土壤重金屬有效態單級提取方法研究

李利梅 成永霞 袁遠

摘要 土壤重金屬污染問題日益凸顯。重金屬元素遷移和積累行為的相關研究表明，相比重金屬總量，有效態重金屬更能準確反映重金屬對植物的毒性作用。目前，土壤有效態重金屬提取所用提取劑所反映的植物效應有較大差異，且對不同類型土壤或元素的萃取通用性較差。針對以上問題，系統綜述了近年來土壤有效態重金屬多元素同步單級提取方法，比較了各類提取方法的特點及其適用性，總結了影響土壤重金屬有效性的環境因素，以期為篩選合適的萃取劑準確評價土壤重金屬污染狀況提供重要參考依據。

關鍵詞 重金屬生物毒性;提取劑;植物有效性;影響因素;適用性

Abstract The heavy metals pollution of soil is increasingly prominent.Relevant research on the migration and accumulation behavior of heavy metal elements shows that，compared with the total amount of heavy metals，the effective heavy metals can more accurately reflect the toxic effects of heavy metals on plants.At present，the plant effects reflected by the extractants used in the extraction of available heavy metals in the soil are quite different，and the extraction versatility for different types of soil or elements is poor.In view of the above problems，a systematic review of the multielement simultaneous singlestage extraction method of soil available heavy metals in recent years was systematically compared，and the characteristics and applicability of various extraction methods were compared.The extractant provides an important reference for accurately evaluating the pollution status of heavy metals in the soil.

Key words Biotoxicity of heavy metals;Extractants;Plant availability;Influence factor;Applicability

隨著經濟快速發展和人類活動加劇，人為因素排放的重金屬在土壤中不斷積累，由土壤重金屬污染帶來的生態威脅備受關注。土壤重金屬往往通過作物傳遞的方式進入食物鏈，對人體健康構成威脅。能被植物富集的重金屬實為土壤溶液中易于移動的重金屬形態，這部分通常被稱為“有效態”;而與土壤顆粒物緊密結合的部分則很難被植物所吸收[1]。因此，僅僅通過土壤重金屬總量并不能準確評估其生物有效性及環境風險程度。

重金屬的生物有效性是評價其風險的重要基礎，而重金屬有效態的提取是保證評價準確性的前提。目前對于土壤重金屬有效態的提取方式有逐步提取和單級提取兩種[2-4]。逐級提取方式不但容易導致各級提取的目標形態損失或被沾污，且提取步驟繁瑣耗時。不同重金屬元素與土壤顆粒之間的結合形式有異，且不同類型的土壤環境成分差異較大，使得萃取結果因萃取劑不同呈現出較大差異。因此，針對不同類型的土壤，選擇合適的提取劑以獲得穩定、可靠、高效的萃取結果是準確評價土壤中重金屬生物有效性的關鍵。

基于以上情況，擬對目前土壤重金屬有效態單級提取所用萃取劑特點進行系統比較，并總結各萃取劑萃取效率的影響因素，進而分析評價各類萃取劑的適用性，以期為不同類型土壤中有效性重金屬準確提取提供參考依據。

1 土壤中重金屬有效態常用提取劑及特點

為尋求一種簡單有效的萃取方式，研究者進行了諸多土壤重金屬有效態單級萃取的嘗試[5-6]。對重金屬有效態的提取，除水溶態外，一般是利用提取劑的離子交換、溶解和絡合等作用來提取[6]。常用的萃取劑有稀酸溶液、絡合劑、中性鹽溶液以及緩沖溶液。

1.1 稀酸溶液 稀酸溶液是較強的代換劑，其對土壤重金屬具有較強的溶解能力，因此常被作為土壤重金屬有效態提取劑。HNO3溶液和HCl溶液是常用的2種酸性提取劑[7-8]。

