利用改進的BCR法和Tessier法提取稻田土壤中Pb、Cd的對比研究

鄧曉霞,米艷華,黎其萬*,段紅平*,杜麗娟,3,和麗忠,3,尹本林,3,陳 璐

(1.云南農業大學 資源與環境學院,云南 昆明 650223;2.云南省農業科學院 質量標準與檢測技術研究所,云南 昆明 650221;3.農產品質量監督檢驗測試中心(昆明),云南 昆明 650221)

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利用改進的BCR法和Tessier法提取稻田土壤中Pb、Cd的對比研究

鄧曉霞1,米艷華2,黎其萬2*,段紅平1*,杜麗娟2,3,和麗忠2,3,尹本林2,3,陳 璐2

(1.云南農業大學 資源與環境學院,云南 昆明 650223;2.云南省農業科學院 質量標準與檢測技術研究所,云南 昆明 650221;3.農產品質量監督檢驗測試中心(昆明),云南 昆明 650221)

采用改進的BCR法和Tessier法,分別對云南省個舊市稻田土壤樣品中重金屬元素Pb、Cd各形態的含量進行了測定和分析。結果表明:土壤樣品中的Cd主要以酸可提取態的形式賦存, Pb主要以可還原態的形式存在；改進的BCR法分析結果的精密度高于Tessier法的；采用Tessier法分析的土壤重金屬有效態的含量高于BCR法的；在用這兩種方法測定得到的土壤重金屬部分形態含量間存在極顯著的相關性。

改進的BCR法; Tessier法;稻田土壤;重金屬;化學形態

土壤是寶貴的資源,也是重要的環境要素。目前,許多國家的土壤正在遭受不同程度的重金屬污染,土壤重金屬污染已成為當前日益嚴重的環境問題。我國土壤重金屬污染的基本形勢是:污染面積不斷擴大、污染程度不斷加劇、污染造成的損失逐年加劇以及重金屬污染事件頻繁發生。因此,對土壤重金屬的研究已成為當前全球研究的熱點之一[1]。個舊市是中國有名的“錫都”,礦業活動造成當地土壤受到污染,影響了當地居民的身體健康。喬鵬煒等[2]對個舊礦區大屯的耕地和土壤中的重金屬含量進行了污染評價,發現紅壤重金屬的污染程度較大。李江燕等[3]對個舊大屯鎮的土壤和蔬菜重金屬含量進行了風險評價,發現土壤中Zn、Cu、Cd含量超出了國家土壤環境質量標準。前人對土壤中重金屬的評價研究大多基于重金屬總量,但是用重金屬的總量不能完全評價重金屬對生物的影響,重金屬對生物的毒性在很大程度上是由重金屬的有效態決定的。為了研究重金屬的化學形態,多采用重金屬連續提取方法。研究者比較常用的多級連續提取方法主要是Tessier等[4]在1979年提出的五步連續提取法和Rauret等[5]提出的改進的BCR連續提取法。馮素萍等[6]利用這兩種方法對褐土、潮土和棕壤中重金屬形態進行了對比分析,但是對稻田土紅壤中重金屬形態的研究鮮見報道。

本文以云南省個舊市大屯鎮的稻田土紅壤為研究對象,采用改進的BCR法和Tessier法,對稻田土壤中重金屬的形態進行了分析,并對用兩種方法所得的測定結果進行了比較,以期為云南區域環境污染狀況調查與風險評價的研究工作奠定基礎。

1　材料與方法

1.1土壤樣品采集及分析

以云南省個舊市大屯鎮的稻田土壤為研究對象。土壤樣品采集采用GPS定位,用梅花點法選取表層( 0～20 cm)的土壤樣品。采用四分法取樣,將采集的土壤樣品去除植物根系、石塊等,在室內自然風干，碾磨過100目篩后備用。采用HClO4+HF+HNO3消解法[7]測定土壤樣品中重金屬元素的總量；用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定溶液中各種重金屬的含量；所有測定均重復3次,取平均值。利用SPSS 22.0、Excel 2010和Origin 9.0進行數據處理和圖形分析。

供試土壤的基礎理化性質見表1。

表1　供試土壤的基礎理化性質

1.2改進的BCR連續提取法

第一步(酸可提取態):稱取1.000 g樣品于50 mL聚丙烯離心管中,加入40 mL 0.11 mol/L HAc提取液,在室溫下震蕩16 h后,離心分離(5000 r/min,10 min)；將上層清液倒入聚乙烯瓶中(取10 mL提取液和10 mL HNO3于燒杯中，加蓋后置于電熱板上消解定容后待測,下同)。加入20 mL去離子水洗滌殘余物,振蕩20 min,離心,棄去清洗液。

第二步(可還原態):向第一步的殘余物中加入40 mL 0.5 mol/L NH2OH·HCl提取液,在室溫下震蕩16 h,離心分離。其余操作同第一步。

第三步(可氧化態):向第二步的殘余物中加入10 mL H2O2,蓋上離心管蓋,在室溫下消解1 h,然后去蓋置于85 ℃水浴鍋中消解1 h,加熱至溶液蒸發近干,再加入10 mL H2O2,加熱至溶液近干。冷卻后,加入50 mL 1 mol/L NH4OAc提取液,在室溫下震蕩16 h。其余操作同第一步。

