云南富源某地區(qū)土壤8種有效態(tài)元素的測(cè)定

馮 俊 楊發(fā)忠 何袖輝 唐帥帥 胡斯涵

(1.西南林業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，昆明 650000；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 昆明自然資源綜合調(diào)查中心，昆明 650000)

隨著我國(guó)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，有毒有害固體和廢液和生活廢水的大量排放，再加上一些排水管網(wǎng)的滲漏和農(nóng)業(yè)化學(xué)藥品的大量使用，土壤圈成為最直接的受害體，受到最為廣泛的危害。其中土壤中的重金屬污染危害性最大，有難利用、難分解、潛伏期長(zhǎng)、不可逆性和時(shí)間長(zhǎng)等特性，正受到世界各國(guó)的關(guān)注。重金屬排放到土壤圈后，很難在能量交換中利用，也很難分解，大多情況下在土壤中富集，對(duì)土壤的功能穩(wěn)定和生態(tài)結(jié)構(gòu)造成破壞，不利于農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)[1-3]，人通過(guò)食物鏈吸收富集在植物里面的有害元素，對(duì)人身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。隨著研究的深入，全量分析不能全面了解土壤的養(yǎng)分情況和污染情況，重金屬在土壤中存在多種對(duì)生物有效性不同的形態(tài)，研究表明生物有效性不僅和全量有關(guān)，更大程度決定于形態(tài)分布[4-7]。土壤成分復(fù)雜，背景波動(dòng)范圍大，不均一，元素轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，對(duì)目的元素有效態(tài)含量進(jìn)行檢測(cè)，是確切了解土壤質(zhì)量，也是土壤修復(fù)、治理的理論基礎(chǔ)。對(duì)土壤中有效態(tài)的測(cè)定有很多的報(bào)道，包括原子吸收光譜法、分光光度法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法和光譜法等[8-9]。但大部分的報(bào)道只是檢測(cè)規(guī)范的應(yīng)用，對(duì)規(guī)范的應(yīng)用范圍和條件變化報(bào)道很少。本文從有效態(tài)提取劑的配制和提取過(guò)程的條件控制，來(lái)研究DTPA提取云南富源某地區(qū)的8種有效態(tài)元素，解決該地區(qū)土壤肥力狀況和污染情況，為該地區(qū)土壤修復(fù)和施肥提供技術(shù)支持。

關(guān)于有效態(tài)的定義，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從土壤化學(xué)方面看，有效態(tài)包括水溶態(tài)、酸溶態(tài)、螯合態(tài)、吸附態(tài)，也包括能在短時(shí)期內(nèi)釋放為植物吸收利用的某些形態(tài)[10-13]。DTPA浸提取土壤中的有效成分和植物吸收有很好的相關(guān)性，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定錳、鎘、鐵、銅、鉛、鋅、鎳和鈷8種元素。

1 材料與方法

1.1 供試材料

6300系列電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES，美國(guó)熱電公司)，振蕩器(上海優(yōu)普實(shí)業(yè)有限公司智能恒溫培養(yǎng)振蕩器)，離心機(jī)(湖南湘立科學(xué)儀器有限公司)，pH計(jì)(雷磁PHS-3E上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)。土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品GBW07415a、GBW07416a、GBW07461均為中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所研制；云南富源土壤樣品(未知樣品)；實(shí)驗(yàn)所用器皿均用硝酸溶液浸泡24 h后，使用超純?nèi)ルx子水清洗干凈后，干燥備用；實(shí)驗(yàn)所用二水合氯化鈣、三乙醇胺、二乙烯三胺五乙酸和鹽酸為優(yōu)級(jí)純?cè)噭?，?shí)驗(yàn)用水達(dá)到或者優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中二級(jí)水標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 研究方法

1.2.1 方法原理

用pH等于7.3，DTPA-CaCl2-TEA緩沖溶液作為提取劑，螯合浸提出土壤中的有效銅、鐵、錳、鋅、鎘、鈷、鉛和鎳。其中DTPA為螯合劑；CaCl2能防止石灰性土壤中的游離鈣的溶解，避免因碳酸鈣所包庇的鋅鐵等元素釋放產(chǎn)影響；TEA作為緩沖劑，能使溶液pH值保持在7.3左右，對(duì)碳酸鈣溶解液起到抑制作用[14-15]。

1.2.2 DTPA配制方法和樣品預(yù)處理

DTPA 浸提液的配制：將1.967 g DTPA(二乙烯三胺五乙酸)、14.92 g TEA(三乙醇胺)和1.470 g二水合氯化鈣加去離子水?dāng)嚢枋蛊渫耆芙?，繼續(xù)加水稀釋至約950 mL，在pH 計(jì)上用稀鹽酸溶液調(diào)整pH值為7.3，轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶中定容，搖勻，避光保存。

