联合浸提法测定土壤有效态镉

郭继斌+王莉+韩娇+王金云

摘要： 使用联合浸提法测定3种土壤（褐土、棕壤、黑土）有效态重金属Cd，并与DTPA、HCl法比较，探讨联合浸提法测定土壤Cd的可行性。进行盆栽试验，测定小麦全量镉，分析我国北方3种土壤不同方法有效态Cd测定值与小麦吸收Cd的相关性。结果表明，HCl-Cd值在3种土壤间差异较大，联合浸提法和DTPA法Cd测定值在3种土壤间差异较小。联合浸提法比常规方法有效态Cd浸出率高。此外，联合浸提法有效态Cd测定值与土壤Cd添加量有较好相关性，相关系数为0.993～0.999；与常规方法有效态Cd测定值有较好相关性，相关系数为0.899～0.998；与小麦吸收Cd量有较好相关性，相关系数为0.982～0.997。说明联合浸提法适用于测定本研究中3种土壤中有效态镉。

关键词： 重金属；镉；土壤；联合浸提法；相关性；DTPA法；HCl法

中图分类号： X53 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）03-0369-04

随着我国重金属污染程度日益加深，重金属污染已经成为我国主要土壤环境污染问题之一。我国受镉、砷、汞、铜、锌等重金属污染的耕地约有0.1亿hm2，每年因重金属污染的粮食达1 000多万t，造成直接经济损失达200余亿元[1]。重金属不仅会引起土壤理化性质改变，还会通过“土壤—植物—人体”或“土壤—水体—人体”等途径进入人体内，对人体健康产生危害[2]。重金属污染中以重金属镉污染最为严重。长期摄入镉污染食品会导致骨软化症发生，称为“痛痛病”[3]。研究发现，土壤中全量重金属不能反映植物吸收情况，而有效态重金属含量能较好反映出土壤受重金属污染程度。有效态重金属指在土壤中易迁移、易被植物吸收的重金属[4]。目前对重金属有效态的研究主要集中于对浸提剂的选择。以往研究所用的传统浸提剂均为单一浸提剂（1次浸提只能测定1种重金属元素），不能实现多种重金属的联合浸提[5]而导致分析速度慢且效率低下，不宜于土壤高效监测。近年科研工作者开始对联合浸提法进行研究。

联合浸提法可同时浸提测定土壤大量元素和微量元素[6]，包括土壤养分状况系统研究法（ASI法）和M3浸提法。土壤养分状况系统研究法是Hunter于1980年提出的一套分析土壤中养分状况方法。我国引进了这套研究方法，并在多种土壤中进行了试验，发现ASI法适合在我国13个省份104种土壤中进行应用[7]。Mehlich-3（简称M3法）是1982年由Mehlich提出，方法使用的浸提剂广泛适用于各种类型土壤元素的提取。目前我国主要将ASI法、M3法用于测定土壤养分[8]。本研究用联合浸提法对土壤中有效态镉进行提取测定，探讨联合浸提法测定土壤重金属Cd的可行性，从而快速、准确地监测农耕土壤中重金属Cd污染。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤样品于2008年采自黑龙江（黑土）、辽宁（棕壤）、山西（褐土）的农耕土壤。根据地块大小采用“S”形取样，深度为0～20 cm，取样点控制10～15个，将各取样点土混合制成1个土壤样本。在各省不同地区采集10个样本并均匀混合而得该省土样，风干，过5 mm尼龙筛备用，基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验于2015年2月4日至5月29日在山西师范大学生命科学学院实验室内进行。本研究采用人工模拟天然Cd污染土壤。根据GB15618—1995《土壤环境质量标准》[9]的标准分别向3种土样添加Cd，设为5个水平：0、2.5、5、10、20 mg/kg。以CdCl2·2.5H2O盐溶液形式添加到土壤中，仿照田间环境驯化土壤45 d，土样风干后过1 mm尼龙筛备用。

驯化后土壤进行盆栽试验，营养元素以N ∶ P2O5 ∶ K2O=1 ∶ 0.67 ∶ 1加入，100 mg/kg N[Ca（NO3）2·4H2O]、87 mg/kg P（KH2PO4）、249 mg/kg K（K2SO4）。1 kg土中加入微量元素0.5 mg B、0.5 mg Mn、0.5 mg Zn、0.02 mg Cu、0.01 mg Mo、5.6 mg Fe、0.5 mg Mg。每盆装400 g土，播种小麦种子20粒，出苗后选取长势一致的苗，定苗10株，生长45 d 后收获，将小麦烘干，磨碎后备用。

1.3 仪器与设备

AAS nov A 400原子吸收光谱仪、石墨高温消解仪、电子天平、SIGMA 3K15冷冻离心机、普通摇床。

1.4 试验方法

1.4.1 土样中有效态镉的提取 （1）M3法[0.2 mol/L CH3COOH -0.25 mol/L NH4NO3 -0.015 mol/L NH4F-0.013 mol/L HNO3-0.001 mol/L EDTA ，pH值=2.5±01]，土液比1 ∶ 10，温度25 ℃，振荡5 min；（2）ASI法[0.25 mol/L NaHCO3-0.01 mol/L EDTA-0.01 mol/L NH4F]，土液比1 ∶ 10，温度25 ℃，振荡5 min ；（3）DTPA法[0.005 mol/L DTPA -0.01 mol/L CaCl2-0.1 mol/L TEA，pH值=7.3]，土液比1 ∶ 2，温度20 ℃，振荡30 min；（4）0.1 mol/L HCl法，土液比1 ∶ 5，温度20 ℃，振荡1 h。

