地氟病區農田土壤中全氟化合物的組成及污染特征研究*

樊芮君 甘淳丹 楊金燕

(四川大學建筑與環境學院，四川 成都 610065)

全氟化合物(PFCs)是一類人工合成的新型有機污染物，廣泛應用于工業和商業領域，比如表面活性劑、潤滑劑、阻燃劑、潤濕劑、聚合物添加劑生產等[1]。目前，PFCs廣泛存在于各種環境介質和生物樣品中，包括水體、沉積物、土壤、大氣以及野生動物和人體[2-4]。由于PFCs具有化學穩定性、環境持久性、生物蓄積性、生殖毒性和長距離遷移等特點[5]，能夠通過食物鏈產生生物積累和生物放大，可能對人類健康和生態環境造成不良影響，近年來受到社會各界的高度關注[6]。

作為陸地生態系統的重要組成部分，土壤已成為PFCs重要的匯庫[7]。土壤中的PFCs可通過擴散、揮發、淋溶和地表徑流向地表水、地下水和大氣遷移，因此，土壤不僅是PFCs 運移轉化的重要紐帶，也是PFCs潛在的長期環境污染源。目前為止，關于土壤中PFCs的研究大多集中在受點源影響的土壤，如氟化工廠[8]、污水處理廠[9]和消防訓練場[10]周邊的土壤，但針對我國農業活動密集的農村地區表層土中 PFCs的研究少有報道。已有研究表明，肥料、農藥的施用以及灌溉等農業活動都是PFCs進入土壤的關鍵途徑[11-12]。農田土壤中的PFCs可以通過植物根部從土壤遷移到作物，并與無脊椎動物直接接觸，從而影響人類健康和生態環境。因此，研究農田土壤中PFCs的含量對于健康風險控制具有重要意義。

我國作為地方性氟中毒的高發區，目前約有2億人受到氟中毒的威脅[13]，尤其是我國西南地區土壤中氟的本底值較高，土壤氟污染嚴重[14]508。關于我國西南地氟病區土壤中無機污染物氟的研究已有文獻報道[15]1-10,[16]423，然而針對這一地區土壤中新型持久性有機污染物PFCs的研究較少。關于地氟病區土壤pH、有機質、總氟、水溶性氟含量等理化性質對PFCs污染的影響更是鮮見報道。本研究聚焦四川省瀘州市古藺縣農田土壤中氟和PFCs的污染水平，辨析了主要污染來源，分析了土壤基本性質對PFCs污染的影響，評估了PFCs對總氟的貢獻度，以期為地氟病區 PFCs 環境風險評價及其來源解析提供基礎數據、決策依據和科學支撐。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

本研究選取21種PFCs作為目標化合物，均購于惠靈頓實驗室，包括全氟丁酸(PFBA)、全氟戊酸(PFPeA)、全氟己酸(PFHxA)、全氟庚酸(PFHpA)、全氟辛酸(PFOA)、全氟壬酸(PFNA)、全氟癸酸(PFDA)、全氟十一酸(PFUdA)、全氟十二酸(PFDoA)、 全氟十三酸(PFTrDA) 、全氟十四酸(PFTeDA)、全氟十六酸(PFHxDA) 、全氟十八酸(PFODA)、全氟丁烷磺酸(PFBS)、全氟戊烷磺酸(PFPeS)、全氟己烷磺酸(PFHxS)、全氟庚烷磺酸(PFHpS)、全氟辛烷磺酸(PFOS)、全氟辛烷磺酸(PFNS)、全氟丁烷磺酸(PFDS)和全氟癸烷磺酸(PFDoS)。此外，13種PFCs同位素標記物也購于惠靈頓實驗室，包括13C4-PFBA 、13C3-PFPeA、13C2-PFHxA、13C4-PFHpA、13C4-PFOA、13C5-PFNA、13C2-PFDA、13C2-PFUdA、13C2-PFDoA、13C2-PFTeDA、13C3-PFBS、18O2-PFHxS和13C4-PFOS。主要實驗儀器為高效液相色譜(HPLC，SCIEX Exion system)—二級質譜(MS/MS，SCIEX 4500 Q TRAP)聯用儀。固相萃取(SPE)柱(6 mL，150 mg，30 mm)購于美國 Waters 公司。實驗用甲醇、乙酸、氨水和乙腈均為色譜級。實驗用水為電阻率18.2 MΩ·cm的超純水。