準(zhǔn)確稱取10.0 g(精確至0.000 1 g)土壤樣品，置于100 mL 三角錐形瓶中，加入20.0 mL DTPA浸提液，蓋緊瓶塞。在25 ℃室溫下，以180 r/min的振蕩頻率振蕩2 h。將浸提慢倒入離心管中，以3 000 r/min離心10 min，上清液經(jīng)中速定量濾紙重力過(guò)濾后于48 h內(nèi)進(jìn)行測(cè)定分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取液的選擇

一次化學(xué)試劑提取法提取的金屬形態(tài)是指植物能吸收利用的所有形態(tài)，化學(xué)試劑提取方法提取的金屬含量與植物的相關(guān)性較好，可用來(lái)評(píng)價(jià)土壤中重金屬存在的情況和土壤質(zhì)量情況。在現(xiàn)在使用的一次性化學(xué)試劑提取法中，主要有中性鹽、金屬螯合劑、酸試劑等。因浸提劑對(duì)土壤中的金屬浸提機(jī)理不同，不同浸提劑對(duì)金屬的浸提效率也有所差異。選用何種提取劑，要根據(jù)目的地的pH值、有機(jī)物含量等情況確定。在方法實(shí)驗(yàn)之前，已經(jīng)對(duì)該目的地的pH和有機(jī)物含量進(jìn)行大量檢測(cè)，該地區(qū)有機(jī)物含量不高，pH值在7.5左右，屬于中性和偏堿性土壤，不適合用稀HCl提取，稀HCl緩沖性能弱，在堿性土壤和石灰性土壤中酸被堿中和，抑制了H+的置換作用，它對(duì)Cd、Cu、Zn、Pb的提取率很小，不利于儀器檢測(cè)。此外，有研究表明，DTPA提取的金屬離子除Zn外，其他金屬離子和植物的金屬離子高度相關(guān)[16]。因此，實(shí)驗(yàn)選擇DTPA為該地區(qū)8種元素的提取劑。

2.2 分析儀器參數(shù)的選擇

ICP-OES測(cè)定金屬元素，譜線波長(zhǎng)的選擇和儀器參數(shù)的優(yōu)化十分重要，是減少光譜干擾和非光譜干擾的有效手段。譜線的選擇原則是選擇靈敏度高，信噪比大[17-18]，待分析譜線周圍“干凈”沒有和其他重復(fù)的譜線。通過(guò)該地區(qū)的盲樣全譜分析，發(fā)現(xiàn)有效Cd、Ni、Zn含量都不高。為有效減少分析誤差，通過(guò)條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定的分析譜線和儀器參數(shù)(功率、載氣流速和霧化器壓力)如表1所示。測(cè)定時(shí)以Sr為內(nèi)標(biāo)矯正基體效應(yīng)。

表1 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀工作條件

2.3 浸提條件的確定

DTPA是非平衡體系，很多因素都可能影響浸提效果，DTPA的酸度、濃度、水土比(浸提液的體積和土壤的質(zhì)量之比)，溫度、振蕩時(shí)間和浸提瓶等都會(huì)影響浸提效果[19]。其中震蕩時(shí)間和水土比是影響浸提效率的最關(guān)鍵因素。

2.3.1 震蕩時(shí)間的確定

按照實(shí)驗(yàn)方法，在振蕩時(shí)間0.5～5 h范圍內(nèi)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和未知的土壤樣品(富源地區(qū))進(jìn)行比對(duì)分析。一個(gè)樣品平行稱取多份，每相隔30 min對(duì)一個(gè)樣品進(jìn)行離心檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07415a中8種有效態(tài)結(jié)果見圖1和圖2(未知樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品有相同的結(jié)果，以GBW07415a為例說(shuō)明)。從圖中可以看出，在2 h內(nèi)，各元素有效態(tài)的值和時(shí)間是正相關(guān)，且先快后慢；當(dāng)振蕩時(shí)間在2～3.5 h內(nèi)，各元素有效態(tài)的值變化不大，趨于平穩(wěn)。當(dāng)震蕩時(shí)間在3.5～5 h時(shí)，各元素有效態(tài)的值有緩慢上升的趨勢(shì)。剛開始時(shí)，提取劑和土壤混合時(shí)，土壤樣品中的有效態(tài)隨著時(shí)間不斷從土壤中浸提出來(lái)，震蕩時(shí)間在2 h左右，有效態(tài)可能完全浸提出來(lái)，但是當(dāng)震蕩時(shí)間增長(zhǎng)，超過(guò)3.5 h后，有一部分非有效態(tài)也可能被浸提出來(lái)，此時(shí)提取的部分植物不能吸收，不能當(dāng)作有效組分。因此，實(shí)驗(yàn)選擇振蕩時(shí)間為2 h。

圖1 震蕩時(shí)間對(duì)Cu、Fe、Mn、Pb的影響Figure 1 Effect of oscillation time on Cu，F(xiàn)e，Mn and Pb.

