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土壤重金屬監(jiān)測技術(shù)和方法最新研究進(jìn)展

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本文闡述了土壤重金屬監(jiān)測技術(shù)和方法的最新研究進(jìn)展。以電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES）和電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）為代表的聯(lián)用儀器分析法精度高、準(zhǔn)確性強，是目前異位監(jiān)測方法的研究熱點。以土壤磁化率技術(shù)等為基礎(chǔ)的原位監(jiān)測技術(shù)為土壤重金屬監(jiān)測技術(shù)和方法的發(fā)展帶來了活力，其優(yōu)勢在于可實現(xiàn)非破壞性、快速、大面積監(jiān)測土壤重金屬，且該方法容易重復(fù)驗證、縮短實驗周期，這些都是異位監(jiān)測方法不可比擬的；不足之處是準(zhǔn)確性弱、推廣性差。因此，提高原位監(jiān)測技術(shù)和方法的精準(zhǔn)性、普適性和推廣性是目前研究的熱點。

1 引言

土壤作為人類生產(chǎn)和生活的重要資源之一，其質(zhì)量狀況直接關(guān)系到耕地質(zhì)量，影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人居環(huán)境健康。2005年4月至2013年12月，國家環(huán)境保護(hù)部會同國土資源部開展了我國首次全國土壤污染狀況調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明，我國的土壤污染類型以無機型為主，有機型次之。無機污染物主要包括鎘、汞等多種重金屬。2017年4月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《2017年食品安全重點工作安排》中要求，啟動土壤污染狀況詳查，推動土壤污染防治立法和土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)修訂。我國土壤的重金屬污染情況已不容樂觀，加強對土壤重金屬污染的監(jiān)測和防治已迫在眉睫。

2 土壤重金屬監(jiān)測方法

土壤重金屬監(jiān)測方法可分為異位監(jiān)測方法和原位監(jiān)測方法兩類。異位監(jiān)測方法，雖然成本高、制樣復(fù)雜、耗時耗力且具有一定的破壞性，但其精度高、穩(wěn)定性強、受干擾程度低，所以仍是目前實驗室主要的重金屬分析方法。而原位監(jiān)測法可以非破壞性、快速、實時地對土壤重金屬進(jìn)行監(jiān)測，因此，該方法在污染事故、污染糾紛等應(yīng)急監(jiān)測方面凸顯優(yōu)勢。但目前的原位監(jiān)測方法精度差、分辨率較低，只能對土壤中的重金屬進(jìn)行粗略監(jiān)測。

2.1 異位監(jiān)測方法

異位監(jiān)測方法是傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，首先是進(jìn)行田間樣品的采集，然后將樣品帶回實驗室進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)處理。實驗室分析方法分為化學(xué)分析法和儀器分析法?；瘜W(xué)分析法因其選擇性差、樣品前處理繁瑣、靈敏度低，多見于早期土壤重金屬含量及微量元素研究。儀器分析法主要包括原子吸收光譜法（AAS）等，不同的監(jiān)測方法根據(jù)具體情況和要求適用于不同的監(jiān)測環(huán)節(jié)。

為了滿足高精度、操作簡便等要求，將兩種或多種光學(xué)、電化學(xué)儀器聯(lián)合使用，發(fā)揮各個儀器優(yōu)勢的聯(lián)用儀器分析法，已成為微量元素監(jiān)測研究的發(fā)展趨勢。聯(lián)用儀器分析法大大提高了元素檢出限，大部分重金屬元素可測至ng·L-1；可同時進(jìn)行多元素測定、定性定量分析。目前常用的聯(lián)用儀器分析法有電感耦合等離子質(zhì)譜法和電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀法。

2.1.1 電感耦合等離子質(zhì)譜法

電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）在元素定量分析、同位素分析和形態(tài)分析等領(lǐng)域發(fā)展迅速。ICP-MS分析元素的工作原理是待檢樣品經(jīng)前處理成溶液后，被引入ICP并在ICP的高溫環(huán)境下離子化，樣品溶液中的多種元素離子被ICP-MS的接口提取到高真空的質(zhì)譜儀中，經(jīng)過質(zhì)量篩選器篩選，具有特定質(zhì)荷比（M/Z）的離子被傳輸和檢測。在國內(nèi)，ICP-MS技術(shù)已逐漸應(yīng)用于土壤重金屬監(jiān)測領(lǐng)域，為土壤重金屬監(jiān)測提供了有力的技術(shù)保障。彭楊等建立了土壤/沉積物中V、Cr等14種金屬元素的ICP-MS準(zhǔn)確測定方法[1]。黃志堅采用ICP-MS同時測定了水系沉積物和土壤樣品中的Li、Be等25種元素，實驗的準(zhǔn)確度高、精密度好、效率快[2]。

2.1.2 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀法

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）工作原理是待檢樣品經(jīng)前處理成溶液后，由進(jìn)樣器引入霧化器，并被氬載氣帶入等離子體焰中央，在高溫和惰性氣氛中被充分蒸發(fā)、原子化、電離和激發(fā)，發(fā)射出所含元素的特征譜線，根據(jù)特征譜線存在與否、特征光強弱來進(jìn)行樣品的定性定量分析。Zhou等運用ICP-AES確定中國南部恒世河流域土壤重金屬含量[3]；Wei等運用ICP-AES測得中國城市土壤重金屬含量[4]。