1.2 研究區域和樣品采集

研究區瀘州市古藺縣位于四川省東南部，2019年瀘州市年平均氣溫和降雨量分別為18.3 ℃和999.5 mm，其中77%的降雨集中在夏季。瀘州市土壤為沙壤土，土壤采樣點分布見圖1。根據文獻[17]，按照網格布點法用預先清潔好的木鏟采集0～20 cm的表層土壤樣品，于2019年5月共采集土壤樣品65個。采集的土壤樣品裝入聚乙烯密實袋封裝保存，運回實驗室，室溫干燥，研磨過100目篩，并在4 ℃下儲存直至進一步分析。

圖1 土壤采樣點分布Fig.1 Distribution of the soil sampling points

1.3 土壤pH、有機質、水溶性氟和總氟的測定

采用電位法(固液比1.0 g∶2.5 mL)測量土壤pH，有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法進行測定[18]。水溶性氟和總氟的濃度采用離子選擇電極法進行測量[19]。為保證元素分析的質量，同時測量空白樣品和土壤標準物質(GBW07427，中國國家標準物質)。隨機抽取20%的土壤樣品進行平行試驗，以保證數據的可靠性和準確性，平行樣品的相對標準偏差嚴格小于10%。

1.4 樣品前處理

將1.0 g土壤樣品準確添加到15 mL離心管中，并加入1 ng內標物和2 mL含1%(體積分數，下同)氨水的甲醇溶液。將每根試管旋轉至均勻化，并在40 ℃下超聲提取15 min，然后離心并轉移上清液。重復兩次，將合并的上清液在40 ℃下氮吹至干，用200 μL含1%乙酸的甲醇和1 mL甲醇復溶。將復溶樣品裝到活化后的SPE柱(依次用4 mL含0.1%氨水的甲醇溶液、4 mL甲醇與4 mL超純水進行活化)，控制流速為1 mL/min，再分別用4 mL甲醇和4 mL含0.1%氨水的甲醇洗脫。將收集的洗脫液氮吹至干，并用200 μL甲醇和乙腈的混合液(體積比為8∶2)定容，離心后轉移至樣品瓶待分析。

1.5 樣品分析

利用HPLC—MS/MS對土樣進行定性和定量分析。HPLC分析：色譜柱Acquity UPLC BEH-C18(2.1 mm×100 mm×1.7 μm)；進樣體積20 μL；柱溫40 ℃；流速300 μL/min；流動相2 mmol/L乙酸銨(記為A)-甲醇(記為B)；梯度洗脫程序：0 min，10%(體積分數，下同) B；1.0 min，20% B；4.0～6.0 min，90% B；6.0～8.0 min，10% B。MS/MS分析：采用電噴霧負離子化模式，多反應離子監測模式(MRM)分析，碰撞氣83 kPa，氣簾氣103 kPa，霧化氣345 kPa，加熱氣241 kPa，離子噴霧電壓-4 000 V。

1.6 質量控制與保證

所有實驗都包括程序空白、方法空白、重復樣品和基質加標樣品。所有實驗結果均為扣除空白后的數據。每隔9個樣品設置方法空白，以保證檢測結果的準確性。使用內標校準曲線對目標分析物進行定量，標準曲線(0.1～20.0 ng/mL)相關系數大于0.99。空白對照的PFCs均小于相應分析物的檢測限(LOD)，LOD信噪比3∶1，定量限(LOQ)信噪比10∶1，范圍分別為0.004～0.034、0.003～0.027 ng/g。所有目標PFCs在土壤中的回收率均為78.6%～113.0%。

