土壤重金屬元素形態(tài)分析

李國權(quán)，馬成有

摘要：本文闡述了土壤及重金屬元素形態(tài)的定義及其重金屬元素形態(tài)的分類和分析方法，明確了重金屬土壤元素形態(tài)定性和定量分析意義，并舉例說明。

關(guān)鍵詞：土壤；重金屬；形態(tài)分析

基金項(xiàng)目：吉林大學(xué)2017年本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目

中圖分類號： X171.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.24.052

1土壤及元素形態(tài)分析的定義

土壤附著在地球的表層，為很多動植物提供生長、生存、生活的場所。土壤的組成部分主要有礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、土壤生物以及水分、空氣，是固相、液相、氣相等各種相態(tài)的復(fù)雜組合體。當(dāng)然作為人類及其他生物生存的四大要素之一，其地位和作用是非常重要的，土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類生活的根基。然而，現(xiàn)代社會工業(yè)的快速發(fā)展、農(nóng)業(yè)中化肥的濫用以及礦山開采等原因造成了我國部分土壤的嚴(yán)重污染，尤其以重金屬污染最為嚴(yán)重。土壤重金屬的污染治理要查清土壤中重金屬的含量及分布特征，而更重要的是對重金屬元素形態(tài)的了解。

土壤重金屬元素的形態(tài)是指土壤環(huán)境中金屬元素以某種離子、分子或其他結(jié)合方式存在的物理化學(xué)形式。如汞可有元素汞、無機(jī)汞和有機(jī)汞等不同化學(xué)狀態(tài)；鐵有二價(jià)態(tài)和三價(jià)態(tài)還有單質(zhì)等形態(tài)存在。

2 重金屬元素形態(tài)分類及分析方法

金屬進(jìn)入土壤后，與土壤中的礦物質(zhì)、有機(jī)物及微生物發(fā)生吸附、絡(luò)合和礦化等作用，導(dǎo)致重金屬元素的賦存形式的改變以及時空遷移變化。研究表明，某一重金屬在土壤中的總量并不能真實(shí)評價(jià)其環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)，而重金屬在土壤中的形態(tài)含量及其比例，才是決定其對環(huán)境及四周生態(tài)系統(tǒng)造成影響的關(guān)鍵因素。

土壤中重金屬的形態(tài)一般可分為以下幾個形態(tài)：可溶態(tài)、可交換態(tài)及碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物-硫化物結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)等五種形態(tài)。重金屬形態(tài)的分類主要是依據(jù)重金屬元素在土壤具體的賦存狀態(tài)以及浸取劑的種類和強(qiáng)度的不同而定的。可溶態(tài)主要是浸取劑、純水或離子強(qiáng)度不高的電解質(zhì)溶液，通過此種浸取劑的浸取，金屬元素的某價(jià)態(tài)離子可以溶于其中。可交換態(tài)及碳酸鹽結(jié)合態(tài)是在一定的pH條件下，選用離子強(qiáng)度稍強(qiáng)一些的電解質(zhì)溶液進(jìn)行浸取，電解質(zhì)溶液中的離子可以和土壤中的重金屬離子發(fā)生交換，從而使重金屬離子進(jìn)入浸取劑當(dāng)中。鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)一般采用鹽酸或鹽酸羥胺和醋酸作為浸取劑，并在加熱的條件下，才能將鐵錳氧化態(tài)的金屬溶解、解析于溶液中。有機(jī)物-硫化物結(jié)合態(tài)重金屬的處理要難于鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，一般采用硝酸、過氧化氫等氧化性較強(qiáng)的溶劑。殘?jiān)鼞B(tài)金屬是最難處理的，主要采用鹽酸、硝酸、高氯酸、氫氟酸等氧化性、腐蝕性強(qiáng)的幾種酸相互配合才能溶解。當(dāng)然關(guān)于重金屬形態(tài)不只有五種形態(tài)分類法，也有八種形態(tài)分類法或其他分類方法。如將重金屬形態(tài)分為水溶態(tài)、交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、無定型氧化錳結(jié)合態(tài)、無定型氧化鐵結(jié)合態(tài)、晶體型氧化鐵結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)等八種形態(tài)，并且根據(jù)具體形態(tài)所采取的浸取劑也有所不同。

