土壤中重金屬可提取態(氯化鈣法)分析質量控制樣品的研制

田 衎，王 堯，房麗萍，封躍鵬，周裕敏

1.環境保護部標準樣品研究所 國家環境保護污染物計量和標準樣品研究重點實驗室，北京 100029 2.島津企業管理(中國)有限公司北京分析中心，北京 100020

為貫徹落實《土壤污染防治行動計劃》，全國農用地土壤污染狀況詳查(以下簡稱土壤詳查)工作于2017年全面啟動。由于重金屬的生物毒性不僅與其總量有關，更大程度上由其形態分布所決定，采用土壤中重金屬總量指標評價土壤污染狀況，不能真實反映土壤中重金屬的生態風險和環境效應[1-3]，不利于土壤重金屬污染修復和土壤分類管理等環境管理工作的開展。為此，該次土壤詳查土壤檢測指標在重金屬總量的基礎上增加重金屬可提取態指標。

土壤中重金屬化學形態分析方法的研究已近30年，是國內外環保和農業領域的研究熱點之一[4-7]。土壤中重金屬可提取態分析方法中最常用的是化學浸提法[3,8]，大量研究結果表明，不同提取方法提取效率差異很大，有些方法提取的“化學有效性”重金屬含量與作物吸收相關性低[9-11]，與真正的生物有效性尚有差異。

要真正實現說得清土壤重金屬污染狀況，篩選出前處理步驟簡單且滿足大批量樣品分析，適用不同土壤類型的普適性重金屬可提取態分析方法非常關鍵。

為研究統一浸提方法，環保、國土、農業等土壤詳查相關部門以已有的標準分析方法及研究成果為基礎，對常用的稀酸溶液、絡合劑及中性鹽溶液等浸提方法開展共同分析研究。結果表明，對于典型土壤類型，CaCl2試劑提取的重金屬量與農作物吸收的重金屬量有較好的正相關性。最終氯化鈣提取法被遴選入《全國土壤污染狀況詳查土壤樣品分析測試方法技術規定》(以下簡稱《技術規定》)，作為該次土壤詳查土壤中重金屬可提取態樣品分析的前處理方法。

土壤分析質量控制樣品是保障檢測數據質量的重要技術手段之一，在保證檢測數據準確可比等方面發揮著不可或缺的重要作用。中國已研制的土壤中重金屬可提取態(有效態)標準物質，浸提劑為DTPA、稀HCl、稀HNO3、NaNO3等[12]，市場上鮮見以CaCl2作為浸提劑的土壤中重金屬可提取態分析質量控制樣品提供用戶使用。為滿足中國農用地土壤詳查分析質量控制工作的需求，筆者所在團隊開展了土壤中重金屬可提取態(氯化鈣法)統一分析質量控制樣品的研制，為土壤環境監測和質量管理等工作提供技術支撐。

1 實驗部分

1.1 主要儀器及試劑

電感耦合等離子體質譜儀(DRC-e，美國PerkinElmer公司)，原子熒光光譜儀(AFS-9560，北京海光儀器有限公司)，X射線熒光光譜儀(Axios PW4400，荷蘭PANalytical公司)，精密電子天平(AE240，精度為0.1 mg，瑞士Mettler-Toledo公司)，壓片機(ZHY401/601 A，北京眾合創業科技發展有限責任公司)，全自動翻轉振蕩儀(北京國環高科自動化技術研究院)，pH計(SevenMulti，瑞士Mettler-Toledo公司)。

多元素(Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn)混合標準溶液(濃度均為20 mg/L，美國Accustandard公司)，Hg和As標準溶液(100 mg/L，環境保護部標準樣品研究所)，CaCl2(99.99%，上海麥克林生化科技有限公司)，使用前對其中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn等8種重金屬雜質進行分析測試，確保CaCl2中雜質含量不會對分析結果產生影響。HNO3(優級純，美國Thermo Fisher公司)。實驗用水電阻率大于15 MΩ·cm(25 ℃)，滿足《實驗室用超純水技術指標標準》(GB/T 6682—2008)一級水指標。

1.2 土壤樣品采集與處理

在江西省旱地農田(地理坐標為29° 03′48″N，117° 40′ 56″E)共采集土壤混合樣約200 kg，采樣深度為0 ～ 20 cm，為紅壤性粘土。采集的土壤樣品除去雜物和侵入體(如石頭及植物根莖等)后，在鼓風烘干機內50 ℃低溫烘干，檢測水分含量小于1%。研磨后過0.250 mm尼龍篩，篩下樣品在混樣機中以18 r/min的速度混勻6 h，置于密封良好的聚乙烯桶中暫存。裝桶及搬運過程中嚴禁劇烈震動以防止粒度偏析。從桶內不同部位抽取20份樣品，采用X射線熒光光譜法(XRF)進行均勻性初檢，合格后以每瓶15 g裝樣量分裝于高密度聚乙烯塑料瓶中，在室內常溫保存。

