基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)研究

摘要：土壤環(huán)境具有多樣性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，涉及重金屬、有機(jī)物、微生物等多個(gè)方面。但當(dāng)前的土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)往往只關(guān)注部分指標(biāo)，忽略了其他潛在污染物，導(dǎo)致對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)得不夠全面。為解決這一問(wèn)題，研究提出基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)，依據(jù)檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判斷農(nóng)田土壤樣品質(zhì)量，同時(shí)通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明該方法可精準(zhǔn)測(cè)定土壤中的重金屬和微量元素含量，并可高效監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電感耦合；等離子體；農(nóng)田土壤；環(huán)境質(zhì)量；網(wǎng)格法

引言

隨著工業(yè)化和城市化的高速發(fā)展，農(nóng)田土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)面臨著日趨嚴(yán)重的污染問(wèn)題，其中重金屬和微量元素的污染尤為突出[1]。農(nóng)田土壤污染不僅來(lái)自于工業(yè)廢水、固體廢棄物、農(nóng)藥化肥的使用，還來(lái)自機(jī)動(dòng)車尾氣排放、建筑垃圾填埋等因素，因此導(dǎo)致了土壤中重金屬（鎘、鉛、汞等）及微量元素（鋅、銅、硒等）超標(biāo)，嚴(yán)重威脅著土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定。因此，對(duì)農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)研究的熱門課題。

楊俊等[2]使用火焰原子吸收分光光度法對(duì)土壤進(jìn)行檢測(cè)，該方法操作簡(jiǎn)便、重現(xiàn)性好，但只能用于測(cè)定自由元素，且對(duì)樣品穩(wěn)定性要求較高。馬超等[3]提出氣相色譜法分析多種組分土壤化學(xué)殘留，該方法樣品損耗低、分析時(shí)間短，但對(duì)檢測(cè)儀器的要求高，完成實(shí)驗(yàn)的成本也高。薛娉婷[4]運(yùn)用了高效液相色譜法測(cè)定土壤質(zhì)量，該方法速度快、分離效果好，但對(duì)介質(zhì)損耗過(guò)多，且敏感度不高。

為解決上述方法存在的問(wèn)題，本研究提出基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)研究，為土壤質(zhì)量分析提供了高效低損的監(jiān)測(cè)方法。

1制定監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

選擇內(nèi)梅羅污染指數(shù)對(duì)土壤進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。內(nèi)梅羅污染指數(shù)由單因素污染指數(shù)演變而來(lái)，是一種突出平均值的計(jì)量型多因子環(huán)境污染質(zhì)量指數(shù)。內(nèi)梅羅污染指數(shù)可以反映出各種污染物對(duì)土壤的總體影響程度，計(jì)算方法如式（1）所示。

式中 Pn—內(nèi)梅羅污染指數(shù)；P平—單項(xiàng)污染指數(shù)平均值；Pmax—單項(xiàng)污染指數(shù)中的最大值。

以內(nèi)梅羅污染指數(shù)作為評(píng)價(jià)農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Pn＜1時(shí)，表示土壤污染較輕；當(dāng)Pn＞1時(shí)，表示土壤污染較重。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)不但可以揭示土壤污染的程度和分布情況，還可以分析土壤污染的主要來(lái)源和遷移途徑。

2農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法

運(yùn)用電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)，具有高靈敏度、高分辨率和多元素分析等優(yōu)勢(shì)。電感耦合等離子體質(zhì)譜法不僅可以準(zhǔn)確檢測(cè)土壤中重金屬和微量元素等有害物質(zhì)的含量，還能對(duì)土壤中的有機(jī)物、無(wú)機(jī)鹽和微生物等進(jìn)行全面分析，為土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供更加全面和精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。與傳統(tǒng)方法相比，該方法具有更高的檢測(cè)精度和數(shù)據(jù)解讀能力，能夠更好地指導(dǎo)農(nóng)田土壤環(huán)境保護(hù)和治理工作。

2.1 布點(diǎn)采集農(nóng)田土壤樣品

對(duì)面積廣闊且土壤性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的農(nóng)田土壤選擇使用網(wǎng)格法進(jìn)行土壤采樣。首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作，根據(jù)取樣區(qū)域的大小、土壤特性的變化范圍、期望的取樣精度將取樣區(qū)域劃分為若干等大的網(wǎng)格[5]；然后在每個(gè)網(wǎng)格的中心選取合適的點(diǎn)位進(jìn)行土壤取樣，取樣時(shí)需在每個(gè)取樣點(diǎn)采集多個(gè)子樣本并進(jìn)行混合，得到一個(gè)具有代表性的綜合樣本。在整個(gè)取樣過(guò)程中，每個(gè)取樣點(diǎn)的具體位置、取樣深度及觀察到的任何與土壤性質(zhì)相關(guān)的細(xì)節(jié)都需要進(jìn)行詳細(xì)記錄。

