規(guī)定了避免光譜重疊干擾、校正光譜干擾、基體匹配法(孫媛媛 等，2015)降低或消除非光譜干擾的方法。有研究發(fā)現(xiàn)DTPA提取時，DTPA-TEA-CaCl2體系中的CaCl2測試土壤中有效鋅時空白較高(謝飛 等，2020)，將Ca(NO3)2替代CaCl2可降低81.4%的鋅空白。

EDTA(Zhu Li et al，2018)及其它絡合劑如乙二胺二鄰苯基乙酸(EDDHA)(Ryan Orr et al，2020)也有一定的應用。EDDHA是一種多功能金屬離子控制劑，它的分子結構中含有酰胺官能團，酰胺鍵與一個氧原子相連，是理想的絡合劑。

1.3 酸類提取劑

稀酸模擬的是作物根系的微酸環(huán)境，酸類提取劑屬較強的代換劑，由于pH低，容易將土壤中碳酸鹽結合態(tài)、有機結合態(tài)提取出來，因此土壤中有效態(tài)提取率較高，但有時酸類提取獲得的有效態(tài)量并不能真實反映土壤中有效態(tài)的含量。酸類提取劑對各元素提取效率不同，這與各元素在土壤中的相態(tài)有關。

使用較多的酸為鹽酸，其流程簡單、成本低。鹽酸濃度多為0.1 mol/L，用于測定土壤中有效鉛(張世文，2019)錳鐵銅鋅(金茜 等，2007)鎘(賀靜 等，2009)鎳(Jolanta Korzeniowska et al，2017)砷(張傳琦 等，2011)等，也有學者發(fā)現(xiàn)1.7%HCl可以提取土壤中80%以上的有效鉛汞和砷(Hyoil Jeon et al，2017)。

酒石酸(Sanja S.Potgieter-Vermaak et al，2019)也被用于提取土壤中有效態(tài)金屬，檸檬酸-酒石酸(李亮亮 等，2008)作提取劑，預測玉米籽粒中重金屬含量比較合適，該研究通過土壤有效態(tài)重金屬含量與玉米重金屬含量的關系，判斷有效態(tài)重金屬與玉米根、莖、葉中重金屬Cu、Zn、Cd、Pb的相關性，因此通過測試玉米籽粒中重金屬含量，判斷玉米產(chǎn)地的土壤中重金屬可以被生物體吸收的含量。0.11 mol/L醋酸、0.11 mol/L檸檬酸和0.65%鹽酸被用于測試土壤有效砷、鎘和鉛(Aurélie Pelfrêne et al，2020)。不同濃度蘋果酸、甲酸(寇樂勇 等，2019)用于研究安徽某銅礦區(qū)及周邊土壤中有效銅錳鋅鉛。

2 前處理及儀器分析方法

提高分析效率，增加分析準確度是學者關注的研究課題，如超聲提取技術(彭靖茹 等，2011；農(nóng)云軍 等，2016；吳云兵 等，2018；楊喆 等，2019)，可以將分析時間由傳統(tǒng)的2 h縮短至20 min左右，對高壓密閉消解等技術也有相關的研究。

超聲提取DTPA浸提測定土壤中有效態(tài)鎘的方法(甘志勇 等，2013)不適用礦區(qū)鎘污染嚴重的土壤。多管渦旋混合儀(曹靜 等，2020)因樣品提取充分，可稱樣0.5 g。高壓密閉消解技術(任冬 等，2020)消解了DTPA浸提液中的大量有機酸和有機質，減少有機物堵塞霧化器或者炬管的情況，同時降低了空白。

在儀器方面，連續(xù)光源原子吸收光譜儀(肖波 等，2007)有一定的應用。電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀也有一定的應用(張安豐 等，2019)，電感耦合等離子體儀(ICP-MS)測定土壤中有效銅時，需注意減小因工作曲線的擬合引入的不確定度(易建春 等，2018)。由于DTPA等提取劑基體復雜，可通過基體匹配法降低或消除基體干擾(劉永林 等，2012)。為減少溶液中共存離子濃度對質譜儀的測量產(chǎn)生嚴重干擾，可考慮減少稱樣量。此外，碰撞池(CCT)常用來消除基體干擾(唐碧玉 等，2019)和多原子離子干擾(羅治定 等，2019)。

3 其它測試方法

目前，也有少量的分光光度法、電化學法、便攜式X射線熒光法(FP-XRF)等用于土壤中有效態(tài)的測定。

水相分光光度法測定土壤有效銅的方法(羅夢婷 等，2014)中，使用阿拉伯樹膠做增溶劑，檸檬酸-EDTA做干擾掩蔽劑，消除鐵、鈷、錳等元素的干擾，利用二乙基二硫代氨基甲酸鈉與銅離子形成穩(wěn)定的黃色絡合物進行測定。

電化學傳感器(張肖靜 等，2018)可以準確、快速測定土壤中有效汞，該自制的電化學傳感器，是一種經(jīng)過DNA修飾后的空心碳球/聚苯胺復合材料，傳感器可與Hg2+錯配，引起電化學信號改變，從而檢測汞。