Qian等[9]研究了我國10個地區冬小麥和紫花苜蓿重金屬含量與土壤重金屬浸提量的關系，發現0.1 mol/L的HCl提取的Ni、Co含量能較好地反映元素植物有效態含量。馬建軍等[10]在多種提取劑提取不同類型土壤中有效態Ni含量與小白菜Ni吸收量的相關性研究中發現，以HCl為萃取劑提取的土壤Ni含量與植物莖葉中Ni濃度具有高度正相關性。Kim等[8]考察了HCl、 HNO3、EDTA和檸檬酸等萃取劑對海洋沉積物重金屬提取的可行性，發現檸檬酸和HCl適于海洋沉積物重金屬的萃取工作。

HNO3和HCl均屬于強酸，它們通常是以破壞土壤基質的方式使土壤重金屬釋放出來并在稀酸溶液中溶解，反映的是土壤組分表面吸附的重金屬，被認為是土壤總可吸附態重金屬含量[11]。

1.2 絡合劑

絡合劑能與土壤釋放的金屬離子形成絡合物而穩定地存在于提取液中，且提取過程中不需要對提取液pH進行嚴格控制，因而，絡合劑成為最常用的重金屬有效態提取劑。研究表明，EDTA、DTPA等絡合劑具有良好的提取效果[12-14]。

Hooda等[15]發現DTPA提取的土壤重金屬有效態與黑麥草吸收的重金屬存在較好的相關性。Ramtahal等[16]研究發現，相比無機萃取劑，絡合劑（AB-DTPA、DTPA、EDTA）提取的土壤Cd有效態與可可樹各組織（果肉、殼、豆莢、葉子）中Cd均具有較強的相關性，回歸分析表明，AB-DTPA、DTPA或EDPA均可作為預測土壤Cd對可可樹植物有效性的提取劑。

1.3 中性鹽溶液 中性鹽在土壤溶液中解離出來的陽離子可以交換釋放靠靜電作用吸附的重金屬，因而也常作為土壤重金屬有效態的萃取劑。CaCl2是出現頻率最高的一種中性鹽萃取劑，其次還有NaNO3、BaCl2等。它們通常是土壤背景電解質的主要組成成分，與土壤本身狀態最為接近，對土壤的結構破壞較小，可用于萃取土壤中易解吸附態的重金屬[11]。

楊堅[17]比較了6種提取劑提取的有效Cd含量與水稻各部位Cd積累量的相關性，發現CaCl2-Cd含量與莖、葉Cd輸出量以及穗Cd轉運量均達顯著或極顯著正相關水平，相關系數分別為0.710 9和0.932 9。Han等[18]以長期廢棄的礦山周邊土壤樣品為對象，研究了化學方法提取的As、Pb量與植物有效性的相關性，結果發現，芥菜中重金屬含量與5 mmol/L CaCl2和0.1 mol/L HCl提取量呈現明顯的相關性。Zhu等[19]比較了多種萃取劑對酸性水稻土中Cd的萃取能力，發現BCR1、CaCl2、NH4NO3以及NaNO3均能預測水稻土中Cd的植物有效性。

1.4 緩沖溶液 相比中性鹽溶液，緩沖溶液對pH的敏感性較小，考慮我國土壤體系的酸度變化范圍，緩沖試劑（NH4OAc、NH4H2PO4等）也常被作為提取劑評估土壤重金屬的植物有效性。

顧國平等[20]發現，大白菜中Cu、Zn、Pb和Cd含量均與CaCl2和NH4OAc提取的重金屬含量存在顯著相關性，其中，NH4OAc和CaCl2 2種提取劑提取的土壤重金屬含量能很好地反映土壤中重金屬的生物有效性，即以上2種萃取劑重金屬提取量能較好地預測大白菜中重金屬的積累。Sun等[21]采用NH4H2PO4/ （NH4）2HPO4緩沖溶液為萃取劑，對一步提取土壤中生物有效態砷參數進行優化，得出萃取土壤中生物有效態砷的最佳條件為溫度70 ℃，萃取時間120 min，萃取劑濃度40 mmol/L，pH=7.0，萃取劑體積30 mL。

