CaCl2-DTPA法提取土壤有效态砷的条件优化

王 雨，宋庆瑞

（1.天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384；2.中华全国供销合作总社天津再生资源研究所，天津 300191）

砷在工农业生产中利用比较广泛，正确、合理的使用下才不会对当地的环境造成污染。土壤中砷元素的积累很大一部分原因来自农业上农用产品的过量使用（如：含砷农药、化肥等）[1]，最终导致环境污染。我国土壤砷元素的背景值为9.6 mg/kg，范围为2.5～33.5 mg/kg。同等含量的砷在不一样的土壤中的生物有效性和毒性是不同的。目前，利用“有效态”来评估土壤中的污染物浓度，可以更好地体现出土壤中的环境污染情况和环境对作物的影响[2]，因此开展农用地土壤有效态砷的研究对分析土壤砷污染与评价有重要的作用。

土壤中有效态砷测定，目前应用普遍的是选择提取剂法。Woolson等[3]认为，在酸性的土壤中，HCl（0.5 mol/L）的效果较好，但在碱性的土壤中NaHCO3（0.5 mol/L）的效果较好。涂从等[4]在紫、黄两种土壤中进行了NaHCO3（0.5 mol/L），NH4Cl（1.0 mol/L）以及HCl（0.1 mol/L）等提取剂提取有效态砷的实验。结果表明，三类提取剂对土壤均有较好的作用，而NaHCO3(0.5 mol/L）对土壤的影响最大。肖玲等[5]的研究表明，在石灰质土壤中，NaHCO3(0.5 mol/L）最好的萃取有效态砷含量的方式是土∶液=1∶10，振荡时间60 min。黄瑞卿等[6]采用不同的提取剂，分别从不同的酸碱地和酸菜地中提取出有效态砷，得出提取的土壤有效态砷与作物果实部分的砷含量的相关程度较高，其中选用NaH2PO4（0.5 mol/L）提取剂的相关性最为明显，优于其它提取剂。在对NaH2PO4的提取条件的研究中发现，在液土比15∶1、振荡速度250 r/min、振荡时间120 min时提取酸性土壤有效态砷为最优。卢聪等[7]认为有效态砷测定可以采用Wenzel等[8]的连续提取方法。

分析土壤重金属有效态，提取剂的选择和提取条件是分析步骤的关键。当前，国内外在对土壤中的有效态砷进行试验的基础上，通常用DTPA（络合剂）、HCl、中性盐等溶液进行浸提，其中HCl等酸性溶液由于pH不高，可以将某些未被置换状态下的重金属分离，但实际的活性状态不能用所提取的重金属形式来表示；中性盐当做提取剂只能大致反映出中性pH下土壤重金属的溶解程度；而DTPA等络合物对土壤中的重金属具有很好的吸附效果，而且可以很好地表现出重金属的有效性[9]。氯化钙-二乙烯三胺五乙酸(CaCl2-DTPA)是一种复合提取剂，选用CaCl2-DTPA作为提取剂，则能进一步增强土壤有效砷测定的稳定性。

在以往用CaCl2-DTPA作为提取剂的研究中，提取时间一般在0.5~2 h不等，液土比、提取速率以及其它的提取条件也各不相同，而且最佳提取条件也因土壤类型和土壤性质的不同而有较大差异，这使得CaCl2-DTPA提取剂在不同类型土壤有效态砷的提取及推广应用过程中缺乏有效的指导。因此，本文试图探索利用CaCl2-DTPA提取剂提取农用地土壤中有效态砷的最佳提取条件，并为各类土壤中有效态砷的测定提供理论和技术参考。

1 实验设计

1.1 实验方法选择

本试验选择原子荧光法，此方法测试线性范围大、稳定性高、成本低，广泛应用于土壤中的砷测定。针对土壤中砷测定的实际问题，需要根据不同的需求，采用不同方法进行研究、比较，选用合理测试方法，对于目前土壤有效态砷的测定现状，本次实验选择原子荧光分析法。

1.2 试剂与仪器

盐酸（HCl）、硝酸、硫酸（H2SO4）、高氯酸（HClO4）均为优级纯；二水合氯化钙（CaCl2·2H2O）、三乙醇胺（C6H15NO3）、二乙烯三胺五乙酸（C14H23N3O10）均为分析纯；砷标准贮备液（1 mg/mL）；氢氧化钾（KOH）优级纯；硼氢化钾（KBH4）优级纯。

配制CaCl2-DPTA提取剂：0.147 g二水合氯化钙、1.492 g三乙醇胺、0.1967 g二乙烯三胺五乙酸，加水溶解定容至80 mL，用浓HCl调整pH值，后转移至100 mL容量瓶中定容。