2.2 原位監(jiān)測方法

原位監(jiān)測方法是在不影響被測物狀態(tài)及周圍環(huán)境的前提下，對目標(biāo)物含量進(jìn)行實時在線跟蹤測定。土壤重金屬原位監(jiān)測，即將土壤遙感（電磁感應(yīng)）、地理統(tǒng)計方法等多學(xué)科整合，逐步進(jìn)行連續(xù)、高密度監(jiān)測，實現(xiàn)了土壤特性在時間和空間分布上的同步監(jiān)測。下面簡要介紹支持原位監(jiān)測法的土壤磁化率技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)和X射線熒光光譜法（XRF）。

2.2.1 土壤磁化率技術(shù)

磁化率表示物質(zhì)在外磁場作用下被磁化的難易程度。目前土壤磁化率技術(shù)已逐漸應(yīng)用于城市環(huán)境污染和重金屬污染調(diào)查。通過磁化率的分析，可間接反映污染狀況和環(huán)境變化。羅偉等通過測定土壤鉛（Pb）含量和土壤磁化率，建立了基于土壤低頻磁化率的土壤Pb含量的回歸方程[5]。馬瑞峻等也同樣利用環(huán)境磁學(xué)技術(shù)監(jiān)測了農(nóng)田重金屬污染情況，認(rèn)為利用土壤表層體積磁化率監(jiān)測及評價土壤重金屬污染情況的方法是可行有效的[6]。

2.2.2 激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS），又稱為激光誘導(dǎo)等離子體光譜，是一種快速、原位地對任何狀態(tài)（固、液和氣態(tài)）物質(zhì)元素進(jìn)行化學(xué)分析的檢測技術(shù)。近年，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境化學(xué)監(jiān)測、工業(yè)處理、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)與食品等相關(guān)領(lǐng)域。余克強等采用LIBS技術(shù)實現(xiàn)了對土壤重金屬Pb和Cd含量的定量檢測[7]。

2.2.3 X射線熒光光譜法

X射線熒光光譜法（XRF）是一種利用樣品對X射線的吸收隨成分及含量變化進(jìn)行定性或定量分析的方法。X射線熒光光譜分析法以快速、無損、分析成本低且可多元素同時分析和原地檢測的優(yōu)點在重金屬檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是在土壤重金屬檢測中發(fā)揮了重要的作用。楊桂蘭等采用便攜式X射線熒光光譜儀（PXRF）檢測了土壤中常見重金屬元素Cr、Ni等的含量，結(jié)果表明實驗室條件下檢測結(jié)果與ICP-OES檢測結(jié)果的相關(guān)性較好，可用于土壤中重金屬元素的快速測定[8]。

3 土壤重金屬監(jiān)測方法的發(fā)展趨勢

聯(lián)用儀器分析法（如ICP-MS和ICP-AES）具有檢出限低、精度高、用時少、可同時進(jìn)行多元素分析等優(yōu)點，已成為土壤重金屬監(jiān)測中主要的異位監(jiān)測方法。但由于目前聯(lián)用儀器價格昂貴，需要專業(yè)的技術(shù)人員操作，因此，研究智能化、簡便化的聯(lián)用儀器勢在必行，可在保障高精度監(jiān)測的同時大大節(jié)約監(jiān)測成本。

土壤磁化率技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)、X射線熒光光譜法等的發(fā)展，為原位監(jiān)測方法提供了有力的技術(shù)支撐，可實現(xiàn)非破壞性、快速、大面積監(jiān)測土壤重金屬。但目前，原位監(jiān)測技術(shù)能做到的還只是大面積、快速估算土壤重金屬含量，其準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步提高。在實際監(jiān)測過程中，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)、監(jiān)測要求選擇適宜的監(jiān)測技術(shù)和方法，這有利于在平衡人力、物力、財力和技術(shù)能力的同時，提高土壤重金屬監(jiān)測效率和能力。

[1]彭楊,吳婧,巢靜波,陳艷.土壤/沉積物中14種金屬元素的ICP-MS準(zhǔn)確測定方法[J].環(huán)境化學(xué),2017,(01):175-182.

[2]黃志堅.ICP-MS同時測定水系沉積物、土壤樣品中25種微量和痕量元素[J].世界有色金屬,2017,(01):182-183.

[3]ZhouX,XiBC.Definingandmodelingthesoil geochemicalbackgroundofheavymetalsfrom theHengshiRiverwatershed(southernChina): IntegratingEDA,stochasticsimulation andmagneticparameters[J].Journalof HazardousMaterials,2010,180(1-3):542-551.

[4]WeiBG,YangLS.Areviewofheavymetal contaminationsinurbansoils,urbanroaddusts andagriculturalsoilsfromChina[J]. MicrochemicalJournal,2010,94(2):99-107.

[5]羅偉,謝賢健,陳婷旭,李艷梅,艾道林,阿木拉堵.中小城市不同土地利用方式下土壤磁化率空間分布及對鉛元素含量的指示意義[J].土壤通報,2017,(01):53-60.

[6]馬瑞峻,黃倩,龔海明,李林,劉永茂,王梁.利用土壤表層磁化率監(jiān)測區(qū)域農(nóng)田重金屬[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué):1-8.

[7]余克強,趙艷茹,劉飛,何勇.激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)檢測土壤中的鉛和鎘含量[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2016,(15):197-203.

[8]楊桂蘭,商照聰,李良君,等.便攜式X射線熒光光譜法在土壤重金屬快速檢測中的應(yīng)用[J].應(yīng)用化工,2016,(08):1586-1591.