土壤重金属元素形态分析

李国权，马成有

摘要：本文阐述了土壤及重金属元素形态的定义及其重金属元素形态的分类和分析方法，明确了重金属土壤元素形态定性和定量分析意义，并举例说明。

关键词：土壤；重金属；形态分析

基金项目：吉林大学2017年本科教学改革研究项目

中图分类号： X171.5 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.24.052

1土壤及元素形态分析的定义

土壤附着在地球的表层，为很多动植物提供生长、生存、生活的场所。土壤的组成部分主要有矿物质、有机质、腐殖质、土壤生物以及水分、空气，是固相、液相、气相等各种相态的复杂组合体。当然作为人类及其他生物生存的四大要素之一，其地位和作用是非常重要的，土壤是农业生产及人类生活的根基。然而，现代社会工业的快速发展、农业中化肥的滥用以及矿山开采等原因造成了我国部分土壤的严重污染，尤其以重金属污染最为严重。土壤重金属的污染治理要查清土壤中重金属的含量及分布特征，而更重要的是对重金属元素形态的了解。

土壤重金属元素的形态是指土壤环境中金属元素以某种离子、分子或其他结合方式存在的物理化学形式。如汞可有元素汞、无机汞和有机汞等不同化学状态；铁有二价态和三价态还有单质等形态存在。

2 重金属元素形态分类及分析方法

金属进入土壤后，与土壤中的矿物质、有机物及微生物发生吸附、络合和矿化等作用，导致重金属元素的赋存形式的改变以及时空迁移变化。研究表明，某一重金属在土壤中的总量并不能真实评价其环境行为和生态效应，而重金属在土壤中的形态含量及其比例，才是决定其对环境及四周生态系统造成影响的关键因素。

土壤中重金属的形态一般可分为以下几个形态：可溶态、可交换态及碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物-硫化物结合态、残渣态等五种形态。重金属形态的分类主要是依据重金属元素在土壤具体的赋存状态以及浸取剂的种类和强度的不同而定的。可溶态主要是浸取剂、纯水或离子强度不高的电解质溶液，通过此种浸取剂的浸取，金属元素的某价态离子可以溶于其中。可交换态及碳酸盐结合态是在一定的pH条件下，选用离子强度稍强一些的电解质溶液进行浸取，电解质溶液中的离子可以和土壤中的重金属离子发生交换，从而使重金属离子进入浸取剂当中。铁锰氧化物结合态一般采用盐酸或盐酸羟胺和醋酸作为浸取剂，并在加热的条件下，才能将铁锰氧化态的金属溶解、解析于溶液中。有机物-硫化物结合态重金属的处理要难于铁锰氧化物结合态，一般采用硝酸、过氧化氢等氧化性较强的溶剂。残渣态金属是最难处理的，主要采用盐酸、硝酸、高氯酸、氢氟酸等氧化性、腐蚀性强的几种酸相互配合才能溶解。当然关于重金属形态不只有五种形态分类法，也有八种形态分类法或其他分类方法。如将重金属形态分为水溶态、交换态、碳酸盐结合态、无定型氧化锰结合态、无定型氧化铁结合态、晶体型氧化铁结合态、有机物结合态和残渣态等八种形态，并且根据具体形态所采取的浸取剂也有所不同。

不论如何对形态进行分类，采取什么样的浸取剂，目的都是为了更高效地提取出所希望的形态，并且形态区分更为明确。

以上就是重金属元素形态分析的化学方法。基本原理是基于重金属元素单质及其化合物化学性质的不同，利用化学分析的手段研究重金属元素形态的组成和含量的方法，它主要是根据化合物在浸取剂中的溶解度和溶解速度的不同，通过选择性溶解的方法，使重金属元素各形态得以分离，进而分别测定其含量。另一种就是重金属元素形态分析的物理方法。根据重金属元素單质、化合物的光学、电学等物理性质，利用一定的仪器设备，如显微镜、红外光谱仪、X射线衍射仪、激光显微拉曼光谱仪等确定重金属元素形态组成和含量的方法。如土壤硒元素的形态分析，硒是环境中的重要生命元素。土壤中的硒可分为无机硒和有机硒两大类，其中无机硒的存在形态包括硒酸盐、亚硒酸盐、硒化物和元素态硒。体现在化学价态上，即有：+2、+4、+6以及0价态。无机硒的吸收效果及安全性远不如有机硒，因此土壤、植物中硒的形态分析研究对评估人们补硒是否健康合理至关重要。对硒的形态分离分析采用连续化学浸提技术将土壤中硒划分为五种形态：可溶态、可交换态及碳酸盐结合态、铁-锰氧化物结合态、有机物-硫化物结合态及残渣态，然后，用原子荧光光度法实现各形态硒和总硒的测定。

3 土壤重金属元素形态分析的意义

土壤中重金属元素各形态的定性定量分析，并测定重金属元素的总量进行回收率检验，旨在揭示研究区或重金属的存在形态及含量，为后续的土壤修复提供理论依据和试验基础。从土壤物理化学角度来看，土壤中不同形态的重金属处于各自不同的能量状态，它们在适当的环境条件下是可以相互转化的，重金属形态是决定其对生物有效性的基础。

当然对于形态分析来说，不只是包括重金属元素形态分析，更是包括与人类生产、生活密切相关的化学元素如硒、磷、氮等生命元素的形态分析，甚至化学元素周期表大部分元素的形态分析。

4 展望

关于元素形态分析，未来研究方向主要在于更高效、更快速地对元素各个形态的定量分析，并且是无损分析、在线分析最为方便适用。对分析方法要求是准确度高，灵敏度好，检出限低。这是一个新的应用研究领域，目前元素形态分析已经成为分析科学领域的一个重要分支。

分析技术主要是多种分析仪器的综合联用。如激光显微拉曼光谱的应用，X射线衍射仪的应用，红外光谱、X荧光光谱的应用，气相色谱-电感耦合等离子体质的联用。

作者简介：李国权，蒙古族，副教授，研究方向：土壤环境质量安全与评价。