全國土壤污染狀況詳查重金屬元素可提取態(tài)提取試劑的選擇

熊英, 王亞平, 韓張雄, 董亞妮, 蔣俊平

(1.國土資源部西安礦產資源監(jiān)督檢測中心， 陜西 西安 710054;2．國家地質實驗測試中心， 北京 100037)

土壤重金屬有效態(tài)是指土壤中易被植物吸收的這部分重金屬，在土壤重金屬污染研究中常被稱為“可提取態(tài)”[1]。土壤重金屬元素可提取態(tài)能更好地反映土壤中重金屬的環(huán)境效應和生態(tài)風險，在土壤污染調查和研究工作中受到廣泛關注[2]。土壤重金屬元素可提取態(tài)含量隨著土壤pH等環(huán)境條件的變化而改變，在開展土壤重金屬元素可提取態(tài)檢測評價工作中，不可避免地面臨提取劑或分析方法的選擇問題[3]。

目前國內外有關土壤重金屬有效態(tài)分析方法有：稀硝酸法(ISO 17586—2016)、乙酸法(GB/T 25282—2010)、溶出量和含有量法[4]、DTPA法(HJ 804—2016，NY/T 890—2004)、硝酸銨法(ISO 17930—2008)以及“全國土壤污染狀況詳查土壤樣品分析測試方法技術規(guī)定”中推薦的“氯化鈣法”。上述分析方法涉及的提取劑包括：①pH=5.8的鹽酸溶液；②0.1mol/L鹽酸溶液；③0.43±0.02mol/L硝酸溶液；④0.11mol/L乙酸溶液；⑤1mol/L硝酸銨溶液；⑥0.005mol/L的DTPA溶液；⑦ 0.01mol/L氯化鈣溶液。如此眾多的提取劑，何種提取劑更能有效地表征相關重金屬元素的生物有效性，并具有穩(wěn)定和通用性質，前人通過對比不同提取試劑對污染土壤重金屬元素的提取量與植物吸收量的相關性，來判斷化學提取試劑的適宜性。劉玉榮等[5]對比研究了6種提取劑(0.01mol/L氯化鈣溶液、0.1mol/L硝酸鈉溶液、0.43mol/L乙酸溶液、0.05mol/L EDTA溶液、0.005mol/L DTPA+0.1mol/L三乙醇胺溶液+0.01mol/L氯化鈣溶液、0.5mol/L乙酸銨溶液+0.02mol/L EDTA溶液)對煤礦周邊重金屬污染土壤的提取量與植物吸收量之間的關系，得出植物體內的重金屬Cd和Zn的提取率與提取劑氯化鈣溶液、DTPA溶液、EDTA溶液、乙酸溶液和硝酸鈉溶液有較好的相關性；對于Cd，氯化鈣溶液的相關系數(shù)(0.748)最大。賀靜等[6]選用6種提取劑(0.1mol/L鹽酸溶液、0.5mol/L乙酸溶液、0.1mol/L乙酸銨溶液、1mol/L乙酸鈉溶液、0.1mol/L硝酸鈉溶液、0.01mol/L氯化鈣溶液)提取酸性土壤中的可提取態(tài)Cu和Cd量，并與水稻籽粒中的Cu和Cd量進行比較，結果表明：1mol/L乙酸銨和0.01mol/L氯化鈣溶液的提取結果相對穩(wěn)定，且與水稻籽粒中的Cu和Cd量有較好的相關性。尹君等[7]分析了浸提劑(DTPA、氯化鈣、乙酸銨和鹽酸)提取土壤中Cd和Hg量與水稻籽粒中Cd和Hg量的相關性，認為乙酸銨溶液提取的重金屬量與水稻籽粒相應重金屬量的相關系數(shù)最大。李亮亮等[8]試驗了5種重金屬提取劑(0.1mol/L鹽酸溶液、0.05mol/L EDTA-2a溶液、0.1mol/L氯化鈣溶液、0.1mol/L乙酸-乙酸銨溶液、0.05mol/L DTPA提取劑)，研究土壤可提取態(tài)重金屬含量與玉米中重金屬含量的關系，結果表明：氯化鈣溶液和DTPA溶液提取的有效Cu與玉米中重金屬Cu的含量呈顯著相關或極顯著相關，且相關系數(shù)大于其他提取劑。盡管這些研究結果表明從土壤中提取重金屬的量與植物中重金屬含量之間有很好的相關性，但研究結論都是在特定土壤-作物條件下獲得的，其結果不僅與提取劑有關，還與土壤性質和植物的種類密切相關[9-11]，難以應用于不同性質土壤重金屬有效性的比較。