以上可知，不同類型的萃取劑對重金屬的萃取機理不同，其對不同類型土壤及不同元素的提取能力也不盡相同。

2 土壤重金屬有效態萃取效率的影響因素

一般來說，土壤重金屬有效性依賴于重金屬在土壤顆粒表面的吸附和解吸附行為[22]。因此，影響土壤重金屬萃取效率的因素可分為兩個方面：一方面是土壤本身條件，包括土壤重金屬種類及賦存形態、土壤類型、土壤理化參數等;另一方面是萃取條件，包括萃取劑種類、濃度、固液比以及萃取時間等。

2.1 土壤重金屬種類及賦存形態

不同重金屬的理化性質不同，即使同一種重金屬不同形態間的活性也有較大差異，因此不同種類和形態的重金屬在土壤中的吸附能力往往不同，使得其提取效率受到影響。據黃斌[23]統計，Pb在土壤中表現出較其他重金屬更高的吸附量，而Cd的吸附量則相對較小。甘國娟等[24]分別比較了3種提取劑對不同元素的萃取效率，結果發現DTPA對Zn、Pb、Cd、Cu的提取效率呈現出Cd（51.64%）> Cu（22.21%）> Pb（20.85%）> Zn（17.99%）的規律，4種元素在土壤中的吸附能力及其分布形態不同導致了以上萃取效率的差異。劉玉榮等[25]采用6種萃取劑對土壤重金屬生物有效部分的萃取效果進行研究，發現同一萃取劑對土壤中不同重金屬的萃取效果差異較大，同樣反映了萃取劑對不同元素的萃取機理有異。

2.2 土壤類型及理化參數 相關研究表明[24，26]，土壤類型及其理化性質也會對土壤重金屬提取效果產生較大影響。甘國娟等[24]的提取試驗結果顯示，黃泥田重金屬提取率從高到低依次為EDTA、HCl、DTPA;而紫泥田Zn、Cd的提取效率從高到低依次為HCl、EDTA、DTPA，說明土壤類型是影響重金屬提取效率的因素之一。這主要是因為不同類型的土壤其礦物組成有較大差異，這種差異在一定程度上影響土壤對重金屬的吸附能力[23]。除土壤類型外，劉洋等[27]還發現，土壤pH與As有效態、有機質與As和Cd有效態均呈現正相關關系。土壤pH主要通過影響重金屬元素在土壤溶液中的溶解度來影響重金屬的行為。土壤pH降低，存在于土壤中的難溶態形式的重金屬溶解、釋放（如強氧化物、鐵錳氧化物形式），使土壤中重金屬有效態增加，進而使重金屬萃取效率提高。有機質對土壤重金屬提取效率的影響則較為復雜，既能通過吸附作用使重金屬離子以可交換態形式吸附在土壤表面，降低重金屬提取效率，又能通過可溶性有機物與金屬離子發生有機配位反應，從而增加土壤溶液中重金屬的溶解度，提高萃取效率[23]。

2.3 萃取劑種類

各萃取劑對重金屬的提取機理不同，所以不同種類的提取劑對重金屬的提取效率也不盡相同。劉繁燈等[28]比較了5種萃取劑對6種重金屬的萃取能力，發現5種萃取劑對Zn、Cd萃取量從高到低依次為HCl、ASI、DTPA、M3、Bary;Pb、Cr提取量ASI>HCl>DTPA>M3 >Bary;As提取量DTPA>ASI>M3>HCl >Bary;Hg提取量則呈現DTPA>M3>HCl>ASI >Bary的規律。Luo等[29]對香港城區土壤重金屬提取試驗表明，除Zn外，其他被研究元素的提取量呈現PBET>>DTPA>HAc>>CaCl2的規律。張海強等[6]對蔗田土壤有效態重金屬的研究中同樣發現各種重金屬的提取量因提取劑類型而異。

2.4 萃取劑濃度

一般來說，萃取劑提取能力隨萃取劑濃度增大而增強。但當提取劑濃度增大到一定程度時，提取量的變化不再明顯。顏世紅等[30]在采用CaCl2優化土壤有效態Cd提取條件試驗中發現，0.1 mol/L比0.01 mol/L CaCl2更適宜酸性水稻土和中偏堿性灰鈣土有效態Cd的提取。曾清如等[31]在探索土壤重金屬提取EDTA溶液最佳濃度中發現，隨著EDTA濃度（0～50 mmol/L）升高，重金屬提取量逐漸增大，但當EDTA濃度大于5 mmol/L時，各元素的溶出量增加不再顯著。因此，并非萃取劑濃度越高越好，萃取劑濃度過高，不但對提高重金屬提取效率無益，反而會增加成本，影響測樣的準確度。

