淺析土壤環(huán)境監(jiān)測中分析化學(xué)的應(yīng)用

李澤源

（西北大學(xué)，陜西 西安 710127）

土壤是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，生態(tài)質(zhì)量和人類經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展與土壤環(huán)境息息相關(guān)。中國國土面積廣闊，土壤分布及種類復(fù)雜，因此，科學(xué)地進(jìn)行土壤環(huán)境監(jiān)測對中國的生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著舉足輕重的作用。分析化學(xué)是一種通過研究并獲取物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息和化學(xué)組成的分析方法及相關(guān)理論的科學(xué)，其分析方法理論以及操作實踐對土壤環(huán)境監(jiān)控方法網(wǎng)絡(luò)的建立有指導(dǎo)性的意義。

1 土壤環(huán)境現(xiàn)狀

目前，中國土壤環(huán)境形勢不容樂觀。全國土壤環(huán)境質(zhì)量總體也不容樂觀，約有0.1億hm2的耕地受到污染。同時，重金屬污染事件呈高發(fā)態(tài)勢，對周圍水和土壤環(huán)境污染嚴(yán)重[1]。據(jù)環(huán)保部不完全調(diào)查，全國約0.7萬個調(diào)查樣點有污染物超標(biāo)現(xiàn)象，占總調(diào)查樣點的1/6，部分區(qū)域污染物在土壤中不斷累積，表層土壤污染物的含量明顯增加。農(nóng)業(yè)部環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)對全國24省（市）、320個嚴(yán)重污染區(qū)土壤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，污染區(qū)農(nóng)田面積的20%為大田類農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)，污染土壤和農(nóng)作物的80%均為重金屬超標(biāo)。土壤環(huán)境監(jiān)測是治理土壤污染的前提，因此，土壤環(huán)境監(jiān)測勢在必行。

2 當(dāng)前土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

目前，中國土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系尚不健全，尚未建立國家土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)，土壤監(jiān)測評價方法、分析技術(shù)、監(jiān)測指標(biāo)、點位布設(shè)等還不夠規(guī)范和系統(tǒng)，全過程質(zhì)量控制技術(shù)也相對薄弱，監(jiān)測信息不能很好地滿足公眾對于信息公開的要求[2]，也不能很好地與各級政府和相關(guān)部門的需求相適應(yīng)。

關(guān)于土壤監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，目前有《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166——2004）、《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL 219——1998）、《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 164——2004）；在監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)方面，有《工業(yè)企業(yè)土壤環(huán)境質(zhì)量風(fēng)險評價基準(zhǔn)》（HJ/T 25——1999）、《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618——1995）、《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848——1993）[3]；在土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)方面：現(xiàn)有的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)缺乏普遍適用性，“十三五”規(guī)劃中新增土壤監(jiān)測試點，監(jiān)測項目包括：pH、陽離子交換量、土壤有機(jī)質(zhì)；14種重金屬和6種有機(jī)物的含量[4]。隨著土壤試點工作的進(jìn)展，監(jiān)測指標(biāo)正在不斷完善。

3 分析化學(xué)應(yīng)用于土壤環(huán)境監(jiān)測的主要方法

3.1 分光光度法

分光光度法是較常用的一種土壤環(huán)境監(jiān)測方法，良好的靈敏度、成本低且操作簡單使其得到了廣泛應(yīng)用。高靈敏度顯色劑的研發(fā)，使分光光度法監(jiān)測結(jié)果的精準(zhǔn)度和應(yīng)用覆蓋面都有顯著提升[5]。

3.2 發(fā)射光譜法

發(fā)射光譜法具有極高的靈敏度，通過等離子燃燒器對一些高溫光源進(jìn)行發(fā)射，使得土壤環(huán)境監(jiān)測的深度得到提升，主要應(yīng)用于土壤中金屬元素的測定[5]。

