云南富源某地区土壤8种有效态元素的测定

冯 俊 杨发忠 何袖辉 唐帅帅 胡斯涵

(1.西南林业大学 化学工程学院，昆明 650000；2.中国地质调查局 昆明自然资源综合调查中心，昆明 650000)

随着我国工业、农业和城镇化的快速发展，有毒有害固体和废液和生活废水的大量排放，再加上一些排水管网的渗漏和农业化学药品的大量使用，土壤圈成为最直接的受害体，受到最为广泛的危害。其中土壤中的重金属污染危害性最大，有难利用、难分解、潜伏期长、不可逆性和时间长等特性，正受到世界各国的关注。重金属排放到土壤圈后，很难在能量交换中利用，也很难分解，大多情况下在土壤中富集，对土壤的功能稳定和生态结构造成破坏，不利于农作物的正常生长[1-3]，人通过食物链吸收富集在植物里面的有害元素，对人身体健康产生严重威胁。随着研究的深入，全量分析不能全面了解土壤的养分情况和污染情况，重金属在土壤中存在多种对生物有效性不同的形态，研究表明生物有效性不仅和全量有关，更大程度决定于形态分布[4-7]。土壤成分复杂，背景波动范围大，不均一，元素转化反应机理复杂，对目的元素有效态含量进行检测，是确切了解土壤质量，也是土壤修复、治理的理论基础。对土壤中有效态的测定有很多的报道，包括原子吸收光谱法、分光光度法、电感耦合等离子体质谱法和光谱法等[8-9]。但大部分的报道只是检测规范的应用，对规范的应用范围和条件变化报道很少。本文从有效态提取剂的配制和提取过程的条件控制，来研究DTPA提取云南富源某地区的8种有效态元素，解决该地区土壤肥力状况和污染情况，为该地区土壤修复和施肥提供技术支持。

关于有效态的定义，目前还没有统一的标准，从土壤化学方面看，有效态包括水溶态、酸溶态、螯合态、吸附态，也包括能在短时期内释放为植物吸收利用的某些形态[10-13]。DTPA浸提取土壤中的有效成分和植物吸收有很好的相关性，用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定锰、镉、铁、铜、铅、锌、镍和钴8种元素。

1 材料与方法

1.1 供试材料

6300系列电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，美国热电公司)，振荡器(上海优普实业有限公司智能恒温培养振荡器)，离心机(湖南湘立科学仪器有限公司)，pH计(雷磁PHS-3E上海仪电科学仪器股份有限公司)。土壤标准样品GBW07415a、GBW07416a、GBW07461均为中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制；云南富源土壤样品(未知样品)；实验所用器皿均用硝酸溶液浸泡24 h后，使用超纯去离子水清洗干净后，干燥备用；实验所用二水合氯化钙、三乙醇胺、二乙烯三胺五乙酸和盐酸为优级纯试剂，实验用水达到或者优于国家标准中二级水标准。

1.2 研究方法

1.2.1 方法原理

用pH等于7.3，DTPA-CaCl2-TEA缓冲溶液作为提取剂，螯合浸提出土壤中的有效铜、铁、锰、锌、镉、钴、铅和镍。其中DTPA为螯合剂；CaCl2能防止石灰性土壤中的游离钙的溶解，避免因碳酸钙所包庇的锌铁等元素释放产影响；TEA作为缓冲剂，能使溶液pH值保持在7.3左右，对碳酸钙溶解液起到抑制作用[14-15]。

1.2.2 DTPA配制方法和样品预处理

DTPA 浸提液的配制：将1.967 g DTPA(二乙烯三胺五乙酸)、14.92 g TEA(三乙醇胺)和1.470 g二水合氯化钙加去离子水搅拌使其完全溶解，继续加水稀释至约950 mL，在pH 计上用稀盐酸溶液调整pH值为7.3，转移至1 000 mL容量瓶中定容，摇匀，避光保存。

准确称取10.0 g(精确至0.000 1 g)土壤样品，置于100 mL 三角锥形瓶中，加入20.0 mL DTPA浸提液，盖紧瓶塞。在25 ℃室温下，以180 r/min的振荡频率振荡2 h。将浸提慢倒入离心管中，以3 000 r/min离心10 min，上清液经中速定量滤纸重力过滤后于48 h内进行测定分析。

2 结果与分析

2.1 提取液的选择

一次化学试剂提取法提取的金属形态是指植物能吸收利用的所有形态，化学试剂提取方法提取的金属含量与植物的相关性较好，可用来评价土壤中重金属存在的情况和土壤质量情况。在现在使用的一次性化学试剂提取法中，主要有中性盐、金属螯合剂、酸试剂等。因浸提剂对土壤中的金属浸提机理不同，不同浸提剂对金属的浸提效率也有所差异。选用何种提取剂，要根据目的地的pH值、有机物含量等情况确定。在方法实验之前，已经对该目的地的pH和有机物含量进行大量检测，该地区有机物含量不高，pH值在7.5左右，属于中性和偏碱性土壤，不适合用稀HCl提取，稀HCl缓冲性能弱，在碱性土壤和石灰性土壤中酸被碱中和，抑制了H+的置换作用，它对Cd、Cu、Zn、Pb的提取率很小，不利于仪器检测。此外，有研究表明，DTPA提取的金属离子除Zn外，其他金属离子和植物的金属离子高度相关[16]。因此，实验选择DTPA为该地区8种元素的提取剂。

