土壤中重金属有效态分析技术研究进展

贾双琳，李长安

(1.贵州省地质矿产中心实验室，贵州 贵阳 550018；2.黔南民族师范学院化学化工学院，贵州 都匀 558000)

由于人类活动如污水灌溉、堆放垃圾、重金属冶炼工厂排放的废水、废渣，煤、石油等燃烧排放的烟尘等，产生的重金属随大气沉降或降雨等被引入土壤中，造成土壤中重金属污染。用重金属有效态含量来评价土壤污染程度越来越被认可。土壤中重金属形态不同，活性不同，其毒性和环境行为也不同(周卫红 等，2017)。

国际标准化组织规定重金属的生物有效性包含三个部分即环境有效态、生物有效性重金属和毒性生物有效性重金属。在环境行业标准中，将土壤中能够被植物根系吸收的元素称为有效态，通常分析测试的量是指环境标准中定义的部分，且一定的提取剂所提取的量即为有效态量，这部分通常是经过相关试验验证为有效的部分。有效态在重金属污染研究中被称为可提取态。

土壤中重金属有效态的研究，有助于人们认识元素的地球化学过程，评价金属活动态的潜在性和活动态引发的风险，土壤重金属有效态的数据成为土壤污染风险评价的重要参数。有效态的测试方法研究，也对当前的土壤污染修复工作起到积极的指导作用。如有实验表明，目前常用的对土壤施用生石灰的土壤污染修复技术非常有效，在施用一定量的生石灰后，土壤中的有效态重金属铜铅锌镉的含量降低(刘军 等，2017)。

土壤金属元素形态和生物有效性取决于其地球化学行为、元素成因来源、土壤理化条件以及植物根际效应等(周国华，2014)。通常土壤pH下降，土壤中会释放更多的金属离子。有机质对土壤中金属离子有固定作用，可减少植物吸收的有效金属量(Morman S A et al，2009)。通过研究红壤和潮土、黄褐土和水稻土中pH、有效态镉铅和总量之间的关系，表明随pH增大，有效镉和铅含量降低(杜英秋，2015；杨梦丽 等，2019)。

化学提取法是测试金属有效态的常用方法，采用特定的提取剂和提取流程，对释放出的特定量进行检测。按照提取步骤，有单步提取和连续提取法。

1 单步提取法

通常认为单步提取法所提取的重金属形态即是环境有效态，同一浸提剂对不同重金属浸提效果不同。单步提取法主要提取土壤中相对活动或有潜在活动态的金属元素，是化学提取法中常用的手段。在化学提取法中，提取剂的浓度(刘羽翼 等，2017)、提取时间、振荡方式(吕明超 等，2014)、振荡频率、温度(王志成，2019)等对结果都有影响。提取剂主要有中性盐、络合剂、酸类等。由于不同提取剂提取机理不同，因此不同提取剂的提取量也有一定差别，通常情况下提取量从小到大的顺序为：中性盐提取剂、络合剂提取剂、酸类提取剂。

1.1 中性盐提取剂

中性盐溶液不会对硅酸盐或氢氧化物造成影响，不会影响土壤pH值，可置换出土壤颗粒吸附的金属离子，通常包括CaCl2、MgCl2、铵盐等。CaCl2属弱代换剂，能真实反映土壤自然pH条件下元素的有效性，主要置换土壤中的水溶态和交换态，其对重金属的提取量通常较低。强酸铵盐类，如硝酸铵(International Standard，2008)或氯化铵，会降低土壤的pH，促进粘土矿物的水解，但在提取中铵盐易挥发，使浸提液的浓度和酸碱度受到影响，故测定结果不稳定。

CaCl2提取剂的浓度通常为0.1 mol/L(Wei-hong Zhou et al，2019)(Feiying Zhang et al，2020)。中性提取剂提取土壤中有效砷，提取率较低(杜晶，2018)，是因为钙与砷形成难溶性化合物。CaCl2等对酸性土壤中有效镉的提取呈现土壤中全镉含量高则有效镉的提取率低，全镉含量低则有效镉的提取率高的反效应规律(肖振林 等，2008)。CaCl2用于提取钙质土壤中有效镉铜铁锰镍和锌(Mohsen Jalali et al，2017)。0.1 mol/LMg(NO3)2可提取土壤中铅镍锌铜镉(Bushra Haroon et al，2020)。

1.2 络合剂提取剂

络合剂与金属离子形成稳定络合物一定程度上模拟了作物根系分泌物对金属的活化、络合作用，因此络合剂提取剂应用较广。常用的络合剂有二乙基三胺五乙酸(DTPA)、EDTA等，DTPA属较强的代换剂，与铜等螯合，形成稳定的螯合物，在适当条件下，DTPA可以将土壤固相表面吸附的金属离子提取出来，而以络合剂-酸-盐配成的复合提取液，可改善提取效果从而获得稳定的实验结果。

