趙萍萍

（山東省淄博生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 淄博 255000）

0 引言

土地資源的利用價值較高、土壤質(zhì)量是影響使用價值的重要因素，因此需要對土壤污染情況進行技術(shù)監(jiān)測。重金屬物質(zhì)在土壤中的活動性較小、難以發(fā)生遷移，同時生物降解難度大，具有較強毒性，對農(nóng)作物生長和安全構(gòu)成不良影響。土壤重金屬含量一直以來都是土壤監(jiān)測的重點項目。目前我國土壤中的重金屬污染總超標率為16.14%，占全國耕地面積總量的1/6，開展土壤重金屬污染監(jiān)測迫在眉睫。

1 土壤重金屬污染原因及監(jiān)測現(xiàn)狀

1.1 重金屬污染原因

造成土壤中重金屬污染的主要原因是化肥、農(nóng)藥的大量使用和“三廢”排放。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，化肥、農(nóng)藥、塑料膜等農(nóng)業(yè)投入品的使用較為頻繁，相關(guān)物質(zhì)中含有鉛、汞、鎘和砷等重金屬物質(zhì)，其長期在土壤中沉積，難以降解，不僅影響土壤正常性能，而且增加風險，相關(guān)物質(zhì)會被農(nóng)作物吸收[1]。工業(yè)廢水未經(jīng)處理或處理不當，排入到土壤中也是誘發(fā)重金屬污染的主要因素，例如Pb重金屬在土壤中的沉積，會通過農(nóng)作物和畜牧食品攝入到人體中。

1.2 污染監(jiān)測現(xiàn)狀

土壤重金屬污染問題較為嚴重，不利于優(yōu)化生存環(huán)境，強化污染監(jiān)測技術(shù)應用十分重要，是改善污染問題的有效方法。隨著科學技術(shù)發(fā)展，土壤監(jiān)測理論與方法進步，使用先進合理技術(shù)對土壤中的重金屬含量進行獲取十分重要，通過相關(guān)數(shù)據(jù)可為環(huán)保決策提供參考。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，我國土壤重金屬污染的主要物質(zhì)包括鎘、汞、砷、鉛，重金屬污染面積達到2000＊104hm2，在所有耕地面積中占比達到1/5，每年我國因重金屬污染而減少的糧食產(chǎn)量大約在1000萬噸。在受調(diào)查的土壤中，大部分為重金屬污染，污染發(fā)生率達到15%，其中鎘、汞、鉛元素的污染較高，占比約為8%。根據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》結(jié)果顯示，我國土壤重金屬污染較為典型的地區(qū)集中在企業(yè)建設(shè)用地、工業(yè)生產(chǎn)園區(qū)和部分資源采礦區(qū)，其重金屬污染超標率分別為36.2%、33.6%和31.5%。

2 土壤重金屬快速監(jiān)測技術(shù)

2.1 生物傳感器技術(shù)

生物傳感器為土壤中重金屬元素監(jiān)測提供了簡單、快速方法，在所有傳感器中，應用較為普遍的是全細胞微生物生物傳感器，相關(guān)方式能夠完成汞元素的快速監(jiān)測。研究人員可構(gòu)建基于監(jiān)測需求的生物傳感器系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可將不透明物質(zhì)中的汞信號轉(zhuǎn)化為C2H4信號。隨著監(jiān)測技術(shù)進步，目前研究開發(fā)出手持C2H4傳感器，能夠更好監(jiān)測污染土壤情況，并且能夠在較短時間內(nèi)（30min），完成現(xiàn)場監(jiān)測，避免大型監(jiān)測儀器應用中造成的不便利性。

基于生物傳感器的應用，可將生物活性信號轉(zhuǎn)化為電信號，技術(shù)人員通過外業(yè)采集獲取土壤樣本，通過生物傳感裝置對土壤中的污染物進行識別。相關(guān)技術(shù)應用具有分析速度快、準確度高的優(yōu)勢，其相對誤差值在1%以內(nèi)。

全細胞生物傳感器應用在土壤重金屬現(xiàn)場監(jiān)測中優(yōu)勢較為明顯，不僅節(jié)約了監(jiān)測時間和成本，而且具有較高的特異性和靈敏度，通過iEFE和cEFE生物傳感器能夠有效監(jiān)測汞元素在土壤中具體含量。能夠形成這一優(yōu)勢的主要原因是生物傳感器以分子識別部分檢測目標，可實現(xiàn)材料樣本批量生產(chǎn)、反復利用[2]。

