采矿区土壤重金属污染现状及检测方法研究

曹 钰

（湖南省分析测试中心有限公司，湖南 长沙 410004）

土壤大多数是由各种矿物质在地表组成的土质疏松的物质，是确保地球生态平衡的核心组成部分。然而土壤环境污染具有严重的隐秘性、滞后性、复杂多样等多样化特征，通常来说重金属污染在土壤中最为严重。

随着我国城镇化速度的加快与推进，矿产工业得以迅速发展，污染土壤的重金属元素备受重视，已经从早期的轻度污染转变为现在的重度污染，使得土壤中自身的酶活性和微生物遭到严重的损坏，从而使得土壤肥力退化严重，甚至可以借助接触到人们经常食用的粮食作物，严重危及人们的身心健康安全。所以，研究采矿区土壤重金属污染现状及检测方法极其重要。

1 采矿区土壤重金属污染现状

经研究表明，中国现阶段有大部分的土壤在遭受各种程度的重金属污染，仅遭受重金属污染的耕地面积高达2×105km2，在我国总耕地中占比高达20%，并且，因土壤重金属污染而致使每年粮食减产总数量已经有2000万吨，所造成的经济损失高达200亿元。可见当前我国土地重金属污染问题极其严重，尤其是我国矿业采矿区土壤污染情况更是恶劣，就当前中国土壤重金属污染的分布情况分析，相比较北方土壤重金属污染的程度，南方土地重金属污染程度十分严重，特别是在西南和中南部地区污染问题日益突出[1]。

1.1 当前我国采矿区土壤重金属污染的分布特征

现阶段，我国土壤重金属污染分布呈现地域性特征，并且，在西部、中部、东部此区域的土壤重金属污染情况各不相同，最为严重的属于中部地区，相比较中部，西部和东部地区的土壤重金属污染程度较小，究其根本，原因在于我国大多的煤矿及金属矿区大部分集中在中部地区，以及中部地区有各种各样的矿藏开采活动，造成严重的土壤污染。而我国的中部地区土壤重金属污染最为严重的灾区集中在14个大省，相关必须高度关注，具体详情如下表所示：

表1 土壤重金属污染区域分布详情

1.2 土壤重金属污染的主要元素

目前，我国采矿区土壤重金属污染大多都存在土壤污染超负荷的问题，经研究表明，大多污染物的来源是无机元素，土壤重金属污染元素超标率占据前8名有汞、镉、铬、铅、铜、镍、砷、锌。特别是镉元素的土壤点位超标最高。就地域分布特征而言，各个地区的土壤重金属污染分布有所差异，我国一些老工业矿区的城郊地区许多农用耕地遭受各种重金属元素的不同程度污染；而西部地区集中分布在内蒙古、云南四川等地区受到严重的砷、镉、汞等重金属的严重污染；分布在华南一代的采矿区有高达一半的农用耕地遭受到严重的重金属污染，其中最多的是汞、镉、砷。而分布在采矿区附近的土壤重金属污染超标的元素是砷，严重危及当地居民的身心健康及生命安全。为了更好的从根源处治理土壤环境污染，究其根源需立即采取措施处理[2]。

1.3 土壤重金属污染治理存在一定难度

土壤重金属污染大多集中在矿区、废水、农业地带，一些重金属元素经表层土壤和积水渗透使得土壤受到严重的污染，事实地表农作物被污染、减产，并且很难通过自然条件达到自然降解，一旦土壤遭受到重金属元素的污染，那么很难通过自然条件恢复到原有的生态面貌，并且，土壤重金属污染极易吸附土壤中的胶体，经过时间的推移持续堆积。除此之外，由于土壤重金属所造成的污染及分布状况错综复杂，并且在许多土壤重金属元素中有一些重金属元素，其化学的酶活性较强，在污染过程中极易产生化学反应，从而引发土壤pH值的变化，致使土壤重金属污染分布呈现各种污染形态，在治理上存在很大的难度，为了最大限度降低土壤重金属污染以及对人体及环境的损坏，需要采取措施进行重金属污染元素检测，尽可能采用多样化的土壤重金属污染检测方法，确保检测的精准度、质量、效率实时高效，确保土壤环境能够良性、健康发展[3]。

2 采矿区土壤重金属检测方法分析

若想从根源处检测土壤重金属污染的内部环境，需要采用多种方式进行土壤重金属检测，完善和提升土壤环境的检测方法及技术，才能针对性的采取措施治理土壤中的重金属污染[4]。目前，检测土壤重金属的方式有以下几种：

2.1 土壤重金属常规检测方式

2.1.1 电化学检测方式

目前，重金属污染电化学的检测方式通常是借助实验技术和电化学的原理，结合土壤在溶液中的化学反应及含量分析，是较为常用的检测方式，把试液当做化学电池的核心组成部分，结合电池的自身参数和土壤中检测的重金属浓度分析彼此之间的联系，之后测定结果，根据测定的电参数差异，可分别采用极谱分析法、溶出伏安法、离子选择性电极法等。