1.4.2 小麦中全量镉浸提 将植物磨碎后放入消解管中，加入10 mL浓硝酸和4 mL高氯酸，在石墨高温消解仪上进行消解。

1.4.3 重金属测定方法 重金属经提取后，用德国nov AA400原子吸收分光光度计测定吸光值。

1.5 数据处理方法

测定所得数据用Excel和SPSS 17.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 4种方法有效态Cd测定值与浸出率分析

图1-a显示，Cd添加量为0 mg/kg时ASI-Cd值为0；其他Cd添加量的ASI-Cd值均表现为棕壤>黑土>褐土。图1-b显示，Cd添加量为0 mg/kg时M3-Cd值为0；在Cd低添加量（2.5、5 mg/kg）时M3-Cd值表现为棕壤> 褐土>黑土；在Cd高添加量（10、20 mg/kg）时M3-Cd值表现为褐土>棕壤 >黑土。图1-c显示，Cd添加量为0 mg/kg时DTPA-Cd值为0；Cd添加量为2.5、10 mg/kg时DTPA-Cd值表现为黑土>棕壤> 褐土；Cd添加量为5、20 mg/kg时DTPA-Cd值表现为棕壤 >黑土>褐土。图1-d显示，Cd添加量为0 mg/kg时HCl-Cd值为0；其他Cd添加量时HCl-Cd值均表现为棕壤>黑土>褐土。综上所述，同种方法有效态Cd 测定值在不同土壤间存在差异。图1显示，HCl-Cd值在3种土壤间差异较大，联合浸提法和DTPA法Cd测定值在3种土壤间差异较小。

图2显示，同种类型土壤4种方法Cd浸出率大小排序，褐土为M3>ASI>DTPA>HCl；棕壤和黑土均为ASI>DTPA>M3>HCl。可见同种土壤类型不同方法有效态Cd浸出率存在差异，其中联合浸提法Cd浸出率高于传统方法。

2.2 联合浸提法与常规方法测定值比较

2.2.1 联合浸提法与常规方法测定值差异性分析 图3显示，同种方法有效态Cd测定值随土壤Cd添加量增加而增加，其中褐土、黑土的HCl-Cd值与土壤Cd添加量呈显著线性相关（n=5，P<0.05），其余均呈极显著线性相关（n=5，P<0.01）。ASI法测定值与土壤Cd添加量相关方程为：褐土：y=0.559 8x-0.150 5；r=0.999* *；棕壤：y=0.795 3x-0.152 8，r=0.999* *；黑土：y=0.729 1x+0.087 8，r=0.999* *。M3法测定值与土壤Cd添加量相关方程为：褐土：y=0.677 4x+0.153 5，r=0.993* *；棕壤：y=0.670 3x+0.156 7，r=0.996* *；黑土：y=0.618 1x+0.108 2，r=0.994* *。HCl法测定值与土壤Cd添加量相关方程为：褐土：y=0.029 7x+0.237 2，r=0.892*；棕壤：y=0.430 9x+1.044 3，r=0.969* *；黑土：y=0.404 6x+0.925 5，r=0.952*。DTPA法测定值与土壤Cd添加量相关方程为：褐土：y=0.248 2x+0.014 5，r=0.998* *；棕壤：y=0.295 1x+0.156 7，r=0.997* *；黑土：y=0.302 6x+0.430 5，r=0.981* *。可见4种方法测定土壤有效态Cd均有较好稳定性。

2.2.2 联合浸提法与常规方法测定值相关性分析 由表2可知，M3法与常规方法测得3种土壤有效态Cd值均有较好相关性，其中褐土的HCl法达显著相关（n=5，P<0.05），其他均呈极显著相关（n=5，P<0.01），相关系数r的范围为 0.932～0.998。由表3可知，ASI法与常规方法测得3种土壤有效态Cd值均有较好相关性，其中褐土和黑土的HCl法测定值呈显著相关（n=5，P<0.05），其他均呈极显著相关（n=5，P<0.01），相关系数r的范围为0.899～0.996。

2.3 联合浸提法测定值与植物吸收Cd含量相关性分析

2.3.1 小麦吸收Cd含量结果分析 图4显示，相同Cd添加量的不同类型土壤小麦吸收Cd含量存在差异：其中Cd添加量为5 mg/kg时小麦吸收Cd含量为：褐土>棕壤>黑土；其余处理小麦吸收Cd含量均为：棕壤>褐土>黑土。小麦在不同土壤上Cd积累量存在差异：褐土中小麦重金属镉富集系数均值为4.2；棕壤中小麦重金属镉富集系数均值为 4.72；黑土中小麦重金属镉富集系数均值为3.94。

