利用改进的BCR法和Tessier法提取稻田土壤中Pb、Cd的对比研究

邓晓霞,米艳华,黎其万*,段红平*,杜丽娟,3,和丽忠,3,尹本林,3,陈 璐

(1.云南农业大学 资源与环境学院,云南 昆明 650223;2.云南省农业科学院 质量标准与检测技术研究所,云南 昆明 650221;3.农产品质量监督检验测试中心(昆明),云南 昆明 650221)



利用改进的BCR法和Tessier法提取稻田土壤中Pb、Cd的对比研究

邓晓霞1,米艳华2,黎其万2*,段红平1*,杜丽娟2,3,和丽忠2,3,尹本林2,3,陈 璐2

(1.云南农业大学 资源与环境学院,云南 昆明 650223;2.云南省农业科学院 质量标准与检测技术研究所,云南 昆明 650221;3.农产品质量监督检验测试中心(昆明),云南 昆明 650221)

采用改进的BCR法和Tessier法,分别对云南省个旧市稻田土壤样品中重金属元素Pb、Cd各形态的含量进行了测定和分析。结果表明:土壤样品中的Cd主要以酸可提取态的形式赋存, Pb主要以可还原态的形式存在；改进的BCR法分析结果的精密度高于Tessier法的；采用Tessier法分析的土壤重金属有效态的含量高于BCR法的；在用这两种方法测定得到的土壤重金属部分形态含量间存在极显著的相关性。

改进的BCR法; Tessier法;稻田土壤;重金属;化学形态

土壤是宝贵的资源,也是重要的环境要素。目前,许多国家的土壤正在遭受不同程度的重金属污染,土壤重金属污染已成为当前日益严重的环境问题。我国土壤重金属污染的基本形势是:污染面积不断扩大、污染程度不断加剧、污染造成的损失逐年加剧以及重金属污染事件频繁发生。因此,对土壤重金属的研究已成为当前全球研究的热点之一[1]。个旧市是中国有名的“锡都”,矿业活动造成当地土壤受到污染,影响了当地居民的身体健康。乔鹏炜等[2]对个旧矿区大屯的耕地和土壤中的重金属含量进行了污染评价,发现红壤重金属的污染程度较大。李江燕等[3]对个旧大屯镇的土壤和蔬菜重金属含量进行了风险评价,发现土壤中Zn、Cu、Cd含量超出了国家土壤环境质量标准。前人对土壤中重金属的评价研究大多基于重金属总量,但是用重金属的总量不能完全评价重金属对生物的影响,重金属对生物的毒性在很大程度上是由重金属的有效态决定的。为了研究重金属的化学形态,多采用重金属连续提取方法。研究者比较常用的多级连续提取方法主要是Tessier等[4]在1979年提出的五步连续提取法和Rauret等[5]提出的改进的BCR连续提取法。冯素萍等[6]利用这两种方法对褐土、潮土和棕壤中重金属形态进行了对比分析,但是对稻田土红壤中重金属形态的研究鲜见报道。

本文以云南省个旧市大屯镇的稻田土红壤为研究对象,采用改进的BCR法和Tessier法,对稻田土壤中重金属的形态进行了分析,并对用两种方法所得的测定结果进行了比较,以期为云南区域环境污染状况调查与风险评价的研究工作奠定基础。

1　材料与方法

1.1土壤样品采集及分析

以云南省个旧市大屯镇的稻田土壤为研究对象。土壤样品采集采用GPS定位,用梅花点法选取表层( 0～20 cm)的土壤样品。采用四分法取样,将采集的土壤样品去除植物根系、石块等,在室内自然风干，碾磨过100目筛后备用。采用HClO4+HF+HNO3消解法[7]测定土壤样品中重金属元素的总量；用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定溶液中各种重金属的含量；所有测定均重复3次,取平均值。利用SPSS 22.0、Excel 2010和Origin 9.0进行数据处理和图形分析。

供试土壤的基础理化性质见表1。

表1　供试土壤的基础理化性质

1.2改进的BCR连续提取法

第一步(酸可提取态):称取1.000 g样品于50 mL聚丙烯离心管中,加入40 mL 0.11 mol/L HAc提取液,在室温下震荡16 h后,离心分离(5000 r/min,10 min)；将上层清液倒入聚乙烯瓶中(取10 mL提取液和10 mL HNO3于烧杯中，加盖后置于电热板上消解定容后待测,下同)。加入20 mL去离子水洗涤残余物,振荡20 min,离心,弃去清洗液。

第二步(可还原态):向第一步的残余物中加入40 mL 0.5 mol/L NH2OH·HCl提取液,在室温下震荡16 h,离心分离。其余操作同第一步。

第三步(可氧化态):向第二步的残余物中加入10 mL H2O2,盖上离心管盖,在室温下消解1 h,然后去盖置于85 ℃水浴锅中消解1 h,加热至溶液蒸发近干,再加入10 mL H2O2,加热至溶液近干。冷却后,加入50 mL 1 mol/L NH4OAc提取液,在室温下震荡16 h。其余操作同第一步。

