梅 雪，劉鴻雁,*，吳龍華，羅雅雪，張秋野，敬 鵬，F(xiàn)austino Dinis，宋 硙

基于HDXRF和ICP-MS的黔西北土壤重金屬空間分布及影響因素研究①

梅 雪1，劉鴻雁1,2*，吳龍華3，羅雅雪1，張秋野2，敬 鵬2，F(xiàn)austino Dinis1，宋 硙4

(1貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽 550025；2 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025；3中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京土壤研究所)，南京 210008；4 江蘇螢火蟲環(huán)境科技有限公司，南京 210038)

高精度X射線熒光光譜儀(HDXRF)是一種準(zhǔn)確度較高的金屬元素快速檢測儀器。本研究將HDXRF法與電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法進(jìn)行對比研究，探究HDXRF法在土壤重金屬調(diào)查評估中的適用性。選取威寧縣黑石頭鎮(zhèn)某地為研究區(qū)，基于地理探測器，以土壤理化性質(zhì)(pH、有機(jī)質(zhì)、CEC、黏粒、粉粒、砂粒)和地形因素(高程、坡度、坡向) 9個因子為自變量，重金屬(Cd、Pb、Zn、Cr、Cu、Ni)含量為因變量，分析兩種檢測方法下耕地土壤重金屬空間分布規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明：6種重金屬的HDXRF法與ICP-MS法檢測值均服從正態(tài)分布，兩種方法檢測得到的土壤重金屬在耕層和剖面的分布規(guī)律基本一致，從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)上看，僅HDXRF法Cu的值比ICP-MS法高約16%，其他元素?zé)o顯著差異。HDXRF法與ICP-MS法所測相同重金屬間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，與各影響因子間相關(guān)性分析結(jié)果基本一致，Cd、Pb、Zn、Ni與土壤理化性質(zhì)，Cr與土壤理化性質(zhì)、高程和坡向，Cu與CEC和高程間均存在極顯著相關(guān)關(guān)系(<0.01)。地理探測器交互探測結(jié)果顯示，影響因子間交互作用均顯示增強(qiáng)效應(yīng)，pH、有機(jī)質(zhì)、CEC與其他影響因子間交互作用是土壤Cd、Pb、Zn空間分異的主導(dǎo)因素，土壤Cr、Cu、Ni的空間分異是土壤理化性質(zhì)和地形因素共同作用的結(jié)果，交互作用值在0.200 ～ 0.700。綜上，HDXRF法土壤重金屬檢測值的準(zhǔn)確度和精密度較高，土壤重金屬空間分布規(guī)律及影響因素與ICP-MS法結(jié)果一致，可用于土壤重金屬的快速檢測與評估。后續(xù)，可通過建立其與土壤pH、有機(jī)質(zhì)、CEC和地形因子等的變量模型與ICP-MS法檢測結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)校正。

HDXRF(高精度X射線熒光光譜儀)；ICP-MS；土壤重金屬；土壤理化性質(zhì)；地形因子；地理探測器

土壤重金屬含量檢測一般采用濕法消解進(jìn)行前處理，然后通過吸收光譜(AAS)法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)法或電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法等進(jìn)行測定。這些實(shí)驗(yàn)室分析方法結(jié)果準(zhǔn)確，但測定過程耗時長、費(fèi)用高、相對誤差較大，且對檢測人員的技術(shù)水平要求較高[1]，不適宜大規(guī)模的野外調(diào)查研究工作。X射線熒光光譜(XRF)法可對樣品進(jìn)行無損分析，檢測過程中無二次廢物產(chǎn)生，具有檢測方法簡單、效率高、檢測成本低、檢測范圍廣等特點(diǎn)，在定量、半定量分析中具有顯著優(yōu)勢[2–3]。