2.2 X射線光譜技術(shù)

X射線光譜技術(shù)由激光源與探測系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，具體應用中，當X射線管產(chǎn)生X射線后，會激發(fā)被測樣品，監(jiān)測待樣本中每一種元素會放射出二次X射線，不同射線的能量性質(zhì)和波長區(qū)別較大，通過儀器可將相關(guān)信息進行轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)對各種元素、種類和數(shù)量的有效識別。目前，X射線熒光光譜快速分析技術(shù)的應用十分廣泛，在金屬冶煉、地質(zhì)勘查、環(huán)保衛(wèi)生、商檢等領(lǐng)域發(fā)揮重要價值，尤其是RoHS監(jiān)測技術(shù)應用。將相關(guān)快速監(jiān)測技術(shù)應用在土壤重金屬元素監(jiān)測中，產(chǎn)生了顯著效果，其分析范圍較廣，并且具有速度快、抗干擾能力強的優(yōu)勢。

利用X射線光譜技術(shù)測定土壤中重金屬污染問題時，其具體測定時間與測定精密度有關(guān)，但是一般情況下，測定時間較短，可在10min內(nèi)完成樣本待測元素的精準監(jiān)測。此外，相關(guān)監(jiān)測技術(shù)應用與待監(jiān)測物質(zhì)的物理形態(tài)無關(guān)，無論是固體、液體還是氣體，均可完成相關(guān)監(jiān)測。在高分辨率的精密測定中，利用該種方法能夠清晰地看到波長變化，以此保證結(jié)果準確率。但是，相關(guān)監(jiān)測方法也存在一定技術(shù)局限性，例如難以開展絕對分析，因此在定量分析的過程中，需要連續(xù)取樣，方法較為繁瑣。同時，相關(guān)監(jiān)測方式對輕元素的靈敏度較低，會受到元素之間的耦合干擾影響，此外，在監(jiān)測技術(shù)應用中，相關(guān)人員也需要考慮波形疊加后果，發(fā)揮相關(guān)技術(shù)在環(huán)保監(jiān)測領(lǐng)域的應用效果。

2.3 激光誘導擊穿技術(shù)（LIBS）

激光誘導擊穿光譜監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展十分迅速，能夠?qū)⑵鋺迷谕寥罉颖颈O(jiān)測實踐中，但是，分析該監(jiān)測技術(shù)下的光譜線可知，其光譜線完整、密度較大。因此，在技術(shù)應用中，為確保樣本數(shù)據(jù)獲取的實時性與準確度，需要將工作重心放在樣本表面平整度調(diào)整上，同時，相關(guān)人員需要重視樣品監(jiān)測中存在的基體效應。未來技術(shù)發(fā)展中，相關(guān)人員應對激光誘導擊穿技術(shù)進行優(yōu)化，并改善以往監(jiān)測中存在的不足，調(diào)整并固定監(jiān)測設(shè)備，防止出現(xiàn)以往激光掃描過程中出現(xiàn)的抖動問題。技術(shù)人員也需要對樣品疏密程度進行檢查，并且排除各項干擾，使得檢出成功率獲得提升，滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)真實可靠要求。

土壤污染和生態(tài)環(huán)保檢測中使用激光誘導擊穿技術(shù)取得了突破性進展，鑒于土壤成分復雜、基體效應不夠明顯，因此在具體監(jiān)測過程中，出現(xiàn)了精密度和準確度降低的問題[3]。國內(nèi)使用了內(nèi)標分析法，對土壤中的Cr、Ba相對偏差進行控制，將標準差控制在9%和6%之內(nèi)。

LIBS的工作原理如下：樣本分析中產(chǎn)生聚焦脈沖激光，激發(fā)樣品，通常情況下，被檢測物品在1s內(nèi)會受到千余次脈沖激發(fā)，材料會被加熱到1000℃以上。此外，與傳統(tǒng)綜合檢測比較，激光誘導擊穿法，可制作成手持便攜式元素分析儀，可實現(xiàn)對檢測土壤的在線分析，在戶外現(xiàn)場實際檢測中得到廣泛應用。LIBS可以檢測的要素較多，尤其是對Cr和Ba樣本檢測?？傊?，在土壤重金屬元素的污染監(jiān)測中使用激光誘導擊穿方法可靠性較高。

