吳倩永(廣東省有色金屬地質(zhì)局九四〇隊(duì),廣東 清遠(yuǎn) 511520)
近些年來,我國土壤重金屬污染的問題越來越嚴(yán)峻,在國內(nèi)已經(jīng)形成了較高的討論度。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的源頭,土壤重金屬污染也會(huì)直接影響農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì),必須給予其充分重視。在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染治理工作中,污染檢測(cè)極為關(guān)鍵,能夠給整個(gè)污染治理提供完善的數(shù)據(jù)支撐。我國土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用仍需要積極創(chuàng)新。本文將以此為切入點(diǎn),分析農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景。
在當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中,農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染情況較為嚴(yán)重,同時(shí)也成為了制約我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要原因之一[1]。目前我國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染面積已經(jīng)超過了5 000 萬畝,并且仍處于逐年增加的狀態(tài)。土壤重金屬污染很難得到根治,同時(shí)具有較強(qiáng)的隱蔽性,不利于農(nóng)業(yè)發(fā)展與人們的健康生活。土壤中常見的重金屬污染物有鋁、鉻、鎘、鉛、鎳、銅等,這些重金屬元素本身帶有一定毒性,進(jìn)入土壤后會(huì)跟土壤內(nèi)部的有機(jī)物和無機(jī)物反應(yīng),形成一些新物質(zhì),導(dǎo)致土壤環(huán)境發(fā)生較大變化。在被植物吸收以后,這些有毒元素就會(huì)進(jìn)入食物中。除此之外,土壤中的部分重金屬還能夠被轉(zhuǎn)化為烷基化合物,這類物質(zhì)的毒性更強(qiáng),給人們的飲食安全帶來了更大威脅。
目前我國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染的原因主要可以分為兩個(gè)方面:第一,自然環(huán)境的影響。我國很多地區(qū)都存在顯著的成土母質(zhì)風(fēng)化現(xiàn)象,這給重金屬元素積累提供了有利環(huán)境,再加上惡劣天氣、水源污染等因素的綜合影響,使土壤中重金屬元素結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化,直接改變了土壤中的重金屬元素含量;第二,人類活動(dòng)的影響。我國在過去幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了城市化和工業(yè)化的巨大成就,但其過程中也存在較多不合理建設(shè)行為,如:污水隨意排放、礦山過度開發(fā)、農(nóng)藥與化肥濫用等。這些活動(dòng)直接導(dǎo)致了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染,同時(shí)也是污染問題發(fā)生的主要誘因[2]。綜合來看,我國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染情況較為嚴(yán)峻,有關(guān)部門應(yīng)該全面提高對(duì)重金屬污染土壤檢測(cè)工作的重視程度,并著力提高檢測(cè)技術(shù),以此推動(dòng)土壤質(zhì)量的提升。
目前,農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染問題已經(jīng)得到了重視,我國各個(gè)地區(qū)也開始積極開展土壤重金屬污染檢測(cè)工作。在具體開展檢測(cè)活動(dòng)時(shí),檢測(cè)人員可以使用多種檢測(cè)技術(shù)。本文將結(jié)合當(dāng)前土壤重金屬污染檢測(cè)領(lǐng)域的實(shí)際情況和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),介紹一些常用的土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù),并分析每一項(xiàng)技術(shù)的具體內(nèi)容和優(yōu)劣之處。