XRF法檢測原理是入射X射線與樣品發(fā)生作用產(chǎn)生X熒光強(qiáng)度，樣品中不同元素發(fā)射具有特定能量特征的次級X射線，檢測系統(tǒng)測量這些二次射線的能量和數(shù)量，然后儀器軟件將控制系統(tǒng)收集的信息轉(zhuǎn)換為樣品中各種元素的類型和含量[4]。XRF儀器精度取決于硬件，如探測器分辨率、X射線能量和強(qiáng)度、電源波動和儀器漂移隨時間的變化等[5]。有研究將便攜式X射線熒光光譜(p-XRF)法測定的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，p-XRF法可作為電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法與ICP-OES法的替代[6–7]。隨著XRF技術(shù)的改進(jìn)與發(fā)展，XRF法測定土壤重金屬含量的精密度和準(zhǔn)確度逐漸接近ICP-MS法[8]。此外，有研究將XRF與ICP-MS兩種檢測方法結(jié)合空間模型分析，成功驗(yàn)證了p-XRF在土壤重金屬調(diào)查繪圖中的可靠性[9]。近年來，XRF法已在土壤重金屬污染調(diào)查評估[10–11]、沉積物地球化學(xué)特征分析[12]、廢棄物處理定性分析[1]、肥料重金屬快速檢測[13]等方面成功應(yīng)用。然而，由于p-XRF對某些重金屬的檢測限高、準(zhǔn)確度低，以及容易受到環(huán)境條件或其他土壤特性的干擾，其進(jìn)一步應(yīng)用受到了阻礙[9]。而高精度X射線熒光光譜儀(HDXRF)，在傳統(tǒng)XRF的基礎(chǔ)上，使用雙曲面彎晶(DCC)光學(xué)晶體捕獲來自發(fā)散源的X射線并重新引導(dǎo)其形成強(qiáng)聚焦光束，測量強(qiáng)度增強(qiáng)。其主要優(yōu)點(diǎn)是單色激發(fā)消除了熒光峰下的X射線散射本底，大大提高了檢測性能。

威寧縣黑石頭鎮(zhèn)作為當(dāng)?shù)丶Z食主產(chǎn)區(qū)，主要種植玉米、馬鈴薯等糧食作物和烤煙、中草藥等經(jīng)濟(jì)作物。區(qū)內(nèi)土壤重金屬污染嚴(yán)重，針對該區(qū)域開展土壤重金屬污染調(diào)查與分析勢在必行。然而大規(guī)模的土壤重金屬調(diào)查通常需耗費(fèi)大量的人力物力，若HDXRF法能替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測方法測定重金屬含量，將節(jié)約大量時間和費(fèi)用。因此，本研究擬通過對比HDXRF法與ICP-MS法對重金屬含量檢測值的差異，并結(jié)合地理探測器探究土壤重金屬空間分布的影響因子，以揭示各因子交互作用對土壤重金屬空間分布的影響，驗(yàn)證HDXRF法運(yùn)用于快速分析調(diào)查的可行性，為HDXRF應(yīng)用于土壤調(diào)查與評估提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省威寧縣黑石頭鎮(zhèn)水平村典型農(nóng)業(yè)耕作區(qū)。黑石頭鎮(zhèn)位于貴州省威寧縣城西南部，最高海拔2 400 m，最低海拔1 600 m，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年均氣溫16 ℃，年均降水量626 mm，無霜期191 d。鎮(zhèn)內(nèi)地勢總體呈現(xiàn)南高北低，地處揚(yáng)子準(zhǔn)地臺南邊緣，黔北臺隆六盤水?dāng)嘞輹x安旋鈕構(gòu)造變形區(qū)內(nèi)，含礦巖系為峨眉山玄武巖。因峨眉山玄武巖出露區(qū)分布銅礦床，黑石頭地區(qū)玄武巖中銅元素含量高于背景值數(shù)倍。研究區(qū)內(nèi)主要分布地層為二疊系陽新統(tǒng)梁山、棲霞及茅口組，主要土壤類型為黃棕壤和棕壤。區(qū)域內(nèi)及周邊視力可及范圍均無在產(chǎn)工業(yè)污染源，土壤受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響相對較大，同時存在一定歷史遺留土法煉鋅的鎘、鉛、鋅污染的影響。