2.3.2 联合浸提法测定值与植物吸收的Cd含量的回归分析 由表4可知，3种土壤M3-Cd值与植物吸收Cd量的相关性均达到极显著水平（n=5，P<0.01），相关系数范围为 0.982～0.993。由表5可知，3种土壤ASI-Cd值与植物吸收Cd量的相关性均达到极显著水平（n=5，P<0.01），相关系数范围为0.985～0.997。由此可知，联合浸提法测定值能较好反映小麦吸收Cd含量。

3 讨论

本研究使用4种方法对3种类型土壤有效态镉进行浸提测定，不同土壤类型测得有效态Cd含量存在差异，可能是由于褐土、棕壤和黑土3种土壤理化性质不同所导致。土壤pH值和有机质含量会影响重金属在土壤中的存在状态，从而影响土壤中有效态重金属含量[10]。张开军等[11]和刘洋等[12]研究表明，土壤pH值会直接影响重金属活性，土壤pH值与有效态重金属镉之间存在显著负相关，重金属生物有效性随pH值的降低而增大，这可能是由于pH值下降时土壤黏粒矿物和有机质表面负电荷减少，导致对重金属的吸附能力下降，增加活性重金属含量。本研究中棕壤pH值最低（pH值=6.47），联合浸提法测定3种土壤中有效态镉时，测得棕壤中有效态镉值较高，与张开军和刘洋的研究相吻合。

此外，土壤中有机质含量同样会影响重金属有效性，万丽娟等[13]、潘胜强等[14]和周国华[15]研究表明，有机质中腐殖质不同分子量分级组成会造成金属离子的络合作用及络合物稳定性的差异。小分子量腐殖质与金属离子形成可溶性化合物，增加重金属离子迁移能力，而大分子固体腐殖质对金属元素的螯合作用使金属固定下来，小分子量和大分子量腐殖质的组成比例决定了有机质对土壤中重金属活动性的作用效果[16]。本研究在用联合浸提法对3种土壤中有效态镉进行浸提测定时，有机质含量高的黑土Cd测定值偏低，可能是由于供试黑土有机质成分中大分子量腐殖质较多，使更多重金属镉被螯合而固定下来，降低了土壤中有效态镉含量。

使用不同浸提剂对同一土壤进行浸提时，有效态镉测定值有差异，褐土中HCl-Cd值较低，棕壤和黑土中HCl-Cd值较高。可能是由于棕壤和黑土为酸性，增强了H+置换重金属阳离子的能力，因此HCl浸提剂适合于酸性土壤的浸提，这与李亮亮等[17]、易磊等[18]的研究吻合。而联合浸提剂有效态Cd测定值较大，可能是由于ASI、M3浸提剂中EDTA-Na2和F-可螯合重金属将更多不易迁移的重金属提取出来，增大了测定值；这与顾国平等[19]的研究吻合。因此M3、ASI法对有效态重金属Cd的浸提效率高。

不同方法对同一土壤有效态Cd浸出率不同（褐土：M3>ASI>DTPA>HCl；棕壤：ASI>M3>HCl>DTPA；黑土：ASI>M3>HCl>DTPA）。肖振林等[20]研究表明，不同提取剂对同一酸性土壤中镉的提取率明显不同，但都存在提取率随全镉含量升高而降低的趋势，使用HCl浸提的提取率最大。熊礼明等[21]研究表明，各种浸提剂对Cd提取能力差异较大，且取决于土壤类型，红壤和黄棕壤0.1 mol/L HCl浸提率最高，在石灰性土壤中DTPA法的提取率明显高于HCl法。综上所述，不同土壤类型HCl和DTPA浸提剂浸提能力差异较大，HCl浸提剂在浸提不同类型土壤时存在一定局限性。而本研究中联合浸提法在浸提不同类型土壤Cd时测定值差异较小，说明实践应用中联合浸提剂适用范围广，稳定性较好。

本研究对联合浸提法Cd测定值与小麦吸收量进行相关性分析，2种方法均达到极显著相关（n=5，P<0.01）。ASI-Cd值与小麦吸收Cd相关系数范围为0.985～0.997，M3-Cd值与小麦吸收Cd的相关系数范围为0.982～0.993。联合浸提法与常规方法测定值有较好相关性，ASI法与常规方法测定值相关系数范围为0.899～0.996，M3法与常规方法测定值相关系数范围为0.932～0.998。说明联合浸提法适用于本研究褐土、棕壤和黑土中有效态镉浸提，浸提效果较好。

4 结论

4种浸提剂对3种类型土壤（褐土、棕壤、黑土）有效态镉进行浸提，所得测定值差异较大，不同浸提剂有效态镉浸出率不同。

联合浸提法有效态Cd测定值与土壤Cd添加量呈极显著线性相关（n=5，P<0.01），说明联合浸提法在测定土壤中有效态重金属Cd时较稳定。

联合浸提法有效态Cd测定值与植物吸收Cd含量均达到极显著相关（n=5，P<0.01），与常规方法测定值有较好相关性，说明联合浸提法适用于本研究褐土、棕壤和黑土中有效态镉浸提，浸提效果较好。

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