基于電感耦合等離子體質譜法的農田土壤環境質量監測研究

摘要：土壤環境具有多樣性和復雜性的特點，涉及重金屬、有機物、微生物等多個方面。但當前的土壤環境質量監測往往只關注部分指標，忽略了其他潛在污染物，導致對土壤環境質量監測得不夠全面。為解決這一問題，研究提出基于電感耦合等離子體質譜法的農田土壤環境質量監測，依據檢測評價標準判斷農田土壤樣品質量，同時通過對比實驗證明該方法可精準測定土壤中的重金屬和微量元素含量，并可高效監測土壤環境質量。

關鍵詞：電感耦合；等離子體；農田土壤；環境質量；網格法

引言

隨著工業化和城市化的高速發展，農田土壤作為農業生產的基礎面臨著日趨嚴重的污染問題，其中重金屬和微量元素的污染尤為突出[1]。農田土壤污染不僅來自于工業廢水、固體廢棄物、農藥化肥的使用，還來自機動車尾氣排放、建筑垃圾填埋等因素，因此導致了土壤中重金屬（鎘、鉛、汞等）及微量元素（鋅、銅、硒等）超標，嚴重威脅著土壤生態系統的健康和穩定。因此，對農田土壤環境質量進行監測成為當前環境科學研究的熱門課題。

楊俊等[2]使用火焰原子吸收分光光度法對土壤進行檢測，該方法操作簡便、重現性好，但只能用于測定自由元素，且對樣品穩定性要求較高。馬超等[3]提出氣相色譜法分析多種組分土壤化學殘留，該方法樣品損耗低、分析時間短，但對檢測儀器的要求高，完成實驗的成本也高。薛娉婷[4]運用了高效液相色譜法測定土壤質量，該方法速度快、分離效果好，但對介質損耗過多，且敏感度不高。

為解決上述方法存在的問題，本研究提出基于電感耦合等離子體質譜法的農田土壤環境質量監測研究，為土壤質量分析提供了高效低損的監測方法。

1制定監測評價標準

選擇內梅羅污染指數對土壤進行綜合監測評價。內梅羅污染指數由單因素污染指數演變而來，是一種突出平均值的計量型多因子環境污染質量指數。內梅羅污染指數可以反映出各種污染物對土壤的總體影響程度，計算方法如式（1）所示。

式中 Pn—內梅羅污染指數；P平—單項污染指數平均值；Pmax—單項污染指數中的最大值。

以內梅羅污染指數作為評價農田土壤環境質量監測標準，當Pn＜1時，表示土壤污染較輕；當Pn＞1時，表示土壤污染較重。

內梅羅污染指數不但可以揭示土壤污染的程度和分布情況，還可以分析土壤污染的主要來源和遷移途徑。

2農田土壤環境質量監測方法

運用電感耦合等離子體質譜法進行農田土壤環境質量監測，具有高靈敏度、高分辨率和多元素分析等優勢。電感耦合等離子體質譜法不僅可以準確檢測土壤中重金屬和微量元素等有害物質的含量，還能對土壤中的有機物、無機鹽和微生物等進行全面分析，為土壤環境質量評價提供更加全面和精準的數據支持。與傳統方法相比，該方法具有更高的檢測精度和數據解讀能力，能夠更好地指導農田土壤環境保護和治理工作。

2.1 布點采集農田土壤樣品

對面積廣闊且土壤性質相對穩定的農田土壤選擇使用網格法進行土壤采樣。首先進行網格劃分工作，根據取樣區域的大小、土壤特性的變化范圍、期望的取樣精度將取樣區域劃分為若干等大的網格[5]；然后在每個網格的中心選取合適的點位進行土壤取樣，取樣時需在每個取樣點采集多個子樣本并進行混合，得到一個具有代表性的綜合樣本。在整個取樣過程中，每個取樣點的具體位置、取樣深度及觀察到的任何與土壤性質相關的細節都需要進行詳細記錄。