在當(dāng)前土壤重金屬檢測(cè)活動(dòng)中,光譜檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用非常普遍,同時(shí)也具有較高的靈敏度。但這種檢測(cè)技術(shù)的成本較高,檢測(cè)流程也比較復(fù)雜,檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)檢測(cè)設(shè)備的精度有較高的要求。在使用光譜檢測(cè)技術(shù)時(shí),往往需要X射線的配合,而X射線電離性特點(diǎn)顯著,如果操作不當(dāng)會(huì)對(duì)檢測(cè)人員造成身體傷害[3]。除此之外,光譜檢測(cè)技術(shù)通常只能采集樣品進(jìn)行檢測(cè),無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),應(yīng)用時(shí)也具有一定的局限性。
電化學(xué)分析檢測(cè)技術(shù)主要通過電化學(xué)傳感器檢測(cè)土壤中的重金屬含量。具體檢測(cè)時(shí),這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)作,同時(shí)也能夠快速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),能夠使技術(shù)人員快速了解土壤重金屬污染的整體情況。但在應(yīng)用過程中,電化學(xué)分析檢測(cè)技術(shù)會(huì)受到有機(jī)物、大分子顆粒、表面活性劑等多種物質(zhì)的影響,導(dǎo)致最終的檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)度受到影響。因此,我國應(yīng)積極研發(fā)具有更高抗干擾能力和高靈敏度的電化學(xué)傳感器,從而保證這項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
激光誘導(dǎo)法的原理是通過脈沖激發(fā)器獲得高密度的激光,激光擊穿光譜投射到土壤表面,使得土壤中隱藏的等離子體顯露出來。在檢測(cè)過程中,等離子體的自身熱度會(huì)從較高狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s狀態(tài),并顯示出土壤樣品組信息光譜。在得到信息光譜以后,檢測(cè)人員能夠使用光電探測(cè)器收集光譜中隱藏的信息,并對(duì)這些信息進(jìn)行深入分析,從而完成重金屬元素定量分析模型的建模工作。通過這種方式,檢測(cè)人員不僅可以得到土壤重金屬含量的詳細(xì)信息,同時(shí)也能夠進(jìn)行重金屬元素分類工作,提高土壤重金屬檢測(cè)工作的精細(xì)化水平。這種檢測(cè)技術(shù)所消耗的成本并不算太高,整體操作也比較簡(jiǎn)單,具有較強(qiáng)的應(yīng)用效果[4]。但這項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在一些欠缺與不足。一方面,在使用這項(xiàng)技術(shù)開展監(jiān)測(cè)活動(dòng)時(shí),如果無法保持光譜的穩(wěn)定性,就會(huì)給檢測(cè)工作帶來較大影響,很難保證檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度;另一方面,這項(xiàng)技術(shù)在單次檢測(cè)時(shí)雖然不需要付出較高成本,但用于檢測(cè)的設(shè)備比較昂貴,維保工作也非常復(fù)雜。因此這項(xiàng)技術(shù)適合應(yīng)用于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)土壤重金屬污染的情況,可以提供較好的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。
分光光度法依托于光測(cè)量的相關(guān)理論,可使用不同波長(zhǎng)的光照射到被檢測(cè)土壤的溶液中,記錄土壤樣本溶液對(duì)于特定波長(zhǎng)光的吸收情況,最終測(cè)定土壤中的重金屬含量。在實(shí)際檢測(cè)過程中,照射光根據(jù)光源不同主要可以分為紫外線、可見光和紅外線等多種類別。分光光度法在使用過程中的抗干擾能力非常強(qiáng),同時(shí)也具有較高的靈敏度,在檢測(cè)單一重金屬元素時(shí)能較好避免其他重金屬元素的干擾,使得土壤重金屬污染檢測(cè)結(jié)果具有較高的精準(zhǔn)度。
色譜分析法主要通過不同物質(zhì)在不同相態(tài)中的選擇性分配,進(jìn)行流動(dòng)相和固定相混合物的洗脫操作,最終達(dá)到預(yù)期的檢測(cè)目的。通常來說,混合物中的不同物質(zhì)沿著同一方向的移動(dòng)速度并不相同,會(huì)呈現(xiàn)出分離狀態(tài),但不同物質(zhì)的分離機(jī)制存在差異。最常用的色譜分析法可分為吸附色譜、分配色譜、凝膠色譜分析法等。從原理來看,色譜分析法跟化學(xué)沉淀、電泳技術(shù)有較強(qiáng)的相似性,都是通過固定相與流動(dòng)相的不同引發(fā)的分離現(xiàn)象反映土壤中重金屬元素的含量。色譜分析法在實(shí)際應(yīng)用中不僅具有較強(qiáng)的分離效果,最終檢測(cè)結(jié)果也比較準(zhǔn)確,能在土壤重金屬污染檢測(cè)中發(fā)揮較好作用,在環(huán)境能源、石油化工等其他領(lǐng)域也具有普遍應(yīng)用。
