农业土壤重金属污染监测技术研究

麦晓霞

（肇庆高新区生态环境监测站，广东 肇庆 526238）

农业土壤是农作物赖以生长的基础，作为农业生产发展的重要基础性资源，也是构成农村生态环境的重要内容。随着工业化、城镇化进程加快，以及农药化肥过量使用，农业土壤环境重金属污染现象日趋严重，不仅破坏了农业土壤生态系统，也导致了农作物减产减收，经农作物根系吸收后经食物链，会危害人体健康。根据农业农村部环保监测系统对全国140万公顷污灌区调查发现，有64.8%的污灌区遭受重金属污染，每年因农业土壤重金属污染而导致的粮食减产达1000多万吨，经济损失约200亿元。重金属污染物具有难降解、易累积、毒性大等特性，如汞、镉、铅等影响植物生长发育，也会对人体健康产生较为明显危害。因此，进一步做好农业土壤重金属污染监测，并采取有效修复措施，对守住耕地红线，维护农业生态环境，助力乡村振兴战略实施等，均具有积极的现实意义。

1 农业土壤重金属监测方法

农业土壤重金属污染物主要来自大气沉降、污水排放、地膜、化肥、农药过量施用。实验室监测与现场快速监测是农业土壤重金属污染监测的主要方式，其中，实验室监测与现场快速监测两种监测方法又涵盖了多个具体的监测技术，通过土壤重金属污染监测，能够及时了解农业土壤重金属污染现状，使防治更加具体、可行。

1.1 实验室监测方法

作为一种传统监测方法，实验室通过监测农业土壤重金属污染物含量，利用农田土壤样品采集，然后对该样品进行重金属成分监测，获得土壤重金属含量成分数值，并根据相关标准，分析其是否超标。目前，实验室监测方法主要包括：

1.1.1 原子吸收光谱法

农业土壤重金属污染原子吸收光谱监测法，是通过分析蒸气中被监测金属基态原子共振辐射吸收强弱，根据共振幅射吸收强弱来评估被监测土壤中各种重金属污染物的指标含量。该方法监测土壤样品的优势在于其监测灵敏度高、适用范围广，但该方法的不足是需要耗费较高成本，操作流程复杂。

1.1.2 原子荧光光谱法

通过原子荧光光谱监测法监测农业土壤重金属污染物含量，其原理是利用原子蒸气吸收一定波长的光辐射，原子蒸气在光辐射作用下激发原子荧光，在满足相关标准要求下，农业土壤样品中重金属污染物原子浓度与原子荧光辐射强度成正向关系，通过分析荧光波长，从而分析获取被监测农业土壤中的重金属污染物浓度。原子荧光光谱法监测土壤样品的优势在于其监测灵敏度高、操作简便，但该方法的不足是只能在特定条件下使用，推广范围受局限，此外，为达到预期分析效果，常需要添加辅助特定试剂。

1.1.3 电化学分析法

农业土壤重金属污染电化学分析法，是给予监测土壤样品在溶液中及电极上的电化学性质而采取的一种监测方法，电化学分析法是农业土壤重金属污染实验室监测中最基础的一种监测方法。电化学分析法监测农业土壤具有操作简便、监测灵敏度高、监测速度快等优势，该方法的不足是易受到离子干扰。

1.2 现场快速监测方法

实验室监测农业土壤重金属污染状况时，需要将土壤样品运输、储存到专门场所，不仅成本高，还耗费大量时间。现场快速监测方法由于在监测现场即可对监测样品进行分析监测，具有较强的现实推广优势。

1.2.1 激光诱导击穿光谱技术

激光诱导击穿光谱技术，又叫LIBS技术，这是一种新兴的原子发射光谱分析法，其原理是利用激光器发射的激光源，结合聚透镜将激光束聚于土壤监测样品表面，并由此形成能量高的光斑，瞬时高温将聚焦处的监测样品激发至等离子态，由此产生相应的原子发射光谱。再将等离子体发射谱线运用光学采集系统进行采集，并将采集到的光谱线通过光纤传导至光谱仪。测量等离子体发射光谱波长及强度，从而计算出监测土样中的重金属元素及其含量。与其他光谱监测技术相比，LIBS技术监测农业土壤样品的优势在于其可同时分析多种元素，非接触或非破坏条件下可直接进行现场土壤样品监测，监测效率高，可连续监测。作为一种新兴应用的半定量化监测技术，也存在一些亟待完善之处：监测结果易受激光功率密度、环境气体压力、监测土壤样品基质效应等因素影响。

1.2.2 土壤磁化率监测技术（简称MS技术）

所谓土壤磁化率，是指外磁场中土壤受感应产生的磁化强度与外加磁场强度之间的比值。土壤磁化率技术监测土壤样品重金属污染，通过监测土壤磁化率与地球化学元素含量间的相关性，利用这种相关性分析土壤重金属元素含量。土壤中的重金属污染会增强土壤磁性，通过磁性监测反映土壤重金属污染程度。MS技术监测土壤重金属具有灵敏度高、速度快、无破坏性、成本低，尤其适合野外现场土壤监测等优势。该方法的不足之处在于土壤磁性除了受重金属元素污染外，还与有机质、颗粒组成、水分状况等因素相关，运用该方法监测还需要其他方法补充才能准确监测土壤重金属污染物浓度。