2 結果與討論

2.1 土壤有機質和pH

研究區域65個農田土壤樣品的有機質質量分數分布見圖2，有機質質量分數的變化范圍為2.62%～14.01%，中位數為7.46%，平均值為7.78%，部分土壤樣品的有機質含量偏高可能與該地區長期的土壤耕作有關。施肥、灌溉等農業活動都會提高土壤有機質水平。該研究區域的土壤pH變化范圍為4.93～8.34，中位數為6.95，平均值為6.82，結果見圖3。根據我國土壤酸堿度劃分標準[20]：酸性土壤pH<6.50，中性土壤6.50≤pH<7.50，堿性土壤pH≥7.50，可以得知瀘州市古藺縣農田土壤以中性(60.0%)為主，而酸性和堿性土壤分別占26.2%和13.8%。

圖3 農田土壤pH分布Fig.3 Distribution of soil pH in the farmland soils

2.2 土壤氟含量

對瀘州市古藺縣65個農田土壤樣品的總氟和水溶性氟進行了分析，結果見圖4和圖5。由圖4可

注：占比以質量分數計，圖3至圖5同。圖2 農田土壤有機質質量分數分布Fig.2 Distribution of organic matter mass fraction in the farmland soils

圖4 農田土壤總氟分布Fig.4 Distribution of total fluorine in the farmland soils

圖5 農田土壤水溶性氟分布Fig.5 Distribution of water soluble fluorine in the farmland soils

知，研究區域土壤總氟為407～2 890 mg/kg，平均值為985 mg/kg，遠高于中國土壤氟背景值的平均值(478 mg/kg)[21]和世界土壤氟背景值的平均值(200 mg/kg)[22]，同時也高于中國地氟病發生區土壤總氟的平均值(800 mg/kg)[23]，表明研究區域表層土壤已經受到了一定程度的氟污染，且污染程度略高于我國地氟病區的普遍污染程度。該研究區域農田土壤中的高含氟量歸因于自然和人為的雙重因素。據報道我國西南地區的高氟區與磷礦區重疊[24]，而西南地區尤其是四川省瀘州市磷礦資源豐富，開采量大，每年達500萬t，由于磷礦的開采造成當地土壤氟含量的顯著提高。此外，當地磷肥廠生產的肥料中氟高達11 006 mg/kg[15]6，因此，施用含氟磷肥和農藥以及用磷化工廠排放的含氟廢水灌溉農田同樣是造成土壤氟積累的重要因素。

由于土壤生物體對污染物的利用效率有限，有學者認為總氟含量的高低不足以判斷土壤氟的生態和環境效應[14]508。鑒于水溶性氟反映了氟的流動性、生物有效性和毒性風險，它可以作為指示土壤氟污染狀況和生物利用氟能力的更為可靠的預測因子。研究區域內農田土壤水溶性氟為0.09～25.86 mg/kg，平均值和中位數分別為7.15、5.93 mg/kg(見圖5)。由此可見，該區域農田土壤氟污染較為嚴重。

2.3 土壤PFCs組成和含量特征

瀘州市古藺縣農田土壤中PFCs的組成和含量見圖6。在21種目標PFCs中，僅有8種PFCs被檢出，包括6種全氟羧酸類(PFBA、PFPeA、PFHxA、PFHpA、PFOA和PFDA)和2種全氟磺酸類(PFBS和PFOS)，而其余目標化合物在所有樣品中均未被檢出。8種PFCs的檢出頻率為PFHxA(85%)>PFBA(82%)>PFOS(80%)>PFPeA(68%)>PFHxA(63%)>PFDA(51%)>PFOA(49%)>PFBS(18%)。檢出的8種PFCs中，平均質量濃度最高的為PFDA(1.039 ng/g)，其次為PFHxA(0.453 ng/g)和PFBS(0.371 ng/g)，其余5種PFCs的平均質量濃度表現為PFHpA(0.362 ng/g)>PFOS(0.250 ng/g)>PFBA(0.177 ng/g)>PFOA(0.057 ng/g)>PFPeA(0.030 ng/g)。

圖6 農田土壤中PFCs組成和分布Fig.6 Composition and distribution of PFCs in the farmland soils

