聯合浸提法測定土壤有效態鎘

郭繼斌+王莉+韓嬌+王金云

摘要： 使用聯合浸提法測定3種土壤（褐土、棕壤、黑土）有效態重金屬Cd，并與DTPA、HCl法比較，探討聯合浸提法測定土壤Cd的可行性。進行盆栽試驗，測定小麥全量鎘，分析我國北方3種土壤不同方法有效態Cd測定值與小麥吸收Cd的相關性。結果表明，HCl-Cd值在3種土壤間差異較大，聯合浸提法和DTPA法Cd測定值在3種土壤間差異較小。聯合浸提法比常規方法有效態Cd浸出率高。此外，聯合浸提法有效態Cd測定值與土壤Cd添加量有較好相關性，相關系數為0.993～0.999；與常規方法有效態Cd測定值有較好相關性，相關系數為0.899～0.998；與小麥吸收Cd量有較好相關性，相關系數為0.982～0.997。說明聯合浸提法適用于測定本研究中3種土壤中有效態鎘。

關鍵詞： 重金屬；鎘；土壤；聯合浸提法；相關性；DTPA法；HCl法

中圖分類號： X53 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0369-04

隨著我國重金屬污染程度日益加深，重金屬污染已經成為我國主要土壤環境污染問題之一。我國受鎘、砷、汞、銅、鋅等重金屬污染的耕地約有0.1億hm2，每年因重金屬污染的糧食達1 000多萬t，造成直接經濟損失達200余億元[1]。重金屬不僅會引起土壤理化性質改變，還會通過“土壤—植物—人體”或“土壤—水體—人體”等途徑進入人體內，對人體健康產生危害[2]。重金屬污染中以重金屬鎘污染最為嚴重。長期攝入鎘污染食品會導致骨軟化癥發生，稱為“痛痛病”[3]。研究發現，土壤中全量重金屬不能反映植物吸收情況，而有效態重金屬含量能較好反映出土壤受重金屬污染程度。有效態重金屬指在土壤中易遷移、易被植物吸收的重金屬[4]。目前對重金屬有效態的研究主要集中于對浸提劑的選擇。以往研究所用的傳統浸提劑均為單一浸提劑（1次浸提只能測定1種重金屬元素），不能實現多種重金屬的聯合浸提[5]而導致分析速度慢且效率低下，不宜于土壤高效監測。近年科研工作者開始對聯合浸提法進行研究。

聯合浸提法可同時浸提測定土壤大量元素和微量元素[6]，包括土壤養分狀況系統研究法（ASI法）和M3浸提法。土壤養分狀況系統研究法是Hunter于1980年提出的一套分析土壤中養分狀況方法。我國引進了這套研究方法，并在多種土壤中進行了試驗，發現ASI法適合在我國13個省份104種土壤中進行應用[7]。Mehlich-3（簡稱M3法）是1982年由Mehlich提出，方法使用的浸提劑廣泛適用于各種類型土壤元素的提取。目前我國主要將ASI法、M3法用于測定土壤養分[8]。本研究用聯合浸提法對土壤中有效態鎘進行提取測定，探討聯合浸提法測定土壤重金屬Cd的可行性，從而快速、準確地監測農耕土壤中重金屬Cd污染。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤樣品于2008年采自黑龍江（黑土）、遼寧（棕壤）、山西（褐土）的農耕土壤。根據地塊大小采用“S”形取樣，深度為0～20 cm，取樣點控制10～15個，將各取樣點土混合制成1個土壤樣本。在各省不同地區采集10個樣本并均勻混合而得該省土樣，風干，過5 mm尼龍篩備用，基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗于2015年2月4日至5月29日在山西師范大學生命科學學院實驗室內進行。本研究采用人工模擬天然Cd污染土壤。根據GB15618—1995《土壤環境質量標準》[9]的標準分別向3種土樣添加Cd，設為5個水平：0、2.5、5、10、20 mg/kg。以CdCl2·2.5H2O鹽溶液形式添加到土壤中，仿照田間環境馴化土壤45 d，土樣風干后過1 mm尼龍篩備用。