網(wǎng)格法能夠系統(tǒng)性地覆蓋整個(gè)取樣區(qū)域，確保各部分的土壤都得到充分考量，從而有效減少取樣偏差。但土壤性質(zhì)變化較大的區(qū)域不太適用此方法，原因在于固定的網(wǎng)格尺寸可能無(wú)法準(zhǔn)確反映土壤特性的變化。

需要注意的是，在進(jìn)行土壤采樣時(shí)，要確定適當(dāng)?shù)娜由疃取⑦x用合適的取樣工具，并嚴(yán)格遵守相關(guān)的安全操作規(guī)程；完成采樣后，要妥善處理、保存樣品，對(duì)樣品分別進(jìn)行標(biāo)識(shí)核對(duì)，并以適當(dāng)?shù)膬?chǔ)存條件進(jìn)行安全運(yùn)輸，確保其能夠用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)室分析[6]。

2.2 土壤樣品除雜預(yù)處理

在對(duì)采集的土壤樣品進(jìn)行分析前，要先進(jìn)行除雜預(yù)處理，通過(guò)風(fēng)干、研磨、過(guò)篩等步驟使樣品達(dá)到適合實(shí)驗(yàn)室分析的狀態(tài)。本研究選用專業(yè)的烘箱來(lái)去除土壤樣品中的多余水分，從而有效避免因水分含量過(guò)高而可能引發(fā)的分析誤差。同時(shí)，在整個(gè)處理過(guò)程中，要高度重視土壤樣品的保護(hù)，嚴(yán)防任何可能的污染，還要注意避免過(guò)度干燥，以免對(duì)土壤樣品的性質(zhì)造成不利影響。

風(fēng)干后的土壤樣品需要進(jìn)行研磨。研磨的目的是將土壤顆粒細(xì)化，使其更容易進(jìn)行后續(xù)的化學(xué)分析和物理性質(zhì)監(jiān)測(cè)。本研究選用研缽和研杵進(jìn)行研磨，但在研磨過(guò)程中應(yīng)避免引入新的雜質(zhì)，并確保樣品的均勻性。

研磨后的土壤樣品需要過(guò)篩，以去除研磨過(guò)程中可能產(chǎn)生的較大顆?；螂s質(zhì)，確保樣品的粒度分布符合分析要求。過(guò)篩應(yīng)使用不同孔徑的篩網(wǎng)進(jìn)行分級(jí)篩分，過(guò)篩后的樣品應(yīng)保存在干燥且清潔的容器中以備后續(xù)分析使用。

2.3 基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定樣品質(zhì)量

準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)用的純水，以及硝酸、乙酸、氬氣等基礎(chǔ)試劑材料；配備含鉀、鈉、鎘、砷等土壤中易出現(xiàn)的單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，并進(jìn)行定容；將配備好的元素溶液按照不同的濃度比例精確配制，形成混合基礎(chǔ)測(cè)試溶液。

基礎(chǔ)測(cè)試溶液配制完成后，需要對(duì)同一件樣品進(jìn)行3次遷移試驗(yàn)。為了確保遷移后的溶液成分均勻，對(duì)浸泡液進(jìn)行充分地?cái)嚢?；為了消除潛在的雜質(zhì)干擾，采用0.22μm的濾膜對(duì)攪拌后的浸泡液進(jìn)行精細(xì)過(guò)濾；通過(guò)電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）進(jìn)行精確測(cè)定，獲取溶液中的元素組成及含量信息，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，將儀器調(diào)整到等離子體模式HMI，并選用玻璃同心霧化機(jī)配合測(cè)試。設(shè)置的儀器射頻輸出功率為1600W；冷卻空氣流量為10.0L/min。霧化空氣流量為

0.50L/min；輔助器空氣流量為0.90L/min；碰撞池He流量為5.0mL/min。將八極桿射頻電流設(shè)定為200V；偏轉(zhuǎn)電流為-18.0V；RF匹配電流2.0V。蠕動(dòng)泵速0.l0r/s。使用電感耦合等離子體將土壤樣品中的元素轉(zhuǎn)化為離子，并利用質(zhì)譜儀對(duì)離子進(jìn)行分離和檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中各種元素的定性和定量分析。