AFS-230E型原子荧光光度计；QYC-2102型恒温振荡机；LD5-2B型离心机；TU-1901型紫外分光光度计；pH计；氧化还原电极；电热板；分析天平等。

1.3 样品制备

根据NY/T1221.1—2006《土壤检测 第1部分：土壤样品的采集、处理和贮存》制备样品。采集的农用地土壤样品，放在阴凉、干燥、通风、无特殊气味和无灰尘污染的室内进行风干、碾碎土块。风干后，将样品敲碎，全部过100目尼龙筛，装入专用塑料瓶中，封好对其编号留以备用。

1.4 样品处理

1.4.1理化性质

根据NY/T 1377—2007规定的标准方法测定土壤pH值；HJ 746—2015国家环境标准测定土壤氧化还原电位；HJ 704—2014国家环境保护标准《土壤 有效磷的测定 碳酸氢钠浸提—钼锑抗分光光度法》测定土壤有效磷含量；HJ 615—2011国家环境保护标准《土壤 有机碳的测定 重铬酸钾氧化—分光光度法》测定土壤有效碳含量；NY/T 1221.1—2006《土壤检测 第11部分：土壤总砷的测定》测定土壤总砷含量，测定结果见表1。

表1 土壤理化性质

1.4.2Tessier法

该法将土壤金属的结合态分为5种，即可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态、残渣态[10]，本试验将Tessier法前四步提取方法（除残渣态）提取的有效砷含量作为此土壤有效砷含量的总量，通过CaCl2-DTPA提取剂提取土壤有效砷，得到土壤有效砷提取率，见表2。

表2 Tessier法测提取有效砷含量 mg/kg

1.5 绘制标准曲线

加 入 砷 标 准 溶 液0、0.25、0.50、1.50、2.50、5.0 mL于50 mL容量瓶中，再加入5%盐酸溶液定容。此时标准系列浓度分别为：0.00 μg/L、0.50 μg/L、1.00μg/L、3.00 μg/L、5.00 μg/L、10.00 μg/L。

按照参考测量条件，由低浓度到高浓度依次向原子荧光光谱仪中进标准使用液。起始浓度为零，以荧光强度为纵坐标，以浓度（μg/L）为横坐标，绘制校准曲线。

图1 标准曲线

1.6 单因素试验

在未开始试验之前，根据资料查阅的研究结果，本试验以土液比1:15，振荡时间60 min，振荡速度150 r/min为中间条件，分别考察土液比1:5、1:10、1:15、1:20、1：25；振 荡 时 间10 min、30 min、60 min、90min、120 min;振荡速度50 r/min、100 r/min、150 r/min、200 r/min、250 r/min，3个单因素水平对土壤有效砷提取率的影响。

1.7 正交试验设计提取剂提取条件优化

根据单因素试验结果，以土液比1:5、1:10、1:15；振荡时间60 min、90 min、120 min；振荡速度150r/min、200 r/min、250 r/min，设计三因素三水平正交实验，见表3。

表3 三因素三水平初步设计

2 实验结果分析与讨论

2.1 单因素试验分析

2.1.1土液比的影响分析

见图2，可以看出，不同土液比对土壤有效砷的提取率有明显地差别，在土液比1:5～1:10的范围内，可以明显看出土壤有效砷提取率增加趋势，在土液比1:10以后开始逐渐下降至1:20开始趋于平稳，原因应该是土液比相对增加，提取难度也相对增大，CaCl2-DTPA提取剂难以从土壤中提取到更多的有效砷，因此选择1:10为理想土液比。

图2 不同土液比对有效砷提取率的影响

2.1.2振荡时间的影响分析

见图3，可以看出，不同振荡时间对土壤有效砷的提取率也有较大影响，整体呈现上升趋势。10 min时出现短暂小峰值，考虑到振荡时间过短，提取剂没有完全产生提取作用，提取的有效砷含量没有较高的准确度，因而在10～30 min出现提取率下降；30～90 min时，提取率显著增多，在90 min时开始稳定，趋势较为明显，因此选择90 min为理想振荡时间。

图3 不同振荡时间对有效砷提取率的影响

2.1.3振荡速度的影响分析

见图4，可以看出，不同振荡速度对土壤有效砷的提取率影响不是特别显著，不同振荡速度都会有上升或下降趋势，但整体提取率较为稳定。从变化幅度上不好比较振荡速度的影响差别，但从提取率上可以发现到振荡速度200 r/min时提取率最优，且之后较为稳定，因此选择200 r/min为理想振荡速度。