不論如何對形態(tài)進(jìn)行分類，采取什么樣的浸取劑，目的都是為了更高效地提取出所希望的形態(tài)，并且形態(tài)區(qū)分更為明確。

以上就是重金屬元素形態(tài)分析的化學(xué)方法。基本原理是基于重金屬元素單質(zhì)及其化合物化學(xué)性質(zhì)的不同，利用化學(xué)分析的手段研究重金屬元素形態(tài)的組成和含量的方法，它主要是根據(jù)化合物在浸取劑中的溶解度和溶解速度的不同，通過選擇性溶解的方法，使重金屬元素各形態(tài)得以分離，進(jìn)而分別測定其含量。另一種就是重金屬元素形態(tài)分析的物理方法。根據(jù)重金屬元素單質(zhì)、化合物的光學(xué)、電學(xué)等物理性質(zhì)，利用一定的儀器設(shè)備，如顯微鏡、紅外光譜儀、X射線衍射儀、激光顯微拉曼光譜儀等確定重金屬元素形態(tài)組成和含量的方法。如土壤硒元素的形態(tài)分析，硒是環(huán)境中的重要生命元素。土壤中的硒可分為無機(jī)硒和有機(jī)硒兩大類，其中無機(jī)硒的存在形態(tài)包括硒酸鹽、亞硒酸鹽、硒化物和元素態(tài)硒。體現(xiàn)在化學(xué)價(jià)態(tài)上，即有：+2、+4、+6以及0價(jià)態(tài)。無機(jī)硒的吸收效果及安全性遠(yuǎn)不如有機(jī)硒，因此土壤、植物中硒的形態(tài)分析研究對評估人們補(bǔ)硒是否健康合理至關(guān)重要。對硒的形態(tài)分離分析采用連續(xù)化學(xué)浸提技術(shù)將土壤中硒劃分為五種形態(tài)：可溶態(tài)、可交換態(tài)及碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵-錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物-硫化物結(jié)合態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)，然后，用原子熒光光度法實(shí)現(xiàn)各形態(tài)硒和總硒的測定。

3 土壤重金屬元素形態(tài)分析的意義

土壤中重金屬元素各形態(tài)的定性定量分析，并測定重金屬元素的總量進(jìn)行回收率檢驗(yàn)，旨在揭示研究區(qū)或重金屬的存在形態(tài)及含量，為后續(xù)的土壤修復(fù)提供理論依據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。從土壤物理化學(xué)角度來看，土壤中不同形態(tài)的重金屬處于各自不同的能量狀態(tài)，它們在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的，重金屬形態(tài)是決定其對生物有效性的基礎(chǔ)。

當(dāng)然對于形態(tài)分析來說，不只是包括重金屬元素形態(tài)分析，更是包括與人類生產(chǎn)、生活密切相關(guān)的化學(xué)元素如硒、磷、氮等生命元素的形態(tài)分析，甚至化學(xué)元素周期表大部分元素的形態(tài)分析。

4 展望

關(guān)于元素形態(tài)分析，未來研究方向主要在于更高效、更快速地對元素各個形態(tài)的定量分析，并且是無損分析、在線分析最為方便適用。對分析方法要求是準(zhǔn)確度高，靈敏度好，檢出限低。這是一個新的應(yīng)用研究領(lǐng)域，目前元素形態(tài)分析已經(jīng)成為分析科學(xué)領(lǐng)域的一個重要分支。

分析技術(shù)主要是多種分析儀器的綜合聯(lián)用。如激光顯微拉曼光譜的應(yīng)用，X射線衍射儀的應(yīng)用，紅外光譜、X熒光光譜的應(yīng)用，氣相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)的聯(lián)用。

作者簡介：李國權(quán)，蒙古族，副教授，研究方向：土壤環(huán)境質(zhì)量安全與評價(jià)。