農田土壤中總PFCs(∑PFCs)為0.026～3.642 ng/g，平均值為1.600 ng/g，高于云南省會澤縣農田土壤(均值：0.392 ng/g，范圍：0.298～0.998 ng/g)[25]和珠三角地區土壤(均值：0.630 ng/g，范圍：0.090～2.580 ng/g)[26]，低于安徽省城市土壤(均值：2.690 ng/g，范圍：1.150～5.890 ng/g)[27]和天津市濱海新區表層土壤(1.300～11.000 ng/g)[28]。不同地區土壤中PFCs的含量不同主要與土地利用方式、區域產業結構和工業發展水平等因素相關。不同于氟化工廠、紡織廠和消防演練場等明顯的點污染源[29-31]，這些污染區域以PFOA和PFOS為主要污染物，本研究區域農田土壤中PFDA和PFHxA是兩種最主要的PFCs，分別占∑PFCs的56.3%(范圍：2.5%～88.1%)和29.6%(范圍：1.1%～97.2%)。由于土壤采樣區附近無明顯點源，測試土樣均位于山區農田，受工業活動的影響較小，因此非工業區土壤中的PFCs可能來自：(1)工業區產生的PFCs的大氣沉降；(2)農業區的生活垃圾、污水灌溉和較為頻繁使用含氟磷肥和含磷復合肥料的農業活動[32]。

2.4 相關性分析

瀘州市古藺縣農田土壤基本理化參數和8種PFCs之間的相關系數(r)見表1。所有土壤樣品中，∑PFCs占土壤總氟的比例均不超過0.52%，且∑PFCs與總氟之間的相關關系較弱(r=0.160)，兩者無顯著相關關系，∑PFCs對總氟的貢獻有限。總氟和水溶性氟之間的相關性分析表明，兩者呈顯著正相關關系(p<0.01)。這一結果與前人的研究結果一致[16]423，說明土壤總氟含量的增加會相應提高土壤中氟的生物有效性和遷移性。土壤pH是影響總氟和水溶性氟的重要參數，r分別達到0.380和0.310，而pH與∑PFCs和8種PFCs均無顯著相關關系。在檢出的8種PFCs中，僅PFHxA與土壤有機質含量呈顯著正相關關系(p<0.01)，反映了PFHxA對土壤有機質的親和力較強。

表1 農田土壤中總氟、水溶性氟、pH、有機質、∑PFCs 和8種PFCs的相關系數1)

研究區域農田土壤中PFBA與PFPeA呈顯著正相關關系(p<0.001)，表明兩者可能具有相同來源或在土壤介質中的傳播途徑相同。此外，PFHxA和PFPeA、PFHpA、PFDA、PFOS之間的顯著相關關系也表明其可能具有相似來源。PFOA和PFOS是環境中典型的兩類PFCs，由于兩者具有相似來源，通常呈現較好的相關性[33]，而在本研究中，PFOA和PFOS的相關性并不顯著，可能與僅有49%的土壤樣品被檢出PFOA有關。

3 結 論

(1) 古藺縣農田土壤以中性為主(占60.0%)，酸性和堿性土壤分別占26.2%和13.8%；土壤有機質質量分數平均值為7.78%，變化范圍為2.62%～14.01%，部分土壤樣品的有機質含量偏高可能與該地區長期的土壤耕作有關。

(2) 古藺縣表層土壤受到了一定程度的氟污染，所有樣品中總氟和水溶性氟分別為407～2 890、0.09～25.86 mg/kg，總氟、水溶性氟平均值分別為985、7.15 mg/kg，高于我國地氟病發生區土壤總氟的平均值(800 mg/kg)，氟污染主要來源為自然源和與農業活動相關的人為源。

(3) 該地區共檢出8種PFCs，包括PFBA、PFPeA、PFHxA、PFHpA、PFOA、PFDA、PFBS和PFOS，其中PFDA和PFHxA是兩種主要的PFCs。∑PFCs為0.026～3.642 ng/g，平均值為1.600 ng/g，主要來源歸因于大氣沉降、生活垃圾和農業活動。

(4) 相關性分析表明，∑PFCs與總氟之間無顯著相關關系，說明∑PFCs對總氟的貢獻有限。土壤pH是影響總氟和水溶性氟的重要參數，但與∑PFCs和8種PFCs均無顯著相關關系，而PFHxA對土壤有機質的親和力較強。