图4 不同振荡速度对有效砷提取率的影响

2.2 正交实验分析

如表4所示，K1、K2、K3分别表示在各因素、各水平下CaCl2-DTPA提取剂提取土壤有效砷提取率的总和，K1、K2、K3可表示为提取率的平均值。同一因素各水平下平均提取量的极差R就等于平均提取率的最大值-平均提取率的最小值。R的数值表示某一因素的水平变动对结果影响的大小[11]。

表4 CaCl2-DPTA提取剂正交实验

由正交实验表得到结果：CaCl2-DTPA提取剂提取条件最佳组合为土液比1:5，振荡时间90 min，振荡速度200 r/min。因素影响为土液比＞振荡时间＞振荡速度。

根据正交实验结果显示土液比1:5为最佳提取条件，但从数据分析看出当土液比为1:10时提取量已经达到最佳提取效率。从减少实验用量，在实验消耗最低的情况下，达到最优提取率的角度考虑，因此我们选择理想土液比为1:10。

2.3 讨论

张传琦等[12]以ICP-MS法测定土壤中有效态砷，与原子荧光法同时对比测定有效态砷，两种方法测定的土壤有效砷的含量均为有效值。但ICP-MS法仅在对大批量样品测定时优势明显，在检测样品少时并不适用，相比之下显得浪费时间、虚耗成本，此外选用ICP-MS法检测有效态砷的应用较少，缺乏准确有效的参考价值，而以原子荧光法为测定方法，不仅仪器成本、维护成本低且操作简单、稳定性好，因此本研究选用原子荧光分析法为实验方法。

DTPA与土壤中的金属离子发生化学反应生成络合物。该络合物在提取液中状态比较平稳，而且提取时对样品的酸碱度也没有太大的需求。因此，DTPA广泛用于提取土壤中有效态重金属含量。Hooda等[13]发现DTPA提取的土壤重金属有效态与黑麦草吸收的重金属存在较好的相关性，这说明DTPA提取出的重金属正是植物可以吸收的有效态重金属。马建军等[14]研究土壤有效态镍的提取条件，分析了几种不同的提取剂，提出DTPA是提取不同类型土壤中有效态镍通用提取剂的首选，这说明DTPA在土壤有效态金属的提取方面有一定优势。周嘉诚等[15]提出了石墨炉原子吸收光谱法，即DTPA作为提取剂，用原子吸收光谱仪测定，这与本研究利用DTPA提取有效态砷的步骤大致相同，但该研究并未对提取步骤进行优化，提取率也低于本研究。徐琴等[16]对DTPA浸提法测定土壤中有效态铁的方法进行了探讨，得出对于测定土壤有效铁采用的DTPA浸提法要优于其他浸提方法，而砷与铁同为土壤重金属，因此理论上选用DTPA提取有效态砷是可行的；冯俊等[17]采用DTPA作为提取剂，用ICP-OES测定以识别土壤中的有效锌、铁、锰、铜、铅、钴、镍和镉的含量，并被成功应用到云南富源某地区，用于指导该地区的土壤施肥情况以获得作物的最大产量。以上众多研究均表明，本研究选择DTPA作为农用土壤有效态砷的提取剂具有充分的理论依据和科学依据。

孙震等[18]的研究结果与本研究提取剂想法大致相同，都发现CaCl2-DTPA提取剂提取有效态砷有显著效果。但其对于最优提取条件的分析没有进一步研究，对用CaCl2-DTPA提取剂提取出有效态砷的提取条件说明并不完善。本研究不仅分析了影响提取条件的较大因素，还利用正交实验进一步验证了提取效率，结果表明有效态砷在提取条件为土液比1:10，振荡时间90 min，振荡速度200 r/min时提取效果最优，研究结果使农用土地中有效态砷的最优提取条件的科学性增加。

3 结论

本次实验研究通过单因素实验分析了CaCl2-DTPA提取剂提取条件包括土液比、振荡时间、振荡速度。再通过正交实验优化最佳提取条件得到理想土液比1:10、振荡时间90 min、振荡速度200 r/min。涉及的农用地土壤为碱性土壤，这也为CaCl2-DTPA提取剂适用范围进行了补充，除适用于中性、酸性和石灰性土壤有效锌、铁、铜、锰、镉和汞等元素之外，CaCl2-DTPA提取剂可以适用于碱性土壤有效态砷

的提取。但本次实验的CaCl2-DTPA提取剂最优提取条件还未对中性和酸性土壤进行分析，出于部分因素限制，实验所采用的土壤样品数量和种类有一定的局限性，在不同类型农用地土壤中有效态砷的分析测试中有待将方法进一步的扩大、应用，使该方法更具实用性。