地氟病区农田土壤中全氟化合物的组成及污染特征研究*

樊芮君 甘淳丹 杨金燕

(四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065)

全氟化合物(PFCs)是一类人工合成的新型有机污染物，广泛应用于工业和商业领域，比如表面活性剂、润滑剂、阻燃剂、润湿剂、聚合物添加剂生产等[1]。目前，PFCs广泛存在于各种环境介质和生物样品中，包括水体、沉积物、土壤、大气以及野生动物和人体[2-4]。由于PFCs具有化学稳定性、环境持久性、生物蓄积性、生殖毒性和长距离迁移等特点[5]，能够通过食物链产生生物积累和生物放大，可能对人类健康和生态环境造成不良影响，近年来受到社会各界的高度关注[6]。

作为陆地生态系统的重要组成部分，土壤已成为PFCs重要的汇库[7]。土壤中的PFCs可通过扩散、挥发、淋溶和地表径流向地表水、地下水和大气迁移，因此，土壤不仅是PFCs 运移转化的重要纽带，也是PFCs潜在的长期环境污染源。目前为止，关于土壤中PFCs的研究大多集中在受点源影响的土壤，如氟化工厂[8]、污水处理厂[9]和消防训练场[10]周边的土壤，但针对我国农业活动密集的农村地区表层土中 PFCs的研究少有报道。已有研究表明，肥料、农药的施用以及灌溉等农业活动都是PFCs进入土壤的关键途径[11-12]。农田土壤中的PFCs可以通过植物根部从土壤迁移到作物，并与无脊椎动物直接接触，从而影响人类健康和生态环境。因此，研究农田土壤中PFCs的含量对于健康风险控制具有重要意义。

我国作为地方性氟中毒的高发区，目前约有2亿人受到氟中毒的威胁[13]，尤其是我国西南地区土壤中氟的本底值较高，土壤氟污染严重[14]508。关于我国西南地氟病区土壤中无机污染物氟的研究已有文献报道[15]1-10,[16]423，然而针对这一地区土壤中新型持久性有机污染物PFCs的研究较少。关于地氟病区土壤pH、有机质、总氟、水溶性氟含量等理化性质对PFCs污染的影响更是鲜见报道。本研究聚焦四川省泸州市古蔺县农田土壤中氟和PFCs的污染水平，辨析了主要污染来源，分析了土壤基本性质对PFCs污染的影响，评估了PFCs对总氟的贡献度，以期为地氟病区 PFCs 环境风险评价及其来源解析提供基础数据、决策依据和科学支撑。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

本研究选取21种PFCs作为目标化合物，均购于惠灵顿实验室，包括全氟丁酸(PFBA)、全氟戊酸(PFPeA)、全氟己酸(PFHxA)、全氟庚酸(PFHpA)、全氟辛酸(PFOA)、全氟壬酸(PFNA)、全氟癸酸(PFDA)、全氟十一酸(PFUdA)、全氟十二酸(PFDoA)、 全氟十三酸(PFTrDA) 、全氟十四酸(PFTeDA)、全氟十六酸(PFHxDA) 、全氟十八酸(PFODA)、全氟丁烷磺酸(PFBS)、全氟戊烷磺酸(PFPeS)、全氟己烷磺酸(PFHxS)、全氟庚烷磺酸(PFHpS)、全氟辛烷磺酸(PFOS)、全氟辛烷磺酸(PFNS)、全氟丁烷磺酸(PFDS)和全氟癸烷磺酸(PFDoS)。此外，13种PFCs同位素标记物也购于惠灵顿实验室，包括13C4-PFBA 、13C3-PFPeA、13C2-PFHxA、13C4-PFHpA、13C4-PFOA、13C5-PFNA、13C2-PFDA、13C2-PFUdA、13C2-PFDoA、13C2-PFTeDA、13C3-PFBS、18O2-PFHxS和13C4-PFOS。主要实验仪器为高效液相色谱(HPLC，SCIEX Exion system)—二级质谱(MS/MS，SCIEX 4500 Q TRAP)联用仪。固相萃取(SPE)柱(6 mL，150 mg，30 mm)购于美国 Waters 公司。实验用甲醇、乙酸、氨水和乙腈均为色谱级。实验用水为电阻率18.2 MΩ·cm的超纯水。

