土壤中重金属可提取态(氯化钙法)分析质量控制样品的研制

田 衎，王 尧，房丽萍，封跃鹏，周裕敏

1.环境保护部标准样品研究所 国家环境保护污染物计量和标准样品研究重点实验室，北京 100029 2.岛津企业管理(中国)有限公司北京分析中心，北京 100020

为贯彻落实《土壤污染防治行动计划》，全国农用地土壤污染状况详查(以下简称土壤详查)工作于2017年全面启动。由于重金属的生物毒性不仅与其总量有关，更大程度上由其形态分布所决定，采用土壤中重金属总量指标评价土壤污染状况，不能真实反映土壤中重金属的生态风险和环境效应[1-3]，不利于土壤重金属污染修复和土壤分类管理等环境管理工作的开展。为此，该次土壤详查土壤检测指标在重金属总量的基础上增加重金属可提取态指标。

土壤中重金属化学形态分析方法的研究已近30年，是国内外环保和农业领域的研究热点之一[4-7]。土壤中重金属可提取态分析方法中最常用的是化学浸提法[3,8]，大量研究结果表明，不同提取方法提取效率差异很大，有些方法提取的“化学有效性”重金属含量与作物吸收相关性低[9-11]，与真正的生物有效性尚有差异。

要真正实现说得清土壤重金属污染状况，筛选出前处理步骤简单且满足大批量样品分析，适用不同土壤类型的普适性重金属可提取态分析方法非常关键。

为研究统一浸提方法，环保、国土、农业等土壤详查相关部门以已有的标准分析方法及研究成果为基础，对常用的稀酸溶液、络合剂及中性盐溶液等浸提方法开展共同分析研究。结果表明，对于典型土壤类型，CaCl2试剂提取的重金属量与农作物吸收的重金属量有较好的正相关性。最终氯化钙提取法被遴选入《全国土壤污染状况详查土壤样品分析测试方法技术规定》(以下简称《技术规定》)，作为该次土壤详查土壤中重金属可提取态样品分析的前处理方法。

土壤分析质量控制样品是保障检测数据质量的重要技术手段之一，在保证检测数据准确可比等方面发挥着不可或缺的重要作用。中国已研制的土壤中重金属可提取态(有效态)标准物质，浸提剂为DTPA、稀HCl、稀HNO3、NaNO3等[12]，市场上鲜见以CaCl2作为浸提剂的土壤中重金属可提取态分析质量控制样品提供用户使用。为满足中国农用地土壤详查分析质量控制工作的需求，笔者所在团队开展了土壤中重金属可提取态(氯化钙法)统一分析质量控制样品的研制，为土壤环境监测和质量管理等工作提供技术支撑。

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

电感耦合等离子体质谱仪(DRC-e，美国PerkinElmer公司)，原子荧光光谱仪(AFS-9560，北京海光仪器有限公司)，X射线荧光光谱仪(Axios PW4400，荷兰PANalytical公司)，精密电子天平(AE240，精度为0.1 mg，瑞士Mettler-Toledo公司)，压片机(ZHY401/601 A，北京众合创业科技发展有限责任公司)，全自动翻转振荡仪(北京国环高科自动化技术研究院)，pH计(SevenMulti，瑞士Mettler-Toledo公司)。

多元素(Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn)混合标准溶液(浓度均为20 mg/L，美国Accustandard公司)，Hg和As标准溶液(100 mg/L，环境保护部标准样品研究所)，CaCl2(99.99%，上海麦克林生化科技有限公司)，使用前对其中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn等8种重金属杂质进行分析测试，确保CaCl2中杂质含量不会对分析结果产生影响。HNO3(优级纯，美国Thermo Fisher公司)。实验用水电阻率大于15 MΩ·cm(25 ℃)，满足《实验室用超纯水技术指标标准》(GB/T 6682—2008)一级水指标。

1.2 土壤样品采集与处理

在江西省旱地农田(地理坐标为29° 03′48″N，117° 40′ 56″E)共采集土壤混合样约200 kg，采样深度为0 ～ 20 cm，为红壤性粘土。采集的土壤样品除去杂物和侵入体(如石头及植物根茎等)后，在鼓风烘干机内50 ℃低温烘干，检测水分含量小于1%。研磨后过0.250 mm尼龙筛，筛下样品在混样机中以18 r/min的速度混匀6 h，置于密封良好的聚乙烯桶中暂存。装桶及搬运过程中严禁剧烈震动以防止粒度偏析。从桶内不同部位抽取20份样品，采用X射线荧光光谱法(XRF)进行均匀性初检，合格后以每瓶15 g装样量分装于高密度聚乙烯塑料瓶中，在室内常温保存。