3.3 中子活化法

中子活化法具有較高的靈敏度。在土壤環(huán)境監(jiān)測中，常用于對土壤元素的監(jiān)測，并且在監(jiān)測專一元素時，不會造成任何破壞。

3.4 離子色譜法

離子色譜法可以有效解決傳統(tǒng)土壤環(huán)境監(jiān)測的問題，提高土壤環(huán)境監(jiān)測分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[5]。但該方法的操作較為復(fù)雜。

4 分析化學(xué)在土壤監(jiān)測中的應(yīng)用及示例

當(dāng)前，土壤環(huán)境監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)注重土壤理化性質(zhì)、土壤水環(huán)境質(zhì)量以及土壤重金屬離子的監(jiān)測。下面將分別淺述分析化學(xué)原理在這3類土壤環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用及示例。

4.1 土壤理化性質(zhì)監(jiān)測

土壤理化性質(zhì)包含土壤pH、陽離子交換量、土壤有機(jī)質(zhì)[2]。以土壤pH的監(jiān)測為例，有兩種方法：pH計和pH試紙。pH計是利用原電池的原理工作的，原電池的兩個電極間的電動勢依據(jù)能斯特定律，既與電極的自身屬性有關(guān)，還與溶液里的氫離子濃度有關(guān)。原電池的電動勢和氫離子濃度之間存在對應(yīng)關(guān)系，氫離子濃度的負(fù)對數(shù)即為pH。

4.2 土壤水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測

土壤水環(huán)境監(jiān)測主要包括：pH監(jiān)測、養(yǎng)分含量監(jiān)測、含水率監(jiān)測等[2]。土壤水養(yǎng)分主要包括全鉀、全氮、堿解氮、速效鉀、全磷、速效磷等，其監(jiān)測結(jié)果以分級表示[2]。土壤含水率監(jiān)測有5種主流方法：稱重法、電阻率法、FDR法、灰度反演法、光譜分析法。目前，我國的土壤環(huán)境試點主要使用電阻率法。以下是電阻率法與分析化學(xué)中重量分析法的對比及應(yīng)用分析。

4.2.1 電阻率法

土壤含水率、空隙度及二者的分布可由土壤的電阻值定性反映。水是電的良導(dǎo)體，而土壤空隙會在土壤中形成高電阻區(qū)。通過測量土壤電阻分布，可以得出土壤水以及空隙分布。運(yùn)用電阻率法測土壤含水率，通常使用高密度電法儀，測得的電阻分布通過經(jīng)驗公式的定量轉(zhuǎn)換，將土壤電阻分布轉(zhuǎn)化為土壤含水量及其分布。

4.2.2 重量分析法

取一定組數(shù)的土壤樣本稱重，稱量值記為G1i，然后充分烘干土壤樣本，稱量烘干后土壤樣本的重量記為G2i，則土壤含水率為，同時，計算結(jié)果的平均值及不確定度。

4.2.3 電阻率法和重量分析法的對比

電阻率法需要進(jìn)行布線，操作煩瑣；重量分析法操作簡單并且可以多組同時進(jìn)行。電阻率法單次只能測量線長 600 m垂直剖面的含水量及分布，但測量深度深，結(jié)果準(zhǔn)確并且能得出該垂直剖面的含水量分布；重量分析法只能測量一定范圍取樣深度的含水量均值，無法在垂直方向上提供大量的數(shù)據(jù)及含水量分布。因此，重量分析法更適合進(jìn)行土壤含水量的監(jiān)測。

4.3 土壤重金屬離子監(jiān)測

土壤重金屬離子檢測標(biāo)準(zhǔn)中主要含有14種重金屬[4]，對其進(jìn)行監(jiān)測可使用分光光度法、原子熒光法與原子吸收法、離子色譜法等[6]。

4.3.1 分光光度法

應(yīng)用分光光度計進(jìn)行儀器分析，可以測得吸光度關(guān)于離子濃度的工作曲線。在土壤水溶液中放入分光光度計進(jìn)行測量，測得吸光度，將其代入工作曲線，可以算出濃度。經(jīng)過多次采樣測量，可以得出該區(qū)域某離子的平均濃度。

