茶园土壤有效态镉的提取方法

2022-02-14李海涛杨柳方丽倪康石元值

农业环境科学学报 2022年1期

李海涛，杨柳，方丽，倪康，石元值*

（1.中国农业科学院茶叶研究所，农业农村部茶树生物学与资源利用重点实验室，杭州 310008；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081）

重金属含量作为茶叶质量安全的一类重要指标，是茶产业生产和出口的重点关注对象之一。镉（Cd）作为我国最严重且最易被植物吸收的土壤重金属污染物，在植物及土壤中的含量一般较低，但该元素进入土壤后易被茶树根系吸收并转移到地上部造成累积，且会通过食物链进入人体，从而威胁人类健康。当镉累积浓度超过茶树自身防御反应的阈值时，茶树的基本生理过程，如光合、蒸腾、代谢、抗氧化等会受到影响，从而抑制茶树正常生长，影响茶叶的产量和品质。为保证农副产品的质量安全，我国《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中规定：pH≤6.5的农用地镉污染风险筛选值为≤0.3 mg·kg，风险管制值为≤1.5 mg·kg，其中镉为土壤总镉含量。但现在人们普遍认识到，镉的毒性和对植物的有效性很大程度上取决于其特定的化学形态和结合状态。有效态镉能更加准确地反映植物对重金属的吸收和利用程度，是进行土壤重金属污染评价的重要参数。研究表明，用土壤总镉含量来判断茶叶镉污染状况具有一定的局限性，且与茶叶镉含量的相关性较差，而土壤有效态镉含量与茶叶镉含量的相关性极为显著。因此，土壤有效态镉和总镉含量结合可以更加全面准确地评估茶园土壤镉污染状况。

目前，常用的有效态镉提取剂类型主要有稀酸溶液（如HCl、HNO等）、络合剂（如DTPA、EDTA等）、中性盐溶液（如CaCl、NHNO等）和缓冲溶液（如NHOAc等）。茶园有效态镉提取剂的选择尚不统一，主要有CaCl、HCl、DTPA 3种。但这3种提取剂是否适用于茶园土壤有效态镉的提取还有待验证。此外，提取剂浓度、提取时间、土液比、振荡频率等因素对有效态镉提取率的影响也尚未进行对比验证。筛选出高效的土壤有效态镉提取剂及提取方法，可为准确判断茶树镉吸收状况和确保茶叶产品质量安全提供技术支持。因此，本研究以不同地区茶园土壤和新梢为材料，选择5种不同提取剂进行有效态镉提取对比试验，以选出适用于茶园土壤有效态镉提取的最佳提取试剂和提取参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 样品采集与处理

为使所选样品镉含量具有一定的浓度差异，选择未经镉处理的田间土壤样品和经过镉处理的盆栽土壤样品及其对应的茶叶新梢（一芽二叶）样品。采集地点分别为云南省普洱市（=20），浙江省丽水市（=20），中国农业科学院茶叶研究所嵊州综合试验基地（=22，包含13个盆栽样品，其中8个为人工添加Cd（NO）溶液至土壤镉含量为0.5 mg·kg，3个为人工添加Cd（NO）溶液至土壤镉含量为0.9 mg·kg，2个为空白对照）。采用土壤和新梢对应采样的方法，在样品点0~20 cm处选取3个采样点进行取土并混匀，代表该样点的土壤样品，新梢样品为土壤采集点对应的茶树新梢。采集的新梢样品用自来水和去离子水清洗3遍并晾干，用微波炉短时间杀青后置于80℃烘箱中烘干，粉碎后密封保存待测。土壤样品风干后除去砾石、植物残体，分别过20目筛用于土壤有效态镉含量和土壤基本理化性质的测定，过100目筛用于土壤总镉含量的测定。

1.1.2 供试提取剂的配制

0.1 mol·LCaCl溶液：称取CaCl11.1 g，溶解后加水稀释至1 L，备用。

0.1 mol·LHCl溶液：吸取HCl（优级纯）8.3 mL，加水稀释至1 L，备用。

1 mol·LNHOAc溶液：称取NHOAc 77.08 g，溶解后加水稀释至1 L，备用。

1 mol·LMgCl溶液：称取MgCl·6HO 203.3 g，溶解后加水稀释至1 L，备用。

0.005 mol·LDTPA溶液：称取1.967 g DTPA溶于13.3 mL TEA（三乙醇胺）和少量水中，再称取1.11 g CaCl溶于水中，一并转入1 L容量瓶，加水至约950 mL后用6 mol·LHCl溶液调节pH至7.30（6 mol·LHCl用量约为8.5 mL），最后加水定容至1 L，备用。