第四步(殘渣態):將經過第三步提取后的殘渣稱取0.1000 g，轉移到50 mL聚四氟乙烯燒杯中,然后加入10 mL HNO3、1 mL HF和1 mL HClO4,加蓋后于電熱板上消解至澄清透明。

1.3Tessier 5步連續提取法

第一步(可交換態):稱取2.000 g樣品于50 mL聚丙烯離心管中,加入16 mL 1 mol/L的MgCl2(pH 7.0)溶液,在室溫下震蕩1 h,離心分離(5000 r/min,10 min)；倒出上層清液于聚乙烯瓶中(取10 mL提取液和10 mL HNO3于燒杯中，加蓋后置于電熱板上消解定容后待測,下同)。加入20 mL去離子水洗滌殘余物,振蕩20 min,離心,棄去清洗液。

第二步(碳酸鹽結合態):向第一步的殘余物中加16 mL 1 mol/L NaAc (pH 5.0)溶液,在室溫下震蕩5 h,離心分離。其余操作同第一步。

第三步(鐵錳氧化物結合態):向第二步的殘余物中加16 mL 0. 04 mol/L NH2OH·HCl (25%HAc溶液),于(96±3)℃下斷續震蕩6 h,離心分離。其余操作同第一步。

第四步(有機結合態和硫化物結合態):向第三步的殘余物中加3 mL 0.01 mol/L HNO3和5 mL 30%H2O2(pH 2),將混合物水浴加熱到(85±2)℃,在此過程中間斷震蕩2 h；再加入5 mL H2O2(pH 2),將混合物置于(85±2)℃下加熱2 h,并間斷震蕩；待冷卻到(25±1)℃后,加入5 mL 3.2 mol/L NH4Ac (20%HNO3溶液),連續震蕩30 min,離心分離。其余操作同第一步。

第五步(殘渣態):將經過第四步提取后的殘渣稱取0.1000 g，轉移到50 mL聚四氟乙烯燒杯中,然后加入10 mL HNO3、1 mL HF和1 mL HClO4,加蓋后于電熱板上消解至澄清透明。

2　結果與分析

2.1采用改進的BCR法分析重金屬形態的結果

采用改進的BCR法,測定了云南省個舊市大屯鎮稻田土壤樣品中重金屬Pb、Cd的賦存形態,結果見圖1。在供試的7個土壤樣品中, S1和S4兩個土壤樣品重金屬Pb各形態的含量表現為殘渣態>可氧化態>可還原態>酸可提取態,可以看出這兩個土壤樣品中殘渣態所占比例最高,酸可提取態比例最低。S2、S3、S5、S6、S7五個土壤樣品重金屬Pb各形態的含量表現為可還原態>殘渣態>可氧化態>酸可提取態，可見這5個土壤樣品中可還原態所占比例最高,酸可提取態比例最低。以上結果表明S1和S4這兩個土壤樣品中Pb的生物有效性[8]小于其他5個土壤樣品中的,主要是因為可還原態會隨著土壤pH值降低而轉變成活性較強的酸可提取態[9],而殘渣態的穩定性最強,對生物的毒性最小。在7個土壤樣品中,重金屬Cd不同形態的含量均表現為酸可提取態>殘渣態>可還原態>可氧化態。說明這7個土壤樣品中Cd主要以酸可提取態存在，而酸可提取態容易被植物吸收利用,因此這7個土壤樣品中的Cd對作物有一定的生態風險。

圖1　供試土壤重金屬的形態分布(BCR法)

2.2采用Tessier 5步提取法分析重金屬形態的結果

用Tessier 5步提取法分析稻田土壤中不同形態的Pb、Cd含量,結果見圖2。在供試的7個土壤樣品中,重金屬Pb各形態的含量表現為鐵錳氧化物結合態>有機結合態>碳酸鹽結合態>殘渣態>可交換態，說明這7個土壤樣品中Pb鐵錳氧化物結合態占的比例比較高,而Pb可交換態比例較低。當土壤pH值降低時, Pb可交換態含量會增加,而鐵錳氧化物結合態含量會減少[8]，因此這些土壤樣品中的Pb在現階段不會對環境產生明顯的影響,但是隨著土壤理化性質的改變,其形態也會發生變化。重金屬Cd各形態的含量順序為鐵錳氧化物結合態>碳酸鹽結合態>殘渣態>交換態>有機結合態。由于這些土壤樣品中Cd碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態和殘渣態的含量較高，而且它們會隨著土壤pH值的升高而增加[9],因此重金屬Cd對稻田土壤環境有潛在的生態風險。

圖2　供試土壤重金屬的形態分布(Tessier法)

