賈雙琳，李長安

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實驗室，貴州 貴陽 550018；2.黔南民族師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，貴州 都勻 558000)

由于人類活動如污水灌溉、堆放垃圾、重金屬冶煉工廠排放的廢水、廢渣，煤、石油等燃燒排放的煙塵等，產(chǎn)生的重金屬隨大氣沉降或降雨等被引入土壤中，造成土壤中重金屬污染。用重金屬有效態(tài)含量來評價土壤污染程度越來越被認(rèn)可。土壤中重金屬形態(tài)不同，活性不同，其毒性和環(huán)境行為也不同(周衛(wèi)紅 等，2017)。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定重金屬的生物有效性包含三個部分即環(huán)境有效態(tài)、生物有效性重金屬和毒性生物有效性重金屬。在環(huán)境行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，將土壤中能夠被植物根系吸收的元素稱為有效態(tài)，通常分析測試的量是指環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中定義的部分，且一定的提取劑所提取的量即為有效態(tài)量，這部分通常是經(jīng)過相關(guān)試驗驗證為有效的部分。有效態(tài)在重金屬污染研究中被稱為可提取態(tài)。

土壤中重金屬有效態(tài)的研究，有助于人們認(rèn)識元素的地球化學(xué)過程，評價金屬活動態(tài)的潛在性和活動態(tài)引發(fā)的風(fēng)險，土壤重金屬有效態(tài)的數(shù)據(jù)成為土壤污染風(fēng)險評價的重要參數(shù)。有效態(tài)的測試方法研究，也對當(dāng)前的土壤污染修復(fù)工作起到積極的指導(dǎo)作用。如有實驗表明，目前常用的對土壤施用生石灰的土壤污染修復(fù)技術(shù)非常有效，在施用一定量的生石灰后，土壤中的有效態(tài)重金屬銅鉛鋅鎘的含量降低(劉軍 等，2017)。

土壤金屬元素形態(tài)和生物有效性取決于其地球化學(xué)行為、元素成因來源、土壤理化條件以及植物根際效應(yīng)等(周國華，2014)。通常土壤pH下降，土壤中會釋放更多的金屬離子。有機質(zhì)對土壤中金屬離子有固定作用，可減少植物吸收的有效金屬量(Morman S A et al，2009)。通過研究紅壤和潮土、黃褐土和水稻土中pH、有效態(tài)鎘鉛和總量之間的關(guān)系，表明隨pH增大，有效鎘和鉛含量降低(杜英秋，2015；楊夢麗 等，2019)。

化學(xué)提取法是測試金屬有效態(tài)的常用方法，采用特定的提取劑和提取流程，對釋放出的特定量進(jìn)行檢測。按照提取步驟，有單步提取和連續(xù)提取法。

1 單步提取法

通常認(rèn)為單步提取法所提取的重金屬形態(tài)即是環(huán)境有效態(tài)，同一浸提劑對不同重金屬浸提效果不同。單步提取法主要提取土壤中相對活動或有潛在活動態(tài)的金屬元素，是化學(xué)提取法中常用的手段。在化學(xué)提取法中，提取劑的濃度(劉羽翼 等，2017)、提取時間、振蕩方式(呂明超 等，2014)、振蕩頻率、溫度(王志成，2019)等對結(jié)果都有影響。提取劑主要有中性鹽、絡(luò)合劑、酸類等。由于不同提取劑提取機理不同，因此不同提取劑的提取量也有一定差別，通常情況下提取量從小到大的順序為：中性鹽提取劑、絡(luò)合劑提取劑、酸類提取劑。

1.1 中性鹽提取劑

中性鹽溶液不會對硅酸鹽或氫氧化物造成影響，不會影響土壤pH值，可置換出土壤顆粒吸附的金屬離子，通常包括CaCl2、MgCl2、銨鹽等。CaCl2屬弱代換劑，能真實反映土壤自然pH條件下元素的有效性，主要置換土壤中的水溶態(tài)和交換態(tài)，其對重金屬的提取量通常較低。強酸銨鹽類，如硝酸銨(International Standard，2008)或氯化銨，會降低土壤的pH，促進(jìn)粘土礦物的水解，但在提取中銨鹽易揮發(fā)，使浸提液的濃度和酸堿度受到影響，故測定結(jié)果不穩(wěn)定。