1.2 樣品采集與測定

本研究以100 m×100 m的方形網(wǎng)格進(jìn)行布點(diǎn)采樣，依據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[14]共采集研究區(qū)內(nèi)耕地表層土壤樣品48個和剖面樣品4個(包括1個自然植被土壤剖面和3個耕地土壤剖面)，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。耕地表層樣品采用五點(diǎn)混合法取0 ～ 20 cm表層土樣，剖面采樣深度自然剖面為1.2 m，耕地剖面為2.0 m，間隔20 cm取樣。土壤樣品于室外通風(fēng)干燥處自然風(fēng)干，剔除雜物后研磨過20目尼龍篩，混勻備用。另取出部分樣品繼續(xù)研磨過100目尼龍篩，混勻備測。

其中，土壤重金屬(Cd、Pb、Zn、Cr、Cu、Ni)全量同時采用HDXRF法及ICP-MS法測定；pH采用離子選擇電極法測定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定；陽離子交換量(CEC)采用氯化六氨合鈷浸提–分光光度法(HJ 889—2017)測定[15]，該方法測定的CEC為有效態(tài)陽離子交換量；土壤粒度組成采用Mastersizer 2000激光粒度儀檢測。樣品分析質(zhì)量控制措施包括采取空白樣、平行樣，插入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等。試驗(yàn)所用試劑和藥品純度均滿足試驗(yàn)要求。另外，研究所用地形因子數(shù)據(jù)(坡度、坡向、高程)通過地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)獲取。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖

ICP-MS法中濕法消解步驟[16]：稱取過100目樣品0.100 0 g于消解罐內(nèi)，加入1 mL濃鹽酸、4 mL濃硝酸、1 mL氫氟酸和1 mL雙氧水，于微波消解裝置中175 ℃消解20 min；冷卻至室溫，打開消解罐的蓋子，將消解罐放在趕酸儀中，于150 ℃敞口趕酸，至內(nèi)容物近干；冷卻后轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶，定容過濾；取10 mL濾液于ICP-MS測定重金屬含量。

本研究使用的HDXRF儀型號為E-max500 (西安佳譜電子科技有限公司)，與傳統(tǒng)能量色散X熒光光譜(EDXRF)相比，檢測性能顯著提升，可快速準(zhǔn)確定量分析土壤中Cd等重金屬元素，0.05 mg/kg檢出限可應(yīng)對Cd的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)[17]中最低限值 0.3 mg/kg的要求，其他金屬檢出限也遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)限值的要求。ICP-MS (iCAP RQ/S-475，美國賽默飛世爾科技有限公司)是通過前期加入混合酸溶液，以加熱方式消解有機(jī)物和無機(jī)物，將不同價態(tài)的重金屬變?yōu)殡x子態(tài)轉(zhuǎn)移到溶液中進(jìn)行測定[18]。兩種檢測儀器重金屬檢出限見表1。

表1 兩種檢測方法重金屬檢出限值(mg/kg)

1.3 地理探測器法檢測不同因子的交互作用

地理探測器是探測空間分異性以及揭示其背后驅(qū)動力的一組統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，在GeoDetector軟件中實(shí)現(xiàn)[19]。地理探測器包括4個探測器：因子探測器、交互作用探測器、風(fēng)險探測器和生態(tài)探測器。本研究主要使用交互作用探測器。交互作用探測器用于識別不同影響因子之間的交互作用，如影響因子1和2共同作用時是否會增加或減弱對因變量的解釋力，或這些因子對的影響是否是相互獨(dú)立的[20]。兩個因子間交互作用的類型見表2。

