王成明,辜洋建,高玉花,畢建玲,陳璐,張同生

(山東省物化探勘查院,地下資源環(huán)境高精度探測山東省工程研究中心,山東 濟南 250013)

0 引言

耕地土壤是生態(tài)環(huán)境中的基本要素,隨著城市化、工業(yè)化的快速發(fā)展,耕地土壤重金屬污染日益嚴重,土壤重金屬以多種方式直接或間接地影響生態(tài)環(huán)境和人類健康,如通過農(nóng)作物吸收后進入食物鏈、通過地表徑流或向下淋失污染水源等,其潛在危害及防治工作已引起廣泛關注[1-4]。其中,耕地土壤中砷(As)易累積在水稻中,而As經(jīng)食物鏈傳導至人體后,可能導致膀胱癌和皮膚癌[5-6]。因此。準確、快速分析耕地土壤As生物有效性,對于保障農(nóng)產(chǎn)品安全及人體健康具有重要意義。

傳統(tǒng)土壤重金屬的生物有效性評價方法較多,如總量預測法、化學提取法等[7]?？偭款A測法是通過對比土壤中重金屬元素總量與該地區(qū)元素含量背景值來評價土壤污染程度[8],該方法僅考慮元素總量對比,評價不夠準確;化學提取法包括單一提取法和連續(xù)提取法,其中單一提取法常用酸、鰲合劑、中性鹽和緩沖劑等作為提取劑[9],連續(xù)提取方法主要有Tessier法[10]、Forstner法[11]、BCR法[12],化學提取法由于提取劑不同,測定結(jié)果會出現(xiàn)差異,且一種提取劑不能用于多種重金屬元素[13]。近年來,梯度擴散薄膜(DGT)技術逐漸成為土壤重金屬生物有效性熱門研究方法[13-17],DGT技術操作簡單、結(jié)果可靠,且適用于原位測量、多元素同時測量,目前已應用于土壤、沉積物、水體等重金屬生物有效性分析[15]。土壤中重金屬生物有效性影響因素主要有pH、有機質(zhì)含量、土壤礦物學、陽離子交換量、氧化還原條件、金屬量、生物和微生物條件等,本文選取耕地土壤樣品并進行盆栽農(nóng)作物實驗,結(jié)合DGT技術、Tessier法、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、原子熒光光譜儀進行耕地土壤As生物有效性影響研究,并比較傳統(tǒng)Tessier法和DGT技術評價耕地土壤As生物有效性,為評價耕地土壤As生物有效性提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

為準確評價土壤砷生物有效性及影響因素,本文通過土壤及農(nóng)作物樣品的采集、處理及檢測,確定土壤中砷元素總量及農(nóng)作物體內(nèi)砷含量,并進行DGT和Tessier法提取對比試驗,確定土壤中As的生物有效性最佳評價方法,同時研究不同溫度、pH酸堿度及土壤固化條件對土壤砷生物有效性的影響。

1.1 土壤及農(nóng)作物樣品采集

1.1.1 土壤樣品采集

土壤樣品采集區(qū)域為河流沖積平原,溫帶季風氣候,土壤類型主要為潮土,耕地類型主要為旱地,糧食作物主要為小麥和玉米。土壤樣品采集過程嚴格執(zhí)行《土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范(1∶50 000)》(DZ/T 0295—2016)相關要求,用小木鏟采集耕地深度為0～20cm的耕層土壤,每件土壤樣品均采集5件等量子樣品混合而成,用四分法選取5 kg樣品裝入樣品袋中,共采集耕地土壤樣品30件。

1.1.2 農(nóng)作物樣品采集

在10組花盆中分別加入等量(1kg)的耕地土壤樣品,所用土壤樣品pH為7.28～7.55,As元素含量為5.9～31.1 mg/kg,播撒農(nóng)作物(小白菜)種子進行盆栽實驗,種植期間使用蒸餾水補水,使土壤含水率保持在田間最大持水量的80%左右,以保障農(nóng)作物(小白菜)的正常生長。生長約60 d后收獲。

1.2 樣品處理與檢測

1.2.1 土壤樣品處理及檢測

土壤樣品置于陰涼通風處自然風干,用木槌敲打防止結(jié)塊,并經(jīng)過錘擊碾細后過2mm尼龍篩,使用瑪瑙研缽研磨至小于200目(粒徑小于74 μm)。

土壤pH的測定參照《區(qū)域地球化學樣品分析方法第34部分:pH測定 離子選擇電極法》(DZ/T0279.34—2016),稱取10.0g(精確至0.1 g)土壤樣品,用無二氧化碳的水浸提,土與水之比為1∶2.5,加水后經(jīng)充分攪勻,平衡30min,然后將pH玻璃電極插入浸提液中,用pH計直接測定出pH結(jié)果。土壤As總量的測定參照《區(qū)域地球化學樣品分析方法第13部分:砷、銻和鉍量測定氫化物發(fā)生—原子熒光光譜法》(DZ/T0279.13—2016),準確稱取0.5000g(精確至0.0001g)土壤樣品,使用50%(體積分數(shù))王水消解,加入鹽酸和硫脲-抗壞血酸混合溶液稀釋后靜置,采用原子熒光光譜儀測定土壤樣品中As元素,樣品分析測試工作由山東省物化探勘查院巖礦測試中心承擔。As形態(tài)分析采取Tessier法順序提取,并用原子熒光光譜儀測定土壤樣品中As離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)及殘渣態(tài)。