馴化后土壤進行盆栽試驗，營養元素以N ∶ P2O5 ∶ K2O=1 ∶ 0.67 ∶ 1加入，100 mg/kg N[Ca（NO3）2·4H2O]、87 mg/kg P（KH2PO4）、249 mg/kg K（K2SO4）。1 kg土中加入微量元素0.5 mg B、0.5 mg Mn、0.5 mg Zn、0.02 mg Cu、0.01 mg Mo、5.6 mg Fe、0.5 mg Mg。每盆裝400 g土，播種小麥種子20粒，出苗后選取長勢一致的苗，定苗10株，生長45 d 后收獲，將小麥烘干，磨碎后備用。

1.3 儀器與設備

AAS nov A 400原子吸收光譜儀、石墨高溫消解儀、電子天平、SIGMA 3K15冷凍離心機、普通搖床。

1.4 試驗方法

1.4.1 土樣中有效態鎘的提取 （1）M3法[0.2 mol/L CH3COOH -0.25 mol/L NH4NO3 -0.015 mol/L NH4F-0.013 mol/L HNO3-0.001 mol/L EDTA ，pH值=2.5±01]，土液比1 ∶ 10，溫度25 ℃，振蕩5 min；（2）ASI法[0.25 mol/L NaHCO3-0.01 mol/L EDTA-0.01 mol/L NH4F]，土液比1 ∶ 10，溫度25 ℃，振蕩5 min ；（3）DTPA法[0.005 mol/L DTPA -0.01 mol/L CaCl2-0.1 mol/L TEA，pH值=7.3]，土液比1 ∶ 2，溫度20 ℃，振蕩30 min；（4）0.1 mol/L HCl法，土液比1 ∶ 5，溫度20 ℃，振蕩1 h。

1.4.2 小麥中全量鎘浸提 將植物磨碎后放入消解管中，加入10 mL濃硝酸和4 mL高氯酸，在石墨高溫消解儀上進行消解。

1.4.3 重金屬測定方法 重金屬經提取后，用德國nov AA400原子吸收分光光度計測定吸光值。

1.5 數據處理方法

測定所得數據用Excel和SPSS 17.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 4種方法有效態Cd測定值與浸出率分析

圖1-a顯示，Cd添加量為0 mg/kg時ASI-Cd值為0；其他Cd添加量的ASI-Cd值均表現為棕壤>黑土>褐土。圖1-b顯示，Cd添加量為0 mg/kg時M3-Cd值為0；在Cd低添加量（2.5、5 mg/kg）時M3-Cd值表現為棕壤> 褐土>黑土；在Cd高添加量（10、20 mg/kg）時M3-Cd值表現為褐土>棕壤 >黑土。圖1-c顯示，Cd添加量為0 mg/kg時DTPA-Cd值為0；Cd添加量為2.5、10 mg/kg時DTPA-Cd值表現為黑土>棕壤> 褐土；Cd添加量為5、20 mg/kg時DTPA-Cd值表現為棕壤 >黑土>褐土。圖1-d顯示，Cd添加量為0 mg/kg時HCl-Cd值為0；其他Cd添加量時HCl-Cd值均表現為棕壤>黑土>褐土。綜上所述，同種方法有效態Cd 測定值在不同土壤間存在差異。圖1顯示，HCl-Cd值在3種土壤間差異較大，聯合浸提法和DTPA法Cd測定值在3種土壤間差異較小。

圖2顯示，同種類型土壤4種方法Cd浸出率大小排序，褐土為M3>ASI>DTPA>HCl；棕壤和黑土均為ASI>DTPA>M3>HCl。可見同種土壤類型不同方法有效態Cd浸出率存在差異，其中聯合浸提法Cd浸出率高于傳統方法。

