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土壤重金屬監(jiān)測技術(shù)和方法最新研究進(jìn)展

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本文闡述了土壤重金屬監(jiān)測技術(shù)和方法的最新研究進(jìn)展。以電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES）和電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）為代表的聯(lián)用儀器分析法精度高、準(zhǔn)確性強(qiáng)，是目前異位監(jiān)測方法的研究熱點(diǎn)。以土壤磁化率技術(shù)等為基礎(chǔ)的原位監(jiān)測技術(shù)為土壤重金屬監(jiān)測技術(shù)和方法的發(fā)展帶來了活力，其優(yōu)勢在于可實(shí)現(xiàn)非破壞性、快速、大面積監(jiān)測土壤重金屬，且該方法容易重復(fù)驗(yàn)證、縮短實(shí)驗(yàn)周期，這些都是異位監(jiān)測方法不可比擬的；不足之處是準(zhǔn)確性弱、推廣性差。因此，提高原位監(jiān)測技術(shù)和方法的精準(zhǔn)性、普適性和推廣性是目前研究的熱點(diǎn)。

1 引言

土壤作為人類生產(chǎn)和生活的重要資源之一，其質(zhì)量狀況直接關(guān)系到耕地質(zhì)量，影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人居環(huán)境健康。2005年4月至2013年12月，國家環(huán)境保護(hù)部會同國土資源部開展了我國首次全國土壤污染狀況調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明，我國的土壤污染類型以無機(jī)型為主，有機(jī)型次之。無機(jī)污染物主要包括鎘、汞等多種重金屬。2017年4月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《2017年食品安全重點(diǎn)工作安排》中要求，啟動土壤污染狀況詳查，推動土壤污染防治立法和土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)修訂。我國土壤的重金屬污染情況已不容樂觀，加強(qiáng)對土壤重金屬污染的監(jiān)測和防治已迫在眉睫。

2 土壤重金屬監(jiān)測方法

土壤重金屬監(jiān)測方法可分為異位監(jiān)測方法和原位監(jiān)測方法兩類。異位監(jiān)測方法，雖然成本高、制樣復(fù)雜、耗時耗力且具有一定的破壞性，但其精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、受干擾程度低，所以仍是目前實(shí)驗(yàn)室主要的重金屬分析方法。而原位監(jiān)測法可以非破壞性、快速、實(shí)時地對土壤重金屬進(jìn)行監(jiān)測，因此，該方法在污染事故、污染糾紛等應(yīng)急監(jiān)測方面凸顯優(yōu)勢。但目前的原位監(jiān)測方法精度差、分辨率較低，只能對土壤中的重金屬進(jìn)行粗略監(jiān)測。

2.1 異位監(jiān)測方法

異位監(jiān)測方法是傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，首先是進(jìn)行田間樣品的采集，然后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)室分析方法分為化學(xué)分析法和儀器分析法。化學(xué)分析法因其選擇性差、樣品前處理繁瑣、靈敏度低，多見于早期土壤重金屬含量及微量元素研究。儀器分析法主要包括原子吸收光譜法（AAS）等，不同的監(jiān)測方法根據(jù)具體情況和要求適用于不同的監(jiān)測環(huán)節(jié)。

為了滿足高精度、操作簡便等要求，將兩種或多種光學(xué)、電化學(xué)儀器聯(lián)合使用，發(fā)揮各個儀器優(yōu)勢的聯(lián)用儀器分析法，已成為微量元素監(jiān)測研究的發(fā)展趨勢。聯(lián)用儀器分析法大大提高了元素檢出限，大部分重金屬元素可測至ng·L-1；可同時進(jìn)行多元素測定、定性定量分析。目前常用的聯(lián)用儀器分析法有電感耦合等離子質(zhì)譜法和電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀法。

2.1.1 電感耦合等離子質(zhì)譜法

電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）在元素定量分析、同位素分析和形態(tài)分析等領(lǐng)域發(fā)展迅速。ICP-MS分析元素的工作原理是待檢樣品經(jīng)前處理成溶液后，被引入ICP并在ICP的高溫環(huán)境下離子化，樣品溶液中的多種元素離子被ICP-MS的接口提取到高真空的質(zhì)譜儀中，經(jīng)過質(zhì)量篩選器篩選，具有特定質(zhì)荷比（M/Z）的離子被傳輸和檢測。在國內(nèi)，ICP-MS技術(shù)已逐漸應(yīng)用于土壤重金屬監(jiān)測領(lǐng)域，為土壤重金屬監(jiān)測提供了有力的技術(shù)保障。彭?xiàng)畹冉⒘送寥?沉積物中V、Cr等14種金屬元素的ICP-MS準(zhǔn)確測定方法[1]。黃志堅(jiān)采用ICP-MS同時測定了水系沉積物和土壤樣品中的Li、Be等25種元素，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度高、精密度好、效率快[2]。

2.1.2 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀法

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）工作原理是待檢樣品經(jīng)前處理成溶液后，由進(jìn)樣器引入霧化器，并被氬載氣帶入等離子體焰中央，在高溫和惰性氣氛中被充分蒸發(fā)、原子化、電離和激發(fā)，發(fā)射出所含元素的特征譜線，根據(jù)特征譜線存在與否、特征光強(qiáng)弱來進(jìn)行樣品的定性定量分析。Zhou等運(yùn)用ICP-AES確定中國南部恒世河流域土壤重金屬含量[3]；Wei等運(yùn)用ICP-AES測得中國城市土壤重金屬含量[4]。

