土壤重金属监测技术和方法最新研究进展

□郭光贵张明锦/.芦山县农产品质量安全检验检测站.自贡市环境监测中心站

土壤重金属监测技术和方法最新研究进展

□郭光贵1张明锦2/1.芦山县农产品质量安全检验检测站2.自贡市环境监测中心站

本文阐述了土壤重金属监测技术和方法的最新研究进展。以电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）为代表的联用仪器分析法精度高、准确性强，是目前异位监测方法的研究热点。以土壤磁化率技术等为基础的原位监测技术为土壤重金属监测技术和方法的发展带来了活力，其优势在于可实现非破坏性、快速、大面积监测土壤重金属，且该方法容易重复验证、缩短实验周期，这些都是异位监测方法不可比拟的；不足之处是准确性弱、推广性差。因此，提高原位监测技术和方法的精准性、普适性和推广性是目前研究的热点。

1 引言

土壤作为人类生产和生活的重要资源之一，其质量状况直接关系到耕地质量，影响农产品质量安全和人居环境健康。2005年4月至2013年12月，国家环境保护部会同国土资源部开展了我国首次全国土壤污染状况调查。调查结果表明，我国的土壤污染类型以无机型为主，有机型次之。无机污染物主要包括镉、汞等多种重金属。2017年4月，国务院办公厅发布的《2017年食品安全重点工作安排》中要求，启动土壤污染状况详查，推动土壤污染防治立法和土壤环境质量标准修订。我国土壤的重金属污染情况已不容乐观，加强对土壤重金属污染的监测和防治已迫在眉睫。

2 土壤重金属监测方法

土壤重金属监测方法可分为异位监测方法和原位监测方法两类。异位监测方法，虽然成本高、制样复杂、耗时耗力且具有一定的破坏性，但其精度高、稳定性强、受干扰程度低，所以仍是目前实验室主要的重金属分析方法。而原位监测法可以非破坏性、快速、实时地对土壤重金属进行监测，因此，该方法在污染事故、污染纠纷等应急监测方面凸显优势。但目前的原位监测方法精度差、分辨率较低，只能对土壤中的重金属进行粗略监测。

2.1 异位监测方法

异位监测方法是传统的监测方法，首先是进行田间样品的采集，然后将样品带回实验室进行分析和数据处理。实验室分析方法分为化学分析法和仪器分析法。化学分析法因其选择性差、样品前处理繁琐、灵敏度低，多见于早期土壤重金属含量及微量元素研究。仪器分析法主要包括原子吸收光谱法（AAS）等，不同的监测方法根据具体情况和要求适用于不同的监测环节。

为了满足高精度、操作简便等要求，将两种或多种光学、电化学仪器联合使用，发挥各个仪器优势的联用仪器分析法，已成为微量元素监测研究的发展趋势。联用仪器分析法大大提高了元素检出限，大部分重金属元素可测至ng·L-1；可同时进行多元素测定、定性定量分析。目前常用的联用仪器分析法有电感耦合等离子质谱法和电感耦合等离子体发射光谱仪法。

2.1.1 电感耦合等离子质谱法

电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）在元素定量分析、同位素分析和形态分析等领域发展迅速。ICP-MS分析元素的工作原理是待检样品经前处理成溶液后，被引入ICP并在ICP的高温环境下离子化，样品溶液中的多种元素离子被ICP-MS的接口提取到高真空的质谱仪中，经过质量筛选器筛选，具有特定质荷比（M/Z）的离子被传输和检测。在国内，ICP-MS技术已逐渐应用于土壤重金属监测领域，为土壤重金属监测提供了有力的技术保障。彭杨等建立了土壤/沉积物中V、Cr等14种金属元素的ICP-MS准确测定方法[1]。黄志坚采用ICP-MS同时测定了水系沉积物和土壤样品中的Li、Be等25种元素，实验的准确度高、精密度好、效率快[2]。

2.1.2 电感耦合等离子体发射光谱仪法

电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）工作原理是待检样品经前处理成溶液后，由进样器引入雾化器，并被氩载气带入等离子体焰中央，在高温和惰性气氛中被充分蒸发、原子化、电离和激发，发射出所含元素的特征谱线，根据特征谱线存在与否、特征光强弱来进行样品的定性定量分析。Zhou等运用ICP-AES确定中国南部恒世河流域土壤重金属含量[3]；Wei等运用ICP-AES测得中国城市土壤重金属含量[4]。