4.3.2 原子熒光法與原子吸收法

我國自主研發(fā)的原子熒光儀器能夠檢測出多種在水溶液中易于生成氫化合物的金屬元素，包括鉛、錫、鉍以及砷等，同時，其具有良好的準(zhǔn)確度與靈敏度，能夠有效地隔絕基體產(chǎn)生的干擾，多用于測定水溶液中的化學(xué)元素[5]。

4.3.3 離子色譜法

離子色譜法能夠分離與檢測常見的陰陽離子，并且能夠在一次進(jìn)樣之后，同時分析多種成分，有較高的靈敏度與選擇性[5]。

5 在土壤環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用分析化學(xué)法的優(yōu)勢

5.1 對環(huán)境的兼容性高

分析化學(xué)法對土壤環(huán)境有較高的兼容性，可以監(jiān)測不同地形及復(fù)雜土質(zhì)的環(huán)境質(zhì)量，同時，其靈活方便的特點，能夠有效推進(jìn)土壤環(huán)境監(jiān)測工作[5]。

5.2 適用于多種物質(zhì)的監(jiān)測

土壤種類繁多，不同類型土壤的土質(zhì)分布及其土壤結(jié)構(gòu)也有較大的差異。分析化學(xué)法適用于監(jiān)測和分析多種物質(zhì)，能夠有效地對不同土質(zhì)及土質(zhì)分布進(jìn)行監(jiān)測，從而有效地治理土壤環(huán)境[6]。

5.3 監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性高

土壤環(huán)境監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)具有相對的動態(tài)性。將先進(jìn)的監(jiān)測儀器與分析化學(xué)法有機(jī)結(jié)合[6]，并不斷深入研究分析化學(xué)法，能夠更好地推動分析化學(xué)法在土壤環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，進(jìn)而使土壤環(huán)境監(jiān)測的結(jié)果更加精準(zhǔn)可靠。

6 分析化學(xué)原理應(yīng)用于土壤環(huán)境檢測的可行性分析

分析化學(xué)是化學(xué)學(xué)科的一個重要分支，是研究和獲取物質(zhì)化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)信息分析方法的相關(guān)科學(xué)。分析化學(xué)具有鑒定物質(zhì)的化學(xué)組成、測定物質(zhì)有關(guān)組分的含量、確定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和存在形態(tài)及其與物質(zhì)性質(zhì)之間的關(guān)系等主要任務(wù)。分析化學(xué)和土壤環(huán)境監(jiān)測有較大的契合度，應(yīng)用于土壤環(huán)境監(jiān)測，具有實時性、準(zhǔn)確性、可靠性和相對統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)等。同時，大部分分析化學(xué)的儀器操作簡單、方便且具有自動化連續(xù)檢測、環(huán)境監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)化、對元素定量定性的優(yōu)勢[6-7]，滿足當(dāng)前我國的土壤監(jiān)測需求。

7 結(jié)語

目前，土壤環(huán)境破壞的問題日益加劇，治理和保護(hù)土壤環(huán)境的關(guān)鍵即為加快土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。分析化學(xué)法應(yīng)用范圍廣泛，在開展相關(guān)土壤環(huán)境監(jiān)測工作時，可以克服工作中監(jiān)測項目復(fù)雜、監(jiān)測種類繁多的劣勢，監(jiān)測多種物種，確保監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。將分析化學(xué)法與土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)有機(jī)結(jié)合，能夠加塊推進(jìn)土壤環(huán)境監(jiān)測工作的發(fā)展，擇優(yōu)推廣并制定相關(guān)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，充分發(fā)揮二者的特點，在土壤環(huán)境監(jiān)測工作中形成優(yōu)勢互補(bǔ)，通過提供更新的思路，實現(xiàn)土壤環(huán)境治理的更優(yōu)成效。