1.1.3 主要仪器

微波消解仪（MARS6，美国CEM公司），石墨赶酸仪，高分辨电感耦合等离子体质谱仪（HR-ICP-MS，ELEMENTⅡ，美国热电），摇床，微量超细球磨机。

1.2 试验方法

1.2.1 有效态镉和总镉含量测定

土壤有效态镉含量测定：称取过20目筛的土壤样品5 g于100 mL塑料瓶中，分别加入1.1.2中的5种提取剂各25.0 mL。后置于摇床，摇床参数设定为：温度25℃，振荡频率180 r·min，提取时间2 h。提取完成后先用双层滤纸过滤，再取少量滤液用亲水PTFE针式滤器（孔径0.22μm）过滤，吸取0.5 mL二次过滤的滤液于15 mL刻度试管中，用超纯水稀释至10 mL，上ICP-MS进行测定。

植物样品总镉含量测定：称取0.2 g植物样品于聚四氟乙烯消解管中，加4 mL HNO、4 mL HF，加盖后置于微波消解仪中消解（程序设定为25 min升温至180℃，并在该温度下保持20 min），待消解管冷却后置于赶酸仪（温度150℃，时间80 min）赶至消解管中仅剩约1 mL液体，用3%HNO定容至50 mL容量瓶中，上ICP-MS进行测定。

土壤样品总镉含量测定：称取0.1 g土壤样品于聚四氟乙烯消解管中，加6 mL HNO、1 mL HF、2 mL HCl，加盖后置于微波消解仪中消解（程序设定为30 min升温至190℃，并在该温度下保持30 min），待消解管冷却后置于赶酸仪（温度设定150℃，时间80 min）赶至消解管中仅剩约1 mL液体，用3%HNO定容至50 mL容量瓶中，上ICP-MS进行测定。

1.2.2 提取条件优化

根据1.2.1测定的土壤有效态镉含量与茶叶新梢镉含量的相关系数选出最佳提取剂后进行提取条件优化试验。本试验依次对提取剂浓度（0.5、1、2、4、6、7 mol·L），土液比（1∶2.5、1∶5、1∶10、1∶15），提取时间（30、60、120、180、240 min）、振荡频率（140、180、220、260、300、340 r·min）4个因素进行条件优化。采用单一变量法，每次仅改变一个提取条件，其他提取条件不变，以单一试验选择出的最佳提取条件作为下一个提取条件优化试验的参数依据，每个试验3次重复。

1.3 数据处理与分析

数据处理和图表制作采用Microsoft Excel 2016和Prism。使用IBM SPSSStatistics 25进行相关性分析，确定不同提取剂测定的有效态镉与新梢镉的相关性，确定Pearson相关系数。

2 结果与讨论

2.1 土壤和新梢镉含量评价

土壤样品的理化性质如表1所示，土壤的pH值介于3.90~5.62，均为酸性土壤。按照有机质含量的高低选择6个土壤样品进行后续的提取方法优化试验，6个土壤样品的理化性质见表2。

表1 供试土壤基本性质和新梢镉含量Table 1 Basic properties of tested soil and Cd content in new shoots

表2 优化试验土壤样品的基础性状Table 2 Basic properties of optimized soil samples

土壤总镉含量介于0.15~0.94 mg·kg，平均含量为0.26 mg·kg，其中有11个样品（0.49~0.94 mg·kg）超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的土壤污染风险筛选值（0.3 mg·kg）。新梢中镉含量介于0.02~0.35 mg·kg，平均值为0.05 mg·kg，所有样品均远低于《茶叶中铬、镉、汞、砷及氟化物限量》（NY 659—2003）中的限量标准（1 mg·kg）。如图1所示，新梢镉含量随土壤总镉含量的增加而增加，呈现出显著的正相关关系（=0.808 9），该趋势表明茶园土壤镉具有一定的生物有效性。

图1 土壤总镉与新梢镉的相关关系Figure 1 The correlation between total Cd in soil and Cd in new shoots