DTPA提取剂在1978年被应用，我国早在1985年就有使用DTPA的报道(靳启增 等，1985)。土壤中有效镉研究显示DTPA提取效果较好(赵立红 等，2014；杨晓磊 等，2016)。对土壤中有效锰铜锌铅等的研究(李旭晖 等，2019)，表明DTPA是适用于酸性和碱性土壤中有效态金属的提取剂。用DTPA提取埃及最大的水稻产区之一土壤中镉铜铅锌镍的方法效果较好(Ahmed S.Abuzaid et al，2020)。2016年我国环保部标准(中华人民共和国环境保护部，2016)规定了避免光谱重叠干扰、校正光谱干扰、基体匹配法(孙媛媛 等，2015)降低或消除非光谱干扰的方法。有研究发现DTPA提取时，DTPA-TEA-CaCl2体系中的CaCl2测试土壤中有效锌时空白较高(谢飞 等，2020)，将Ca(NO3)2替代CaCl2可降低81.4%的锌空白。

EDTA(Zhu Li et al，2018)及其它络合剂如乙二胺二邻苯基乙酸(EDDHA)(Ryan Orr et al，2020)也有一定的应用。EDDHA是一种多功能金属离子控制剂，它的分子结构中含有酰胺官能团，酰胺键与一个氧原子相连，是理想的络合剂。

1.3 酸类提取剂

稀酸模拟的是作物根系的微酸环境，酸类提取剂属较强的代换剂，由于pH低，容易将土壤中碳酸盐结合态、有机结合态提取出来，因此土壤中有效态提取率较高，但有时酸类提取获得的有效态量并不能真实反映土壤中有效态的含量。酸类提取剂对各元素提取效率不同，这与各元素在土壤中的相态有关。

使用较多的酸为盐酸，其流程简单、成本低。盐酸浓度多为0.1 mol/L，用于测定土壤中有效铅(张世文，2019)锰铁铜锌(金茜 等，2007)镉(贺静 等，2009)镍(Jolanta Korzeniowska et al，2017)砷(张传琦 等，2011)等，也有学者发现1.7%HCl可以提取土壤中80%以上的有效铅汞和砷(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态金属，柠檬酸-酒石酸(李亮亮 等，2008)作提取剂，预测玉米籽粒中重金属含量比较合适，该研究通过土壤有效态重金属含量与玉米重金属含量的关系，判断有效态重金属与玉米根、茎、叶中重金属Cu、Zn、Cd、Pb的相关性，因此通过测试玉米籽粒中重金属含量，判断玉米产地的土壤中重金属可以被生物体吸收的含量。0.11 mol/L醋酸、0.11 mol/L柠檬酸和0.65%盐酸被用于测试土壤有效砷、镉和铅(Aurélie Pelfrêne et al，2020)。不同浓度苹果酸、甲酸(寇乐勇 等，2019)用于研究安徽某铜矿区及周边土壤中有效铜锰锌铅。

2 前处理及仪器分析方法

提高分析效率，增加分析准确度是学者关注的研究课题，如超声提取技术(彭靖茹 等，2011；农云军 等，2016；吴云兵 等，2018；杨喆 等，2019)，可以将分析时间由传统的2 h缩短至20 min左右，对高压密闭消解等技术也有相关的研究。

超声提取DTPA浸提测定土壤中有效态镉的方法(甘志勇 等，2013)不适用矿区镉污染严重的土壤。多管涡旋混合仪(曹静 等，2020)因样品提取充分，可称样0.5 g。高压密闭消解技术(任冬 等，2020)消解了DTPA浸提液中的大量有机酸和有机质，减少有机物堵塞雾化器或者炬管的情况，同时降低了空白。

在仪器方面，连续光源原子吸收光谱仪(肖波 等，2007)有一定的应用。电感耦合等离子体发射光谱仪也有一定的应用(张安丰 等，2019)，电感耦合等离子体仪(ICP-MS)测定土壤中有效铜时，需注意减小因工作曲线的拟合引入的不确定度(易建春 等，2018)。由于DTPA等提取剂基体复杂，可通过基体匹配法降低或消除基体干扰(刘永林 等，2012)。为减少溶液中共存离子浓度对质谱仪的测量产生严重干扰，可考虑减少称样量。此外，碰撞池(CCT)常用来消除基体干扰(唐碧玉 等，2019)和多原子离子干扰(罗治定 等，2019)。

3 其它测试方法

目前，也有少量的分光光度法、电化学法、便携式X射线荧光法(FP-XRF)等用于土壤中有效态的测定。

水相分光光度法测定土壤有效铜的方法(罗梦婷 等，2014)中，使用阿拉伯树胶做增溶剂，柠檬酸-EDTA做干扰掩蔽剂，消除铁、钴、锰等元素的干扰，利用二乙基二硫代氨基甲酸钠与铜离子形成稳定的黄色络合物进行测定。