1.2 研究区域和样品采集

研究区泸州市古蔺县位于四川省东南部，2019年泸州市年平均气温和降雨量分别为18.3 ℃和999.5 mm，其中77%的降雨集中在夏季。泸州市土壤为沙壤土，土壤采样点分布见图1。根据文献[17]，按照网格布点法用预先清洁好的木铲采集0～20 cm的表层土壤样品，于2019年5月共采集土壤样品65个。采集的土壤样品装入聚乙烯密实袋封装保存，运回实验室，室温干燥，研磨过100目筛，并在4 ℃下储存直至进一步分析。

图1 土壤采样点分布Fig.1 Distribution of the soil sampling points

1.3 土壤pH、有机质、水溶性氟和总氟的测定

采用电位法(固液比1.0 g∶2.5 mL)测量土壤pH，有机质含量采用重铬酸钾外加热法进行测定[18]。水溶性氟和总氟的浓度采用离子选择电极法进行测量[19]。为保证元素分析的质量，同时测量空白样品和土壤标准物质(GBW07427，中国国家标准物质)。随机抽取20%的土壤样品进行平行试验，以保证数据的可靠性和准确性，平行样品的相对标准偏差严格小于10%。

1.4 样品前处理

将1.0 g土壤样品准确添加到15 mL离心管中，并加入1 ng内标物和2 mL含1%(体积分数，下同)氨水的甲醇溶液。将每根试管旋转至均匀化，并在40 ℃下超声提取15 min，然后离心并转移上清液。重复两次，将合并的上清液在40 ℃下氮吹至干，用200 μL含1%乙酸的甲醇和1 mL甲醇复溶。将复溶样品装到活化后的SPE柱(依次用4 mL含0.1%氨水的甲醇溶液、4 mL甲醇与4 mL超纯水进行活化)，控制流速为1 mL/min，再分别用4 mL甲醇和4 mL含0.1%氨水的甲醇洗脱。将收集的洗脱液氮吹至干，并用200 μL甲醇和乙腈的混合液(体积比为8∶2)定容，离心后转移至样品瓶待分析。

1.5 样品分析

利用HPLC—MS/MS对土样进行定性和定量分析。HPLC分析：色谱柱Acquity UPLC BEH-C18(2.1 mm×100 mm×1.7 μm)；进样体积20 μL；柱温40 ℃；流速300 μL/min；流动相2 mmol/L乙酸铵(记为A)-甲醇(记为B)；梯度洗脱程序：0 min，10%(体积分数，下同) B；1.0 min，20% B；4.0～6.0 min，90% B；6.0～8.0 min，10% B。MS/MS分析：采用电喷雾负离子化模式，多反应离子监测模式(MRM)分析，碰撞气83 kPa，气帘气103 kPa，雾化气345 kPa，加热气241 kPa，离子喷雾电压-4 000 V。

1.6 质量控制与保证

所有实验都包括程序空白、方法空白、重复样品和基质加标样品。所有实验结果均为扣除空白后的数据。每隔9个样品设置方法空白，以保证检测结果的准确性。使用内标校准曲线对目标分析物进行定量，标准曲线(0.1～20.0 ng/mL)相关系数大于0.99。空白对照的PFCs均小于相应分析物的检测限(LOD)，LOD信噪比3∶1，定量限(LOQ)信噪比10∶1，范围分别为0.004～0.034、0.003～0.027 ng/g。所有目标PFCs在土壤中的回收率均为78.6%～113.0%。