1.3 土壤样品前处理

按照《技术规定》中重金属可提取态浸提方法进行样品前处理。称取土壤试样4.00 g(精确至0.01 g)于50 mL具塞塑料离心管中，加入40 mL CaCl2溶液(0.01 mol/L)，拧紧管盖，放置于全自动翻转振荡仪中，在控温(20±2)℃实验室内，以转速为25 r/min翻转振荡提取120 min。将离心管在离心机中以3 000 g离心力离心10 min，上清液用0.45 μm滤膜过滤，弃去润洗液0.5 mL，其余过滤液收集于50 mL容量瓶中。按照相同的步骤制备2个空白试样。

1.4 土壤样品分析测试

分析元素为土壤详查规定的 8个重金属元素，包括As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb 和 Zn，同时测定了土壤的酸碱度，分析方法详见表 1。

表 1 土壤样品分析方法Table 1 Analytical method for soil samples

2 结果与讨论

2.1 土壤样品采样点位的筛选

土壤样品采集的主要原则：①为避免基体添加技术导致样品失真，土壤样品直接采集天然土壤，在样品加工制备过程中未向土壤样品中添加任何重金属污染物；②采集中国重金属重点防治区域内分布较广、面积较大的耕地(水田、水浇地、旱地)和蔬菜地或果园等农用地土壤，土壤类型具有典型性和代表性，优先选择污染行业企业(含工业园区)、固废集中处理处置场地、采矿区、历史污染区域周边粮食主产区或主要蔬菜种植区土壤；③土壤中多种可提取态重金属元素含量在《技术规定》中分析方法定量限以上，重点关注生物毒性较强且易被农作物吸收并累积的Cd元素，同时兼顾其他重金属元素。

中国已开展的土壤环境例行监测和土壤环境专项监测工作监测项目基本为重金属总量，而氯化钙法提取效率与污染来源、土壤pH、有机质含量和阳离子交换量(CEC)等相关[2]，因此，重金属可提取态原料样品采集不能直接参考重金属总量监测数据。此外，土壤中重金属可提取态含量受到外界较明显的影响，空间离散性和分异性大，这使土壤样品采样点位的筛选比较困难。为此，依据中国农作物主产区分布特征，前期在云南、湖南、河北、湖北、河南、江西、浙江等7省(区、市)各预设了2个采样点位，共计预设了14个采样点位采集土壤小样，通过分析初步判断土壤中重金属可提取态的大致含量。结果表明：Hg元素在14个采样点位中均未检出，江西采样点位(地理坐标为28°18′57″N，117°13′27″E)土壤主要受附近冶炼厂重金属污染，土壤中可检出重金属覆盖6个指标，该点位土壤类型为红壤，土壤质地为粘土，土壤质地和类型在长江以南等地很有典型性和代表性，最终该点位作为大体积土壤样品的采样点位。

2.2 样品粒度的确定

《技术规定》中检测重金属可提取态的土壤样品要求自然风干或冷冻干燥，样品加工粒径小于2 mm，最大限度地避免了土壤样品研磨对土壤矿物晶粒的破坏及对土壤中重金属各种形态的改变。对于日常环境监测，《土壤环境监测技术规范》(HJ 166—2004)中规定土壤形态分析样品加工粒径为0.850 mm，《土壤质量 有效态铅和镉的测定》(GB/T 23739—2009)中规定土壤样品加工粒径小于2 mm。在土壤分析质量控制样品制备过程中发现，加工至粒径小于2 mm，大体积土壤样品分层现象非常严重，不能满足土壤分析质量控制样品均匀的基本要求。考虑到土壤分析质量控制样品的功能是对样品分析过程进行质量控制，而不是为了评价实际土壤环境中重金属可提取态的真实含量水平，因此土壤样品加工粒径没有必要与《技术规定》要求一致。土壤样品不同加工粒径实验表明，加工粒径为小于0.250 mm，既满足土壤样品均匀性要求，又利于土壤样品浸提上清液过滤，因此，土壤样品加工粒径确定为小于0.250 mm。