2.3兩種方法的精密度比較

計算改進的BCR法和Tessier法分析所得的7個土壤樣品Pb、Cd各形態含量的相對平均偏差，以此來比較這兩種方法的精密度[10],結果見表2、表3。從表2～表3可以看出：改進的BCR法計算出的相對平均偏差為0.05%～11.78%；而Tessier法計算出的相對平均偏差為0%～17.59%。說明改進的BCR法分析結果的精密度明顯優于Tessier 5步提取法的。黃思宇等[11]研究也發現Tessier 5步提取法的分析結果可比性差。

2.4兩種方法提取能力的比較

用Tessier提取法提取出來的Pb、Cd的交換態、碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態會因土壤理化性質的改變而發生形態變化,生物有效性高[12]。用改進的BCR提取法提取的酸可提取態和可還原態穩定性差,可以被作物吸收利用[13]。因此,本文將Tessier提取法提取出來的交換態、碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態以及改進的BCR提取法提取出來的酸可提取態和可還原態作為重金屬元素的有效態。從兩種方法對土壤重金屬Pb、Cd有效態提取能力的比較結果(表4)可以看出,采用Tessier法測得的7個供試土壤樣品重金屬有效態的含量大于用改進的BCR法測得的有效態的含量。陸泗進等[14]采用Tessier法和Maiz法對不同類型土壤中不同重金屬形態進行了分析研究，發現Tessier法提取的重金屬有效態的含量大于Maiz法的。

表2　BCR法所得各重金屬元素不同形態含量的相對平均偏差 %

表3　Tessier法所得各重金屬元素不同形態含量的相對平均偏差 %

2.5兩種方法所得重金屬各形態含量間的相關性

忽略兩個重金屬元素Pb、Cd之間的差異性，以Tessier提取法得到的重金屬各形態的含量為自變量x,以用改進的BCR提取法得到的結果為因變量y，進行相關線性統計分析,結果見表5。從表5可以看出, Tessier法和改進的BCR法提取的Pb+Cd殘渣態含量間相關性最高,相關系數達0.9827。因此用這兩種方法提取出來的殘渣態含量可以認為相同[10]。另外，在Tessier法提取的可交換態和碳酸鹽結合態含量之和與改進的BCR法提取的酸可提取態含量間、Tessier法提取的鐵錳氧化物結合態含量與改進的BCR法提取的可還原態含量間，以及Tessier法提取的有機結合態含量與改進的BCR法提取的可氧化態含量間均存在極顯著的相關關系,因此,也可以將Tessier法和改進的BCR法提取的這些形態視為等同，也說明這兩種方法對重金屬形態分組的實質大致相同。Tessier法對重金屬的形態進行了詳細的分類且在形態分類上包容性較好[15],而改進的BCR法對重金屬形態的分組較為簡單,更有利于在實際工作中應用。

表4　兩種提取法對土壤重金屬Pb、Cd有效態的提取率 %

表5　兩種方法所得土壤重金屬各形態含量間的相關性

3　結論與討論

本研究結果表明:云南稻田土壤中的Cd主要以酸可提取態的形式賦存,具有較高的生物有效性; Pb主要以可還原態的形式存在,具有潛在的生物有效性,存在一定的生態風險； Cd的生物有效性大于Pb；改進的BCR法分析結果的精密度明顯優于Tessier 5步提取法的；但后一種方法測得的土壤重金屬Pb、Cd有效態的含量大于BCR法測得的。

在Tessier法與改進的BCR法測定的土壤重金屬部分形態含量間存在極顯著的相關性，說明這兩種方法對重金屬形態的分組雖然不同，但實質上是一樣的。由于改進的BCR法對重金屬形態的分組較為簡單,實驗操作方便,分析結果的精密度也高，因此該方法更適合于區域環境土壤污染狀況的評價。

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(責任編輯:黃榮華)

Comparative Study on Extraction of Pb and Cd from Paddy Soils by Modified BCR Method and Tessier Method

DENG Xiao-xia1, MI Yan-hua2, LI Qi-wan2*, DUAN Hong-ping1*,DU Li-juan2,3, HE Li-zhong2,3, YIN Ben-lin2,3, CHEN Lu2

(1. College of Resource and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650223, China; 2. Institute of Quality Standard and Testing Technique, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650221, China; 3. Kunming Center of Agricultural Products Quality Monitoring and Testing, Kunming 650221, China)

The author respectively used modified BCR method and Tessier method to determine and analyze the contents of various forms of heavy metal elements Pb and Cd in paddy soil samples in Gejiu city of Yunnan province. The results showed that: in soil samples, Cd existed mainly in the form of acid-extractable state, and Pb existed mainly in the form of reducible state; the modified BCR method possessed a higher accuracy in analysis than Tessier method; the effective-state content of heavy metals in soil obtained by Tessier method was higher than that did by modified BCR method; there were very significant correlations between the contents of some forms of heavy metals in soil measured by these two methods.

Modified BCR method; Tessier method; Soil of paddy field; Heavy metal; Chemical form

2016-04-05

農業部公益性行業(農業)專項(201303088);云南省科技創新人才計劃項目(2014HB059、2015HC025)。

鄧曉霞(1990─),女,四川平昌人,碩士研究生,從事農業環境與農產品質量安全研究工作。*通訊作者:黎其萬、段紅平。

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1001-8581(2016)09-0064-05