1.3 土壤樣品前處理

按照《技術規定》中重金屬可提取態浸提方法進行樣品前處理。稱取土壤試樣4.00 g(精確至0.01 g)于50 mL具塞塑料離心管中，加入40 mL CaCl2溶液(0.01 mol/L)，擰緊管蓋，放置于全自動翻轉振蕩儀中，在控溫(20±2)℃實驗室內，以轉速為25 r/min翻轉振蕩提取120 min。將離心管在離心機中以3 000 g離心力離心10 min，上清液用0.45 μm濾膜過濾，棄去潤洗液0.5 mL，其余過濾液收集于50 mL容量瓶中。按照相同的步驟制備2個空白試樣。

1.4 土壤樣品分析測試

分析元素為土壤詳查規定的 8個重金屬元素，包括As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb 和 Zn，同時測定了土壤的酸堿度，分析方法詳見表 1。

表 1 土壤樣品分析方法Table 1 Analytical method for soil samples

2 結果與討論

2.1 土壤樣品采樣點位的篩選

土壤樣品采集的主要原則：①為避免基體添加技術導致樣品失真，土壤樣品直接采集天然土壤，在樣品加工制備過程中未向土壤樣品中添加任何重金屬污染物；②采集中國重金屬重點防治區域內分布較廣、面積較大的耕地(水田、水澆地、旱地)和蔬菜地或果園等農用地土壤，土壤類型具有典型性和代表性，優先選擇污染行業企業(含工業園區)、固廢集中處理處置場地、采礦區、歷史污染區域周邊糧食主產區或主要蔬菜種植區土壤；③土壤中多種可提取態重金屬元素含量在《技術規定》中分析方法定量限以上，重點關注生物毒性較強且易被農作物吸收并累積的Cd元素，同時兼顧其他重金屬元素。

中國已開展的土壤環境例行監測和土壤環境專項監測工作監測項目基本為重金屬總量，而氯化鈣法提取效率與污染來源、土壤pH、有機質含量和陽離子交換量(CEC)等相關[2]，因此，重金屬可提取態原料樣品采集不能直接參考重金屬總量監測數據。此外，土壤中重金屬可提取態含量受到外界較明顯的影響，空間離散性和分異性大，這使土壤樣品采樣點位的篩選比較困難。為此，依據中國農作物主產區分布特征，前期在云南、湖南、河北、湖北、河南、江西、浙江等7省(區、市)各預設了2個采樣點位，共計預設了14個采樣點位采集土壤小樣，通過分析初步判斷土壤中重金屬可提取態的大致含量。結果表明：Hg元素在14個采樣點位中均未檢出，江西采樣點位(地理坐標為28°18′57″N，117°13′27″E)土壤主要受附近冶煉廠重金屬污染，土壤中可檢出重金屬覆蓋6個指標，該點位土壤類型為紅壤，土壤質地為粘土，土壤質地和類型在長江以南等地很有典型性和代表性，最終該點位作為大體積土壤樣品的采樣點位。

2.2 樣品粒度的確定

《技術規定》中檢測重金屬可提取態的土壤樣品要求自然風干或冷凍干燥，樣品加工粒徑小于2 mm，最大限度地避免了土壤樣品研磨對土壤礦物晶粒的破壞及對土壤中重金屬各種形態的改變。對于日常環境監測，《土壤環境監測技術規范》(HJ 166—2004)中規定土壤形態分析樣品加工粒徑為0.850 mm，《土壤質量 有效態鉛和鎘的測定》(GB/T 23739—2009)中規定土壤樣品加工粒徑小于2 mm。在土壤分析質量控制樣品制備過程中發現，加工至粒徑小于2 mm，大體積土壤樣品分層現象非常嚴重，不能滿足土壤分析質量控制樣品均勻的基本要求。考慮到土壤分析質量控制樣品的功能是對樣品分析過程進行質量控制，而不是為了評價實際土壤環境中重金屬可提取態的真實含量水平，因此土壤樣品加工粒徑沒有必要與《技術規定》要求一致。土壤樣品不同加工粒徑實驗表明，加工粒徑為小于0.250 mm，既滿足土壤樣品均勻性要求，又利于土壤樣品浸提上清液過濾，因此，土壤樣品加工粒徑確定為小于0.250 mm。