表2 兩個自變量(X1、X2)對因變量交互作用的類型

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理，Origin 2018作圖，SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)性分析，ArcGIS 10.8進(jìn)行污染物空間分布可視化及地形因子數(shù)據(jù)提取。

2 結(jié)果與討論

2.1 HDXRF法與ICP-MS法土壤重金屬測定結(jié)果對比

2.1.1 土壤重金屬含量 由圖2可知，HDXRF法與ICP-MS法測得的6種重金屬元素值均服從正態(tài)分布，符合地統(tǒng)計(jì)分析的前提假設(shè)。受喀斯特地區(qū)重金屬地質(zhì)高背景的影響，兩種測定方法得到的6種重金屬含量絕對值均較高，HDXRF法相對較高的檢出限未影響結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度。大量研究數(shù)據(jù)證實(shí)，p-XRF法檢測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室檢測值之間具有良好的相關(guān)性[21–22]，且p-XRF法的精密度和準(zhǔn)確度基本滿足環(huán)境調(diào)查的基本要求[23]，本研究結(jié)果與之相似。但HDXRF法的檢測值與ICP-MS法檢測值相比還存在一定差異。研究區(qū)土壤Cd含量相對較高，HDXRF法檢測樣品在重金屬濃度較高情況下會發(fā)生X熒光的自吸收[24]，造成HDXRF法Cd檢測值整體偏低，而Pb、Zn、Cr、Ni檢測值則更加接近。除了儀器自身原因，Cd含量檢測值偏低還與有機(jī)質(zhì)的影響有關(guān)[22]。有研究認(rèn)為，XRF信號隨樣品有機(jī)物含量的增加而衰減[6]，土壤有機(jī)質(zhì)中大量的官能團(tuán)作為Cd的載體與Cd2+形成穩(wěn)定的含Cd有機(jī)螯合物[25]，土壤細(xì)顆粒中高含量的有機(jī)質(zhì)和鐵鋁氧化物使這部分重金屬更加穩(wěn)定[26]。HDXRF法測定的Cu含量整體偏高，可能與其母質(zhì)存在較大關(guān)系。研究區(qū)分布的銅礦造成該區(qū)域Cu含量較高，對于富含Cu (高自然背景水平)的土壤，因其含有較高比例的礦物態(tài)元素，實(shí)驗(yàn)室消解所用混酸不能完全消解含金屬硅酸鹽[27]，因此與HDXRF法檢測值相比，ICP-MS法的檢測值偏低[6]。在大多數(shù)人為污染土壤中，由硅酸鹽消解不完全對重金屬檢測結(jié)果帶來的系統(tǒng)誤差較小[27]，不會對環(huán)境風(fēng)險評估造成影響。

2.1.2 土壤重金屬空間分布 為進(jìn)一步比較兩種儀器檢測值出現(xiàn)差異的原因，將受外界環(huán)境影響較大的耕地表層土壤與剖面樣品分開進(jìn)行比較，異常值根據(jù)《區(qū)域性土壤環(huán)境背景含量統(tǒng)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則(試行)》[28]進(jìn)行處理。研究區(qū)耕層土壤重金屬空間分布如圖3所示，基于HDXRF法與ICP-MS法的土壤重金屬空間分布規(guī)律存在一定差異。兩種測定方法的Cd、Pb、Cu檢測值空間分布趨勢相同，而Zn、Cr、Ni檢測值則含量相對一致，在空間分布上存在略微差異，具有一定的系統(tǒng)誤差。研究表明，土壤Cd測定結(jié)果主要受土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤顆粒粒徑的影響，土壤有機(jī)質(zhì)含量超過100 g/kg時影響更加明顯[29]。比表面積和有效成分的增加以及土壤粒徑的減小使更多的非礦物態(tài)重金屬累積在土壤細(xì)顆粒中，而實(shí)驗(yàn)室消解所用的混酸能消除有機(jī)質(zhì)的影響，由此推測HDXRF法測定Cd含量時，與有機(jī)質(zhì)絡(luò)合的土壤Cd未完全檢出[30]，導(dǎo)致HDXRF法Cd測定值略低于ICP-MS法Cd測定值。后續(xù)在使用HDXRF法檢測土壤Cd含量時，可建立與有機(jī)質(zhì)關(guān)系的校正模型與ICP-MS法檢測結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)校正[31]，以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 土壤重金屬含量分布對比