3 土壤重金屬快速監(jiān)測技術(shù)的應用途徑

3.1 樣本綜合監(jiān)測

樣本綜合監(jiān)測法是相對傳統(tǒng)的土壤重金屬污染監(jiān)測方法，操作人員通過分析土壤樣本，借助精密儀器和先進方法對土壤中的重金屬元素進行分離，完成具體監(jiān)測目標。綜合檢測方法具有抗干擾能力強、精度高和穩(wěn)定性強的優(yōu)勢。同時，也存在成本高、耗時長、操作復雜等缺點，相關(guān)人員在重金屬污染監(jiān)測方案選擇中，應充分現(xiàn)場實際要求和具體情況，使得監(jiān)測技術(shù)應用更加科學、高效。

現(xiàn)階段使用的綜合檢測方法主要有分光光度法、極譜分析法、電感耦合法。以上方法的應用均需要建立在樣本分析基礎(chǔ)上，監(jiān)測人員需要實地考察、外業(yè)采集樣本，并將樣本進行初步加工，送至檢驗室備用。相關(guān)流程會浪費較長時間，因此，利用綜合檢測法獲取土壤重金屬污染相關(guān)信息的周期較長。目前使用較為廣泛的綜合檢測法是電感耦合法，相關(guān)方法能夠監(jiān)測農(nóng)田土壤中的重金屬污染情況，對Zn、Cd、Cr和Mn等元素進行監(jiān)測，獲取的數(shù)據(jù)具有線性關(guān)系，其精密度均＜4%，準確率在95.6%～99.2%之間。通過綜合檢測法能夠?qū)崿F(xiàn)對樣本土壤中，超過40余種重金屬元素的監(jiān)測，并且各個元素之間的標準差較小，相對標準差＜3.8%。

3.2 現(xiàn)場快速監(jiān)測法

為進一步研究土壤中重金屬污染程度，相關(guān)人員應組織開展重金屬污染現(xiàn)象監(jiān)測，并且制定科學有效、靈活便利的工作方案，確保監(jiān)測工作快速落實。目前應用在土壤重金屬現(xiàn)場監(jiān)測中的技術(shù)與方法主要包括X射線熒光光譜法、免疫分析法、激光誘導擊穿技術(shù)等。值得注意的是，技術(shù)人員在開展現(xiàn)場監(jiān)測時，應將監(jiān)測結(jié)果與綜合檢測結(jié)果比較，并且糾正其中存在的差值，明確導致結(jié)果不一致的具體原因，使得監(jiān)測工作有序科學開展。現(xiàn)場監(jiān)測中，通過對檢測方法的應用，能夠快速獲取土壤中重金屬的種類和程度，但是準確率要低于綜合檢測法。例如，目前行業(yè)內(nèi)廣泛使用的便攜式X射線熒光光譜儀。相關(guān)設(shè)備在環(huán)保監(jiān)測領(lǐng)域中應用，具有低成本、高效率的應用優(yōu)勢，并且滿足當下無損監(jiān)測需求[4]。

操作人員可設(shè)計儀器參數(shù)，通過“一鍵測試”功能，可實現(xiàn)對土壤中Pb、Cr、Cu、Ni、Zn、As等元素指標的獲取，進而明確農(nóng)田土壤是否存在重金屬污染問題。實踐中，相關(guān)人員對某地區(qū)的土壤系統(tǒng)進行了監(jiān)測，選取指標為Pb、Cr、Cu、Ni、Zn、As，經(jīng)過現(xiàn)場快速監(jiān)測技術(shù)應用，以上元素的檢出值均在合理范圍內(nèi)，對相關(guān)檢驗結(jié)果進一步分析，其準確率和信實度較高，與當?shù)丨h(huán)保檢驗規(guī)定相符合[5]。將該地區(qū)土壤樣本送入相關(guān)部門做進一步檢驗，通過電感耦合等離子質(zhì)譜法開展對比分析，結(jié)果表明兩種檢驗方法得到的數(shù)據(jù)一致。

4 結(jié)語

綜上所述，分析了土壤重金屬快速監(jiān)測技術(shù)的分類和主要應用，對土壤污染的原因進行描述，而且闡述了快速監(jiān)測技術(shù)應用現(xiàn)狀問題，提出可行的改進方法。目前土壤重金屬污染問題已經(jīng)成為威脅我國糧食安全穩(wěn)定主要問題，開展農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)測、對監(jiān)測理念、技術(shù)與方法進行更新十分重要，相關(guān)監(jiān)測方案落實是建設(shè)生態(tài)文明，強化環(huán)保監(jiān)督的關(guān)鍵舉措。