2.3 均勻性檢驗

均勻性檢驗的主要目的是檢驗樣品最小包裝單元間組分的勻質程度，而不是為了測量樣品中檢測指標的真實含量。因此，均勻性檢驗分析方法重點是保證分析方法具有良好的精密度。采用氯化鈣法浸提土壤，提取液中重金屬含量低，溶解的鹽類基體含量高，造成樣品易污染、鹽類浸提試劑背景干擾大和分析精密度較差等缺點。采用X射線熒光光譜法分析土壤中重金屬總量具有步驟簡單，制樣誤差小，測定主、次元素精密度高，分析效率高等優點，且理論樣品分析量遠小于重金屬可提取態分析樣品取樣量，滿足土壤樣品均勻性分析要求。鑒于以上原因，土壤樣品均勻性檢驗除分析重金屬可提取態指標外，沿用了歐盟和中國國土部門評價土壤形態成分分析標準物質均勻度的方法，以重金屬元素總量作為補充指標，檢驗重金屬全量成分的均勻度佐證土壤樣品的均勻性[12-13]。

2.3.1 重金屬總量分析

依據各元素的含量水平和物理化學特性選擇8個無機元素進行均勻性檢驗，包括Al2O3、As、Cu、Fe2O3、Ni、Pb、SiO2和Zn。其中As、Cu、Ni、Pb、Zn等5種元素為土壤分析質量控制樣品定值指標。分層隨機抽取20份樣品，壓制平行雙樣后采用X射線熒光光譜法進行分析測試。

2.3.2 重金屬可提取態分析

在樣品分裝的前、中、后期，分層隨機抽取15瓶樣品作為均勻性檢驗樣品。檢測指標覆蓋土壤樣品定值的全部8種重金屬元素，樣品取樣量為4.0 g。ICP-MS分析時發現，土壤浸提液中的CaCl2及水溶性鹽產生基體效應，對分析信號強度表現出較強的抑制效應，且長時間分析很容易在采樣錐錐孔處產生積鹽，導致儀器信號漂移。為提高分析的準確度，標準系列配制時采用基體匹配法消除CaCl2產生的基體效應，同時選用45Sc作為52Cr的內標，74Ge作為60Ni、63Cu、65Zn的內標，103Rh作為111Cd的內標，187Re作為208Pb的內標，通過Y型三通管在線引入內標溶液減少儀器信號漂移，進一步消除基體效應[14]。每10個樣品分析空白樣品和水質監控樣監控儀器信號或儀器背景噪聲的漂移。

2.3.3 均勻性檢驗評價方法

常用的均勻性檢驗數理統計方法包括單因素方差分析法(F檢驗法)、相對標準偏差法(RSD法)、t檢驗法和極差法等[15]。其中，F檢驗法對原始數據利用較充分，但在分析方法精密度較差的情況下，用F檢驗法評價樣品的均勻性會存在F值雖在臨界值內，但RSD較大，而實際上樣品并不均勻的情況；另一種特殊情況是F值雖然超出臨界值，但RSD很小。RSD客觀上反映了測試的隨機誤差和樣品不均勻性引起數據的波動程度，RSD很小說明樣品是均勻的，可以滿足樣品的預期用途。為了克服單一均勻性評價方法的缺陷，同時采用F檢驗法和RSD法評價土壤樣品的均勻性。上述2種評價方法僅為均勻性的定性評價，通過計算瓶間均勻性不確定度分量(ubb)定量評定土壤樣品的均勻程度。瓶間均勻性標準不確定度分量評定公式為[16]

(1)

(2)

式中：MS間為瓶間均方，MS內為瓶內均方，n為平行測定次數，ν內為自由度。以上2個公式計算結果的最大值為瓶間均勻性標準不確定度分量。土壤中重金屬總量和可提取態均勻性檢驗統計分析結果見表2和表3，其中Pb、Cr和Hg等3種元素提取效率極低，小于分析方法定量限，未進行均勻性檢驗。由XRF法分析結果可見，除As、Fe2O3和SiO2外，其余元素F統計量均小于F0.05(19,20)=2.14，RSD最大為2.0%。5個重金屬可提取態均勻性檢驗F統計量均小于F0.05(14,15)=2.42，RSD最大為2.5%，說明土壤樣品均勻性良好。

表 2 土壤中重金屬總量均勻性檢驗統計分析結果Table 2 Results of the homogeneity study for total heavy metals in soil

表 3 土壤中重金屬可提取態均勻性檢驗統計分析結果Table 3 Results of the homogeneity study for extractable heavy metals in soil