在土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)近年的發(fā)展過程中,我國也出現(xiàn)了一些土壤重金屬污染檢測(cè)的新型技術(shù)。
第一,生物傳感器法。這種方法主要利用金屬離子和固定于電極材料中的特異性蛋白質(zhì),改變了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),并通過靈活的電容信號(hào)傳感器完成定量檢測(cè)工作,以此判斷土壤中的重金屬含量[5]。在具體應(yīng)用過程中,影響技術(shù)的因素主要集中在生物活性和外部環(huán)境等方面。不僅如此,生物傳感器法也受到時(shí)間的限制,導(dǎo)致單個(gè)傳感器的使用壽命比較短,無法被大面積推廣。
第二,酶抑制法。這種方法使用重金屬及酶活性中心的甲硫基進(jìn)行反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了酶自身結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的變化,最終使得酶活性顯著降低,完成土壤中重金屬含量檢測(cè)。這種檢測(cè)方法可以使用光電信號(hào)放大顯色劑顏色、吸光度、電導(dǎo)率等元素的變化情況,并構(gòu)建重金屬元素含量與酶系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)系,提高土壤重金屬污染檢測(cè)的精度,同時(shí)也能夠豐富檢測(cè)成果的展示方式。
第三,免疫分析法。這種方法靈敏度極高,具有顯著的應(yīng)用效果。在具體使用這種方法時(shí),需要先做好兩項(xiàng)工作。一方面,技術(shù)人員需要使用合格的絡(luò)合物對(duì)金屬離子進(jìn)行處理,保證金屬離子具有一定的空間結(jié)構(gòu)并能夠進(jìn)行氧化還原反應(yīng);另一方面,技術(shù)人員需要綜合金屬離子的化合物反應(yīng),將其轉(zhuǎn)移到載體蛋白中,形成免疫原性。由此,土壤重金屬污染情況可以直觀全面地展示出來,給后續(xù)土壤污染治理提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。
第四,太赫茲光譜法。這種方法目前在國際上還屬于前沿技術(shù),主要方式是對(duì)分子內(nèi)部或者分子間的激勵(lì)進(jìn)行探測(cè)。這種技術(shù)的原理在于分子間的激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生震動(dòng),并在震動(dòng)過程中吸收能量,從而完成檢測(cè)活動(dòng)。目前國內(nèi)外較多土壤重金屬污染檢測(cè)項(xiàng)目已經(jīng)開始使用這項(xiàng)技術(shù),并且取得了較為顯著的應(yīng)用效果。但這項(xiàng)技術(shù)目前還未成熟,因此并沒有被全面推廣使用,科研人員還需要在未來的發(fā)展中進(jìn)行深層次研究,使得這項(xiàng)技術(shù)發(fā)揮更好的效果。
為了充分介紹農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)的具體應(yīng)用,文章將引入某茶園的土壤重金屬污染檢測(cè)案例,綜合展示土壤重金屬污染檢測(cè)的流程,評(píng)估某茶園土壤重金屬污染的實(shí)際水平,以此為后續(xù)茶土壤治理修復(fù)提供指引與參考。
本次研究中的土壤位于某茶園種植區(qū)域,2020年6月到2020年12月間,研究人員一共選取了3處種植地,采集了30份土壤樣本。為了避免樣本在采集過程中被污染,本次采集過程使用木鏟完成,同時(shí)也做好了樣本采集的質(zhì)量管控工作。在采樣之前研究人員根據(jù)每個(gè)種植地的實(shí)際情況劃分了采樣點(diǎn),并對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行編號(hào),編號(hào)跟采樣土壤樣品的編號(hào)保持一致。在采樣土壤樣品被送交實(shí)驗(yàn)室后,研究人員需等待一周使土壤自然風(fēng)干,然后用木棒搗碎土壤樣品,去除樣品中的土渣,最終用研缽進(jìn)行精細(xì)化研磨,將其放在潔凈的玻璃瓶中等待下一步檢測(cè)。
