淺談土壤污染的檢測(cè)手段

柴祿

摘 要 介紹目前幾種常見的土壤污染類型，并以此為基礎(chǔ)，闡述了氣相色譜分析法、高效液相色譜分析法、原子吸收光譜法、近紅外光譜法以及X射線熒光光譜法等土壤成分的分析和污染檢測(cè)手段。通過(guò)這些檢測(cè)手段可快速獲取土壤結(jié)構(gòu)和組成等多種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為開展土壤修復(fù)工作提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 土壤檢測(cè);組成分析;檢測(cè)手段

中圖分類號(hào)：S289 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.15.095

任何植物的生長(zhǎng)都離不開土壤。在當(dāng)今農(nóng)業(yè)科技高度發(fā)展、我國(guó)人口與耕地資源極度不平衡的情況下，人們采取了多種手段獲取更多的植物資源，隨之帶來(lái)的是更多的化學(xué)肥料和殺蟲劑的使用，造成了嚴(yán)重的土壤污染，阻礙甚至破壞了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。因此，改善土壤問(wèn)題亟待解決。而土壤成分分析和污染檢測(cè)將為土壤修復(fù)提供最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 土壤污染來(lái)源

土壤的污染主要分為肥料污染、農(nóng)藥污染和重金屬污染3大類[1]。

1.1 肥料污染

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，國(guó)家農(nóng)業(yè)的產(chǎn)能需求日益增長(zhǎng)，農(nóng)耕地呈現(xiàn)日益減少的局面。為提高土壤的使用性能，追求產(chǎn)量和質(zhì)量，人們?cè)谵r(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中過(guò)度使用化學(xué)肥料，破壞了土壤原有的結(jié)構(gòu)，使得土壤出現(xiàn)酸化和板結(jié)現(xiàn)象。因此，種植人員應(yīng)科學(xué)合理使用化學(xué)肥料，保障土壤健康。

1.2 農(nóng)藥污染

土壤可以實(shí)現(xiàn)對(duì)部分污染物質(zhì)的有效凈化，但由于凈化能力有限，當(dāng)污染物質(zhì)累積越來(lái)越多時(shí)，將超出土壤的凈化能力，形成土壤污染。適量的農(nóng)藥可以清除蟲害與雜草，但過(guò)度使用會(huì)造成土壤污染，影響農(nóng)作物和植物的生長(zhǎng)。

1.3 重金屬污染

工業(yè)廢水廢渣的無(wú)處理排放、含重金屬?gòu)U水灌溉農(nóng)田以及重金屬農(nóng)藥的使用，均可造成土壤重金屬污染。重金屬能夠在很大程度上減弱土壤肥力、減低農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量，從而影響農(nóng)產(chǎn)品的持續(xù)生長(zhǎng)。此外，殘存的重金屬污染物通過(guò)土壤進(jìn)入生長(zhǎng)的植物，直接威脅人的生命健康。

2 土壤檢測(cè)手段

為更好地應(yīng)對(duì)土壤污染，將重點(diǎn)介紹氣相色譜分析法、高效液相色譜分析法、原子吸收光譜法、近紅外光譜法和X射線熒光光譜法等常見的檢測(cè)手段。

