农产品产地土壤重金属污染检测技术的应用与发展趋势

吴倩永(广东省有色金属地质局九四〇队，广东 清远 511520)

0 引言

近些年来，我国土壤重金属污染的问题越来越严峻，在国内已经形成了较高的讨论度。农产品产地是农产品质量安全的源头，土壤重金属污染也会直接影响农产品的品质，必须给予其充分重视。在农产品产地土壤重金属污染治理工作中，污染检测极为关键，能够给整个污染治理提供完善的数据支撑。我国土壤重金属污染检测技术的应用仍需要积极创新。本文将以此为切入点，分析农产品产地土壤重金属污染检测技术的应用和发展前景。

1 农产品产地土壤重金属污染的基本现状

在当前我国农业发展过程中，农产品产地土壤重金属污染情况较为严重，同时也成为了制约我国农业经济发展的主要原因之一[1]。目前我国农产品产地土壤重金属污染面积已经超过了5 000 万亩，并且仍处于逐年增加的状态。土壤重金属污染很难得到根治，同时具有较强的隐蔽性，不利于农业发展与人们的健康生活。土壤中常见的重金属污染物有铝、铬、镉、铅、镍、铜等，这些重金属元素本身带有一定毒性，进入土壤后会跟土壤内部的有机物和无机物反应，形成一些新物质，导致土壤环境发生较大变化。在被植物吸收以后，这些有毒元素就会进入食物中。除此之外，土壤中的部分重金属还能够被转化为烷基化合物，这类物质的毒性更强，给人们的饮食安全带来了更大威胁。

目前我国农产品产地土壤重金属污染的原因主要可以分为两个方面：第一，自然环境的影响。我国很多地区都存在显著的成土母质风化现象，这给重金属元素积累提供了有利环境，再加上恶劣天气、水源污染等因素的综合影响，使土壤中重金属元素结构发生了较大变化，直接改变了土壤中的重金属元素含量；第二，人类活动的影响。我国在过去几十年内实现了城市化和工业化的巨大成就，但其过程中也存在较多不合理建设行为，如：污水随意排放、矿山过度开发、农药与化肥滥用等。这些活动直接导致了农产品产地土壤重金属污染，同时也是污染问题发生的主要诱因[2]。综合来看，我国农产品产地土壤重金属污染情况较为严峻，有关部门应该全面提高对重金属污染土壤检测工作的重视程度，并着力提高检测技术，以此推动土壤质量的提升。

2 农产品产地土壤重金属污染检测技术分析

目前，农产品产地土壤重金属污染问题已经得到了重视，我国各个地区也开始积极开展土壤重金属污染检测工作。在具体开展检测活动时，检测人员可以使用多种检测技术。本文将结合当前土壤重金属污染检测领域的实际情况和应用经验，介绍一些常用的土壤重金属污染检测技术，并分析每一项技术的具体内容和优劣之处。

2.1 光谱检测技术

在当前土壤重金属检测活动中，光谱检测技术的应用非常普遍，同时也具有较高的灵敏度。但这种检测技术的成本较高，检测流程也比较复杂，检测时间较长，对检测设备的精度有较高的要求。在使用光谱检测技术时，往往需要X射线的配合，而X射线电离性特点显著，如果操作不当会对检测人员造成身体伤害[3]。除此之外，光谱检测技术通常只能采集样品进行检测，无法实现现场检测，应用时也具有一定的局限性。

2.2 电化学分析检测技术

电化学分析检测技术主要通过电化学传感器检测土壤中的重金属含量。具体检测时，这项技术可以实现自动化运作，同时也能够快速进行现场检测，能够使技术人员快速了解土壤重金属污染的整体情况。但在应用过程中，电化学分析检测技术会受到有机物、大分子颗粒、表面活性剂等多种物质的影响，导致最终的检测结果精准度受到影响。因此，我国应积极研发具有更高抗干扰能力和高灵敏度的电化学传感器，从而保证这项检测技术的广泛应用。