2.2 聯合浸提法與常規方法測定值比較

2.2.1 聯合浸提法與常規方法測定值差異性分析 圖3顯示，同種方法有效態Cd測定值隨土壤Cd添加量增加而增加，其中褐土、黑土的HCl-Cd值與土壤Cd添加量呈顯著線性相關（n=5，P<0.05），其余均呈極顯著線性相關（n=5，P<0.01）。ASI法測定值與土壤Cd添加量相關方程為：褐土：y=0.559 8x-0.150 5；r=0.999* *；棕壤：y=0.795 3x-0.152 8，r=0.999* *；黑土：y=0.729 1x+0.087 8，r=0.999* *。M3法測定值與土壤Cd添加量相關方程為：褐土：y=0.677 4x+0.153 5，r=0.993* *；棕壤：y=0.670 3x+0.156 7，r=0.996* *；黑土：y=0.618 1x+0.108 2，r=0.994* *。HCl法測定值與土壤Cd添加量相關方程為：褐土：y=0.029 7x+0.237 2，r=0.892*；棕壤：y=0.430 9x+1.044 3，r=0.969* *；黑土：y=0.404 6x+0.925 5，r=0.952*。DTPA法測定值與土壤Cd添加量相關方程為：褐土：y=0.248 2x+0.014 5，r=0.998* *；棕壤：y=0.295 1x+0.156 7，r=0.997* *；黑土：y=0.302 6x+0.430 5，r=0.981* *。可見4種方法測定土壤有效態Cd均有較好穩定性。

2.2.2 聯合浸提法與常規方法測定值相關性分析 由表2可知，M3法與常規方法測得3種土壤有效態Cd值均有較好相關性，其中褐土的HCl法達顯著相關（n=5，P<0.05），其他均呈極顯著相關（n=5，P<0.01），相關系數r的范圍為 0.932～0.998。由表3可知，ASI法與常規方法測得3種土壤有效態Cd值均有較好相關性，其中褐土和黑土的HCl法測定值呈顯著相關（n=5，P<0.05），其他均呈極顯著相關（n=5，P<0.01），相關系數r的范圍為0.899～0.996。

2.3 聯合浸提法測定值與植物吸收Cd含量相關性分析

2.3.1 小麥吸收Cd含量結果分析 圖4顯示，相同Cd添加量的不同類型土壤小麥吸收Cd含量存在差異：其中Cd添加量為5 mg/kg時小麥吸收Cd含量為：褐土>棕壤>黑土；其余處理小麥吸收Cd含量均為：棕壤>褐土>黑土。小麥在不同土壤上Cd積累量存在差異：褐土中小麥重金屬鎘富集系數均值為4.2；棕壤中小麥重金屬鎘富集系數均值為 4.72；黑土中小麥重金屬鎘富集系數均值為3.94。

2.3.2 聯合浸提法測定值與植物吸收的Cd含量的回歸分析 由表4可知，3種土壤M3-Cd值與植物吸收Cd量的相關性均達到極顯著水平（n=5，P<0.01），相關系數范圍為 0.982～0.993。由表5可知，3種土壤ASI-Cd值與植物吸收Cd量的相關性均達到極顯著水平（n=5，P<0.01），相關系數范圍為0.985～0.997。由此可知，聯合浸提法測定值能較好反映小麥吸收Cd含量。

3 討論

本研究使用4種方法對3種類型土壤有效態鎘進行浸提測定，不同土壤類型測得有效態Cd含量存在差異，可能是由于褐土、棕壤和黑土3種土壤理化性質不同所導致。土壤pH值和有機質含量會影響重金屬在土壤中的存在狀態，從而影響土壤中有效態重金屬含量[10]。張開軍等[11]和劉洋等[12]研究表明，土壤pH值會直接影響重金屬活性，土壤pH值與有效態重金屬鎘之間存在顯著負相關，重金屬生物有效性隨pH值的降低而增大，這可能是由于pH值下降時土壤黏粒礦物和有機質表面負電荷減少，導致對重金屬的吸附能力下降，增加活性重金屬含量。本研究中棕壤pH值最低（pH值=6.47），聯合浸提法測定3種土壤中有效態鎘時，測得棕壤中有效態鎘值較高，與張開軍和劉洋的研究相吻合。