探索適應于不同酸堿性質土壤重金屬元素可提取態(tài)通用提取劑，滿足開展全國土壤污染狀況詳查評價工作的需要，成為土壤重金屬元素可提取態(tài)分析方法研究工作的重點課題，也是建立以“有效態(tài)”為評價標準的基礎[3-4,11]。本文采用具有代表性的耕地土壤樣品，用單級提取法[12]分類對比研究了7種提取劑(pH=5.8鹽酸、0.1mol/L鹽酸、0.43±0.02mol/L硝酸、0.11mol/L乙酸、mol/L硝酸銨溶液、0.005mol/L DTPA浸提劑、0.01mol/L氯化鈣溶液)對8種重金屬元素(Cd、Ni、Cu、Zn、Cr、Pb、As、Hg)的提取率-生物有效性系數(shù)，系統(tǒng)分析討論了各類提取劑對不同土壤類型不同重金屬元素提取的適用性與局限性，并通過與前人研究結論的對比、印證，明確各類提取劑適合應用于提取土壤中哪些重金屬，以及適宜的土壤酸堿條件，為最終確定全國土壤污染詳查重金屬可提取態(tài)分析方法奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 儀器設備及工作條件

200mL帶瓶蓋塑料瓶。HZ-9310KB落地冷凍搖床，溫度控制20±2℃，振幅180r/min。

高速離心機：轉速3000r/min。

膜過濾器：濾膜孔徑為0.45μm，與一次性塑料器連接。

容量為10mL的一次性塑料過濾器。

X-Series Ⅱ型電感耦合等離子體質譜儀：配置六極桿碰撞池(美國ThermoFisher公司)。主要工作條件為：功率1200W；冷卻氣(Ar)流速12L/min；輔助氣(Ar)流速0.8L/min；霧化氣(Ar)流速0.8L/min；采樣錐(Ni)孔徑 1.0nm；截取錐孔徑0.7nm。

AFS-2000型原子熒光光譜儀(北京海光儀器股份有限公司)。主要工作條件為：負高壓280V；燈電流60mA；觀測高度8mm；原子化器溫度200℃；載氣流速0.4L/min；屏蔽氣流速1L/min。

XGY-1011A型原子熒光光度計(廊坊開元高技術開發(fā)公司)。主要工作條件為：負高壓240V；燈電流30mA；原子化器高度7mm；原子化器溫度200℃；載氣流速0.4L/min；干燥氣流速0.4L/min。

1.2 標準溶液和主要試劑

標準溶液：各元素標準儲備溶液均采用國家標準物質溶液。根據(jù)各元素間沒有干擾和化學反應的原則，將各待測元素逐級稀釋后配成單標(As、Hg)和混合標準(Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni)系列溶液，溶液介質與提取劑保持一致。

內標溶液：10μg/L銠溶液，測試時由微型三通在線加入。

7種提取液：①pH=5.8鹽酸溶液；②0.1mol/L鹽酸溶液；③0.43±0.02mol/L硝酸溶液；④0.11mol/L乙酸溶液；⑤1mol/L硝酸銨溶液；⑥0.005mol/L DTPA浸提劑(在1000mL燒杯中依次加入1.9670g二乙烯三胺五乙酸、1.4700g二水合氯化鈣、14.9200g三乙醇胺，用適量水使其完全溶解，繼續(xù)加水稀釋至800mL，用50%的鹽酸調整pH為7.30±0.20)；⑦0.01mol/L氯化鈣溶液。

配制提取劑的試劑均為優(yōu)級純，實驗室用水為符合GB/T 6682—2008的二級水。

1.3 實驗樣品

(1)不同類型的稀強酸溶液提取劑(提取液①、②、③)對比試驗實驗樣品，以及中性鹽硝酸銨溶液與DTPA浸提劑(提取液⑤、⑥)對比實驗樣品，從土壤有效態(tài)成分分析標準物質中選擇。包括：①堿性土壤6個：GBW07493陜西塿土、GBW07494洛川黑壚土、GBW07495寧夏灌淤土、GBW07496甘肅灌漠土、GBW07497青海栗鈣土、GBW07461安徽潮土；②酸性土壤4個：GBW07412a遼寧棕壤、GBW07458黑龍江黑土、湖北水稻土GBW07415a、GBW07416a江西紅壤。這些實驗樣品基本代表了中國耕地的不同土壤類型和不同酸堿性質。