第四步(残渣态):将经过第三步提取后的残渣称取0.1000 g，转移到50 mL聚四氟乙烯烧杯中,然后加入10 mL HNO3、1 mL HF和1 mL HClO4,加盖后于电热板上消解至澄清透明。

1.3Tessier 5步连续提取法

第一步(可交换态):称取2.000 g样品于50 mL聚丙烯离心管中,加入16 mL 1 mol/L的MgCl2(pH 7.0)溶液,在室温下震荡1 h,离心分离(5000 r/min,10 min)；倒出上层清液于聚乙烯瓶中(取10 mL提取液和10 mL HNO3于烧杯中，加盖后置于电热板上消解定容后待测,下同)。加入20 mL去离子水洗涤残余物,振荡20 min,离心,弃去清洗液。

第二步(碳酸盐结合态):向第一步的残余物中加16 mL 1 mol/L NaAc (pH 5.0)溶液,在室温下震荡5 h,离心分离。其余操作同第一步。

第三步(铁锰氧化物结合态):向第二步的残余物中加16 mL 0. 04 mol/L NH2OH·HCl (25%HAc溶液),于(96±3)℃下断续震荡6 h,离心分离。其余操作同第一步。

第四步(有机结合态和硫化物结合态):向第三步的残余物中加3 mL 0.01 mol/L HNO3和5 mL 30%H2O2(pH 2),将混合物水浴加热到(85±2)℃,在此过程中间断震荡2 h；再加入5 mL H2O2(pH 2),将混合物置于(85±2)℃下加热2 h,并间断震荡；待冷却到(25±1)℃后,加入5 mL 3.2 mol/L NH4Ac (20%HNO3溶液),连续震荡30 min,离心分离。其余操作同第一步。

第五步(残渣态):将经过第四步提取后的残渣称取0.1000 g，转移到50 mL聚四氟乙烯烧杯中,然后加入10 mL HNO3、1 mL HF和1 mL HClO4,加盖后于电热板上消解至澄清透明。

2　结果与分析

2.1采用改进的BCR法分析重金属形态的结果

采用改进的BCR法,测定了云南省个旧市大屯镇稻田土壤样品中重金属Pb、Cd的赋存形态,结果见图1。在供试的7个土壤样品中, S1和S4两个土壤样品重金属Pb各形态的含量表现为残渣态>可氧化态>可还原态>酸可提取态,可以看出这两个土壤样品中残渣态所占比例最高,酸可提取态比例最低。S2、S3、S5、S6、S7五个土壤样品重金属Pb各形态的含量表现为可还原态>残渣态>可氧化态>酸可提取态，可见这5个土壤样品中可还原态所占比例最高,酸可提取态比例最低。以上结果表明S1和S4这两个土壤样品中Pb的生物有效性[8]小于其他5个土壤样品中的,主要是因为可还原态会随着土壤pH值降低而转变成活性较强的酸可提取态[9],而残渣态的稳定性最强,对生物的毒性最小。在7个土壤样品中,重金属Cd不同形态的含量均表现为酸可提取态>残渣态>可还原态>可氧化态。说明这7个土壤样品中Cd主要以酸可提取态存在，而酸可提取态容易被植物吸收利用,因此这7个土壤样品中的Cd对作物有一定的生态风险。

图1　供试土壤重金属的形态分布(BCR法)

2.2采用Tessier 5步提取法分析重金属形态的结果

用Tessier 5步提取法分析稻田土壤中不同形态的Pb、Cd含量,结果见图2。在供试的7个土壤样品中,重金属Pb各形态的含量表现为铁锰氧化物结合态>有机结合态>碳酸盐结合态>残渣态>可交换态，说明这7个土壤样品中Pb铁锰氧化物结合态占的比例比较高,而Pb可交换态比例较低。当土壤pH值降低时, Pb可交换态含量会增加,而铁锰氧化物结合态含量会减少[8]，因此这些土壤样品中的Pb在现阶段不会对环境产生明显的影响,但是随着土壤理化性质的改变,其形态也会发生变化。重金属Cd各形态的含量顺序为铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>残渣态>交换态>有机结合态。由于这些土壤样品中Cd碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态的含量较高，而且它们会随着土壤pH值的升高而增加[9],因此重金属Cd对稻田土壤环境有潜在的生态风险。

图2　供试土壤重金属的形态分布(Tessier法)

2.3两种方法的精密度比较

计算改进的BCR法和Tessier法分析所得的7个土壤样品Pb、Cd各形态含量的相对平均偏差，以此来比较这两种方法的精密度[10],结果见表2、表3。从表2～表3可以看出：改进的BCR法计算出的相对平均偏差为0.05%～11.78%；而Tessier法计算出的相对平均偏差为0%～17.59%。说明改进的BCR法分析结果的精密度明显优于Tessier 5步提取法的。黄思宇等[11]研究也发现Tessier 5步提取法的分析结果可比性差。