2.2 提取剂的选择

2.2.1 不同提取剂的提取能力差异对比

土壤样品相同情况下，提取剂类型不同，土壤有效态镉的提取率也不同。本研究所用的5种提取剂类型分别为稀酸溶液（0.1 mol·LHCl）、络合剂（0.005 mol·LDTPA）、中性盐溶液（0.1 mol·LCaCl、1 mol·LMgCl）和缓冲溶液（1 mol·LNHOAc）。不同提取剂的提取率采用土壤有效态镉含量占土壤总镉含量的百分比来表征。由表3可知，HCl的提取率最大，NHOAc的提取率最小，HCl的平均提取率约为NHOAc的3倍。提取率从高到低依次为0.1 mol·LHCl>1 mol·LMgCl>0.005 mol·LDTPA>0.1 mol·LCaCl>1 mol·LNHOAc。稀HCl由于自身pH较低、Cl含量高、溶解能力强，易将土壤中碳酸盐结合态等非有效态镉提取出来，且HCl增加了酸性土壤中的H含量，使其对金属阳离子的置换能力增强，因此提取率高，在某些文献中甚至存在提取率超过土壤总镉含量的情况。本研究中，0.1 mol·LHCl的有效态镉提取率明显高于其他4种提取剂。中性盐溶液和缓冲溶液提取的土壤镉形态一般为可交换态和水溶态两种有效态，提取的镉含量较少，提取率相较其他类型提取液较低。因此本研究中中性盐溶液和缓冲溶液的提取率最低。此外，Ca作为土壤溶液中的主要阳离子，离子强度与典型的土壤溶液相似，从土壤基质中解吸重金属的竞争能力强于一价阳离子NH。这解释了本研究中中性盐提取剂CaCl的提取率高于缓冲溶液NHOAc的原因。

表3 不同提取剂对土壤有效态镉的提取效果对比Table 3 Comparison of extraction effects of different extractants on soil available cadmium

2.2.2 土壤有效态镉和新梢镉的相关性

图1和图2表明，土壤中总镉和有效态镉含量的增加均会引起新梢镉含量的增加。如图2所示，5种单一提取剂的土壤有效态镉与新梢镉含量的相关关系均达到极显著相关，相关系数大小依次为1 mol·LNHOAc>0.1 mol·LCaCl>0.1 mol·LHCl>1 mol·LMgCl>0.005 mol·LDTPA，有效态镉含量与新梢镉含量的相关系数均大于土壤总镉含量与新梢镉含量的相关系数，且缓冲溶液和中性盐溶液的相关系数优于稀酸溶液和络合剂。

图2 土壤有效态镉与新梢镉含量的相关性分析Figure 2 Correlation analysis of available Cd in soil with Cd content in new shoots

虽然部分文献中使用DTPA溶液对茶园土壤有效态镉进行提取，且国家标准GB/T 23739—2009中规定了以DTPA作为土壤有效态镉的测定试剂。但DTPA溶液提取有效态镉的适用范围是中性和碱性土壤，当应用于酸性土壤时可能会超过土壤溶液自身的缓冲能力，导致铁锰氧化物和碳酸盐吸附的重金属被释放，而该部分重金属为非有效态，因此不能很好地反映酸性土壤中有效态镉的含量状况。HCl溶液属于强代换剂且pH较低，在进行提取时易将有机结合态和碳酸盐结合态两种非有效态镉提取出来，从而导致其提取的有效态镉含量偏高，准确性差。MgCl溶液中的Mg和Cl分别具有较强的离子交换能力和较弱的络合能力，用于有效态镉提取时会造成

土壤pH的降低，从而使碳酸盐和氧化锰部分溶解，导致可交换态镉含量被高估。CaCl溶液对于土壤pH和土壤结构的影响较小，接近土壤自然状态下对于重金属的溶解能力，适用范围广。主要是由于中性盐提取剂对土壤pH、氢氧化物和硅酸盐的影响较小，并且对土壤颗粒吸附的金属离子置换能力较强，可提取出土壤中真实的有效态镉含量而非潜在的有效态镉含量。NHOAc中的NH可以促进交换位离子的置换，形成的金属络合物稳定性优于Cl形成的金属络合物，有利于交换并减少已络合金属的再吸附和沉淀，且缓冲溶液相较于中性盐溶液对pH的敏感性更低。因此NHOAc提取剂适用于茶园酸性土壤重金属有效态镉含量的提取研究。