圖3 表層土壤重金屬空間分布

2.1.3 土壤剖面重金屬含量變化趨勢 由圖4可知，兩種方法測定的土壤重金屬含量剖面分布趨勢相同，整體呈耕地剖面重金屬含量高于自然植被土壤剖面，表現(xiàn)出人為耕作條件下地質(zhì)高背景土壤的重金屬輸入量大于輸出量的變化特征。0 ～ 20 cm表層土壤Cd、Pb、Zn含量為自然植被土壤剖面高于耕地剖面，這可能與當(dāng)?shù)?0世紀(jì)90年代歷史遺留土法煉鋅污染有關(guān)，使在非耕作條件下外源Cd、Pb、Zn在自然植被土壤表層仍然呈現(xiàn)富集現(xiàn)象。在30余年的耕作條件下，耕地表層重金屬含量與底層基本趨于一致。此外，不同深度剖面樣品中Cu的檢測結(jié)果與表層土壤檢測結(jié)果趨勢相同，表現(xiàn)出HDXRF法檢測值高于ICP-MS法檢測值。整體上看，HDXRF法對表層以下剖面樣品的檢測值優(yōu)于表層土壤。有研究用p-XRF法及ICP- MS法對標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品檢測發(fā)現(xiàn)，兩種方法的精密度均能滿足測定標(biāo)準(zhǔn)的要求[8]，說明HDXRF法在檢測受干擾較少的土壤時精度更高，表層土壤受理化性質(zhì)及各外在因素的影響，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度有所降低[3]。

2.1.4 兩種方法測定結(jié)果的相關(guān)性 由表3可知，HDXRF法與ICP-MS法測定值的相關(guān)性在<0.01水平均為顯著正相關(guān)，Cd、Pb、Zn、Cr、Cu、Ni的相關(guān)系數(shù)分別為0.909、0.932、0.858、0.866、0.940、0.702。兩種檢測方法下所測得的重金屬含量間相關(guān)性分析結(jié)果相似，相關(guān)性較強(qiáng)。在ICP-MS法檢測結(jié)果中，除Cu與Cd、Zn外，Cu與Ni在<0.05水平上相關(guān)性顯著，其余重金屬間在<0.01水平上兩兩之間相關(guān)性顯著；在HDXRF法檢測結(jié)果中，除Cd與Cr以及Cu與Cd、Zn、Ni外，其余重金屬間在<0.01水平上兩兩之間相關(guān)性顯著，表現(xiàn)出復(fù)合污染特性或重金屬同源性[32]。

圖4 土壤剖面重金屬含量變化趨勢

表3 不同重金屬元素之間的相關(guān)系數(shù)

注：*、**分別表示在<0.05、<0.01 水平上顯著相關(guān)(雙側(cè))，下同。

2.1.5 土壤重金屬與各影響因子的相關(guān)性 由表4可知，兩種測定方法所測重金屬含量與各影響因素間相關(guān)性分析結(jié)果在<0.01水平上相同，Cd與有機(jī)質(zhì)、CEC相關(guān)性顯著，Pb與有機(jī)質(zhì)、各粒徑土壤顆粒相關(guān)性顯著，Zn與有機(jī)質(zhì)、CEC和各粒徑土壤顆粒相關(guān)性顯著，Cr與pH、CEC、各粒徑土壤顆粒、坡向、高程均存在顯著相關(guān)性，Cu與CEC、高程相關(guān)性顯著，Ni與各粒徑土壤顆粒相關(guān)性顯著。兩種測定方法所測重金屬含量與各影響因素間相關(guān)性分析結(jié)果在<0.05水平上出現(xiàn)細(xì)微差異，但不影響分析結(jié)果，說明HDXRF法可應(yīng)用于土壤重金屬的檢測。

