不同提取劑對(duì)土壤有效態(tài)Hg提取的效果淺析

趙首萍，張棋，肖文丹，陳德，葉雪珠，黃淼杰，胡靜，高娜

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全危害因子與風(fēng)險(xiǎn)防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌) 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品信息溯源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310021)

汞(Hg)是一種劇毒的全球性重金屬污染物，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)有很強(qiáng)的毒性作用。土壤中存在的汞可被植物吸收，并通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體。自20世紀(jì)50年代日本出現(xiàn)“水俁病”以來(lái)，汞污染問(wèn)題已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視[1]。據(jù)2014年《全國(guó)土壤污染調(diào)查公報(bào)》，我國(guó)耕地土壤超標(biāo)率為19.4%，主要污染物為鎘(Cd)、鎳(Ni)、銅(Cu)、砷(As)、Hg、鉛(Pb)、滴滴涕和多環(huán)芳烴等。研究證實(shí)，Hg以多種形態(tài)廣泛存在于自然界，包括單質(zhì)汞、無(wú)機(jī)汞和有機(jī)汞，汞的化學(xué)形態(tài)決定著其毒性、生物利用性、遷移性，及其在食物鏈中的持久性和累積效應(yīng)[2-3]。

污染土壤中重金屬的有效性，特別是生物有效性，是近幾十年來(lái)重金屬污染研究的熱點(diǎn)，而元素的有效性通常受到多種因素影響，包括土壤類型、土壤環(huán)境的pH值、有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量等。判定有效態(tài)重金屬提取劑質(zhì)量?jī)?yōu)劣最重要的指標(biāo)是，其提取量能否較好地判斷重金屬對(duì)植物的影響，同時(shí)植物吸收的重金屬量與提取劑提取的重金屬量是否有較好的相關(guān)性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)土壤重金屬有效態(tài)含量的測(cè)定方法進(jìn)行了大量的比較研究，尤其是對(duì)適用于Cd、鉻(Cr)、Pb、As等劇毒重金屬有效態(tài)的提取技術(shù)，針對(duì)不同土壤條件提出了相應(yīng)的最佳提取方案[4-5]，并制定了相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。目前，土壤有效態(tài)重金屬提取中應(yīng)用較廣的是單一萃取法，常用的提取劑主要有弱酸溶液(CH3COOH、HCl等)、螯合劑[二乙基三胺五乙酸(DTPA)、乙二胺四乙酸(EDTA)、硫代乙醇酸(巰基乙酸，TGA)等]、中性鹽溶液和緩沖溶液(CaCl2、NH4OAc、NaNO3等)等[6-10]。由于Hg在土壤中的存在形態(tài)，以及作物吸收過(guò)程都較復(fù)雜，目前還沒(méi)有適用于土壤有效態(tài)Hg的通用提取方法。為此，于浙江省蔬菜、水稻主產(chǎn)區(qū)采集土壤和相應(yīng)的農(nóng)產(chǎn)品樣品，采用常用的5種提取劑分析了浙江省特定地理?xiàng)l件下蔬菜、水稻種植系統(tǒng)土壤有效Hg的最佳提取方案，旨在為浙江省耕地土壤Hg污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

土壤和植物樣品于2017年8月和12月進(jìn)行采集。土壤樣品與農(nóng)產(chǎn)品一一對(duì)應(yīng)采樣。土壤樣品按照隨機(jī)布點(diǎn)法采集，采集耕層0～20 cm土壤1.5 kg，每個(gè)基地隨機(jī)采集5點(diǎn)以上混合為1個(gè)樣品。土壤采集后帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，過(guò)10目(孔徑2.00 mm)篩，待測(cè)。蔬菜樣品采集1.5 kg，鮮樣勻漿后-20 ℃保存待測(cè)。稻谷樣品采集后80 ℃烘干，脫殼，制成糙米樣品，磨粉，常溫保存待測(cè)。