此外，土壤中有機質含量同樣會影響重金屬有效性，萬麗娟等[13]、潘勝強等[14]和周國華[15]研究表明，有機質中腐殖質不同分子量分級組成會造成金屬離子的絡合作用及絡合物穩定性的差異。小分子量腐殖質與金屬離子形成可溶性化合物，增加重金屬離子遷移能力，而大分子固體腐殖質對金屬元素的螯合作用使金屬固定下來，小分子量和大分子量腐殖質的組成比例決定了有機質對土壤中重金屬活動性的作用效果[16]。本研究在用聯合浸提法對3種土壤中有效態鎘進行浸提測定時，有機質含量高的黑土Cd測定值偏低，可能是由于供試黑土有機質成分中大分子量腐殖質較多，使更多重金屬鎘被螯合而固定下來，降低了土壤中有效態鎘含量。

使用不同浸提劑對同一土壤進行浸提時，有效態鎘測定值有差異，褐土中HCl-Cd值較低，棕壤和黑土中HCl-Cd值較高。可能是由于棕壤和黑土為酸性，增強了H+置換重金屬陽離子的能力，因此HCl浸提劑適合于酸性土壤的浸提，這與李亮亮等[17]、易磊等[18]的研究吻合。而聯合浸提劑有效態Cd測定值較大，可能是由于ASI、M3浸提劑中EDTA-Na2和F-可螯合重金屬將更多不易遷移的重金屬提取出來，增大了測定值；這與顧國平等[19]的研究吻合。因此M3、ASI法對有效態重金屬Cd的浸提效率高。

不同方法對同一土壤有效態Cd浸出率不同（褐土：M3>ASI>DTPA>HCl；棕壤：ASI>M3>HCl>DTPA；黑土：ASI>M3>HCl>DTPA）。肖振林等[20]研究表明，不同提取劑對同一酸性土壤中鎘的提取率明顯不同，但都存在提取率隨全鎘含量升高而降低的趨勢，使用HCl浸提的提取率最大。熊禮明等[21]研究表明，各種浸提劑對Cd提取能力差異較大，且取決于土壤類型，紅壤和黃棕壤0.1 mol/L HCl浸提率最高，在石灰性土壤中DTPA法的提取率明顯高于HCl法。綜上所述，不同土壤類型HCl和DTPA浸提劑浸提能力差異較大，HCl浸提劑在浸提不同類型土壤時存在一定局限性。而本研究中聯合浸提法在浸提不同類型土壤Cd時測定值差異較小，說明實踐應用中聯合浸提劑適用范圍廣，穩定性較好。

本研究對聯合浸提法Cd測定值與小麥吸收量進行相關性分析，2種方法均達到極顯著相關（n=5，P<0.01）。ASI-Cd值與小麥吸收Cd相關系數范圍為0.985～0.997，M3-Cd值與小麥吸收Cd的相關系數范圍為0.982～0.993。聯合浸提法與常規方法測定值有較好相關性，ASI法與常規方法測定值相關系數范圍為0.899～0.996，M3法與常規方法測定值相關系數范圍為0.932～0.998。說明聯合浸提法適用于本研究褐土、棕壤和黑土中有效態鎘浸提，浸提效果較好。

4 結論

4種浸提劑對3種類型土壤（褐土、棕壤、黑土）有效態鎘進行浸提，所得測定值差異較大，不同浸提劑有效態鎘浸出率不同。

聯合浸提法有效態Cd測定值與土壤Cd添加量呈極顯著線性相關（n=5，P<0.01），說明聯合浸提法在測定土壤中有效態重金屬Cd時較穩定。

聯合浸提法有效態Cd測定值與植物吸收Cd含量均達到極顯著相關（n=5，P<0.01），與常規方法測定值有較好相關性，說明聯合浸提法適用于本研究褐土、棕壤和黑土中有效態鎘浸提，浸提效果較好。

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