激光誘導擊穿光譜(LIBS)(Rongxing Yi 等，2018)測試土壤中有效態(tài)鎘和鉛，檢出限分別為0.067和0.94 μg/mL，前處理時間少于20 min，更加高效。使用LIBS技術，因激光脈沖能量會有部分損失，導致實驗重現(xiàn)性不佳。

X射線熒光法應用較為廣泛(李大勇 等，2010；李大勇 等，2015)，而FP-XRF在土壤樣品野外定位、表征和元素定量分析時有更大的優(yōu)勢，該儀器可為金屬的流動性和生物利用率的快速分析和風險評估提供有用信息，成為篩選重金屬等潛在污染源的新方法。該儀器用于土壤中有效銅鉛鋅砷的遷移率研究(Elena Peralta 等，2020)。

4 標準物質

檢驗化學提取法的可靠性，主要依靠標準物質的監(jiān)控，但目前用于土壤中有效態(tài)元素的標準物質多為DTPA、HCl提取結果。

ASA系列標樣常被用做質控樣(黎嘉雯，2018；李源 等，2019)進行精密度和準確度控制。標準物質BCR-701作為監(jiān)控樣(Maria Hasan et al，2018)，測試水稻中的鈣鎘鈷鉻銅鐵鉛鎂錳鎳鍶和鋅。

在這些研究中，實驗多集中在重金屬含量較高的污染區(qū)，研究樣品的數(shù)量類型較少，而盆栽實驗短時間內(nèi)加入到土壤中的物質與土壤間平衡無法建立，導致試驗結果與自然情況存在差異，雖然目前國家批準了一批氯化鈣(田衎 等，2019)、DTPA提取標準物質，但仍需進行相關標物研制工作。

5 連續(xù)浸提法

連續(xù)浸提法，指采用多種試劑，經(jīng)一定提取程序對同一樣品先后進行提取的方法。目前，使用較多的連續(xù)浸提法有：Tessier 法(Tessier A et al，1979)(Mohammad Reza Rezaei Kahkha et al，2017)(S.A.Salman et al，2018)、BCR 提取法、以及一些改進的方法(Emilia Fernández-Ondoo et al，2017)(Samia Khadhar et al，2020)。

提取劑通常是EDTA、DTPA與其酸或鹽的混合溶液，常用的聯(lián)合提取方法主要有碳酸氫銨-二乙烯三胺五乙酸(AB-DTPA)法和Mehlich3(M3)法，ASI法等。

AB-DTPA由P.N.Soltanpour在1977年提出，屬于偏堿性多元素浸提劑，是組合試劑，因為AB-DTPA復合提取劑發(fā)揮了螯合劑和溶液中的HCO3-的作用(唐愛玲，2019)，充分與土壤膠體吸附的陽離子進行交換，更有利于浸提的進行，徐州綠洲土壤中砷鎘鉻銅鉛鋅的生物有效性方法表明AB-DTPA提取效果較好(Ping Luo et al，2019)。

M3浸提劑是1982年提出來的，廣泛適用于酸性和中性土壤多元素的測定，也可以用于堿性和石灰性土壤。通過225盆盆栽試驗，顯示M3法測定印度卡納塔卡普東部干旱區(qū)番茄種植土壤中有效鋅提取效果最佳(P.N.Siva Prasad et al，2018)。

使用原子吸收光譜儀測定褐土、棕壤、黑土中有效態(tài)重金屬Cd的實驗結果顯示，M3、ASI聯(lián)合浸提法可行(郭繼斌 等，2016)。

聯(lián)合提取法雖然效果較好，但配制試劑繁瑣、且存在不環(huán)保等因素，其適用程度將會受到限制。

6 展望

化學提取法提取的重金屬含量，屬于“可提取態(tài)”范疇，不能完全等同真實的“植物有效態(tài)”，但測試結果有一定的指示和表征作用。如2017—2018年，貴州省地質礦產(chǎn)中心實驗室開展的貴州省農(nóng)業(yè)用地質量調查項目時，同時測定了土壤有效態(tài)量及土壤上生長的農(nóng)產(chǎn)品的重金屬含量，通過對兩類數(shù)據(jù)的分析對比，比較容易的判斷出在重金屬污染區(qū)域哪些植物吸收的重金屬量低，從而可以大面積種植，相反，如果同區(qū)域的多種植物某些重金屬含量高，那么其土壤重金屬有效態(tài)量也必然較高，因此土壤重金屬有效態(tài)測試方法研究，對當前的土壤污染風險評估及土壤污染修復工作起到指導作用。有效態(tài)檢測方法的有效性和準確性仍是重中之重，加強有效態(tài)標準物質的研制，結合全國土壤污染數(shù)據(jù)庫，總結有效態(tài)與全量、pH等參數(shù)之間的相互關系，研究有效態(tài)測試結果與植物吸附之間的關系，將化學提取法和培養(yǎng)試驗法結合起來，加入必要的統(tǒng)計檢驗，使化學提取法更接近實際或有較好的相關性，進一步發(fā)揮化學提取法測試有效態(tài)結果的指示作用。