蔬菜和對(duì)應(yīng)的土壤樣本的具體信息如下：SC1，紅莧菜，采樣地位于溫州，地理坐標(biāo)120°35′22.2″E、27°57′32.5″N，pH值5.62，陽(yáng)離子交換量(CEC)27.82 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)32.56 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量12.2%，粉砂粒含量50.0%，黏粒含量37.8%；SC2，紅莧菜，采樣地位于溫州，地理坐標(biāo)120°32′09.4″E、27°58′17.4″N，pH值4.54，CEC 18.99 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)52.74 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量12.2%，粉砂粒含量52.0%，黏粒含量35.8%；SC3，紅莧菜，采樣地位于溫州，地理坐標(biāo)120°32′00.3″E、27°58′36.9″N，pH值4.34，CEC 23.01 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)39.09 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量12.2%，粉砂粒含量46.0%，黏粒含量41.8%；SC4，白莧菜，采樣地位于麗水，地理坐標(biāo)119°57′07.0″E、28°28′10.2″N，pH值4.49，CEC 11.24 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)31.23 g·kg-1，土壤質(zhì)地為壤土，砂粒含量48.6%，粉砂粒含量30.0%，黏粒含量21.4%；SC5，紅莧菜，采樣地位于麗水，地理坐標(biāo)119°57′07.0″E、28°28′10.2″N，pH值4.66，CEC 16.05 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)26.68 g·kg-1，土壤質(zhì)地為壤土，砂粒含量46.6%，粉砂粒含量31.0%，黏粒含量22.4%；SC6，紅莧菜，采樣地位于紹興，地理坐標(biāo)120°16′07.9″E、29°46′47.9″N，pH值5.37，CEC 17.66 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)33.43 g·kg-1，土壤質(zhì)地為黏壤土，砂粒含量31.6%，粉砂粒含量39.2%，黏粒含量29.2%；SC7，紅莧菜，采樣地位于紹興，地理坐標(biāo)121°07′19.9″E、30°04′35.6″N，pH值4.60，CEC 23.27 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)34.49 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量9.6%，粉砂粒含量61.2%，黏粒含量29.2%；SC8，紅莧菜，采樣地位于臺(tái)州，地理坐標(biāo)120°57′59.5″E、28°34′27.1″N，pH值5.05，CEC 9.72 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)40.50 g·kg-1，土壤質(zhì)地為黏壤土，砂粒含量40.0%，粉砂粒含量34.0%，黏粒含量26.0%。

水稻和對(duì)應(yīng)的土壤樣本的具體信息如下：DM1，水稻品種為甬優(yōu)12，采樣地位于杭州，地理坐標(biāo)119°52′51.3″E、29°52′56.3″N，pH值7.58，CEC 25.4 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)15.63 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉壤土，砂粒含量18.0%，粉砂粒含量54.6%，黏粒含量27.4%；DM2，水稻品種為甬優(yōu)12，采樣地位于杭州，地理坐標(biāo)120°39′47.0″E、30°04′35.8″N，pH值7.73，CEC 22.0 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)10.24 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉壤土，砂粒含量18.0%，粉砂粒含量55.6%，黏粒含量26.4%；DM3，水稻品種為甬優(yōu)12，采樣地位于杭州，地理坐標(biāo)120°39′47.0″E、30°04′35.6″N，pH值7.76，CEC 24.7 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)8.09 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉壤土，砂粒含量19.0%，粉砂粒含量57.6%，黏粒含量23.4%；DM4，水稻品種為甬優(yōu)12，采樣地位于杭州，地理坐標(biāo)120°39′47.0″E、30°04′35.0″N，pH值7.66，CEC 56.0 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)17.79 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉壤土，砂粒含量18.0%，粉砂粒含量57.6%，黏粒含量24.4%；DM5，水稻品種為甬優(yōu)538，采樣地位于紹興，地理坐標(biāo)120°39′49.0″E、30°04′33.0″N，pH值5.90，CEC 21.7 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)10.78 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量14.0%，粉砂粒含量55.6%，黏粒含量30.4%；DM6，水稻品種為甬優(yōu)538，采樣地位于紹興，地理坐標(biāo)120°39′44.0″E、30°04′34.8″N，pH值5.51，CEC 49.5 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)28.43 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉壤土，砂粒含量13.0%，粉砂粒含量61.6%，黏粒含量25.4%；DM7，水稻品種為甬優(yōu)538，采樣地位于紹興，地理坐標(biāo)120°37′42.0″E、30°04′34.3″N，pH值5.63，CEC 28.0 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)10.24 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量15.0%，粉砂粒含量56.6%，黏粒含量28.4%；DM8，水稻品種為甬優(yōu)538，采樣地位于紹興，地理坐標(biāo)120°39′43.0″E、30°04′35.0″N，pH值5.18，CEC 24.1 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)11.05 g·kg-1，土壤質(zhì)地為粉黏壤土，砂粒含量9.0%，粉砂粒含量61.6%，黏粒含量29.4%。