（1）极谱分析法：

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此检测方式在于依照特定的滴汞电极当做工作电极，严格依照光学检测法，其精准度极高，并且适用范围较广，其自身独具可连续测定以及自由选择等优势，所以，极谱仪在土壤种金属污染检测中应用最为广泛，最早学者创立催化极谱法，能够以最快的速度检测土壤中重金属的含量及占比，其结果精准稳定，相比较早期的比色法、原子吸收等方式所消耗的资金投入较低，抗干扰因素较强，灵敏度较高。通过碱性消解，极谱法在土壤中金属检测中，测定铬取得了显著的效果。

（2）溶出伏安法：

与极谱法不同，此方式依照表面静止的固体或液体电极作为工作电极，而极谱法则是依照特有的滴汞电极作为工作电极。通常伏安法是将所要测试的土壤电解到一定时间，之后转变电极的定位，再次溶出新土壤，依照伏安曲线开展定量分析。此方式操作简单快捷、极具干扰性能、灵敏度特别高，此方式不仅能够检测土壤重金属元素，在生物式样、食品检测等多个领域中得到大量的普及和应用，经研究表明，此方式在测定土壤中重金属元素的试验中，效果显著，能够连续测定出铜、铅、镉等元素[5]。

（3）离子选择性电极法：

此方式依照分子态以及离子物质优选响应电极，其电位是由溶液中一定的离子活度转化而成，借助此关系检测土壤溶液中所含有的重金属成分，在检测采矿区土壤重金属元素含量研究过程中依照铜离子选择性电极开展检测，PVC Fe离子选择性电极可以检测出矿区土壤重金属中的全铁，在与之前离子光谱等早期的检测方式对比，效果显著，可大量应用于矿区土壤重金属污染方式检测之中[6]。

2.1.2 光学检测法

光学检测方式在各个领域的应用较为广泛，检测方法也各有不同，具体检测方式的详情如下：

（1）原子荧光光谱法：

（2）X射线荧光光谱法：

此方式借助X射线荧光照射土壤重金属污染元素，之后形成次级X射线，随之产生强大能量轰击重金属元素内部原子结构的电子之后形成X射线，此检测优势在于精准度高、快速高效、成本较低，并且能够同时检测多种重金属元素，在许多领域应用极为普遍，能够最大限度满足当下矿区土壤重金属元素检测的基本要求。

（3）原子吸收光谱法：

此方式也是矿区土壤重金属检测适用性较强的检测方式，其优势特征在于灵敏度较强，借助发射光谱、吸收光谱等多样化的方式可检测土壤重金属工作。在检测土壤重金属的过程中，可根据原子谱线在检测重金属元素过程中的蒸汽吸收比例，分析此元素在土壤中的大体含量，此方式被称作吸收光谱法，其属于原子光谱法中方式的一种。借助多种元素的电子排布模式及内部的原子结构不同，促使土壤中各类元素能够激发不同状态的能量，进而在吸收能量的光谱线上也会呈现各种各样的形态，此方式最早是通过澳大利亚一名科学家研究表明的，自1955年发布以来在各个领域得到了广泛的普及和应用，同时，也为许多领域的研究学者带来一定的学术参考[7]。

显然，因为光谱针对性较强，所以在监测各种元素的过程中，需要以各种光线和元素光谱保持对应，以此来确保土壤中重金属检测结果的精准度，并且，光谱的性能较为单一，当检测土壤中众多重金属元素时，在检测的结果上可能会存在或多或少的误差，以此影响土壤重金属元素检测的准确性及后续采取针对性措施的开展。但是发射光谱法可以最大限度弥补光谱法线性范围较窄的缺陷，借助“价电子”由高能的激发态转变为基态，之后通过辐射的呈现方式进行释放，能够直观的分析各个重金属元素的组成部分，从而针对性地采取对应措施进行处理和应对土壤中重金属环境污染问题。

（4）电感耦合等离子体发射光谱法：

此方式是依照早期原子光谱法的理论方式，进行多频次的电感耦合爆发等离子体放电的光源之后激发土壤重金属元素，根据光辐射进行分光色散，从而形成特定的光谱。特定的重金属元素其内部原子结构仅仅能够产生限制性的波长谱线，之后则能推断出土壤中重金属元素的含量及比例，此种检测方式速率较高、元素选择性较好，可以多种检测物质共同检测[8]。在一些工厂矿区土壤重金属污染元素检测应用过程中，取得较好的检测效果。