(2)由于標準物質存量有限，弱酸提取液和氯化鈣溶液(提取液④、⑦)的對比實驗樣品，則從國家土壤庫中挑選具有代表性的12個土壤樣品。包含：強酸性土(pH為4.15)；酸性土(pH為6.05、6.35)；中性土(pH為6.53、6.53、6.65、7.41、7.48)；堿性土(pH為7.68、7.75、7.95、8.02)。

(3)土壤酸堿性質對DTPA提取液和氯化鈣溶液提取重金屬能力的影響試驗，其實驗樣品為9省區(qū)(安徽、江蘇、福建、貴州、黑龍江、遼寧、山東、山西、陜西)農用地重金屬元素可提取態(tài)質量控制樣品。該套樣品中Cd、Pb、Zn等重金屬元素受到不同程度的污染，對土壤重金屬元素可提取態(tài)提取劑的研究具有代表性。

1.4 實驗方法

稱取10 g樣品于200mL塑料瓶中，加入100mL提取劑，置于恒溫振蕩器，20±2℃條件下振蕩提取。采用0.43±0.02mol/L稀硝酸提取時，如發(fā)現(xiàn)有氣泡產生，應逐滴補加0.5mol/L硝酸，控制振蕩時浸提液的pH<1，提取時間為240±10min；其余提取劑的振蕩提取時間為120±5min。提取液經(jīng)離心分離，并對上清液進行過濾處理，再選擇適宜的分析方法測定重金屬含量。

2 結果與討論

為了便于分類研究，將7種提取劑按化學試劑類別分組進行對比試驗。

2.1 稀酸溶液提取劑對土壤重金屬元素的提取率

稀酸溶液是較強的代換劑，其對土壤重金屬具有較強的溶解能力，因此常被作為土壤重金屬有效態(tài)的提取劑。硝酸和鹽酸是常用的2種酸性提取劑[1]。選用10個土壤有效態(tài)成分分析標準物質采用提取液①、②和③，按照實驗方法要求制備樣品溶液，采用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)測定Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni含量，原子熒光光譜法(AFS)測定As和Hg含量，依據(jù)相關重金屬元素全量計算重金屬元素的提取率，考察3種稀酸溶液提取劑對不同土壤中不同元素的提取能力。

對比實驗結果(表1)表明：3種稀酸溶液提取劑中，提取液②的平均提取率最高，且對元素As和Hg的提取率遠大于提取液③；提取液①的提取率最低，表明提取劑酸性越強，提取率越高；提取液②和③對于土壤中Cd、Pb、Cu和Zn的平均提取率分別為67.8%/70.4%、51.9%/38.8%、29.2%/28.1%和32.5%/16.4%，個別樣品Cd、Hg的提取率接近100%；且重金屬提取率與土壤酸堿性沒有相關性。土壤中雖然Cd的提取率最高，但前人的研究結論也沒有超過65%[13]，過高的提取能力，能夠提取土壤中非交換態(tài)或吸附態(tài)重金屬，對堿性土壤中重金屬的提取量高于植物有效態(tài)[14]，且有效態(tài)Cd與土壤pH 呈極顯著負相關[15-17]；由于Hg的生物有效性主要與水溶交換態(tài)有關[18]，該元素的生物有效性系數(shù)不應接近100%。提取液②和③對不同類型土壤中的重金屬元素提取能力的研究結果與前人的研究結論不符，因此0.1mol/L鹽酸溶液和0.43±0.02mol/L硝酸溶液不宜作為土壤重金屬元素可提取態(tài)分析的提取劑。提取液①對Cd元素的平均提取率僅為6.34%。這一結論與郝漢舟等[13]研究結論不符：Cd以離子交換態(tài)為主，平均值占總量的27.3%；也不符合馮精蘭等[17]的研究結論: Cd較其他元素檢出了可交換態(tài)，平均值占總量的20.2%。因此，pH 5.8的鹽酸也不適宜作土壤重金屬可提取態(tài)分析的通用提取劑。

表1 不同稀酸溶液對土壤重金屬元素的提取率

2.2 硝酸銨溶液與DTPA提取液對土壤重金屬元素的提取率

與2.1節(jié)相同，選用7個不同土壤類型和酸堿性質的土壤有效態(tài)成分分析標準物質(GBW07493、GBW07494、GBW07495、GBW07496、GBW07497、GBW07458、GBW07416a)，分別用提取液⑤和⑥，與2.1節(jié)相同的樣品溶液制備、測量和計算方法，統(tǒng)計分析重金屬元素的提取率。