1.2.2 農(nóng)作物樣品處理及檢測

收獲的新鮮農(nóng)作物樣品用蒸餾水沖洗,在65℃烘箱中干燥至恒重,磨碎,并在微波消解儀中用HNO3-H2O2消解。農(nóng)作物中As的測定參照《食品安全國家標準食品中多元素的測定》(GB5009.268—2016),采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定。

1.2.3 DGT提取

DGT裝置購自南京智感環(huán)境科技有限公司,主要由固定膜、瓊脂糖擴散膜和PVDF濾膜組成[18]。稱取50.00g過2mm尼龍篩的風干土壤樣品放入樣品杯中,在保持60%最大持水量的條件下平衡48h,在保持100%最大持水量的條件下平衡24h。然后將DGT裝置小心地壓入土壤表面,確保DGT濾膜與土壤完全接觸。放置24h后,從土壤樣品中回收所有DGT裝置,用蒸餾水洗滌以除去粘附在裝置上的土壤顆粒,并將裝置拆分。提取樹脂凝膠(固定膜)用1mL硝酸(1mol/L)振蕩洗脫8h,將提取液用1%硝酸稀釋10倍后上機測試。

1.2.4 Tessier法提取

運用傳統(tǒng)Tessier法對耕地土壤As進行分析測試,各形態(tài)的順序提取分別為離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)及殘渣態(tài)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

DGT測定的As質(zhì)量比為[19-20]:

CDGT-DGT測定的As質(zhì)量比(mg/kg);M-固定膜中離子的累積量(μg);Δg-擴散層厚度(cm);D-離子在擴散層中擴散系數(shù)(cm2/s);A-每個圓片膜的面積(3.14cm2);t-DGT裝置的放置時間(s)。

2 結(jié)果與分析

2.1 原狀耕地土壤研究

采集30件耕地土壤樣品,對原狀耕地土壤pH、As總量及有機質(zhì)含量進行分析,結(jié)果如表1所示。

表1 原狀耕地土壤pH及As總量測試結(jié)果

由表1可知,耕地土壤樣品pH為7.22～7.71,As總量為5.0～31.1mg/kg,有機質(zhì)含量為11.9～22.8g/kg。選取耕地土壤樣品進行傳統(tǒng)Tessier法分析測試時,應充分考慮As總量高、中、低不同含量梯度的樣品,因此分別選取DGT-3、DGT-5、DGT-7、DGT-11、DGT-14、DGT-17、DGT-19、DGT-24、DGT-25、DGT-29等10件不同含量梯度的耕地土壤樣品,調(diào)節(jié)土壤樣品pH為7、8,其他測試條件均一致,分別測定離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)及殘渣態(tài)。

對上述10件耕地土壤樣品進行農(nóng)作物(小白菜)栽培實驗以測定農(nóng)作物體內(nèi)As含量,并采用DGT技術(試驗溫度分別為25℃、30℃)對耕地土壤樣品進行分析測試,DGT測試As含量與農(nóng)作物As含量、Tessier法非穩(wěn)定形態(tài)As含量與農(nóng)作物As含量線性擬合結(jié)果如圖1所示,由圖1可知,DGT技術與農(nóng)作物As含量線性回歸的相關系數(shù)為0.9329～0.9579(顯著性水平p<0.01),Tessier法與農(nóng)作物As含量線性回歸的相關系數(shù)為0.9081～0.9231(顯著性水平p<0.01),具有較好的線性相關關系,表明兩種方法均能較好地評估和預測農(nóng)作物體內(nèi)As含量,但DGT技術相關性更高,能夠更科學地反映出耕地土壤中As的生物有效性及耕地土壤的環(huán)境質(zhì)量。

a—土壤pH為7,DGT試驗溫度為25℃;b—土壤pH為7,Tessier試驗溫度為25℃; c —土壤pH為7,DGT試驗溫度為30℃; d—土壤pH為7,Tessier試驗溫度為30℃;e—土壤pH為8,DGT試驗溫度為25℃;f—土壤pH為8,Tessier試驗溫度為25℃;g—土壤pH為8,DGT試驗溫度為30℃;h—土壤pH為8,Tessier試驗溫度為30℃圖1 DGT測試As含量與農(nóng)作物As含量、Tessier法非穩(wěn)定形態(tài)As含量與農(nóng)作物As含量線性擬合圖