網格法能夠系統性地覆蓋整個取樣區域，確保各部分的土壤都得到充分考量，從而有效減少取樣偏差。但土壤性質變化較大的區域不太適用此方法，原因在于固定的網格尺寸可能無法準確反映土壤特性的變化。

需要注意的是，在進行土壤采樣時，要確定適當的取樣深度、選用合適的取樣工具，并嚴格遵守相關的安全操作規程；完成采樣后，要妥善處理、保存樣品，對樣品分別進行標識核對，并以適當的儲存條件進行安全運輸，確保其能夠用于后續的實驗室分析[6]。

2.2 土壤樣品除雜預處理

在對采集的土壤樣品進行分析前，要先進行除雜預處理，通過風干、研磨、過篩等步驟使樣品達到適合實驗室分析的狀態。本研究選用專業的烘箱來去除土壤樣品中的多余水分，從而有效避免因水分含量過高而可能引發的分析誤差。同時，在整個處理過程中，要高度重視土壤樣品的保護，嚴防任何可能的污染，還要注意避免過度干燥，以免對土壤樣品的性質造成不利影響。

風干后的土壤樣品需要進行研磨。研磨的目的是將土壤顆粒細化，使其更容易進行后續的化學分析和物理性質監測。本研究選用研缽和研杵進行研磨，但在研磨過程中應避免引入新的雜質，并確保樣品的均勻性。

研磨后的土壤樣品需要過篩，以去除研磨過程中可能產生的較大顆粒或雜質，確保樣品的粒度分布符合分析要求。過篩應使用不同孔徑的篩網進行分級篩分，過篩后的樣品應保存在干燥且清潔的容器中以備后續分析使用。

2.3 基于電感耦合等離子體質譜法測定樣品質量

準備實驗用的純水，以及硝酸、乙酸、氬氣等基礎試劑材料；配備含鉀、鈉、鎘、砷等土壤中易出現的單元素標準溶液，并進行定容；將配備好的元素溶液按照不同的濃度比例精確配制，形成混合基礎測試溶液。

基礎測試溶液配制完成后，需要對同一件樣品進行3次遷移試驗。為了確保遷移后的溶液成分均勻，對浸泡液進行充分地攪拌；為了消除潛在的雜質干擾，采用0.22μm的濾膜對攪拌后的浸泡液進行精細過濾；通過電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）進行精確測定，獲取溶液中的元素組成及含量信息，確保分析結果的準確性和可靠性。

在監測過程中，將儀器調整到等離子體模式HMI，并選用玻璃同心霧化機配合測試。設置的儀器射頻輸出功率為1600W；冷卻空氣流量為10.0L/min。霧化空氣流量為

0.50L/min；輔助器空氣流量為0.90L/min；碰撞池He流量為5.0mL/min。將八極桿射頻電流設定為200V；偏轉電流為-18.0V；RF匹配電流2.0V。蠕動泵速0.l0r/s。使用電感耦合等離子體將土壤樣品中的元素轉化為離子，并利用質譜儀對離子進行分離和檢測，從而實現對土壤中各種元素的定性和定量分析。

為確保實驗結果的準確性和可靠性，本研究同時進行了平行試驗和空白試驗。所有樣品都在相同條件下接受一致的操作和處理，以消除外部因素的干擾。空白試驗采用了與第3次浸泡相同的4%乙酸溶液作為對照，通過對比空白樣品與實際樣品的測定結果，可更有效地識別并排除可能的誤差來源。

基于電感耦合等離子體質譜法測定的數據結果，需要進行核對偏差值處理。本研究將各組平行樣本的實際檢測數據進行分層計算，以保障數據離散程度合規。在評價數據合格性達標的情況下，獲得最終的精密度標準偏差結果，計算方法如式（2）所示。