2.5 土液比

重金屬提取效率一般呈現隨土液比降低而增加的趨勢。易磊等[32]在以0.05 mol/L EDTA-2Na進行土壤重金屬提取試驗中發現，供試的4種土壤中Cu和Zn的提取量均隨土液比降低而增加，且在土液比為12.5時達到最大值（水稻土、潮土Cu和紫色土Cu、Zn稍不符）。而以0.005 mol/L DTPA作提取劑時，Cu的浸提量隨土液比的變化無明顯規律，紫色土和潮土Zn浸提量則呈現隨土液比降低先增加后降低的趨勢，且均在土液比為1∶10時浸提量最高。DTPA提取結果并非隨土液比降低而增加，可能是因為土液比較高時，提取液含量少，且基質干擾強烈，影響了測定結果的準確度;而土液比過小，目標元素在提取液中的含量較低，測定誤差大。因此，萃取過程中要兼顧提取效率和測定準確度來選取合適的土液比例。

2.6 萃取時間

萃取時間對萃取效率的影響規律與萃取劑濃度的影響規律相似，一般也是萃取量隨萃取時間延長而增加，但增加到一定程度后，基本不再變化。馬建軍等[10]發現4種提取劑在10 min時的Ni提取量均顯著低于60～120 min的Ni提取量。Feng等[33]以黑龍江土為對象研究了萃取時間和重金屬提取量之間的相關性，發現重金屬萃取量先隨時間延長而增高，萃取12 h時達到萃取平衡。

重金屬提取效率是評估提取方法可靠性的一個重要依據。應綜合考慮各因素的作用，選擇合適的萃取方法。

3 各類萃取劑適用性分析

上述各類提取劑中，稀酸溶液具有較強的重金屬溶解能力，在各種類型土壤重金屬提取試驗中表現出較強的萃取能力[6，26]。然而，由于稀酸溶液pH較低，土壤中一些非代換吸附態的重金屬也被提取出來，非酸性土壤中其重金屬提取量往往高于植物有效態。稀酸溶液常用來評估酸性土壤植物對重金屬的吸收情況。

絡合劑對重金屬的作用能力強，它也可以把碳酸鹽結合態和部分有機結合態、鐵錳氧化物結合態的重金屬提取出來。相比稀酸溶液，其應用場合更為廣泛。DTPA法是以中性土和近石灰質土為研究對象而建立起來的提取方法，較適于中性和偏堿性土壤重金屬的提取[34]。EDTA法則是以酸性土壤為研究對象建立起來的提取方法，可用于酸性土壤重金屬的提取[35]。以上研究結果在后期的試驗中均得到了證實[33]。但也有研究者認為，土壤呈酸性時，EDTA容易質子化，不利于其與Pb的絡合，進而對其提取量造成影響[36]。

中性鹽為一種弱代換劑，基本能反映自然pH下土壤中重金屬的溶解能力，主要提取水溶態和部分交換態的重金屬，但這部分含量較小，難以準確定量，而且中性鹽溶液作萃取劑，一般濃度較高，測樣時形成的高背景干擾也會影響測試結果。而緩沖溶液的應用則解決了中性鹽對土壤pH較為敏感這一問題，拓寬了其應用范圍。

可見，各類萃取劑對不同元素的萃取機理不同，且其萃取能力又依賴于土壤環境、萃取參數等諸多因素，因此在選用萃取劑時，應充分考慮應用環境，并結合其萃取機理進行選取，使其重金屬提取量與植物有效性相吻合。

4 結論

合適的重金屬有效態提取方法是準確評估其生物毒性的前提，前期研究結果為不同類型土壤和元素的提取劑選取提供了實踐基礎。鑒于不同植物對各種重金屬元素的吸收、富集能力差異較大，通過土壤環境和提取參數來選取的提取方法重金屬提取量與植物有效態往往會有偏差，因此，選擇提取劑時還應考慮提取量與植物吸收量之間的相關性。

參考文獻

[1] 王婷，王靜，孫紅文，等.天津農田土壤鎘和汞污染及有效態提取劑篩選[J].農業環境科學學報，2012，31（1）：119-124.