2 结果与讨论

2.1 土壤有机质和pH

研究区域65个农田土壤样品的有机质质量分数分布见图2，有机质质量分数的变化范围为2.62%～14.01%，中位数为7.46%，平均值为7.78%，部分土壤样品的有机质含量偏高可能与该地区长期的土壤耕作有关。施肥、灌溉等农业活动都会提高土壤有机质水平。该研究区域的土壤pH变化范围为4.93～8.34，中位数为6.95，平均值为6.82，结果见图3。根据我国土壤酸碱度划分标准[20]：酸性土壤pH<6.50，中性土壤6.50≤pH<7.50，碱性土壤pH≥7.50，可以得知泸州市古蔺县农田土壤以中性(60.0%)为主，而酸性和碱性土壤分别占26.2%和13.8%。

图3 农田土壤pH分布Fig.3 Distribution of soil pH in the farmland soils

2.2 土壤氟含量

对泸州市古蔺县65个农田土壤样品的总氟和水溶性氟进行了分析，结果见图4和图5。由图4可

注：占比以质量分数计，图3至图5同。图2 农田土壤有机质质量分数分布Fig.2 Distribution of organic matter mass fraction in the farmland soils

图4 农田土壤总氟分布Fig.4 Distribution of total fluorine in the farmland soils

图5 农田土壤水溶性氟分布Fig.5 Distribution of water soluble fluorine in the farmland soils

知，研究区域土壤总氟为407～2 890 mg/kg，平均值为985 mg/kg，远高于中国土壤氟背景值的平均值(478 mg/kg)[21]和世界土壤氟背景值的平均值(200 mg/kg)[22]，同时也高于中国地氟病发生区土壤总氟的平均值(800 mg/kg)[23]，表明研究区域表层土壤已经受到了一定程度的氟污染，且污染程度略高于我国地氟病区的普遍污染程度。该研究区域农田土壤中的高含氟量归因于自然和人为的双重因素。据报道我国西南地区的高氟区与磷矿区重叠[24]，而西南地区尤其是四川省泸州市磷矿资源丰富，开采量大，每年达500万t，由于磷矿的开采造成当地土壤氟含量的显著提高。此外，当地磷肥厂生产的肥料中氟高达11 006 mg/kg[15]6，因此，施用含氟磷肥和农药以及用磷化工厂排放的含氟废水灌溉农田同样是造成土壤氟积累的重要因素。

由于土壤生物体对污染物的利用效率有限，有学者认为总氟含量的高低不足以判断土壤氟的生态和环境效应[14]508。鉴于水溶性氟反映了氟的流动性、生物有效性和毒性风险，它可以作为指示土壤氟污染状况和生物利用氟能力的更为可靠的预测因子。研究区域内农田土壤水溶性氟为0.09～25.86 mg/kg，平均值和中位数分别为7.15、5.93 mg/kg(见图5)。由此可见，该区域农田土壤氟污染较为严重。

2.3 土壤PFCs组成和含量特征

泸州市古蔺县农田土壤中PFCs的组成和含量见图6。在21种目标PFCs中，仅有8种PFCs被检出，包括6种全氟羧酸类(PFBA、PFPeA、PFHxA、PFHpA、PFOA和PFDA)和2种全氟磺酸类(PFBS和PFOS)，而其余目标化合物在所有样品中均未被检出。8种PFCs的检出频率为PFHxA(85%)>PFBA(82%)>PFOS(80%)>PFPeA(68%)>PFHxA(63%)>PFDA(51%)>PFOA(49%)>PFBS(18%)。检出的8种PFCs中，平均质量浓度最高的为PFDA(1.039 ng/g)，其次为PFHxA(0.453 ng/g)和PFBS(0.371 ng/g)，其余5种PFCs的平均质量浓度表现为PFHpA(0.362 ng/g)>PFOS(0.250 ng/g)>PFBA(0.177 ng/g)>PFOA(0.057 ng/g)>PFPeA(0.030 ng/g)。

图6 农田土壤中PFCs组成和分布Fig.6 Composition and distribution of PFCs in the farmland soils