根据5种提取剂的提取能力差异以及土壤有效态镉含量与新梢镉含量的相关系数，选择NHOAc作为茶园土壤有效态镉含量的最佳提取剂，并进行后续的提取条件优化试验。NHOAc作为酸性土壤有效态镉的提取剂目前已有相关文献报道。如贺静等发现6种不同提取剂中NHOAc最适合作为酸性水稻田土壤中有效态镉的提取剂，其提取量的相对标准偏差稳定性强，有效态镉含量与土壤总镉含量和水稻籽粒中镉含量呈极显著相关。MENZIES等的研究表明，NHOAc可以较好地反映土壤镉的生物有效性。尹君等的研究表明，以NHOAc溶液作为提取剂，土液比为1∶5、浸提60 min可以较好地表征土壤有效态镉含量。因此，我们认为NHOAc提取有效态镉适用于测定茶园土壤中镉的生物有效性。

2.3 提取方法的优化

2.3.1 提取剂浓度的选择

提取剂浓度是影响有效态镉提取率的重要因素之一。如图3所示，随着提取剂浓度的增加，有效态镉提取率呈现明显增长趋势，但增长幅度随浓度增加逐渐减小。提取浓度从0.5 mol·L增加到4 mol·L时，有效态镉提取率增长幅度较大，平均相对偏差分别为94.81%、64.77%和29.36%（表4）。由此可知，当提取剂浓度低于4 mol·L时，提取率较低，平均相对偏差变动较大。当提取剂浓度在4~6 mol·L之间时，提取率增长幅度较0.5~4 mol·L之间有所降低，平均相对偏差仅为6.13%。6~7 mol·L时提取率出现轻微下降，说明此时有效态镉的提取率几乎不再发生变化，增加提取剂浓度对提取率影响较小反而还会增加提取成本。因此，选择6 mol·L作为最佳提取浓度并进行后续试验。

表4 不同提取剂浓度之间的平均相对偏差Table 4 Average relative deviation between different extraction concentrations

图3 不同提取剂浓度的对比试验Figure 3 Comparative experiment of different extractant concentrations

2.3.2 土液比的选择

土液比是影响有效态镉提取率的因素之一。如图4所示，当土液比从1∶2.5减小到1∶5时，提取率增加幅度较小，平均相对偏差仅为3.84%（表5）；从1∶5减小到1∶10时，提取率增长幅度较大，平均相对偏差为12.75%。从1∶10减小到1∶15时，有效态镉提取率出现轻微下降。因此，选择1∶10作为最佳土液比并进行后续试验。随着土液比减小，提取剂用量增加，土壤中固相状态的重金属离子解吸变成液相状态，溶液总体对于镉离子的交换和络合能力增强。但当土液比过小时，重金属的质量分数在滤液中占比较低，不利于有效态镉含量的测定。

表5 不同土液比之间的平均相对偏差Table 5 Average relative deviation between different soil liquid ratios

图4 不同土液比的对比试验Figure 4 Comparative experiment of different soil liquid ratios

2.3.3 提取时间的选择

提取时间对于有效态镉的提取率也具有重要影响。如图5所示，提取时间从30 min增加到120 min时，提取率明显增加，平均相对偏差分别为14.16%和16.38%（表6）。从120 min增加到240 min时提取率出现轻微波动，对比120 min和240 min时的提取率，平均相对偏差仅为-0.66%，原因可能是当提取时间为120 min时，土壤中的有效态镉提取率已经或接近平衡状态，此时再增加提取时间对提取率的影响较小。因此，在既保证测定准确性又提高工作效率的原则下选择120 min作为最佳提取时间并进行后续试验。

表6 不同提取时间之间的平均相对偏差Table 6 Average relative deviation between different extraction times

图5 不同提取时间的对比试验Figure 5 Comparative experiment of different extraction times

2.3.4 振荡频率的选择

振荡频率是影响有效态镉含量提取的因素之一。如图6所示，振荡频率对有效态镉的提取率影响较小。随着振荡频率的增加，提取率的增加幅度较小。振荡频率从140 r·min增加到180 r·min，以及从220 r·min增加到300 r·min时，有效态镉提取率出现轻微上升，平均相对偏差分别为4.25%、1.28%和3.24%（表7）。通过对比180 r·min与300 r·min有效态镉提取率发现，平均相对偏差仅为-0.12%，变化较小。在保证有效态镉含量测定结果准确的同时，选择较小的振荡频率可以减小对摇床的损耗，所以选择180 r·min作为有效态镉的最佳振荡频率。