檢測(cè)人員在準(zhǔn)備好土壤樣品以后,還要準(zhǔn)備好其他檢測(cè)材料與設(shè)備,如:純鹽酸、氫氟酸、濃硝酸、高氯酸、蒸餾水等,同時(shí)還要使用多元素重金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液。在具體開展檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí),實(shí)驗(yàn)人員需要結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)配,以保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)可以正常進(jìn)行。除此之外,實(shí)驗(yàn)人員還要做好檢測(cè)儀器的檢查工作。此次檢測(cè)活動(dòng)使用了離子體發(fā)射光譜儀設(shè)備,實(shí)驗(yàn)人員需要提前做好設(shè)備性能的測(cè)定分析,保證設(shè)備的精度,使得設(shè)備可以在后續(xù)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中取得預(yù)期效果。
本次實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行土壤中Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni、Hg、As、Co等九種重金屬元素的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí),實(shí)驗(yàn)人員先選取土壤樣品0.5 g(誤差控制在0.1 mg),將其放到聚四氟乙烯坩堝中,加入適量的蒸餾水進(jìn)行濕潤(rùn),接著再放入6 mL濃硝酸、2 mL氫氟酸、2 mL濃鹽酸、1 mL高氯酸,然后將其置于電熱板上加熱消解。在加熱過程中,實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該觀察樣品的狀態(tài),并適時(shí)使用坩堝鉗轉(zhuǎn)動(dòng)坩堝,避免出現(xiàn)燒干情況,保證樣品能夠完全消解。等到樣品呈現(xiàn)白色或者淡黃色黏稠狀后停止加熱,待其冷卻后使用5%的稀硝酸進(jìn)行浸洗,并轉(zhuǎn)移定容至50 mL。定容完成后,研究人員便可以使用離子體發(fā)射光譜儀器,完成Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni、Hg、As、Co等 九 種 重 金 屬元素的測(cè)定,并分析土壤重金屬污染的實(shí)際情況。
在通過實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)以后,研究人員還要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià),明確土壤重金屬污染的整體水平。本項(xiàng)目使用單因子污染指數(shù)法和Nemerow綜合污染指數(shù)法展開土壤污染水平評(píng)價(jià),其中前者可以單獨(dú)計(jì)算污染物的污染指數(shù),并與當(dāng)前國家標(biāo)準(zhǔn)中的限定值進(jìn)行對(duì)比分析,以此得出單個(gè)污染物的污染水平,后者則可以綜合計(jì)算整個(gè)項(xiàng)目的土壤重金屬污染水平并宏觀展示土壤的污染情況。在具體評(píng)價(jià)時(shí),研究主要依照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》以及農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)NY/T 391—2021的重金屬限定值,同時(shí)還借鑒了中國綠色食品發(fā)展中心推薦的土壤污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)土壤污染程度進(jìn)行了進(jìn)一步的劃分,以使重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果更加精準(zhǔn)。
在對(duì)某茶園的重金屬污染情況進(jìn)行全面檢測(cè)以后,研究發(fā)現(xiàn)茶園土壤的重金屬含量明顯超標(biāo),三處采樣區(qū)中僅有一處符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),其余兩處都與重金屬限定值有較大差距。在計(jì)算茶園重金屬污染具體情況后,研究發(fā)現(xiàn)茶園土壤中重金屬含量從高到低依次為Zn、Cr、Ni、Pb、Cu、Co、As、Cd、Hg。研 究利用Nemerow綜合污染指數(shù)法測(cè)算后,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)采樣點(diǎn)的重金屬含量結(jié)果分別為0.78和0.75,都超過了土壤污染的警戒線0.7。這也說明了某茶園土壤質(zhì)量不高,需要相關(guān)人員對(duì)其充分重視,并制定相對(duì)完善的土壤環(huán)境治理計(jì)劃,提高土壤生態(tài)治理水平,提升土壤的整體質(zhì)量。