2.2 原位监测方法

原位监测方法是在不影响被测物状态及周围环境的前提下，对目标物含量进行实时在线跟踪测定。土壤重金属原位监测，即将土壤遥感（电磁感应）、地理统计方法等多学科整合，逐步进行连续、高密度监测，实现了土壤特性在时间和空间分布上的同步监测。下面简要介绍支持原位监测法的土壤磁化率技术、激光诱导击穿光谱技术和X射线荧光光谱法（XRF）。

2.2.1 土壤磁化率技术

磁化率表示物质在外磁场作用下被磁化的难易程度。目前土壤磁化率技术已逐渐应用于城市环境污染和重金属污染调查。通过磁化率的分析，可间接反映污染状况和环境变化。罗伟等通过测定土壤铅（Pb）含量和土壤磁化率，建立了基于土壤低频磁化率的土壤Pb含量的回归方程[5]。马瑞峻等也同样利用环境磁学技术监测了农田重金属污染情况，认为利用土壤表层体积磁化率监测及评价土壤重金属污染情况的方法是可行有效的[6]。

2.2.2 激光诱导击穿光谱技术

激光诱导击穿光谱技术（LIBS），又称为激光诱导等离子体光谱，是一种快速、原位地对任何状态（固、液和气态）物质元素进行化学分析的检测技术。近年，该技术已广泛应用于环境化学监测、工业处理、生物医学、农业与食品等相关领域。余克强等采用LIBS技术实现了对土壤重金属Pb和Cd含量的定量检测[7]。

2.2.3 X射线荧光光谱法

X射线荧光光谱法（XRF）是一种利用样品对X射线的吸收随成分及含量变化进行定性或定量分析的方法。X射线荧光光谱分析法以快速、无损、分析成本低且可多元素同时分析和原地检测的优点在重金属检测领域得到广泛应用，特别是在土壤重金属检测中发挥了重要的作用。杨桂兰等采用便携式X射线荧光光谱仪（PXRF）检测了土壤中常见重金属元素Cr、Ni等的含量，结果表明实验室条件下检测结果与ICP-OES检测结果的相关性较好，可用于土壤中重金属元素的快速测定[8]。

3 土壤重金属监测方法的发展趋势

联用仪器分析法（如ICP-MS和ICP-AES）具有检出限低、精度高、用时少、可同时进行多元素分析等优点，已成为土壤重金属监测中主要的异位监测方法。但由于目前联用仪器价格昂贵，需要专业的技术人员操作，因此，研究智能化、简便化的联用仪器势在必行，可在保障高精度监测的同时大大节约监测成本。

土壤磁化率技术、激光诱导击穿光谱技术、X射线荧光光谱法等的发展，为原位监测方法提供了有力的技术支撑，可实现非破坏性、快速、大面积监测土壤重金属。但目前，原位监测技术能做到的还只是大面积、快速估算土壤重金属含量，其准确性还有待进一步提高。在实际监测过程中，应根据监测目标、监测要求选择适宜的监测技术和方法，这有利于在平衡人力、物力、财力和技术能力的同时，提高土壤重金属监测效率和能力。

[1]彭杨,吴婧,巢静波,陈艳.土壤/沉积物中14种金属元素的ICP-MS准确测定方法[J].环境化学,2017,(01):175-182.

[2]黄志坚.ICP-MS同时测定水系沉积物、土壤样品中25种微量和痕量元素[J].世界有色金属,2017,(01):182-183.

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

[4]WeiBG,YangLS.Areviewofheavymetal contaminationsinurbansoils,urbanroaddusts andagriculturalsoilsfromChina[J]. MicrochemicalJournal,2010,94(2):99-107.

[5]罗伟,谢贤健,陈婷旭,李艳梅,艾道林,阿木拉堵.中小城市不同土地利用方式下土壤磁化率空间分布及对铅元素含量的指示意义[J].土壤通报,2017,(01):53-60.

[6]马瑞峻,黄倩,龚海明,李林,刘永茂,王梁.利用土壤表层磁化率监测区域农田重金属[J].江苏农业科学:1-8.

[7]余克强,赵艳茹,刘飞,何勇.激光诱导击穿光谱技术检测土壤中的铅和镉含量[J].农业工程学报,2016,(15):197-203.

[8]杨桂兰,商照聪,李良君,等.便携式X射线荧光光谱法在土壤重金属快速检测中的应用[J].应用化工,2016,(08):1586-1591.