1.2.3 其他

土壤重金属污染现场监测，除了LIBS技术、MS技术外，还有高光谱分析技术（简称RS技术）、生物量间接测定技术。其中，RS技术是利用高光谱分辨率及连续光谱波段的遥感高光谱数据，监测土壤中的重金属污染物含量。该技术具有监测面积大、非侵入式、监测效率高等诸多优势。生物量间接测定技术监测农业土壤重金属污染物，则是利用生物基因表达发光特性，遥感技术接收光谱特征，光谱特征分析土壤中重金属污染物含量。目前，该项技术尚处于试验模拟阶段，还未应用于野外现场监测。

农业土壤实验室监测与现场监测技术之间相比而言，其中，实验室监测精度高、检测线低，且受土壤基体影响其监测效果较小，但实验室监测也受到监测仪器选用而导致成本高，且监测环节多、繁琐等，对土壤样品监测的专业知识及专业技能要求较高。此外，实验室土壤重金属污染监测时间长，一次性监测样品收集量大，易造成土壤二次污染，因此，实验室土壤样品监测较适用于小面积农业土壤污染监测。而现场快速监测技术则具有监测面积大、连续高密度监测等优势，避免区域大面积土壤监测样品采样及预处理工作，监测的时效性较强。非侵入式监测扰动土壤环境小，但现场快速监测法大多处于定性或半定量化试验阶段，监测的精度还需持续做好研究。

1.3 农业土壤重金属监测发展趋势

近年来，农业土壤重金属污染问题日益引起人们的重视，为采取有效修复技术，降低土壤重金属污染造成的生态及经济损失，需要不断提高农业土壤重金属污染物监测效率和质量。从实验室监测及现场快速监测技术的发展来看，农业土壤重金属污染监测朝着监测设备更加智能化、监测结果更加精准化和监测技术联动性方向发展。其中，监测设备智能化逐渐取代传统实验室分析，监测结果从mg到μg再到ng变得更加精准，监测技术逐渐联合应用到两个或两个以上仪器。

2 农业土壤重金属监测分析

以某城郊周边农业土壤为例，通过点位布设、土样采集、土样保存、样品预处理、监测结果等，详细探讨农业土壤重金属污染监测的具体操作过程及内容。

2.1 点位布设

农业土壤监测在取样前，需要布设相应的采样点位，根据不同点位布设，采集相应的土壤样品。目前，主要的点位布设方法有带状布点、综合放射状布点和均匀布点三种布点方式。本研究采用带状布点法采集相应土壤样品。

2.2 土样采集

以某田块土壤监测为例，采用带状布点法，监测样品取样深度为20cm，样品重量为2kg，采样结束后，筛去杂质，再装袋，标样。

2.3 土样保存

土壤粒度会影响土壤样品监测结果，为有效防止消解等因素而影响农业土壤样品监测结果，需要在采集后做好样品保存，主要是确定土壤样品的粒度。

从表1土壤样品粒度对监测结果的影响统计情况分析，10-200目之间，土壤粒度不断增加，第一、二、三次的测试结果逐步趋于一致。当土壤样品粒度达到200目时，第一、二、三次的监测结果数值基本趋于一致。可见，农业土壤样品监测粒度增大，监测结果差异随之扩大。从本次监测试验的要求来看，200目土壤粒度可以保障本次监测所需。

表1 土壤样品粒度对监测结果影响μg/kg）

2.4 样品预处理

消解试剂是农业土壤重金属污染监测常用到的辅助性要素，消解试剂种类、纯度会直接影响土壤重金属元素的监测结果。本次试验选用多元酸分解法进行空白试验，并选用盐酸、硝酸和氢氟酸等多元酸分解法，溶解监测土样中的硅晶格（表2）。

表2 盐酸、硝酸、氢氟酸消解法加入量

土壤监测样品预处理流程：第一步，称取0.5g农业土壤监测样品，并选取聚四氟乙烯（PTFE）消解罐盛放土壤样品。第二步：将HCl、HNO、HF等多元酸加入PTFE消解罐，消解土壤监测样品。第三步：选用微波消解仪消解监测土壤样品。第四步：消解后，将1-2滴HClO4滴入消解罐。第五步：HClO4滴入后的土样，放至电热板，加热至150℃，再冷却。第六步：样品过滤消解，产生不溶灰待用。本次土壤监测样品预处理共取1个空白样、10个平行样。

2.5 监测结果

通过预处理，采取三种不同方法进行监测，每一种监测方法监测到的结果分别为：方法A，消解液呈透明、黄色，罐中存部分不可溶物，呈粉末状；方法B，罐底及内壁四周附沉淀物，呈黑色；方法C，消解罐口打开喷出棕黄色酸雾，罐底存灰白色不溶物（表3）。

表3 不同消解法分析结果（n=12）

3 结束语

从案例分析结果来看，用三种不同监测方法监测土壤重金属污染物，方法A是三种消解法中效果最优的，可推广应用。