农田土壤中总PFCs(∑PFCs)为0.026～3.642 ng/g，平均值为1.600 ng/g，高于云南省会泽县农田土壤(均值：0.392 ng/g，范围：0.298～0.998 ng/g)[25]和珠三角地区土壤(均值：0.630 ng/g，范围：0.090～2.580 ng/g)[26]，低于安徽省城市土壤(均值：2.690 ng/g，范围：1.150～5.890 ng/g)[27]和天津市滨海新区表层土壤(1.300～11.000 ng/g)[28]。不同地区土壤中PFCs的含量不同主要与土地利用方式、区域产业结构和工业发展水平等因素相关。不同于氟化工厂、纺织厂和消防演练场等明显的点污染源[29-31]，这些污染区域以PFOA和PFOS为主要污染物，本研究区域农田土壤中PFDA和PFHxA是两种最主要的PFCs，分别占∑PFCs的56.3%(范围：2.5%～88.1%)和29.6%(范围：1.1%～97.2%)。由于土壤采样区附近无明显点源，测试土样均位于山区农田，受工业活动的影响较小，因此非工业区土壤中的PFCs可能来自：(1)工业区产生的PFCs的大气沉降；(2)农业区的生活垃圾、污水灌溉和较为频繁使用含氟磷肥和含磷复合肥料的农业活动[32]。

2.4 相关性分析

泸州市古蔺县农田土壤基本理化参数和8种PFCs之间的相关系数(r)见表1。所有土壤样品中，∑PFCs占土壤总氟的比例均不超过0.52%，且∑PFCs与总氟之间的相关关系较弱(r=0.160)，两者无显著相关关系，∑PFCs对总氟的贡献有限。总氟和水溶性氟之间的相关性分析表明，两者呈显著正相关关系(p<0.01)。这一结果与前人的研究结果一致[16]423，说明土壤总氟含量的增加会相应提高土壤中氟的生物有效性和迁移性。土壤pH是影响总氟和水溶性氟的重要参数，r分别达到0.380和0.310，而pH与∑PFCs和8种PFCs均无显著相关关系。在检出的8种PFCs中，仅PFHxA与土壤有机质含量呈显著正相关关系(p<0.01)，反映了PFHxA对土壤有机质的亲和力较强。

表1 农田土壤中总氟、水溶性氟、pH、有机质、∑PFCs 和8种PFCs的相关系数1)

研究区域农田土壤中PFBA与PFPeA呈显著正相关关系(p<0.001)，表明两者可能具有相同来源或在土壤介质中的传播途径相同。此外，PFHxA和PFPeA、PFHpA、PFDA、PFOS之间的显著相关关系也表明其可能具有相似来源。PFOA和PFOS是环境中典型的两类PFCs，由于两者具有相似来源，通常呈现较好的相关性[33]，而在本研究中，PFOA和PFOS的相关性并不显著，可能与仅有49%的土壤样品被检出PFOA有关。

3 结 论

(1) 古蔺县农田土壤以中性为主(占60.0%)，酸性和碱性土壤分别占26.2%和13.8%；土壤有机质质量分数平均值为7.78%，变化范围为2.62%～14.01%，部分土壤样品的有机质含量偏高可能与该地区长期的土壤耕作有关。

(2) 古蔺县表层土壤受到了一定程度的氟污染，所有样品中总氟和水溶性氟分别为407～2 890、0.09～25.86 mg/kg，总氟、水溶性氟平均值分别为985、7.15 mg/kg，高于我国地氟病发生区土壤总氟的平均值(800 mg/kg)，氟污染主要来源为自然源和与农业活动相关的人为源。

(3) 该地区共检出8种PFCs，包括PFBA、PFPeA、PFHxA、PFHpA、PFOA、PFDA、PFBS和PFOS，其中PFDA和PFHxA是两种主要的PFCs。∑PFCs为0.026～3.642 ng/g，平均值为1.600 ng/g，主要来源归因于大气沉降、生活垃圾和农业活动。

(4) 相关性分析表明，∑PFCs与总氟之间无显著相关关系，说明∑PFCs对总氟的贡献有限。土壤pH是影响总氟和水溶性氟的重要参数，但与∑PFCs和8种PFCs均无显著相关关系，而PFHxA对土壤有机质的亲和力较强。