結(jié)合當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀來看,成本較低的檢測(cè)技術(shù)往往在應(yīng)用過程中具有較大的局限性,導(dǎo)致最終檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量無法得到有效保證,而精準(zhǔn)度較高的土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)往往造價(jià)相對(duì)昂貴,在實(shí)踐中無法全面推廣。這種現(xiàn)狀導(dǎo)致我國土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)無法在實(shí)踐中取得較好效果,不利于土壤重金屬污染治理活動(dòng)的有效開展[6]。目前我國已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn),開始引導(dǎo)土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)的低成本化發(fā)展。一方面,當(dāng)前我國很多檢測(cè)設(shè)備依賴進(jìn)口,導(dǎo)致設(shè)備造價(jià)較高,因此我國將加強(qiáng)自主研發(fā)能力,降低檢測(cè)設(shè)備的造價(jià),推動(dòng)土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)的低成本化發(fā)展;另一方面,我國目前在新型檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用方面也取得了顯著成果,這也將成為這類技術(shù)低成本化發(fā)展的重要方向。目前我國在新型檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中已經(jīng)緊追國際先進(jìn)水平步伐,這也將成為我國在此領(lǐng)域超越發(fā)達(dá)國家的重要路徑。
未來農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)也將朝智能創(chuàng)新方向發(fā)展。一方面,土壤重金屬污染檢測(cè)的智能化水平將顯著提升,通過引入大數(shù)據(jù)分析、人工智能、專家系統(tǒng)等多個(gè)模塊,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程的自動(dòng)化,并通過專家系統(tǒng)提出土壤治理的針對(duì)性建議,構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染檢測(cè)的智慧格局。這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí),需要布設(shè)智能傳感器,同時(shí)還要完成智慧軟件的建設(shè)。除此之外,此類技術(shù)的應(yīng)用還需要收集農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染檢測(cè)的數(shù)據(jù),在這些數(shù)據(jù)的支撐下,智慧系統(tǒng)將變得更加智能,最終的分析結(jié)果也更加精確,在實(shí)踐應(yīng)用中能取得更好的效果;另一方面,土壤重金屬污染檢測(cè)將使用無人機(jī)航拍等新技術(shù),建立被檢測(cè)區(qū)域的土壤環(huán)境模型,并形成土壤重金屬污染的動(dòng)態(tài)分析模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)區(qū)域土壤環(huán)境的動(dòng)態(tài)管控。這類技術(shù)目前的發(fā)展還比較有限,想要全面推廣應(yīng)用尚有困難,目前主要用于輔助其他土壤污染檢測(cè)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)較好的檢測(cè)合力。
綜合來看,我國土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用水平雖然跟發(fā)達(dá)國家相比還有一些差距,但近幾年來我國土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展速度較快。在土壤重金屬污染情況持續(xù)嚴(yán)峻的情況下,我國應(yīng)進(jìn)一步加快土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)的研發(fā),加快推出新的檢測(cè)技術(shù),使土壤重金屬污染物檢測(cè)工作更加完善。在實(shí)際應(yīng)用過程中,相關(guān)檢測(cè)人員也應(yīng)加快自身對(duì)各類新型檢測(cè)技術(shù)的認(rèn)知與掌握速度,同時(shí)還要明確不同檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用流程,保證檢測(cè)技術(shù)可以發(fā)揮預(yù)期的作用,以此推動(dòng)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)品土壤質(zhì)量的不斷提升。