表4 土壤重金屬與各影響因子的相關(guān)系數(shù)

2.2 基于地理探測器的土壤重金屬空間分布及影響因子

為進(jìn)一步探究兩種檢測方法的差異，選取影響因子包括土壤理化指標(biāo)(pH、有機(jī)質(zhì)、CEC、粒徑)、地形因素(坡度、坡向、高程)，利用地理探測器研究各影響因子對兩種檢測方法的影響差異，各影響因子分布趨勢見圖5。地理探測器可揭示單一因素對因變量的影響以及雙因素相互作用的影響，不用考慮線性，避免多變量共線性的影響，可定量確定各因子對土壤重金屬空間異質(zhì)性的影響，能更直觀地衡量各因子的貢獻(xiàn)[20]。

地理探測器交互作用探測結(jié)果如圖6所示，各因子間交互作用對研究區(qū)土壤重金屬的影響均高于單個影響因子的作用，多數(shù)為非線性增強(qiáng)，少數(shù)為雙因子增強(qiáng)。表明土壤重金屬累積量受多種因素的控制，多因素復(fù)合導(dǎo)致累積量的升高[33]。兩種檢測方法下各影響因子對土壤重金屬的交互作用相似，Cd受pH、有機(jī)質(zhì)、CEC與各因素交互作用的影響情況突出，CEC∩坡度的交互作用達(dá)到最強(qiáng)，交互作用值為0.691；Pb受粒徑、坡向與各因素交互作用影響強(qiáng)烈，其中pH∩砂粒的交互作用突出(0.659)；Zn受pH、CEC與各因素交互作用的影響情況突出，其中pH∩砂粒、pH∩CEC、有機(jī)質(zhì)∩CEC、CEC∩坡向的交互作用值均不低于0.500；對于Cr、Cu、Ni，各影響因子間交互作用值均在0.200以上，各因子間交互作用對于Cr、Cu、Ni的空間分異均具有重要影響?？傮w而言，本研究結(jié)果與周偉等[32]及戴倩倩等[34]的研究相似，土壤性質(zhì)、高程與其他因子間交互作用是重金屬空間分異的主導(dǎo)因素，推測地勢分布差異導(dǎo)致土壤顆粒的二次分配，如地勢較低的部分土壤有機(jī)質(zhì)高、黏粒少、含水量大，從而對重金屬空間分布造成差異。在XRF法檢測過程中，受土壤收縮膨脹特性、臨界厚度、能夠入射到檢測器上的熒光退射角范圍等的影響[35]，以及土壤樣品顆粒間隙和孔隙中的水對X射線的吸收，導(dǎo)致土壤樣品的特征X射線強(qiáng)度隨含水量的增加而降低等[36]。從HDXRF法所得土壤重金屬的分布規(guī)律來看，其可以反映土壤理化性質(zhì)和地形因素的共同作用結(jié)果，證實(shí)HDXRF法可用于土壤重金屬快速檢測與評估。后續(xù)可通過建立其與土壤pH、有機(jī)質(zhì)和地形因子等的變量模型來與ICP-MS法檢測結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)校正。

圖5 研究區(qū)地形特征及土壤理化指標(biāo)空間分布

圖6 各影響因子對土壤重金屬影響的交互作用

3 結(jié)論

1) HDXRF法測定的土壤重金屬全量與ICP-MS法相似，具有較高的準(zhǔn)確度和精密度，HDXRF法對本研究中土壤重金屬含量相對較高的土壤樣品適宜性更好。