2.2 原位監(jiān)測方法

原位監(jiān)測方法是在不影響被測物狀態(tài)及周圍環(huán)境的前提下，對目標(biāo)物含量進(jìn)行實(shí)時在線跟蹤測定。土壤重金屬原位監(jiān)測，即將土壤遙感（電磁感應(yīng)）、地理統(tǒng)計(jì)方法等多學(xué)科整合，逐步進(jìn)行連續(xù)、高密度監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了土壤特性在時間和空間分布上的同步監(jiān)測。下面簡要介紹支持原位監(jiān)測法的土壤磁化率技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)和X射線熒光光譜法（XRF）。

2.2.1 土壤磁化率技術(shù)

磁化率表示物質(zhì)在外磁場作用下被磁化的難易程度。目前土壤磁化率技術(shù)已逐漸應(yīng)用于城市環(huán)境污染和重金屬污染調(diào)查。通過磁化率的分析，可間接反映污染狀況和環(huán)境變化。羅偉等通過測定土壤鉛（Pb）含量和土壤磁化率，建立了基于土壤低頻磁化率的土壤Pb含量的回歸方程[5]。馬瑞峻等也同樣利用環(huán)境磁學(xué)技術(shù)監(jiān)測了農(nóng)田重金屬污染情況，認(rèn)為利用土壤表層體積磁化率監(jiān)測及評價土壤重金屬污染情況的方法是可行有效的[6]。

2.2.2 激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS），又稱為激光誘導(dǎo)等離子體光譜，是一種快速、原位地對任何狀態(tài)（固、液和氣態(tài)）物質(zhì)元素進(jìn)行化學(xué)分析的檢測技術(shù)。近年，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境化學(xué)監(jiān)測、工業(yè)處理、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)與食品等相關(guān)領(lǐng)域。余克強(qiáng)等采用LIBS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對土壤重金屬Pb和Cd含量的定量檢測[7]。

2.2.3 X射線熒光光譜法

X射線熒光光譜法（XRF）是一種利用樣品對X射線的吸收隨成分及含量變化進(jìn)行定性或定量分析的方法。X射線熒光光譜分析法以快速、無損、分析成本低且可多元素同時分析和原地檢測的優(yōu)點(diǎn)在重金屬檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是在土壤重金屬檢測中發(fā)揮了重要的作用。楊桂蘭等采用便攜式X射線熒光光譜儀（PXRF）檢測了土壤中常見重金屬元素Cr、Ni等的含量，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)室條件下檢測結(jié)果與ICP-OES檢測結(jié)果的相關(guān)性較好，可用于土壤中重金屬元素的快速測定[8]。

3 土壤重金屬監(jiān)測方法的發(fā)展趨勢

聯(lián)用儀器分析法（如ICP-MS和ICP-AES）具有檢出限低、精度高、用時少、可同時進(jìn)行多元素分析等優(yōu)點(diǎn)，已成為土壤重金屬監(jiān)測中主要的異位監(jiān)測方法。但由于目前聯(lián)用儀器價格昂貴，需要專業(yè)的技術(shù)人員操作，因此，研究智能化、簡便化的聯(lián)用儀器勢在必行，可在保障高精度監(jiān)測的同時大大節(jié)約監(jiān)測成本。

土壤磁化率技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)、X射線熒光光譜法等的發(fā)展，為原位監(jiān)測方法提供了有力的技術(shù)支撐，可實(shí)現(xiàn)非破壞性、快速、大面積監(jiān)測土壤重金屬。但目前，原位監(jiān)測技術(shù)能做到的還只是大面積、快速估算土壤重金屬含量，其準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步提高。在實(shí)際監(jiān)測過程中，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)、監(jiān)測要求選擇適宜的監(jiān)測技術(shù)和方法，這有利于在平衡人力、物力、財(cái)力和技術(shù)能力的同時，提高土壤重金屬監(jiān)測效率和能力。

[1]彭?xiàng)?吳婧,巢靜波,陳艷.土壤/沉積物中14種金屬元素的ICP-MS準(zhǔn)確測定方法[J].環(huán)境化學(xué),2017,(01):175-182.

[2]黃志堅(jiān).ICP-MS同時測定水系沉積物、土壤樣品中25種微量和痕量元素[J].世界有色金屬,2017,(01):182-183.

[3]ZhouX,XiBC.Definingandmodelingthesoil geochemicalbackgroundofheavymetalsfrom theHengshiRiverwatershed(southernChina): IntegratingEDA,stochasticsimulation andmagneticparameters[J].Journalof HazardousMaterials,2010,180(1-3):542-551.

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[6]馬瑞峻,黃倩,龔海明,李林,劉永茂,王梁.利用土壤表層磁化率監(jiān)測區(qū)域農(nóng)田重金屬[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué):1-8.

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[8]楊桂蘭,商照聰,李良君,等.便攜式X射線熒光光譜法在土壤重金屬快速檢測中的應(yīng)用[J].應(yīng)用化工,2016,(08):1586-1591.