CaCl2提取劑的濃度通常為0.1 mol/L(Wei-hong Zhou et al，2019)(Feiying Zhang et al，2020)。中性提取劑提取土壤中有效砷，提取率較低(杜晶，2018)，是因為鈣與砷形成難溶性化合物。CaCl2等對酸性土壤中有效鎘的提取呈現(xiàn)土壤中全鎘含量高則有效鎘的提取率低，全鎘含量低則有效鎘的提取率高的反效應(yīng)規(guī)律(肖振林 等，2008)。CaCl2用于提取鈣質(zhì)土壤中有效鎘銅鐵錳鎳和鋅(Mohsen Jalali et al，2017)。0.1 mol/LMg(NO3)2可提取土壤中鉛鎳鋅銅鎘(Bushra Haroon et al，2020)。

1.2 絡(luò)合劑提取劑

絡(luò)合劑與金屬離子形成穩(wěn)定絡(luò)合物一定程度上模擬了作物根系分泌物對金屬的活化、絡(luò)合作用，因此絡(luò)合劑提取劑應(yīng)用較廣。常用的絡(luò)合劑有二乙基三胺五乙酸(DTPA)、EDTA等，DTPA屬較強的代換劑，與銅等螯合，形成穩(wěn)定的螯合物，在適當(dāng)條件下，DTPA可以將土壤固相表面吸附的金屬離子提取出來，而以絡(luò)合劑-酸-鹽配成的復(fù)合提取液，可改善提取效果從而獲得穩(wěn)定的實驗結(jié)果。

DTPA提取劑在1978年被應(yīng)用，我國早在1985年就有使用DTPA的報道(靳啟增 等，1985)。土壤中有效鎘研究顯示DTPA提取效果較好(趙立紅 等，2014；楊曉磊 等，2016)。對土壤中有效錳銅鋅鉛等的研究(李旭暉 等，2019)，表明DTPA是適用于酸性和堿性土壤中有效態(tài)金屬的提取劑。用DTPA提取埃及最大的水稻產(chǎn)區(qū)之一土壤中鎘銅鉛鋅鎳的方法效果較好(Ahmed S.Abuzaid et al，2020)。2016年我國環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn)(中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部，2016)規(guī)定了避免光譜重疊干擾、校正光譜干擾、基體匹配法(孫媛媛 等，2015)降低或消除非光譜干擾的方法。有研究發(fā)現(xiàn)DTPA提取時，DTPA-TEA-CaCl2體系中的CaCl2測試土壤中有效鋅時空白較高(謝飛 等，2020)，將Ca(NO3)2替代CaCl2可降低81.4%的鋅空白。

EDTA(Zhu Li et al，2018)及其它絡(luò)合劑如乙二胺二鄰苯基乙酸(EDDHA)(Ryan Orr et al，2020)也有一定的應(yīng)用。EDDHA是一種多功能金屬離子控制劑，它的分子結(jié)構(gòu)中含有酰胺官能團，酰胺鍵與一個氧原子相連，是理想的絡(luò)合劑。

1.3 酸類提取劑

稀酸模擬的是作物根系的微酸環(huán)境，酸類提取劑屬較強的代換劑，由于pH低，容易將土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)提取出來，因此土壤中有效態(tài)提取率較高，但有時酸類提取獲得的有效態(tài)量并不能真實反映土壤中有效態(tài)的含量。酸類提取劑對各元素提取效率不同，這與各元素在土壤中的相態(tài)有關(guān)。