2.1 氣相色譜檢測(cè)法

氣相色譜法是檢測(cè)土壤的常用方法之一，主要用于檢測(cè)農(nóng)藥殘留，通過(guò)載氣沖洗實(shí)現(xiàn)色譜分離，又稱氣相層析法。它的工作原理是利用色譜中流動(dòng)相在固定相中不同分配系數(shù)的特性，當(dāng)土壤中的成分被氣化后，進(jìn)到色譜柱中進(jìn)行多次分配與重組。此過(guò)程中各成分溶解程度不同，可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理分析。氣相色譜檢測(cè)法廣泛應(yīng)用于化工成品的檢測(cè)。這種方法的使用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中農(nóng)藥殘留的測(cè)定與分析，有助于充分了解土壤中的農(nóng)藥含量[2]。朱曉蘭等[3]采用加速溶劑萃取—?dú)庀嗌V法測(cè)定10種含有有機(jī)磷農(nóng)藥的土壤，將土壤樣品與萃取劑混合后在加速溶劑萃取儀上以10.3 MPa、60 ℃提取10 min，對(duì)土壤中的回收率在80.4%～113.7%，有機(jī)磷農(nóng)藥殘留檢出限為0.01～0.06 μg·kg-1。李飛飛等[4]應(yīng)用氣相色譜氮磷檢測(cè)器對(duì)土壤中霜霉威的殘留量進(jìn)行測(cè)定，方法的最低檢出量為1×10-10 g，最低檢出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03 mg·kg-1。

2.2 高效液相色譜法

高效液相色譜主要是在典型液相色譜方法的基礎(chǔ)上研究提出的，是一種全新的分離技術(shù)。近年來(lái)，高效液相色譜法的使用范圍逐漸擴(kuò)大，重要性也在提升。高效液相色譜法具有檢測(cè)效率高、結(jié)果準(zhǔn)確和適用性廣的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤、水分以及大氣等多種物質(zhì)的檢測(cè)，還能對(duì)其中的農(nóng)藥殘留與殺蟲劑殘留進(jìn)行針對(duì)性測(cè)試，有效幫助檢測(cè)人員高效分析土壤情況，但檢測(cè)成本較高。因此，要想這一技術(shù)得到廣泛使用，需要加強(qiáng)降低檢測(cè)成本的相關(guān)研究[2]。李彥文等[5]利用固相萃取（SPE）-高效液相色譜法（HPLC）同時(shí)測(cè)定水和土壤中5種磺胺類抗生素的分析方法，檢出限分別為0.94～13.2 ng·L-1和0.24～3.3 μg·kg-1。

2.3 原子吸收光譜法

原子吸收光譜通過(guò)檢測(cè)蒸汽中被檢測(cè)元素中的基態(tài)原子所吸收原子共振輻射強(qiáng)度大小，有效確定元素的具體含量。目前，可通過(guò)火焰原子吸收光譜法、石墨爐原子吸收光譜法和氫化物發(fā)生法等3種檢測(cè)手段實(shí)現(xiàn)[6]。幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍見表1。

采用原子吸收光譜法前，需先對(duì)土壤樣品進(jìn)行處理。由于土壤樣品基質(zhì)的差異性，可依據(jù)實(shí)際情況采取不同的處理方式。目前的方式主要有電熱板濕法消解法、干灰化法和微波消解法。其中，電熱板濕法消解法操作簡(jiǎn)單，使用普遍。例如土壤中金屬鎘的檢測(cè)，可采用二乙基二硫代氨基甲酸鈉為檢測(cè)絡(luò)合劑，使用四氯化碳作為萃取劑，利用硝酸-過(guò)氧化氫進(jìn)行反萃取，使之轉(zhuǎn)化成水相，然后可以使用火焰原子吸收光譜法檢測(cè)金屬鎘。另外，土壤中鋁元素的檢測(cè)可采取石墨爐檢測(cè)法。

2.4 近紅外光譜法

土壤是身份復(fù)雜的物質(zhì)，主要包含有機(jī)物和無(wú)機(jī)物。其中，有機(jī)物中有大量的烷烴、芳香族、含氮和含氧物質(zhì)等，而土壤有機(jī)質(zhì)的含量與土壤肥力密切相關(guān)。通過(guò)近紅外光譜檢測(cè)手段可實(shí)現(xiàn)土壤中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成的分析[7]。