式中 а—樣本標準偏差值；c—數據點的總數量；mx—第x個數據點的數值；ma—數據集的平均值。

根據計算結果，標準偏差較小的數據表示重復性較好、實驗結果可信度較高，反之則表示實驗結果重復性較差[7]。

在充分驗證實驗結果數據的離散程度合理后，對其進行內梅羅污染指數計算處理；得出數據后，進行農田土壤環境的監測數據輸出，并據此得出監測報告。

基于內梅羅污染指數進行土壤質量分級評價，具體標準如表1所示。

3實驗

3.1 環境設置

本研究選擇對X縣共246個行政村的農田土壤質量進行監測。X縣處于亞熱帶季風氣候地區；土壤土質以黃壤、水稻土為主；X縣現有耕地面積7030萬m2、園地面積1357.5m2，主要栽培稻米、蔬菜、果品、茶葉等經濟作物。

本次實驗采取網格法取回了X縣水稻土和黃壤的各5塊樣塊。由于植物的生長情況可直接反映土壤的營養狀況、水分條件及污染程度，因此在取樣的同時，通過觀察農田的植物生長狀況直觀判斷土壤環境質量是否存在問題。

觀察發現，水稻土網格劃分的中心部位存在明顯的根系受損現象，且植物生長狀態表現出顯著的萎靡不振；右下部位有葉片發黃情況，根據植物學判斷可能存在鉀元素含量過多的情況；其余部位植株長勢良好未見明顯異常。黃壤區域植株長勢的整體情況較好于水稻土區域，但左上和中心部位有植株黃葉、生長緩慢的問題。

3.2 結果分析

將土壤樣品用電感耦合等離子體質譜法進行檢測，結果如表2所示，可以看出X縣農田土壤環境質量存在一定的污染隱患。水稻土的中心和右下均有污染狀況；黃壤的中心和左上也有一定的環境質量問題。將電感耦合等離子體質譜法的監測結果與實際觀察的植物生長狀況進行對比，二者相符。由此可得，電感耦合等離子體質譜法切實有效地監測出了農田土壤環境質量。依據上述評估結果，建議在X縣范圍內逐步加強對使用農藥、肥料和地膜等情況的監督管理力度，使土壤保持最高清潔等級。

結語

基于電感耦合等離子體質譜法的農田土壤環境質量監測研究，既提出了精確高效的土壤監測手段，又為農田土壤環境保護與修復提供了有力的數據支持。該方法能夠準確測定土壤中重金屬、微量元素等污染物的含量，評估土壤環境質量。因此，上述研究成果不僅有助于提升農田土壤環境質量，而且更能為農業可持續發展提供有力保障。

參考文獻

[1]于文斌，張璐璐，楊娟，等.全自動石墨消解-ICP-MS法測定土壤中16種金屬元素[J].化學工程師，2024，38（03）：33-36.

[2]楊俊，趙廣道，張佳佳，等.水浴磁力攪拌堿消解-火焰原子吸收分光光度法測定土壤中鉻（Ⅵ）[J].化學分析計量，2023，32（09）：73-77.

[3]馬超，歐陽壽鰲，丁一.氣相色譜質譜法測定土壤中6種有機氯農藥[J].化學工程師，2024，38（03）：30-32，75.

[4]薛娉婷.南平市畜禽養殖場周邊土壤環境質量監測及分析評價[J].海峽科學，2022（07）：72-76.

[5]侯博，鄧曉明，范艷，等.三酸微波消解-硝酸提取-電感耦合等離子體質譜法測定土壤中16種金屬元素的含量[J].理化檢驗-化學分冊，2023，59（12）：1413-1419.

[6]初玉婷，李曉嵐，廉海榮，等.基于特征代表性的土壤環境質量監測點布局優化方法[J].農業環境科學學報，2023，42（11）：2430-2439.

[7]張維維，韓繼剛，張琪，等.城市園林綠化土壤質量特征與監測指標體系構建[J].園林，2022，39（08）：133-138.

作者簡介

顧信娜（1986—），女，漢族，浙江舟山人，工程師，碩士，研究方向為環境監測。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-04-19