2.3 激光诱导法

激光诱导法的原理是通过脉冲激发器获得高密度的激光，激光击穿光谱投射到土壤表面，使得土壤中隐藏的等离子体显露出来。在检测过程中，等离子体的自身热度会从较高状态转变为冷却状态，并显示出土壤样品组信息光谱。在得到信息光谱以后，检测人员能够使用光电探测器收集光谱中隐藏的信息，并对这些信息进行深入分析，从而完成重金属元素定量分析模型的建模工作。通过这种方式，检测人员不仅可以得到土壤重金属含量的详细信息，同时也能够进行重金属元素分类工作，提高土壤重金属检测工作的精细化水平。这种检测技术所消耗的成本并不算太高，整体操作也比较简单，具有较强的应用效果[4]。但这项技术在应用过程中也存在一些欠缺与不足。一方面，在使用这项技术开展监测活动时，如果无法保持光谱的稳定性，就会给检测工作带来较大影响，很难保证检测结果的精准度；另一方面，这项技术在单次检测时虽然不需要付出较高成本，但用于检测的设备比较昂贵，维保工作也非常复杂。因此这项技术适合应用于已经发现土壤重金属污染的情况，可以提供较好的实时监测功能。

2.4 分光光度法

分光光度法依托于光测量的相关理论，可使用不同波长的光照射到被检测土壤的溶液中，记录土壤样本溶液对于特定波长光的吸收情况，最终测定土壤中的重金属含量。在实际检测过程中，照射光根据光源不同主要可以分为紫外线、可见光和红外线等多种类别。分光光度法在使用过程中的抗干扰能力非常强，同时也具有较高的灵敏度，在检测单一重金属元素时能较好避免其他重金属元素的干扰，使得土壤重金属污染检测结果具有较高的精准度。

2.5 色谱分析法

色谱分析法主要通过不同物质在不同相态中的选择性分配，进行流动相和固定相混合物的洗脱操作，最终达到预期的检测目的。通常来说，混合物中的不同物质沿着同一方向的移动速度并不相同，会呈现出分离状态，但不同物质的分离机制存在差异。最常用的色谱分析法可分为吸附色谱、分配色谱、凝胶色谱分析法等。从原理来看，色谱分析法跟化学沉淀、电泳技术有较强的相似性，都是通过固定相与流动相的不同引发的分离现象反映土壤中重金属元素的含量。色谱分析法在实际应用中不仅具有较强的分离效果，最终检测结果也比较准确，能在土壤重金属污染检测中发挥较好作用，在环境能源、石油化工等其他领域也具有普遍应用。

2.6 新型检测技术

在土壤重金属污染检测技术近年的发展过程中，我国也出现了一些土壤重金属污染检测的新型技术。

第一，生物传感器法。这种方法主要利用金属离子和固定于电极材料中的特异性蛋白质，改变了蛋白质的结构，并通过灵活的电容信号传感器完成定量检测工作，以此判断土壤中的重金属含量[5]。在具体应用过程中，影响技术的因素主要集中在生物活性和外部环境等方面。不仅如此，生物传感器法也受到时间的限制，导致单个传感器的使用寿命比较短，无法被大面积推广。

第二，酶抑制法。这种方法使用重金属及酶活性中心的甲硫基进行反应，实现了酶自身结构与性质的变化，最终使得酶活性显著降低，完成土壤中重金属含量检测。这种检测方法可以使用光电信号放大显色剂颜色、吸光度、电导率等元素的变化情况，并构建重金属元素含量与酶系统的内在关系，提高土壤重金属污染检测的精度，同时也能够丰富检测成果的展示方式。