2.2 分析仪器参数的选择

ICP-OES测定金属元素，谱线波长的选择和仪器参数的优化十分重要，是减少光谱干扰和非光谱干扰的有效手段。谱线的选择原则是选择灵敏度高，信噪比大[17-18]，待分析谱线周围“干净”没有和其他重复的谱线。通过该地区的盲样全谱分析，发现有效Cd、Ni、Zn含量都不高。为有效减少分析误差，通过条件优化实验，确定的分析谱线和仪器参数(功率、载气流速和雾化器压力)如表1所示。测定时以Sr为内标矫正基体效应。

表1 电感耦合等离子体发射光谱仪工作条件

2.3 浸提条件的确定

DTPA是非平衡体系，很多因素都可能影响浸提效果，DTPA的酸度、浓度、水土比(浸提液的体积和土壤的质量之比)，温度、振荡时间和浸提瓶等都会影响浸提效果[19]。其中震荡时间和水土比是影响浸提效率的最关键因素。

2.3.1 震荡时间的确定

按照实验方法，在振荡时间0.5～5 h范围内，对标准物质和未知的土壤样品(富源地区)进行比对分析。一个样品平行称取多份，每相隔30 min对一个样品进行离心检测，标准物质GBW07415a中8种有效态结果见图1和图2(未知样品和标准样品有相同的结果，以GBW07415a为例说明)。从图中可以看出，在2 h内，各元素有效态的值和时间是正相关，且先快后慢；当振荡时间在2～3.5 h内，各元素有效态的值变化不大，趋于平稳。当震荡时间在3.5～5 h时，各元素有效态的值有缓慢上升的趋势。刚开始时，提取剂和土壤混合时，土壤样品中的有效态随着时间不断从土壤中浸提出来，震荡时间在2 h左右，有效态可能完全浸提出来，但是当震荡时间增长，超过3.5 h后，有一部分非有效态也可能被浸提出来，此时提取的部分植物不能吸收，不能当作有效组分。因此，实验选择振荡时间为2 h。

图1 震荡时间对Cu、Fe、Mn、Pb的影响Figure 1 Effect of oscillation time on Cu，Fe，Mn and Pb.

图2 震荡时间对Cd、Co、Ni、Zn的影响Figure 2 Effect of oscillation time on Cd，Co，Ni and Zn.

2.3.2 水土比的确定

按照实验方法，选用不同的水土比1∶1、2∶1、3∶1对国家一级标准物资GBW07415a进行实验，测定结果见表2，水土比1∶1时，各元素的有效态测定值普遍偏低，可能浸提液少，不能完全螯合土壤中的有效态；当水土比为2∶1时，测定值和标准值吻合；水土比为3∶1时，测定值和标准值相比，测定值有高有低，可能是测量误差，有效Cd、Cu、Zn、Pb、Co、Ni的值在土壤中含量不高，当水土比较大时，有效态含量接近检出限，测量误差较大。因此实验选择水土比2∶1。

表2 不同水土比对各元素有效态值的影响

2.4 方法检出限和测定限

按照样品分析全步骤，重复10次全程序空白实验，计算10次平行测定的标准偏差，按照计算公式(1)计算方法检出限。检出限的4倍为测定下限。计算检出限和测定下限的结果见表3。从表3中可以看出，测试的工作曲线线性相关系数均在0.99以上，工作曲线线性良好，满足分析测试要求。

MDL=tn-1,0.99×S

(1)

式中：MDL—检出限，μg/g；n—样品平行测定次数；t—自由度为n-1，置信度为99%时的t值；S—n次测定的标准偏差。

表3 各元素检出限和定量下限

2.5 方法的准确度和精密度实验

将土壤标准物质 GBW07415a、GBW07416a、GBW07461和按照最佳条件平行制成6份待测试液，测试8种元素的含量，并计算各元素的平均值、相对标准偏差。结果见表4。各元素的测定值和标准值吻合，表明该方法准确度好。Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn的相对标准偏差均小于5%，说明本方法精密度高。

表4 标准物质分析结果

2.6 方法加标回收实验

为进一步验证本方法的准确度，取云南富源项目的未知样品6件进行加标回收实验，每件样品平行分析3次取平均值，结果见表5。从结果能看出，Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn这 8种元素加标回收率在 90.0%～110%，符合分析要求。

表5 加标回收实验

2.7 实际样品分析

为按照实验方法对云南富源-贵州盘州能源矿产集中区生态修复项目的2 000余件样品进行分析，安插在分析批次里面的国家一级标准物质合格率为100%。按照验收要求对基本分析样品进行一定比例的盲样外检，相互对比一次合格率为99%，说明本方法再现性好。

3 结论

结合云南富源某地区的土壤背景条件，采用二乙烯三胺五乙酸(DTPA) 提取土壤中的8种有效态元素，用ICP-OES测定。通过优化仪器工作条件，降低了基体效应和光谱干扰。通过实验，确定了最佳的震荡时间和水土比，用国家一级标准物质进行验证，说明本方法检出限、准确度和精密度满足分析要求。通过对云南富源地区的土壤样品进行大量分析，该方法稳定性好，通过和外单位的数据对比，该方法再现性好。总之，该方法操作快速简单，绿色环保，方法线性相关系数好，适合该地区土壤中有效态元素的分析，该方法对于分析土壤中有效态元素具有重要的现实意义。