[2] SUNGUR A，SOYLAK M，YILMAZ E，et al.Characterization of heavy metal fractions in agricultural soils by sequential extraction procedure：The relationship between soil properties and heavy metal fractions[J].Soil and sediment contamination，2015，24（1）：1-15.

[3] ARENAS-LAGO D，ANDRADE M L，LAGOVILA M，et al.Sequential extraction of heavy metals in soils from a copper mine：Distribution in geochemical fractions[J].Geoderma，2014，230/231：108-118.

[4] 趙小學，姚東平，成永霞，等.鉛冶煉區土壤重金屬總量和有效態含量的函數分析[J].中國環境監測，2017，33（1）：68-74.

[5] RAURET G.Extraction procedures for the determination of heavy metals in contaminated soil and sediment[J].Talanta，1998，46（3）：449-455.

[6] 張海強，趙鐘興，王曉飛，等.不同提取劑對蔗田土壤中重金屬有效態提取效率的研究[J].江西農業學報，2015，27（8）：96-98.

[7] 甘國娟，朱曉龍，劉妍，等.田間條件下Pb在土壤-水稻中的遷移特征[J].環境化學，2015，34（3）：514-519.

[8] KIM K J，KIM D H，YOO J C，et al.Electrokinetic extraction of heavy metals from dredged marine sediment[J].Separation and purification technology，2011，79（2）：164-169.

[9] QIAN J，SHSN X Q，WANG Z J，et al.Distribution and plant availability of heavy metals in different particlesize fractions of soil [J].The science of the total environment，1996，187：131-141.

[10] 馬建軍，于鳳鳴，朱京濤，等.4種浸提劑對土壤有效態鎳提取條件的比較與選擇[J].農業環境科學學報，2006，25（S2）：746-750.

[11] 呂明超，宋靜，余海波，等.不同振蕩方式對土壤有效態重金屬提取的影響[J].農業環境科學學報，2014，33（2）：339-344.

[12] 周國華.土壤重金屬生物有效性研究進展[J].物探與化探，2014，38（6）：1097-1106.

[13] YANG Z J，JING F，CHEN X M，et al.Spatial distribution and sources of seven available heavy metals in the paddy soil of red region in Hunan Province of China[J].Environmental monitoring and assessment，2018，190：611.

[14] 蓋榮銀，孫友寶，馬曉玲，等.二乙烯三胺五乙酸提取結合火焰原子吸收光譜法測定土壤中的有效態元素[J].環境化學，2016，35（5）：1096-1097.

[15] HOODA P S，ALLOWAY B J.The plant availability and DTPA extractability of trace metals in sludgeamended soils[J].Science of the total environment，1994，149：39-51.

[16] RAMTAHAL G，YEN I C，AHMAD N，et al.Prediction of soil cadmium bioavailability to Cacao （Theobroma cacao L.） using singlestep extraction procedures[J].Communications in soil science and plant analysis，2015，46（20）：2585-2594.

[17] 楊堅.水稻地上部鎘積累特性及土壤有效鎘提取方法的研究[D].長沙：湖南農業大學， 2017.

[18] HAN J，KIM J，KIM M，et al.Chemical extractability of As and Pb from soils across longterm abandoned metallic mine sites in Korea and their phytoavailability assessed by Brassica juncea[J].Environmental science and pollution research，2015，22：1270-1278.

[19] ZHU Q H，HUANG D Y，LIU S L，et al.Assessment of single extraction methods for evaluating the immobilization effect of amendments on cadmium in contaminated acidic paddy soil[J].Plant soil and environment，2012，58（2）：98-103.

[20] 顧國平，章明奎.蔬菜地土壤有效態中技術提取方法的比較[J].生態與農村環境學報，2006，22（4）：67-70.