3 標準值及不確定度評定

采用多家實驗室聯合定值方式定值，聯合定值實驗室共8家，其中環保和國土系統實驗室各4家，均為各自系統內分析技術水平較高的專業實驗室，且大部分實驗室參加了環保、國土和農業等相關部門組織的氯化鈣法的研究或驗證工作。《技術規定》中氯化鈣法檢出限為普通實驗室可達到的檢出限，該次聯合定值要求每家實驗室除提供定值結果外，還要提供每個實驗室的檢出限。聯合定值采用的前處理及分析方法見表 4。Cd、Cr、Ni、Pb等4種重金屬元素基本為1種分析方法測試。不同原理測試方法結果是否一致是判斷定值結果是否可靠可行的重要依據，ICP-MS為測量低含量重金屬元素的公認可靠方法，采用1種方法定值結果也是可信的[17]。

表 4 聯合定值采用的前處理及分析方法Table 4 Summary of pretreatment and analysis methods used for certification

3.1 測試數據統計處理

依據《標準樣品定值的一般原則與統計方法》(GB/T 15000.3—2008)和《全國土壤污染狀況詳查質量控制樣品研制技術要求》對分析結果進行統計分析。共收集 8家實驗室64 組數據，數據匯總后首先進行技術審查，對有明顯系統偏倚或精度差的個別數據組要求定值實驗室進行復檢，As、Cd、Cu元素各有1家實驗室復檢，復檢率為4.7%。低于《技術規定》分析方法定量限，但大于定值實驗室分析方法定量限的數據予以保留。合格后的數據分別采用Grubbs、Cochran和Dixon準則對實驗室組內、組間數據精度和平均值進行檢驗。剔除異常數據后的全部數據采用偏度/峰度法進行正態性檢驗。經Grubbs準則和Dixon準則檢驗，2種方法檢驗后離群的數據均予以剔除；經Cochran準則檢驗發現的方差可疑值和離群值，經判斷后決定其取舍。

3.2 標準值及不確定度的評定

表 5 土壤分析質量控制樣品統計分析、標準值及其上限值評定結果Table 5 Summary of statistical data, certified values, upper and lower limits of CaCl2-extractable heavy metals in QC sample mg/kg

3.3 與同類標準物質定值結果比較

中國現行土壤質量標準沒有重金屬可提取態指標，相配套的評價體系也未建立，無法開展研制的土壤中重金屬可提取態分析質量控制樣品污染水平評價。研制的土壤質量樣品pH為4.75，屬于強酸性土壤，浸出液pH為4.25，與同類酸性標準物質定值結果比較(表 6)發現，以CaCl2、DTPA和NaNO3作為浸提劑，土壤中Cr和Hg提取效率極低，均無法有效檢出，中性鹽浸提劑NaNO3和CaCl2對As和Pb的提取效率不高，研制的土壤中重金屬可提取態分析質量控制樣品和標準物質均無法覆蓋土壤詳查的8種重金屬元素。

表 6 研制的土壤分析質控樣品與同類標準物質定值結果比較Table 6 Compared of presented QC sample with similar certified reference material

4 總結

1)為滿足農用地土壤污染狀況詳查分析質量控制工作要求，研制了土壤中重金屬可提取態(氯化鈣法)分析質量控制樣品。選擇江西省土壤開展樣品制備與聯合定值，As、Cd、Cu、Ni和Zn等5種元素評定了標準值，并給出了標準值的上下限值，Cr、Pb、Hg等3種元素分析結果低于分析方法檢出限，未評定標準值。研制的土壤分析質量控制樣品已應用于土壤詳查工作，也為今后同類型土壤標準樣品的研制奠定了技術基礎。

2)農作物對土壤中重金屬的吸收利用是一個非常復雜的生物化學過程，既與重金屬的有效態密切相關，也取決于農作物根系對微環境的改造等因素。徹底說清土壤重金屬污染與農產品累積的關系為時尚早。鑒于此，在今后的環境科研等工作中，仍需開展土壤中重金屬可提取態浸提機理、重金屬在農作物體內的遷移過程和機理等研究，制定科學合理的可提取態分析方法并上升為國家標準，盡快應用到實際監測工作中。

3)中國現行土壤質量標準沒有重金屬可提取態指標，相配套的評價體系也未建立，通過此次農用地土壤詳查基礎數據的收集，抓緊制定土壤中重金屬有效態的限量標準，對指導土壤分析質量控制樣品的研制、土壤修復和土壤分類管理等環境管理工作有重要意義。