2) HDXRF法與ICP-MS法測定的土壤重金屬在表層土壤和表層以下剖面土壤上的分布規(guī)律和影響因素一致，pH、有機(jī)質(zhì)、CEC與其他影響因子間交互作用是土壤Cd、Pb、Zn空間分異的主導(dǎo)因素，而土壤Cr、Cu、Ni的空間分異是土壤理化性質(zhì)和地形因素共同作用的結(jié)果。

3) HDXRF法可用于土壤重金屬的快速檢測與評估，后續(xù)可通過建立其與土壤pH、有機(jī)質(zhì)、CEC和地形因子等的變量模型與ICP-MS法測定結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)校正。

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Spatial Distribution of Soil Heavy Metal Contents and Influencing Factors in Northwest of Guizhou Based on HDXRF and ICP-MS

MEI Xue1, LIU Hongyan1, 2*, WU Longhua3, LUO Yaxue1, ZHANG Qiuye2, JING Peng2, FAUSTINO Dinis1, SONG Wei4

(1 College of Agriculture, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2 Key Laboratory of Karst Geological Resources and Environmental Ministry of Education, Guiyang 550025, China; 3 CAS Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 4 Jiangsu Firefly Environmental Science & Technology Co. Ltd., Nanjing 210038, China)

Identifying the factors influencing heavy metal contents in soil could reveal the pollution sources of heavy metals, and can lead to pollution mitigation opportunities. In this study, Heishitou Town in Weining County was selected as the study area, the inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and high-definition X-ray fluorescence spectrometer (HDXRF) were used to determine soil heavy metal contents, and then the spatial distribution and influencing factors (including soil topographic factors and soil physiochemical properties) of soil heavy metals were analyzed in order to explore the applicability of HDXRF in assessing soil heavy metal pollution. The results show that both the contents of Cd, Pb, Zn, Cr, Cu and Ni determined by HDXRF and ICP-MS follow the normal distribution. Cu determined by HDXRF is about 16% higher than by ICP-MS, no significant difference is found in the determined contents of other elements but a significant correlation between the same heavy metals by ICP-MS and HDXRF, with the correlation coefficient ranged from 0.702 to 0.940 (<0.01), and the similar results are found between the contents by ICP-MS and HDXRF and the influencing factors, in which, Cd, Pb, Zn, Ni significantly correlated with soil physiochemical properties, Cr significantly correlated with soil physiochemical properties, slope aspect and elevation, and Cu significantly correlated with cation exchange capacity (CEC) and elevation (<0.01). The interactive detection results of geographical detector show that the interaction of influencing factors has enhancement effect, the interaction between pH, organic matter, CEC and other factors are the dominant factors for the spatial differentiation of Cd, Pb and Zn, while spatial differentiation of Cr, Cu and Ni are resulted from soil physiochemical properties and terrain, with interaction value from 0.200 to 0.700. In conclusion, the accuracy and precision of HDXRF is good, and the spatial distribution of soil heavy metals is greatly influenced by the interaction of topography and soil physiochemical properties. HDXRF can be used for rapid detection and assessment of soil heavy metals, the variable models related to soil pH, organic matter and topographic factors should be established to correct systematically the results by ICP-MS.

HDXRF (high-definition X-ray fluorescence spectrometer); ICP-MS; Soil heavy metals; Soil physiochemical properties; Terrain factor; Geographical detector

X833

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.02.021

梅雪, 劉鴻雁, 吳龍華, 等. 基于HDXRF和ICP-MS的黔西北土壤重金屬空間分布及影響因素研究. 土壤, 2023, 55(2): 399–408.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42067028)和貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合后補(bǔ)助[2020]3001)資助。

(hyliu@gzu.edu.cn)

梅雪(1997—)，女，貴州大方人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源與環(huán)境土壤學(xué)。E-mail: 2654961758@qq.com