為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，本研究同時(shí)進(jìn)行了平行試驗(yàn)和空白試驗(yàn)。所有樣品都在相同條件下接受一致的操作和處理，以消除外部因素的干擾?？瞻自囼?yàn)采用了與第3次浸泡相同的4%乙酸溶液作為對(duì)照，通過(guò)對(duì)比空白樣品與實(shí)際樣品的測(cè)定結(jié)果，可更有效地識(shí)別并排除可能的誤差來(lái)源。

基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定的數(shù)據(jù)結(jié)果，需要進(jìn)行核對(duì)偏差值處理。本研究將各組平行樣本的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層計(jì)算，以保障數(shù)據(jù)離散程度合規(guī)。在評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)合格性達(dá)標(biāo)的情況下，獲得最終的精密度標(biāo)準(zhǔn)偏差結(jié)果，計(jì)算方法如式（2）所示。

式中 а—樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差值；c—數(shù)據(jù)點(diǎn)的總數(shù)量；mx—第x個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)值；ma—數(shù)據(jù)集的平均值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)偏差較小的數(shù)據(jù)表示重復(fù)性較好、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信度較高，反之則表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性較差[7]。

在充分驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的離散程度合理后，對(duì)其進(jìn)行內(nèi)梅羅污染指數(shù)計(jì)算處理；得出數(shù)據(jù)后，進(jìn)行農(nóng)田土壤環(huán)境的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸出，并據(jù)此得出監(jiān)測(cè)報(bào)告。

基于內(nèi)梅羅污染指數(shù)進(jìn)行土壤質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)，具體標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3實(shí)驗(yàn)

3.1 環(huán)境設(shè)置

本研究選擇對(duì)X縣共246個(gè)行政村的農(nóng)田土壤質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。X縣處于亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)；土壤土質(zhì)以黃壤、水稻土為主；X縣現(xiàn)有耕地面積7030萬(wàn)m2、園地面積1357.5m2，主要栽培稻米、蔬菜、果品、茶葉等經(jīng)濟(jì)作物。

本次實(shí)驗(yàn)采取網(wǎng)格法取回了X縣水稻土和黃壤的各5塊樣塊。由于植物的生長(zhǎng)情況可直接反映土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況、水分條件及污染程度，因此在取樣的同時(shí)，通過(guò)觀察農(nóng)田的植物生長(zhǎng)狀況直觀判斷土壤環(huán)境質(zhì)量是否存在問(wèn)題。

觀察發(fā)現(xiàn)，水稻土網(wǎng)格劃分的中心部位存在明顯的根系受損現(xiàn)象，且植物生長(zhǎng)狀態(tài)表現(xiàn)出顯著的萎靡不振；右下部位有葉片發(fā)黃情況，根據(jù)植物學(xué)判斷可能存在鉀元素含量過(guò)多的情況；其余部位植株長(zhǎng)勢(shì)良好未見(jiàn)明顯異常。黃壤區(qū)域植株長(zhǎng)勢(shì)的整體情況較好于水稻土區(qū)域，但左上和中心部位有植株黃葉、生長(zhǎng)緩慢的問(wèn)題。

3.2 結(jié)果分析

將土壤樣品用電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示，可以看出X縣農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量存在一定的污染隱患。水稻土的中心和右下均有污染狀況；黃壤的中心和左上也有一定的環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題。將電感耦合等離子體質(zhì)譜法的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際觀察的植物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行對(duì)比，二者相符。由此可得，電感耦合等離子體質(zhì)譜法切實(shí)有效地監(jiān)測(cè)出了農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量。依據(jù)上述評(píng)估結(jié)果，建議在X縣范圍內(nèi)逐步加強(qiáng)對(duì)使用農(nóng)藥、肥料和地膜等情況的監(jiān)督管理力度，使土壤保持最高清潔等級(jí)。

結(jié)語(yǔ)

基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)研究，既提出了精確高效的土壤監(jiān)測(cè)手段，又為農(nóng)田土壤環(huán)境保護(hù)與修復(fù)提供了有力的數(shù)據(jù)支持。該方法能夠準(zhǔn)確測(cè)定土壤中重金屬、微量元素等污染物的含量，評(píng)估土壤環(huán)境質(zhì)量。因此，上述研究成果不僅有助于提升農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量，而且更能為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。

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作者簡(jiǎn)介

顧信娜（1986—），女，漢族，浙江舟山人，工程師，碩士，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-04-19