圖2 震蕩時(shí)間對(duì)Cd、Co、Ni、Zn的影響Figure 2 Effect of oscillation time on Cd，Co，Ni and Zn.

2.3.2 水土比的確定

按照實(shí)驗(yàn)方法，選用不同的水土比1∶1、2∶1、3∶1對(duì)國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物資GBW07415a進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果見表2，水土比1∶1時(shí)，各元素的有效態(tài)測(cè)定值普遍偏低，可能浸提液少，不能完全螯合土壤中的有效態(tài)；當(dāng)水土比為2∶1時(shí)，測(cè)定值和標(biāo)準(zhǔn)值吻合；水土比為3∶1時(shí)，測(cè)定值和標(biāo)準(zhǔn)值相比，測(cè)定值有高有低，可能是測(cè)量誤差，有效Cd、Cu、Zn、Pb、Co、Ni的值在土壤中含量不高，當(dāng)水土比較大時(shí)，有效態(tài)含量接近檢出限，測(cè)量誤差較大。因此實(shí)驗(yàn)選擇水土比2∶1。

表2 不同水土比對(duì)各元素有效態(tài)值的影響

2.4 方法檢出限和測(cè)定限

按照樣品分析全步驟，重復(fù)10次全程序空白實(shí)驗(yàn)，計(jì)算10次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差，按照計(jì)算公式(1)計(jì)算方法檢出限。檢出限的4倍為測(cè)定下限。計(jì)算檢出限和測(cè)定下限的結(jié)果見表3。從表3中可以看出，測(cè)試的工作曲線線性相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，工作曲線線性良好，滿足分析測(cè)試要求。

MDL=tn-1,0.99×S

(1)

式中：MDL—檢出限，μg/g；n—樣品平行測(cè)定次數(shù)；t—自由度為n-1，置信度為99%時(shí)的t值；S—n次測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表3 各元素檢出限和定量下限

2.5 方法的準(zhǔn)確度和精密度實(shí)驗(yàn)

將土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) GBW07415a、GBW07416a、GBW07461和按照最佳條件平行制成6份待測(cè)試液，測(cè)試8種元素的含量，并計(jì)算各元素的平均值、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果見表4。各元素的測(cè)定值和標(biāo)準(zhǔn)值吻合，表明該方法準(zhǔn)確度好。Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，說(shuō)明本方法精密度高。

表4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析結(jié)果

2.6 方法加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本方法的準(zhǔn)確度，取云南富源項(xiàng)目的未知樣品6件進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，每件樣品平行分析3次取平均值，結(jié)果見表5。從結(jié)果能看出，Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn這 8種元素加標(biāo)回收率在 90.0%～110%，符合分析要求。

表5 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

2.7 實(shí)際樣品分析

為按照實(shí)驗(yàn)方法對(duì)云南富源-貴州盤州能源礦產(chǎn)集中區(qū)生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目的2 000余件樣品進(jìn)行分析，安插在分析批次里面的國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)合格率為100%。按照驗(yàn)收要求對(duì)基本分析樣品進(jìn)行一定比例的盲樣外檢，相互對(duì)比一次合格率為99%，說(shuō)明本方法再現(xiàn)性好。

3 結(jié)論

結(jié)合云南富源某地區(qū)的土壤背景條件，采用二乙烯三胺五乙酸(DTPA) 提取土壤中的8種有效態(tài)元素，用ICP-OES測(cè)定。通過(guò)優(yōu)化儀器工作條件，降低了基體效應(yīng)和光譜干擾。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定了最佳的震蕩時(shí)間和水土比，用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，說(shuō)明本方法檢出限、準(zhǔn)確度和精密度滿足分析要求。通過(guò)對(duì)云南富源地區(qū)的土壤樣品進(jìn)行大量分析，該方法穩(wěn)定性好，通過(guò)和外單位的數(shù)據(jù)對(duì)比，該方法再現(xiàn)性好?？傊摲椒ú僮骺焖俸?jiǎn)單，綠色環(huán)保，方法線性相關(guān)系數(shù)好，適合該地區(qū)土壤中有效態(tài)元素的分析，該方法對(duì)于分析土壤中有效態(tài)元素具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。