2.3 均匀性检验

均匀性检验的主要目的是检验样品最小包装单元间组分的匀质程度，而不是为了测量样品中检测指标的真实含量。因此，均匀性检验分析方法重点是保证分析方法具有良好的精密度。采用氯化钙法浸提土壤，提取液中重金属含量低，溶解的盐类基体含量高，造成样品易污染、盐类浸提试剂背景干扰大和分析精密度较差等缺点。采用X射线荧光光谱法分析土壤中重金属总量具有步骤简单，制样误差小，测定主、次元素精密度高，分析效率高等优点，且理论样品分析量远小于重金属可提取态分析样品取样量，满足土壤样品均匀性分析要求。鉴于以上原因，土壤样品均匀性检验除分析重金属可提取态指标外，沿用了欧盟和中国国土部门评价土壤形态成分分析标准物质均匀度的方法，以重金属元素总量作为补充指标，检验重金属全量成分的均匀度佐证土壤样品的均匀性[12-13]。

2.3.1 重金属总量分析

依据各元素的含量水平和物理化学特性选择8个无机元素进行均匀性检验，包括Al2O3、As、Cu、Fe2O3、Ni、Pb、SiO2和Zn。其中As、Cu、Ni、Pb、Zn等5种元素为土壤分析质量控制样品定值指标。分层随机抽取20份样品，压制平行双样后采用X射线荧光光谱法进行分析测试。

2.3.2 重金属可提取态分析

在样品分装的前、中、后期，分层随机抽取15瓶样品作为均匀性检验样品。检测指标覆盖土壤样品定值的全部8种重金属元素，样品取样量为4.0 g。ICP-MS分析时发现，土壤浸提液中的CaCl2及水溶性盐产生基体效应，对分析信号强度表现出较强的抑制效应，且长时间分析很容易在采样锥锥孔处产生积盐，导致仪器信号漂移。为提高分析的准确度，标准系列配制时采用基体匹配法消除CaCl2产生的基体效应，同时选用45Sc作为52Cr的内标，74Ge作为60Ni、63Cu、65Zn的内标，103Rh作为111Cd的内标，187Re作为208Pb的内标，通过Y型三通管在线引入内标溶液减少仪器信号漂移，进一步消除基体效应[14]。每10个样品分析空白样品和水质监控样监控仪器信号或仪器背景噪声的漂移。

2.3.3 均匀性检验评价方法

常用的均匀性检验数理统计方法包括单因素方差分析法(F检验法)、相对标准偏差法(RSD法)、t检验法和极差法等[15]。其中，F检验法对原始数据利用较充分，但在分析方法精密度较差的情况下，用F检验法评价样品的均匀性会存在F值虽在临界值内，但RSD较大，而实际上样品并不均匀的情况；另一种特殊情况是F值虽然超出临界值，但RSD很小。RSD客观上反映了测试的随机误差和样品不均匀性引起数据的波动程度，RSD很小说明样品是均匀的，可以满足样品的预期用途。为了克服单一均匀性评价方法的缺陷，同时采用F检验法和RSD法评价土壤样品的均匀性。上述2种评价方法仅为均匀性的定性评价，通过计算瓶间均匀性不确定度分量(ubb)定量评定土壤样品的均匀程度。瓶间均匀性标准不确定度分量评定公式为[16]

(1)

(2)

式中：MS间为瓶间均方，MS内为瓶内均方，n为平行测定次数，ν内为自由度。以上2个公式计算结果的最大值为瓶间均匀性标准不确定度分量。土壤中重金属总量和可提取态均匀性检验统计分析结果见表2和表3，其中Pb、Cr和Hg等3种元素提取效率极低，小于分析方法定量限，未进行均匀性检验。由XRF法分析结果可见，除As、Fe2O3和SiO2外，其余元素F统计量均小于F0.05(19,20)=2.14，RSD最大为2.0%。5个重金属可提取态均匀性检验F统计量均小于F0.05(14,15)=2.42，RSD最大为2.5%，说明土壤样品均匀性良好。

表 2 土壤中重金属总量均匀性检验统计分析结果Table 2 Results of the homogeneity study for total heavy metals in soil

表 3 土壤中重金属可提取态均匀性检验统计分析结果Table 3 Results of the homogeneity study for extractable heavy metals in soil