2.2 溫度影響研究

選取DGT-1、DGT-3、DGT-5 3件耕地土壤樣品,每件樣品平行3份分別設置溫度為15℃、20℃、25℃、30℃進行DGT試驗,每件樣品平行測定兩次,測試數(shù)據(jù)如表2所示,不同溫度條件下耕地土壤As的DGT測試結(jié)果折線圖如圖2所示。

1—樣品DGT-1;2—樣品DGT-3;3—樣品DGT-5圖2 不同溫度條件下耕地土壤As的DGT測試結(jié)果折線圖

表2 不同溫度條件下耕地土壤As的DGT測試結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)及圖2可知,溫度為15～25℃時,耕地土壤As生物有效性隨溫度升高而升高,溫度為25～30℃時,耕地土壤As生物有效性隨溫度升高略有降低,在25℃事達到最大值,表明溫度對耕地土壤As生物有效性有一定影響,且溫度為25℃時,耕地土壤As生物有效性最強[21]。

2.3 pH酸堿度影響研究

耕地土壤pH 在土壤-植物的重金屬轉(zhuǎn)移中起重要作用,是影響土壤物理和化學反應(如螯合,淋溶,轉(zhuǎn)運,吸附和解吸等)的主要土壤性質(zhì)。通過添加石灰(調(diào)節(jié)土壤至堿性)和硫酸亞鐵(調(diào)節(jié)土壤至酸性)分別模擬pH為5.5、6.5、7.5、8.0、9.0下耕地土壤As有效性的影響。

選取上述DGT-1、DGT-3、DGT-5 3件耕地土壤樣品,每件樣品平行3份分別調(diào)節(jié)pH為5.5、6.5、7.5、8.0、9.0,進行DGT試驗,每件樣品平行測定兩次,測試數(shù)據(jù)如表3所示,不同pH下耕地土壤As的DGT測試結(jié)果折線圖如圖3所示。

1—樣品DGT-1;2—樣品DGT-3;3—樣品DGT-5圖3 不同pH下耕地土壤As的DGT測試結(jié)果折線圖

表3 不同pH下耕地土壤As的DGT測試結(jié)果

由圖3和表3可知,耕地土壤pH與As生物有效性呈顯著正相關,隨著耕地土壤pH的升高,As的生物有效性增加。一般來說,耕地土壤pH的升高導致陰離子從它們的交換位點釋放,使得砷酸鹽和亞砷酸鹽被釋放,這將導致農(nóng)作物中對As的富集量增加。耕地土壤pH和As生物有效性的正相關關系表明堿性土壤對砷的緩沖能力比酸性土壤差。

2.4 土壤固化影響研究

采用自主研發(fā)的土壤固化劑(氯化亞鐵和硫化鈉的混合試劑),分別設置施用固化劑(氯化亞鐵和硫化鈉)和原狀耕地土壤對照組處理,進行DGT提取,檢測耕地土壤As有效態(tài)含量,以確定土壤固化的作用。

選取DGT-1、DGT-3、DGT-5、DGT-7、DGT-30號耕地土壤樣品進行固化劑實驗。準備干凈塑料小桶30個,每個小桶分別裝入上述耕地土壤樣品1kg,其中15個小桶分別加入50g土壤固化劑,另外15個小桶為不施加固化劑的原狀耕地土壤作為對照,每件土壤樣品平行3份加入固化劑,進行DGT試驗,測試結(jié)果如表4所示,原狀耕地土壤與施加固化劑后的耕地土壤As有效性變化如圖4所示。

1—原狀土壤As/(μg/kg);2—施加固化劑As/(μg/kg)圖4 原狀耕地土壤與施加固化劑后的耕地土壤As生物有效性變化

表4 原狀耕地土壤與施加固化劑后的耕地土壤As測試結(jié)果

從表4和圖4可以看出,施加固化劑后的耕地土壤As生物有效性明顯降低,表明固化劑的施用能明顯降低耕地土壤重金屬有效性。

3 結(jié)論

(1)通過Tessier法、DGT技術及農(nóng)作物(小白菜)栽培實驗研究,發(fā)現(xiàn)兩種提取方法均能較好地評估和預測農(nóng)作物體內(nèi)As含量,但DGT技術相關性更高,能夠更科學地反映出耕地土壤中As的生物有效性及耕地土壤的環(huán)境質(zhì)量。

(2)溫度對耕地土壤As生物有效性有一定影響,溫度為15～25℃時,耕地土壤As生物有效性隨溫度升高而升高,溫度為25～30℃時,耕地土壤As生物有效性隨溫度升高略有降低。

(3)耕地土壤pH與As生物有效性呈顯著正相關關系,隨著土壤pH的升高,土壤中重金屬元素As的生物有效性增加,植物中As含量也隨之增加。

(4)施加固化劑可以降低耕地土壤As生物有效性,對降低耕地土壤As污染具有一定作用。