电化学传感器(张肖静 等，2018)可以准确、快速测定土壤中有效汞，该自制的电化学传感器，是一种经过DNA修饰后的空心碳球/聚苯胺复合材料，传感器可与Hg2+错配，引起电化学信号改变，从而检测汞。

激光诱导击穿光谱(LIBS)(Rongxing Yi 等，2018)测试土壤中有效态镉和铅，检出限分别为0.067和0.94 μg/mL，前处理时间少于20 min，更加高效。使用LIBS技术，因激光脉冲能量会有部分损失，导致实验重现性不佳。

X射线荧光法应用较为广泛(李大勇 等，2010；李大勇 等，2015)，而FP-XRF在土壤样品野外定位、表征和元素定量分析时有更大的优势，该仪器可为金属的流动性和生物利用率的快速分析和风险评估提供有用信息，成为筛选重金属等潜在污染源的新方法。该仪器用于土壤中有效铜铅锌砷的迁移率研究(Elena Peralta 等，2020)。

4 标准物质

检验化学提取法的可靠性，主要依靠标准物质的监控，但目前用于土壤中有效态元素的标准物质多为DTPA、HCl提取结果。

ASA系列标样常被用做质控样(黎嘉雯，2018；李源 等，2019)进行精密度和准确度控制。标准物质BCR-701作为监控样(Maria Hasan et al，2018)，测试水稻中的钙镉钴铬铜铁铅镁锰镍锶和锌。

在这些研究中，实验多集中在重金属含量较高的污染区，研究样品的数量类型较少，而盆栽实验短时间内加入到土壤中的物质与土壤间平衡无法建立，导致试验结果与自然情况存在差异，虽然目前国家批准了一批氯化钙(田衎 等，2019)、DTPA提取标准物质，但仍需进行相关标物研制工作。

5 连续浸提法

连续浸提法，指采用多种试剂，经一定提取程序对同一样品先后进行提取的方法。目前，使用较多的连续浸提法有：Tessier 法(Tessier A et al，1979)(Mohammad Reza Rezaei Kahkha et al，2017)(S.A.Salman et al，2018)、BCR 提取法、以及一些改进的方法(Emilia Fernández-Ondoo et al，2017)(Samia Khadhar et al，2020)。

提取剂通常是EDTA、DTPA与其酸或盐的混合溶液，常用的联合提取方法主要有碳酸氢铵-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，属于偏碱性多元素浸提剂，是组合试剂，因为AB-DTPA复合提取剂发挥了螯合剂和溶液中的HCO3-的作用(唐爱玲，2019)，充分与土壤胶体吸附的阳离子进行交换，更有利于浸提的进行，徐州绿洲土壤中砷镉铬铜铅锌的生物有效性方法表明AB-DTPA提取效果较好(Ping Luo et al，2019)。

M3浸提剂是1982年提出来的，广泛适用于酸性和中性土壤多元素的测定，也可以用于碱性和石灰性土壤。通过225盆盆栽试验，显示M3法测定印度卡纳塔卡普东部干旱区番茄种植土壤中有效锌提取效果最佳(P.N.Siva Prasad et al，2018)。

使用原子吸收光谱仪测定褐土、棕壤、黑土中有效态重金属Cd的实验结果显示，M3、ASI联合浸提法可行(郭继斌 等，2016)。

联合提取法虽然效果较好，但配制试剂繁琐、且存在不环保等因素，其适用程度将会受到限制。

6 展望

化学提取法提取的重金属含量，属于“可提取态”范畴，不能完全等同真实的“植物有效态”，但测试结果有一定的指示和表征作用。如2017—2018年，贵州省地质矿产中心实验室开展的贵州省农业用地质量调查项目时，同时测定了土壤有效态量及土壤上生长的农产品的重金属含量，通过对两类数据的分析对比，比较容易的判断出在重金属污染区域哪些植物吸收的重金属量低，从而可以大面积种植，相反，如果同区域的多种植物某些重金属含量高，那么其土壤重金属有效态量也必然较高，因此土壤重金属有效态测试方法研究，对当前的土壤污染风险评估及土壤污染修复工作起到指导作用。有效态检测方法的有效性和准确性仍是重中之重，加强有效态标准物质的研制，结合全国土壤污染数据库，总结有效态与全量、pH等参数之间的相互关系，研究有效态测试结果与植物吸附之间的关系，将化学提取法和培养试验法结合起来，加入必要的统计检验，使化学提取法更接近实际或有较好的相关性，进一步发挥化学提取法测试有效态结果的指示作用。