對比實驗結果(表2)表明：提取液⑥，其提取土壤中重金屬元素的平均能力均大于提取液⑤，即使對于堿性土壤，其對Cd的提取率達到20%左右，接近酸性土壤的提取率水平，與李亮亮等[8]的研究結論相同；提取Pb的能力與提取Cd相當，提取Cu的能力大于Zn，不符合堿性土壤重金屬生物有效性較為穩(wěn)定，以及楊少斌等[19]有關土壤重金屬生物活性(Cd>Zn>Ni>Pb>Cu>Cr)的研究結果。提取液⑥屬于螯合劑，對重金屬離子的螯合能力較強，雖然對土壤的 pH 值改變不大，但由于其較強螯合能力使得一些不能為植物利用的重金屬離子也被提取出來。提取液⑤雖然對Cd的提取能力表現(xiàn)出酸性土壤遠遠大于堿性土壤的特點，但其對堿性土壤中Pb的提取率遠遠大于Cd，與前人[17,19-20]的研究結論不符。前人的研究結論為：Cd元素活性最強，易被植物吸收利用，Cu、Pb、Zn穩(wěn)定態(tài)含量比例較高，其生物有效性較低。因此，硝酸銨溶液和DTPA提取液也不宜作為土壤重金屬元素可提取態(tài)的通用提取劑。

2.3 乙酸和氯化鈣溶液對土壤重金屬元素的提取率

從國家土壤庫中挑選具有代表性的12個土壤樣品，分別采用提取液④和⑦，與2.1節(jié)相同的樣品溶液制備、測量和計算方法，統(tǒng)計分析重金屬元素的提取率，了解2種提取劑對不同土壤類型重金屬元素的提取能力，實驗結果見表3。

對比實驗結果(表3)表明：除個別樣品元素(Hg)以外，提取液④對不同土壤類型重金屬元素的提取率均高于提取液⑦，檢測結果也能較好地表征Cd相對其他重金屬元素的較強活性(Cd的提取率最高)，但其對土壤重金屬元素的提取能力與土壤的酸堿性質無關，不能正確地表征重金屬元素在堿性土壤中較為穩(wěn)定的特性；提取液⑦除了對元素Cd有較高的提取率，對其他元素的提取率均較低，表明在重金屬元素中Cd具有最高的活性，符合土壤重金屬元素生物有效性研究結論[13,19-20]：Cd的生物有效性遠遠大于Cu、Zn、Pb等重金屬生物有效性；其對Cd的提取率受土壤酸堿性質的影響較大，符合Cd元素在酸性土壤中具有較強活性的特點。

表3 乙酸和氯化鈣溶液對土壤重金屬元素的提取率

2.4 土壤酸堿性質對DTPA和氯化鈣提取劑提取重金屬能力的影響

DTPA提取溶液和氯化鈣提取液在土壤重金屬元素可提取態(tài)提取劑的篩選中，得到高度關注[14,20-23]。為了進一步考察、驗證這2種提取劑對不同酸堿性質土壤重金屬元素可提取態(tài)的適宜性，選用21種采自10省區(qū)制備重金屬可提取態(tài)外部質量控制樣品的候選物作為實驗樣品(pH在5.27～8.57之間變化)。分別用提取液⑥和⑦，與2.1節(jié)相同的樣品溶液制備、測量和計算方法，統(tǒng)計分析Cd、Pb、Zn和Cu的提取率，按pH值從低至高排序，建立不同提取劑條件下重金屬元素提取率與土壤pH之間的關系，了解土壤酸堿性質對重金屬提取率的影響。