2.1.3 生物学检测方法

（1）酶分析检测方法：

此方式结合土壤中重金属离子的污染毒性和酶类成分有效融合，之后产生结构变化，使得酶活性降低，依照重金属浓度以及煤内部结构的变化之间的定量联系分析重金属的占比及含量。通常将尼龙网和尿酶共价偶联，之后对pH复合电极实行综合性覆盖，形成鸡丁抑制尿酶的电位型生物传感器能够实时进行多种土壤重金属污染元素的离子检测。经研究显示，传感器的性能稳定、精密值极高，是当前检测重金属离子的有效方式。

（2）免疫分析检测方法：

通常，土壤重金属很难直接进行免疫反应，所以在采用免疫分析检测之前，可将合适的重金属离子和金属络合物进行优化组合，促使产生原性反应，之后将此复合物质与载体蛋白进行有效连接，之后产生免疫原性，从检测结果能够分析出土壤中的重金属成分及含量，此方式目前还处在初步的研究和应用阶段。

（3）生物传感器检测方法：

此种检测方式是借助一定的固化生物材料当做识别重金属元素的原件，之后采用理化换能器与之相互作用，之后将浓度逐步转变为电信号开展实时监控的检测方式。此方式的传感器优势较为显著，检测效率极高、便携性较强等，能够为重金属元素内部结构持续检测提供强有力的保障。生物传感器的检测方式在矿区土壤重金属污染元素检测的应用过程中优势凸显。

2.2 新型的重金属元素检测方法

随着科学技术的飞速发展，我国在矿区土壤重金属污染检测方法中的体系架构也在逐步完善，相关的检测技术人员的专业技能水平也在大幅度提升，其检测效果及优势更为凸显。因此，许多新型的重金属元素检测方法得以广泛的应用和推广。

矿区土壤重金属污染检测过程中，可借助多种新型的检测方法进行全方位、系统化的监督和整合，最大限度确保重金属元素的成分、含量能够精准检测，具体检测方法如下：

2.2.1 生物量间接测定检测方法

此方式通过特定的生物基因在表达期间凭借发光特性，采用遥感技术进行光谱强度接收，依照光谱的特性分析统计矿区土壤重金属中的占比及成分含量。目前已有众多学者根据发光细菌检测方法分析统计土壤重金属污染元素的检测方法，然而当前依然在发展时期，但是很大程度上为后期的矿区土壤重金属污染元素检测以及采取针对性的处理措施提供新的思路和依据。当前科学技术在日益进步和完善，许多新型的检测方法应运而生，应用前景也非常广阔，应用效果会越来越好。

2.2.2 环境磁学检测方法

此检测方法的原理在于结合物质根据外部磁场效应的电流特征定量分析土壤中的重金属元素成分及含量，在土壤重金属检测期间应用此方法，其优势在于经济性较强、损坏性较低、高效便捷、成本低廉等，此检测方式的优势特征备受国内外众多学者的高度重视，分别投入大量的精力研究和探索，经结果显示，此站位表层沉积物磁学性质的空间分布和以往学者研究的区域表情沉积物中的检测重金属含量的占比及分布情况完全相符，所以，此检测方法的使用效果极强。

2.2.3 高光谱分析检测方法

此种检测方法通常借助遥感技术感知高光谱的信息数据，由此进行统计分析矿区土壤重金属污染元素的占比及成分，转变了往期采样、消毒、溶液等繁琐且易污染的准备流程，可以对土壤重金属元素实现非接触性的高效检测。在此期间有众多学者针对研究前以研究后的光谱参数进行对比和校验，实践结果表明高光谱通过遥感数据检测土壤中重金属含量的成分及占比方式可行性极高，其实验结果与之前学者研究检测的数据完全一致，可见，此方式矿区土壤重金属污染元素检测的应用过程中效果显著。

综上所述，对比以往和当下新型的土壤重金属污染元素检测方法，各具优缺点，前期检测方法依然取得一定的应用效果，前期的传统检测方法可能在前期准备流程中存在易污染的可能性，并且处理程序复杂多样，一定程度上容易引发环境污染和各种安全事故；而新型的土壤重金属污染元素检测方法不可避免也有自身的不足之处，监测范围具有一定的局限性，除此之外，优势显著，能够实时检测土壤重金属污染元素的成分及占比含量，其发展前景及应用空间十分广阔，具有极强的可行性。

3 结语

总的来说，随着我国科学技术的进步与发展，随之引发的土壤重金属环境污染问题十分严重，相关部门需给予高度重视，需要结合矿区的实际情况采用科学的检测方法对土壤重金属污染的含量及成分占比进行分析统计，之后采取针对性的措施给予解决，最大限度确保水土环境的生态平衡。文章经过分析土壤重金属元素的常规检测方法以及新型的检测方法，可见重金属污染元素的检测方法在逐渐的创新和优化，能够实现多种土壤重金属元素的同时检测，其效果及精准度较好，以此来提升矿区土壤重金属污染检测的质量和效率，为我国治理水土污染提供强有力的科学依据和保障。