第三，免疫分析法。这种方法灵敏度极高，具有显著的应用效果。在具体使用这种方法时，需要先做好两项工作。一方面，技术人员需要使用合格的络合物对金属离子进行处理，保证金属离子具有一定的空间结构并能够进行氧化还原反应；另一方面，技术人员需要综合金属离子的化合物反应，将其转移到载体蛋白中，形成免疫原性。由此，土壤重金属污染情况可以直观全面地展示出来，给后续土壤污染治理提供相应的数据支撑。

第四，太赫兹光谱法。这种方法目前在国际上还属于前沿技术，主要方式是对分子内部或者分子间的激励进行探测。这种技术的原理在于分子间的激励会产生震动，并在震动过程中吸收能量，从而完成检测活动。目前国内外较多土壤重金属污染检测项目已经开始使用这项技术，并且取得了较为显著的应用效果。但这项技术目前还未成熟，因此并没有被全面推广使用，科研人员还需要在未来的发展中进行深层次研究，使得这项技术发挥更好的效果。

3 农产品产地土壤重金属污染检测技术的实践应用

为了充分介绍农产品产地土壤重金属污染检测技术的具体应用，文章将引入某茶园的土壤重金属污染检测案例，综合展示土壤重金属污染检测的流程，评估某茶园土壤重金属污染的实际水平，以此为后续茶土壤治理修复提供指引与参考。

3.1 土壤样品采集与处理

本次研究中的土壤位于某茶园种植区域，2020年6月到2020年12月间，研究人员一共选取了3处种植地，采集了30份土壤样本。为了避免样本在采集过程中被污染，本次采集过程使用木铲完成，同时也做好了样本采集的质量管控工作。在采样之前研究人员根据每个种植地的实际情况划分了采样点，并对每个采样点区域进行编号，编号跟采样土壤样品的编号保持一致。在采样土壤样品被送交实验室后，研究人员需等待一周使土壤自然风干，然后用木棒捣碎土壤样品，去除样品中的土渣，最终用研钵进行精细化研磨，将其放在洁净的玻璃瓶中等待下一步检测。

3.2 检测材料与设备的准备

检测人员在准备好土壤样品以后，还要准备好其他检测材料与设备，如：纯盐酸、氢氟酸、浓硝酸、高氯酸、蒸馏水等，同时还要使用多元素重金属标准溶液。在具体开展检测实验时，实验人员需要结合实际需求进行调配，以保证后续实验活动可以正常进行。除此之外，实验人员还要做好检测仪器的检查工作。此次检测活动使用了离子体发射光谱仪设备，实验人员需要提前做好设备性能的测定分析，保证设备的精度，使得设备可以在后续实验活动中取得预期效果。

3.3 实验进行

本次实验主要进行土壤中Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni、Hg、As、Co等九种重金属元素的检测。实验进行时，实验人员先选取土壤样品0.5 g(误差控制在0.1 mg)，将其放到聚四氟乙烯坩埚中，加入适量的蒸馏水进行湿润，接着再放入6 mL浓硝酸、2 mL氢氟酸、2 mL浓盐酸、1 mL高氯酸，然后将其置于电热板上加热消解。在加热过程中，实验人员应该观察样品的状态，并适时使用坩埚钳转动坩埚，避免出现烧干情况，保证样品能够完全消解。等到样品呈现白色或者淡黄色黏稠状后停止加热，待其冷却后使用5%的稀硝酸进行浸洗，并转移定容至50 mL。定容完成后，研究人员便可以使用离子体发射光谱仪器，完成Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni、Hg、As、Co等 九 种 重 金 属元素的测定，并分析土壤重金属污染的实际情况。

3.4 重金属污染评价

在通过实验得到相关检测数据以后，研究人员还要对这些数据进行评价，明确土壤重金属污染的整体水平。本项目使用单因子污染指数法和Nemerow综合污染指数法展开土壤污染水平评价，其中前者可以单独计算污染物的污染指数，并与当前国家标准中的限定值进行对比分析，以此得出单个污染物的污染水平，后者则可以综合计算整个项目的土壤重金属污染水平并宏观展示土壤的污染情况。在具体评价时，研究主要依照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》以及农业部标准NY/T 391—2021的重金属限定值，同时还借鉴了中国绿色食品发展中心推荐的土壤污染分级标准，对土壤污染程度进行了进一步的划分，以使重金属污染评价结果更加精准。