近紅外光的波長(zhǎng)范圍為700～2 500 nm，電磁波介于中紅外光和可見光。近紅外光譜可吸收C-C、C-H、C-O、N-H、P-H以及S-H等集團(tuán)。幾乎所有有機(jī)物的主要結(jié)構(gòu)在近紅外譜區(qū)都有信號(hào)，且光譜易獲取、譜圖穩(wěn)定，可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中水分、有機(jī)質(zhì)以及氮磷鉀等含量的檢測(cè)[8]。Bowers等[9]用1 400 nm、1 900 nm和2 200 nm反射波長(zhǎng)準(zhǔn)確測(cè)量了土壤水分含量。Dalal等[10]用1 744 nm、1 870 nm和2 052 nm波長(zhǎng)對(duì)澳大利亞土壤有機(jī)碳進(jìn)行預(yù)測(cè)并取得了良好結(jié)果。Linker等[11]用中紅外傅里葉變換—衰減全反射法（FTIR—ATR）直接測(cè)定土壤團(tuán)粒中的氮含量，根據(jù)土壤類、碳酸鹽含量和土壤粘土含量將土壤分類，得到了較準(zhǔn)確的氮含量。

2.5 X射線熒光光譜法

X射線熒光光譜法主要通過(guò)X射線透射被檢測(cè)物質(zhì)中的原子，使其產(chǎn)生X射線，而不同元素與X射線熒光一一對(duì)應(yīng)，以此為基礎(chǔ)分析物質(zhì)的物理和化學(xué)構(gòu)成。此外，X熒光射線的強(qiáng)度與元素的含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，因此X射線熒光光譜法可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中元素的定性和定量分析[12]。

利用X射線檢測(cè)的過(guò)程中，因檢測(cè)結(jié)果會(huì)受到同物質(zhì)的相互作用，如相干散射及康普頓散射等，需對(duì)熒光光譜本底進(jìn)行扣除，以保證檢測(cè)結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。為減輕不同元素之間的相互影響，需用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、理論影響系數(shù)法以及基本參數(shù)法等數(shù)學(xué)校正方法進(jìn)行熒光分析基體校正。該方法具有檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單、檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和不破壞樣品的特點(diǎn)，在土壤檢測(cè)分析中得到了廣泛應(yīng)用。賈立于[13]利用粉末壓片X射線熒光光譜法對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)Pb、As、Zn、Cu、Ni和Cr進(jìn)行測(cè)定，技術(shù)指標(biāo)良好。滕彥國(guó)等[14]利用EDXRF方法成功分析了攀枝花地區(qū)土壤中重金屬的含量，評(píng)價(jià)了該區(qū)土壤重金屬污染的特征，結(jié)果表明該區(qū)重金屬污染主要與工礦活動(dòng)有關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

氣相色譜利用流動(dòng)相在固定相中的不同分配系數(shù)的特性，土壤中的成分被氣化后進(jìn)到色譜柱中進(jìn)行多次分配與重組，可科學(xué)、合理地測(cè)定和分析土壤中的農(nóng)藥殘留。高效液相色譜是一種全新的分離技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤、水分以及大氣等多種物質(zhì)的檢測(cè)，還能夠?qū)ζ渲械霓r(nóng)藥殘留與殺蟲劑殘留進(jìn)行針對(duì)性測(cè)試，可高效準(zhǔn)確地分析土壤情況。原子吸收光譜通過(guò)檢測(cè)蒸汽中的被檢測(cè)元素中的基態(tài)原子所吸收原子共振輻射強(qiáng)度大小，可有效確定元素的具體含量。紅外光譜法通過(guò)特定官能團(tuán)可獲取土壤中物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成，幾乎所有有機(jī)物的主要結(jié)構(gòu)在近紅外譜區(qū)有信號(hào)且光譜易獲取、譜圖穩(wěn)定，可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中水分、有機(jī)質(zhì)以及氮磷鉀等含量的檢測(cè)。X射線熒光光譜法主要通過(guò)X射線透射被檢測(cè)物質(zhì)中的原子使其產(chǎn)生X射線，而不同元素與X射線熒光一一對(duì)應(yīng)，以此為基礎(chǔ)分析物質(zhì)的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中元素的定性和定量分析。

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（責(zé)任編輯：趙中正）