由實驗結果(圖1、圖2)可以看出：pH=7.3的DTPA溶液和0.01mol/L氯化鈣溶液提取土壤中Cd、Cu、Pb、Zn的能力隨pH的增加呈總體下降趨勢，但前者的下降趨勢弱于后者，即對于堿性土壤，DTPA提取劑也有較高的提取量。圖2表明：Cd、Zn元素的提取率隨pH的增加顯著降低，其表現(xiàn)出土壤pH對重金屬提取能力的影響更接近郝漢舟等[13]對耕地土壤Cu、Cd、Zn形態(tài)及生物有效性的研究結論。郝漢舟等研究認為：pH 對重金屬形態(tài)轉化影響的機理與Cd、Zn的化學形態(tài)有關，土壤pH值較低時，碳酸鹽結合態(tài)溶解，有利于植物吸附重金屬，植物根際代謝產物碳酸進一步結合重金屬，增加了碳酸鹽結合態(tài)在總量的占比；隨著土壤pH值的升高，土壤中黏土礦物、水合氧化物和有機質表面的負電荷增加，因而對重金屬離子的吸附能力加強，對于堿性土壤，這種專屬吸附和氫氧化物沉淀的形成，導致土壤中水溶態(tài)、離子交換態(tài)濃度和碳酸鹽結合態(tài)濃度急劇降低。而生物有效性與植物直接或較直接利用的Cd、Zn的化學形態(tài)有關，植物可直接吸收和利用的Cd、Zn化學形態(tài)主要包含水溶態(tài)、離子交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)，這3種形態(tài)的轉化直接影響生物有效性，這也是酸性土壤生物有效性系數(shù)較高而堿性土壤生物有效性系數(shù)較低的根本原因。

圖1 土壤pH對DTPA提取Zn、Cu、Cd、Pb能力的影響Fig.1 Ability of DTPA solution to extract Zn, Cu, Cd and Pb varied with soil pH

圖2 土壤pH對氯化鈣溶液提取Zn、Cu、Cd、Pb能力的影響Fig.2 Ability of calcium chloride solution to extract Zn, Cu, Cd and Pb varied with soil pH

土壤酸堿性質對重金屬提取率的影響，除了與土壤中重金屬形態(tài)的轉化直接相關外，還與浸提劑對重金屬元素的提取機理有關。pH=7.3的DTPA溶液其對重金屬元素的浸提機制，主要是在緩沖環(huán)境下的絡合作用和浸提劑陽離子的交換作用，H+的靜止置換作用次之，由于其緩沖作用較大，其對重金屬離子的提取率與土壤pH的相關性較差。這也是為什么對于堿性土壤，DTPA提取劑對于Cd、Pb等重金屬仍有較高的提取率。而0.01mol/L氯化鈣溶液(pH=6.41)，屬于中性提取劑，其對重金屬的提取機理是首先從土壤膠體上交換出H+(或Al3+)，H+再將土壤中離子交換態(tài)重金屬置換出來，同時浸提劑中的Ca2+也能發(fā)揮直接置換作用。浸提過程中樣品溶液的pH與土壤樣品的pH密切相關，基本呈現(xiàn)原樣品的pH值，但由于Ca2+的吸附能力大于Cl-，提取液中pH略低于樣品的pH，土壤重金屬離子的溶解受pH影響顯著。酸性土壤樣品溶液的pH為酸性，土壤重金屬的提取率高；堿性土壤樣品溶液的pH為堿性，在堿性條件下難以發(fā)生置換反應，提取劑對重金屬離子的提取率較低。

綜上所述，氯化鈣溶液較DTPA溶液更適合作為不同土壤類型重金屬可提取態(tài)的通用提取試劑。

3 結論

采用單級提取方法,分組系統(tǒng)研究了7種提取劑對代表性土壤樣品8種重金屬元素的提取能力，結果表明：稀酸溶液對土壤重金屬元素的提取率較高，且與土壤的酸堿性無關，不適宜作為土壤重金屬元素可提取態(tài)的通用提取劑；中性鹽硝酸銨溶液雖然對Cd的提取能力表征了Cd在酸性土壤的活性遠大于堿性土壤，但對堿性土壤中Pb的提取率大于Cd，與Cd在土壤重金屬元素中活性最大的研究結論不符；DTPA提取劑對土壤重金屬元素的提取率隨土壤酸堿性質的變化不顯著；0.01mol/L氯化鈣溶液對土壤中Cd的提取率最高，且與土壤酸堿性質密切相關，氯化鈣溶液較DTPA提取劑更適合于作為不同土壤類型重金屬可提取態(tài)的通用提取試劑。與有關學者[24]提出的探索氯化鈣作為廣譜土壤重金屬元素可提取態(tài)提取劑和制定標準可能相吻合。

本文通過全國土壤污染狀況詳查樣品重金屬元素可提取態(tài)提取劑的篩選研究，為最終確定“氯化鈣法”奠定了基礎，后續(xù)應針對“氯化鈣法”的特點，開展不同土壤類型、不同重金屬可提取態(tài)“臨界值”的研究，建立以“重金屬元素可提取態(tài)”為指標的農用地土壤環(huán)境質量標準[3]，為正確評價土壤環(huán)境質量提供技術支撐。