2.4两种方法提取能力的比较

用Tessier提取法提取出来的Pb、Cd的交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态会因土壤理化性质的改变而发生形态变化,生物有效性高[12]。用改进的BCR提取法提取的酸可提取态和可还原态稳定性差,可以被作物吸收利用[13]。因此,本文将Tessier提取法提取出来的交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态以及改进的BCR提取法提取出来的酸可提取态和可还原态作为重金属元素的有效态。从两种方法对土壤重金属Pb、Cd有效态提取能力的比较结果(表4)可以看出,采用Tessier法测得的7个供试土壤样品重金属有效态的含量大于用改进的BCR法测得的有效态的含量。陆泗进等[14]采用Tessier法和Maiz法对不同类型土壤中不同重金属形态进行了分析研究，发现Tessier法提取的重金属有效态的含量大于Maiz法的。

表2　BCR法所得各重金属元素不同形态含量的相对平均偏差 %

表3　Tessier法所得各重金属元素不同形态含量的相对平均偏差 %

2.5两种方法所得重金属各形态含量间的相关性

忽略两个重金属元素Pb、Cd之间的差异性，以Tessier提取法得到的重金属各形态的含量为自变量x,以用改进的BCR提取法得到的结果为因变量y，进行相关线性统计分析,结果见表5。从表5可以看出, Tessier法和改进的BCR法提取的Pb+Cd残渣态含量间相关性最高,相关系数达0.9827。因此用这两种方法提取出来的残渣态含量可以认为相同[10]。另外，在Tessier法提取的可交换态和碳酸盐结合态含量之和与改进的BCR法提取的酸可提取态含量间、Tessier法提取的铁锰氧化物结合态含量与改进的BCR法提取的可还原态含量间，以及Tessier法提取的有机结合态含量与改进的BCR法提取的可氧化态含量间均存在极显著的相关关系,因此,也可以将Tessier法和改进的BCR法提取的这些形态视为等同，也说明这两种方法对重金属形态分组的实质大致相同。Tessier法对重金属的形态进行了详细的分类且在形态分类上包容性较好[15],而改进的BCR法对重金属形态的分组较为简单,更有利于在实际工作中应用。

表4　两种提取法对土壤重金属Pb、Cd有效态的提取率 %

表5　两种方法所得土壤重金属各形态含量间的相关性

3　结论与讨论

本研究结果表明:云南稻田土壤中的Cd主要以酸可提取态的形式赋存,具有较高的生物有效性; Pb主要以可还原态的形式存在,具有潜在的生物有效性,存在一定的生态风险； Cd的生物有效性大于Pb；改进的BCR法分析结果的精密度明显优于Tessier 5步提取法的；但后一种方法测得的土壤重金属Pb、Cd有效态的含量大于BCR法测得的。

在Tessier法与改进的BCR法测定的土壤重金属部分形态含量间存在极显著的相关性，说明这两种方法对重金属形态的分组虽然不同，但实质上是一样的。由于改进的BCR法对重金属形态的分组较为简单,实验操作方便,分析结果的精密度也高，因此该方法更适合于区域环境土壤污染状况的评价。

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(责任编辑:黄荣华)

Comparative Study on Extraction of Pb and Cd from Paddy Soils by Modified BCR Method and Tessier Method

DENG Xiao-xia1, MI Yan-hua2, LI Qi-wan2*, DUAN Hong-ping1*,DU Li-juan2,3, HE Li-zhong2,3, YIN Ben-lin2,3, CHEN Lu2

(1. College of Resource and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650223, China; 2. Institute of Quality Standard and Testing Technique, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650221, China; 3. Kunming Center of Agricultural Products Quality Monitoring and Testing, Kunming 650221, China)

The author respectively used modified BCR method and Tessier method to determine and analyze the contents of various forms of heavy metal elements Pb and Cd in paddy soil samples in Gejiu city of Yunnan province. The results showed that: in soil samples, Cd existed mainly in the form of acid-extractable state, and Pb existed mainly in the form of reducible state; the modified BCR method possessed a higher accuracy in analysis than Tessier method; the effective-state content of heavy metals in soil obtained by Tessier method was higher than that did by modified BCR method; there were very significant correlations between the contents of some forms of heavy metals in soil measured by these two methods.

Modified BCR method; Tessier method; Soil of paddy field; Heavy metal; Chemical form

2016-04-05

农业部公益性行业(农业)专项(201303088);云南省科技创新人才计划项目(2014HB059、2015HC025)。

邓晓霞(1990─),女,四川平昌人,硕士研究生,从事农业环境与农产品质量安全研究工作。*通讯作者:黎其万、段红平。

X53

A

1001-8581(2016)09-0064-05