3 标准值及不确定度评定

采用多家实验室联合定值方式定值，联合定值实验室共8家，其中环保和国土系统实验室各4家，均为各自系统内分析技术水平较高的专业实验室，且大部分实验室参加了环保、国土和农业等相关部门组织的氯化钙法的研究或验证工作。《技术规定》中氯化钙法检出限为普通实验室可达到的检出限，该次联合定值要求每家实验室除提供定值结果外，还要提供每个实验室的检出限。联合定值采用的前处理及分析方法见表 4。Cd、Cr、Ni、Pb等4种重金属元素基本为1种分析方法测试。不同原理测试方法结果是否一致是判断定值结果是否可靠可行的重要依据，ICP-MS为测量低含量重金属元素的公认可靠方法，采用1种方法定值结果也是可信的[17]。

表 4 联合定值采用的前处理及分析方法Table 4 Summary of pretreatment and analysis methods used for certification

3.1 测试数据统计处理

依据《标准样品定值的一般原则与统计方法》(GB/T 15000.3—2008)和《全国土壤污染状况详查质量控制样品研制技术要求》对分析结果进行统计分析。共收集 8家实验室64 组数据，数据汇总后首先进行技术审查，对有明显系统偏倚或精度差的个别数据组要求定值实验室进行复检，As、Cd、Cu元素各有1家实验室复检，复检率为4.7%。低于《技术规定》分析方法定量限，但大于定值实验室分析方法定量限的数据予以保留。合格后的数据分别采用Grubbs、Cochran和Dixon准则对实验室组内、组间数据精度和平均值进行检验。剔除异常数据后的全部数据采用偏度/峰度法进行正态性检验。经Grubbs准则和Dixon准则检验，2种方法检验后离群的数据均予以剔除；经Cochran准则检验发现的方差可疑值和离群值，经判断后决定其取舍。

3.2 标准值及不确定度的评定

表 5 土壤分析质量控制样品统计分析、标准值及其上限值评定结果Table 5 Summary of statistical data, certified values, upper and lower limits of CaCl2-extractable heavy metals in QC sample mg/kg

3.3 与同类标准物质定值结果比较

中国现行土壤质量标准没有重金属可提取态指标，相配套的评价体系也未建立，无法开展研制的土壤中重金属可提取态分析质量控制样品污染水平评价。研制的土壤质量样品pH为4.75，属于强酸性土壤，浸出液pH为4.25，与同类酸性标准物质定值结果比较(表 6)发现，以CaCl2、DTPA和NaNO3作为浸提剂，土壤中Cr和Hg提取效率极低，均无法有效检出，中性盐浸提剂NaNO3和CaCl2对As和Pb的提取效率不高，研制的土壤中重金属可提取态分析质量控制样品和标准物质均无法覆盖土壤详查的8种重金属元素。

表 6 研制的土壤分析质控样品与同类标准物质定值结果比较Table 6 Compared of presented QC sample with similar certified reference material

4 总结

1)为满足农用地土壤污染状况详查分析质量控制工作要求，研制了土壤中重金属可提取态(氯化钙法)分析质量控制样品。选择江西省土壤开展样品制备与联合定值，As、Cd、Cu、Ni和Zn等5种元素评定了标准值，并给出了标准值的上下限值，Cr、Pb、Hg等3种元素分析结果低于分析方法检出限，未评定标准值。研制的土壤分析质量控制样品已应用于土壤详查工作，也为今后同类型土壤标准样品的研制奠定了技术基础。

2)农作物对土壤中重金属的吸收利用是一个非常复杂的生物化学过程，既与重金属的有效态密切相关，也取决于农作物根系对微环境的改造等因素。彻底说清土壤重金属污染与农产品累积的关系为时尚早。鉴于此，在今后的环境科研等工作中，仍需开展土壤中重金属可提取态浸提机理、重金属在农作物体内的迁移过程和机理等研究，制定科学合理的可提取态分析方法并上升为国家标准，尽快应用到实际监测工作中。

3)中国现行土壤质量标准没有重金属可提取态指标，相配套的评价体系也未建立，通过此次农用地土壤详查基础数据的收集，抓紧制定土壤中重金属有效态的限量标准，对指导土壤分析质量控制样品的研制、土壤修复和土壤分类管理等环境管理工作有重要意义。