3.5 重金属污染评价结果

在对某茶园的重金属污染情况进行全面检测以后，研究发现茶园土壤的重金属含量明显超标，三处采样区中仅有一处符合相关标准，其余两处都与重金属限定值有较大差距。在计算茶园重金属污染具体情况后，研究发现茶园土壤中重金属含量从高到低依次为Zn、Cr、Ni、Pb、Cu、Co、As、Cd、Hg。研 究利用Nemerow综合污染指数法测算后，发现两个采样点的重金属含量结果分别为0.78和0.75，都超过了土壤污染的警戒线0.7。这也说明了某茶园土壤质量不高，需要相关人员对其充分重视，并制定相对完善的土壤环境治理计划，提高土壤生态治理水平，提升土壤的整体质量。

4 农产品产地土壤重金属污染检测技术的发展趋势

4.1 低成本化发展

结合当前农产品产地土壤重金属污染检测技术的应用现状来看，成本较低的检测技术往往在应用过程中具有较大的局限性，导致最终检测结果的质量无法得到有效保证，而精准度较高的土壤重金属污染检测技术往往造价相对昂贵，在实践中无法全面推广。这种现状导致我国土壤重金属污染检测技术无法在实践中取得较好效果，不利于土壤重金属污染治理活动的有效开展[6]。目前我国已经充分认识到了这一点，开始引导土壤重金属污染检测技术的低成本化发展。一方面，当前我国很多检测设备依赖进口，导致设备造价较高，因此我国将加强自主研发能力，降低检测设备的造价，推动土壤重金属污染检测技术的低成本化发展；另一方面，我国目前在新型检测技术的研发与应用方面也取得了显著成果，这也将成为这类技术低成本化发展的重要方向。目前我国在新型检测技术领域中已经紧追国际先进水平步伐，这也将成为我国在此领域超越发达国家的重要路径。

4.2 智能创新发展

未来农产品产地土壤重金属污染检测技术也将朝智能创新方向发展。一方面，土壤重金属污染检测的智能化水平将显著提升，通过引入大数据分析、人工智能、专家系统等多个模块，实现检测过程的自动化，并通过专家系统提出土壤治理的针对性建议，构建农产品产地土壤重金属污染检测的智慧格局。这项技术实现时，需要布设智能传感器，同时还要完成智慧软件的建设。除此之外，此类技术的应用还需要收集农产品产地土壤重金属污染检测的数据，在这些数据的支撑下，智慧系统将变得更加智能，最终的分析结果也更加精确，在实践应用中能取得更好的效果；另一方面，土壤重金属污染检测将使用无人机航拍等新技术，建立被检测区域的土壤环境模型，并形成土壤重金属污染的动态分析模块，实现对被检测区域土壤环境的动态管控。这类技术目前的发展还比较有限，想要全面推广应用尚有困难，目前主要用于辅助其他土壤污染检测技术以实现较好的检测合力。

5 结语

综合来看，我国土壤重金属污染检测技术的应用水平虽然跟发达国家相比还有一些差距，但近几年来我国土壤重金属污染检测技术的发展速度较快。在土壤重金属污染情况持续严峻的情况下，我国应进一步加快土壤重金属污染检测技术的研发，加快推出新的检测技术，使土壤重金属污染物检测工作更加完善。在实际应用过程中，相关检测人员也应加快自身对各类新型检测技术的认知与掌握速度，同时还要明确不同检测技术的应用流程，保证检测技术可以发挥预期的作用，以此推动农产品产品土壤质量的不断提升。