使用較多的酸為鹽酸，其流程簡單、成本低。鹽酸濃度多為0.1 mol/L，用于測定土壤中有效鉛(張世文，2019)錳鐵銅鋅(金茜 等，2007)鎘(賀靜 等，2009)鎳(Jolanta Korzeniowska et al，2017)砷(張傳琦 等，2011)等，也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)1.7%HCl可以提取土壤中80%以上的有效鉛汞和砷(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態(tài)金屬，檸檬酸-酒石酸(李亮亮 等，2008)作提取劑，預(yù)測玉米籽粒中重金屬含量比較合適，該研究通過土壤有效態(tài)重金屬含量與玉米重金屬含量的關(guān)系，判斷有效態(tài)重金屬與玉米根、莖、葉中重金屬Cu、Zn、Cd、Pb的相關(guān)性，因此通過測試玉米籽粒中重金屬含量，判斷玉米產(chǎn)地的土壤中重金屬可以被生物體吸收的含量。0.11 mol/L醋酸、0.11 mol/L檸檬酸和0.65%鹽酸被用于測試土壤有效砷、鎘和鉛(Aurélie Pelfrêne et al，2020)。不同濃度蘋果酸、甲酸(寇樂勇 等，2019)用于研究安徽某銅礦區(qū)及周邊土壤中有效銅錳鋅鉛。

2 前處理及儀器分析方法

提高分析效率，增加分析準(zhǔn)確度是學(xué)者關(guān)注的研究課題，如超聲提取技術(shù)(彭靖茹 等，2011；農(nóng)云軍 等，2016；吳云兵 等，2018；楊喆 等，2019)，可以將分析時間由傳統(tǒng)的2 h縮短至20 min左右，對高壓密閉消解等技術(shù)也有相關(guān)的研究。

超聲提取DTPA浸提測定土壤中有效態(tài)鎘的方法(甘志勇 等，2013)不適用礦區(qū)鎘污染嚴(yán)重的土壤。多管渦旋混合儀(曹靜 等，2020)因樣品提取充分，可稱樣0.5 g。高壓密閉消解技術(shù)(任冬 等，2020)消解了DTPA浸提液中的大量有機酸和有機質(zhì)，減少有機物堵塞霧化器或者炬管的情況，同時降低了空白。

在儀器方面，連續(xù)光源原子吸收光譜儀(肖波 等，2007)有一定的應(yīng)用。電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀也有一定的應(yīng)用(張安豐 等，2019)，電感耦合等離子體儀(ICP-MS)測定土壤中有效銅時，需注意減小因工作曲線的擬合引入的不確定度(易建春 等，2018)。由于DTPA等提取劑基體復(fù)雜，可通過基體匹配法降低或消除基體干擾(劉永林 等，2012)。為減少溶液中共存離子濃度對質(zhì)譜儀的測量產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，可考慮減少稱樣量。此外，碰撞池(CCT)常用來消除基體干擾(唐碧玉 等，2019)和多原子離子干擾(羅治定 等，2019)。

3 其它測試方法

目前，也有少量的分光光度法、電化學(xué)法、便攜式X射線熒光法(FP-XRF)等用于土壤中有效態(tài)的測定。

水相分光光度法測定土壤有效銅的方法(羅夢婷 等，2014)中，使用阿拉伯樹膠做增溶劑，檸檬酸-EDTA做干擾掩蔽劑，消除鐵、鈷、錳等元素的干擾，利用二乙基二硫代氨基甲酸鈉與銅離子形成穩(wěn)定的黃色絡(luò)合物進(jìn)行測定。

電化學(xué)傳感器(張肖靜 等，2018)可以準(zhǔn)確、快速測定土壤中有效汞，該自制的電化學(xué)傳感器，是一種經(jīng)過DNA修飾后的空心碳球/聚苯胺復(fù)合材料，傳感器可與Hg2+錯配，引起電化學(xué)信號改變，從而檢測汞。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)(Rongxing Yi 等，2018)測試土壤中有效態(tài)鎘和鉛，檢出限分別為0.067和0.94 μg/mL，前處理時間少于20 min，更加高效。使用LIBS技術(shù)，因激光脈沖能量會有部分損失，導(dǎo)致實驗重現(xiàn)性不佳。

X射線熒光法應(yīng)用較為廣泛(李大勇 等，2010；李大勇 等，2015)，而FP-XRF在土壤樣品野外定位、表征和元素定量分析時有更大的優(yōu)勢，該儀器可為金屬的流動性和生物利用率的快速分析和風(fēng)險評估提供有用信息，成為篩選重金屬等潛在污染源的新方法。該儀器用于土壤中有效銅鉛鋅砷的遷移率研究(Elena Peralta 等，2020)。

4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

檢驗化學(xué)提取法的可靠性，主要依靠標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的監(jiān)控，但目前用于土壤中有效態(tài)元素的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)多為DTPA、HCl提取結(jié)果。

ASA系列標(biāo)樣常被用做質(zhì)控樣(黎嘉雯，2018；李源 等，2019)進(jìn)行精密度和準(zhǔn)確度控制。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BCR-701作為監(jiān)控樣(Maria Hasan et al，2018)，測試水稻中的鈣鎘鈷鉻銅鐵鉛鎂錳鎳鍶和鋅。

在這些研究中，實驗多集中在重金屬含量較高的污染區(qū)，研究樣品的數(shù)量類型較少，而盆栽實驗短時間內(nèi)加入到土壤中的物質(zhì)與土壤間平衡無法建立，導(dǎo)致試驗結(jié)果與自然情況存在差異，雖然目前國家批準(zhǔn)了一批氯化鈣(田衎 等，2019)、DTPA提取標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，但仍需進(jìn)行相關(guān)標(biāo)物研制工作。

5 連續(xù)浸提法

連續(xù)浸提法，指采用多種試劑，經(jīng)一定提取程序?qū)ν粯悠废群筮M(jìn)行提取的方法。目前，使用較多的連續(xù)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、以及一些改進(jìn)的方法(Emilia Fernández-Ondoo et al，2017)(Samia Khadhar et al，2020)。

提取劑通常是EDTA、DTPA與其酸或鹽的混合溶液，常用的聯(lián)合提取方法主要有碳酸氫銨-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，屬于偏堿性多元素浸提劑，是組合試劑，因為AB-DTPA復(fù)合提取劑發(fā)揮了螯合劑和溶液中的HCO3-的作用(唐愛玲，2019)，充分與土壤膠體吸附的陽離子進(jìn)行交換，更有利于浸提的進(jìn)行，徐州綠洲土壤中砷鎘鉻銅鉛鋅的生物有效性方法表明AB-DTPA提取效果較好(Ping Luo et al，2019)。

M3浸提劑是1982年提出來的，廣泛適用于酸性和中性土壤多元素的測定，也可以用于堿性和石灰性土壤。通過225盆盆栽試驗，顯示M3法測定印度卡納塔卡普東部干旱區(qū)番茄種植土壤中有效鋅提取效果最佳(P.N.Siva Prasad et al，2018)。

使用原子吸收光譜儀測定褐土、棕壤、黑土中有效態(tài)重金屬Cd的實驗結(jié)果顯示，M3、ASI聯(lián)合浸提法可行(郭繼斌 等，2016)。

聯(lián)合提取法雖然效果較好，但配制試劑繁瑣、且存在不環(huán)保等因素，其適用程度將會受到限制。

6 展望

化學(xué)提取法提取的重金屬含量，屬于“可提取態(tài)”范疇，不能完全等同真實的“植物有效態(tài)”，但測試結(jié)果有一定的指示和表征作用。如2017—2018年，貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實驗室開展的貴州省農(nóng)業(yè)用地質(zhì)量調(diào)查項目時，同時測定了土壤有效態(tài)量及土壤上生長的農(nóng)產(chǎn)品的重金屬含量，通過對兩類數(shù)據(jù)的分析對比，比較容易的判斷出在重金屬污染區(qū)域哪些植物吸收的重金屬量低，從而可以大面積種植，相反，如果同區(qū)域的多種植物某些重金屬含量高，那么其土壤重金屬有效態(tài)量也必然較高，因此土壤重金屬有效態(tài)測試方法研究，對當(dāng)前的土壤污染風(fēng)險評估及土壤污染修復(fù)工作起到指導(dǎo)作用。有效態(tài)檢測方法的有效性和準(zhǔn)確性仍是重中之重，加強有效態(tài)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制，結(jié)合全國土壤污染數(shù)據(jù)庫，總結(jié)有效態(tài)與全量、pH等參數(shù)之間的相互關(guān)系，研究有效態(tài)測試結(jié)果與植物吸附之間的關(guān)系，將化學(xué)提取法和培養(yǎng)試驗法結(jié)合起來，加入必要的統(tǒng)計檢驗，使化學(xué)提取法更接近實際或有較好的相關(guān)性，進(jìn)一步發(fā)揮化學(xué)提取法測試有效態(tài)結(jié)果的指示作用。