1.2 土壤有效態(tài)Hg提取

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，選擇目前普遍應(yīng)用的HCl、DTPA、NH4OAC、CaCl2、TGA等5種提取劑，具體配置方法如下：(1)HCl提取劑：吸取8.4 mL HCl(優(yōu)級(jí)純)加水稀釋至1 L，即為0.1 mol·L-1HCl。(2)DTPA提取劑：稱取1.967 g DTPA溶于14.92 g三乙醇胺(TEA)和少量水中，再將1.11 g CaCl2溶于水后，一并轉(zhuǎn)入1 L容量瓶中，加水至約950 mL，再用6 mol·L-1HCl溶液調(diào)節(jié)pH至7.30，最后用水定容，貯存于塑料瓶中。(3)NH4OAC提取劑：稱取77.08 g NH4OAC加水溶解稀釋至1 L，即為1 mol·L-1NH4OAC。(4)CaCl2提取劑：稱取11.1 g CaCl2加水溶解稀釋至1 L，即為0.1 mol·L-1CaCl2。(5)TGA提取劑：稱取9.47 g Na2HPO4溶解于水中，吸取0.3 mL TGA于已溶的Na2HPO4溶液中，轉(zhuǎn)移、定容至1 L容量瓶。

準(zhǔn)確稱取過(guò)2 mm篩的土樣5 g(精確至0.01 g)于250 mL塑料瓶中，加入50 mL相應(yīng)的提取劑于塑料瓶中，以180 r·min-1的速度在25 ℃振蕩，振蕩2 h后，過(guò)濾待測(cè)。

1.3 Hg含量測(cè)定方法

土壤有效態(tài)汞的檢測(cè)按照GB/T 22105.1—2008《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測(cè)定原子熒光法 第1部分：土壤中總汞的測(cè)定》進(jìn)行，水稻和蔬菜樣品汞的測(cè)定按照GB 5009.17—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中總汞及有機(jī)汞的測(cè)定》進(jìn)行。土壤全Hg、有效態(tài)Hg，以及蔬菜和水稻Hg的含量均采用AFS-9230原子熒光光度計(jì)(北京吉天儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010軟件和SPSS 11.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)有顯著(P<0.05)差異的，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，相關(guān)性分析選用皮爾遜(Pearson)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸提劑提取的有效態(tài)Hg含量分析

同一土壤樣品，不同提取劑浸提的有效態(tài)Hg含量有顯著差異(表1)。供試8個(gè)蔬菜地土壤樣本都以TGA提取的有效態(tài)Hg含量最高，DTPA提取的有效態(tài)Hg含量最低。CaCl2、NH4OAC和HCl提取的有效態(tài)Hg含量顯著低于TGA提取的有效態(tài)Hg含量，顯著高于DTPA提取的有效態(tài)Hg含量。供試的8個(gè)蔬菜地土壤樣本中，有5個(gè)土壤樣本CaCl2和NH4OAC提取的有效態(tài)Hg含量顯著高于HCl提取的有效態(tài)Hg含量，另3個(gè)土壤樣本CaCl2和NH4OAC提取的有效態(tài)Hg含量與HCl提取的有效態(tài)Hg含量無(wú)顯著差異。所有蔬菜地土壤樣本CaCl2提取的有效態(tài)Hg含量與NH4OAC提取的有效態(tài)Hg含量間均無(wú)顯著差異。

表1 不同提取劑提取的土壤有效態(tài)Hg含量

在稻田土壤樣本上，TGA提取的有效態(tài)Hg含量同樣顯著高于其他提取劑提取的有效態(tài)Hg含量，而DTPA的提取量最低，8個(gè)樣本的DTPA提取量均顯著低于其他4種提取劑提取的有效態(tài)Hg含量。8個(gè)稻田土壤樣本中，4個(gè)堿性土壤表現(xiàn)為CaCl2和NH4OAC提取的有效態(tài)Hg含量顯著高于HCl提取的有效態(tài)Hg含量，而4個(gè)酸性土壤則表現(xiàn)為CaCl2和NH4OAC提取的有效態(tài)Hg含量與HCl提取的有效態(tài)Hg含量無(wú)顯著差異(表1)。這似乎說(shuō)明，在選用的5種提取劑中，螯合劑類的提取劑，如TGA和DTPA提取能力相對(duì)穩(wěn)定，不受土壤pH值的影響，TGA的提取能力高于弱酸類和中性鹽類提取劑，而DTPA的提取能力則低于弱酸類和中性鹽類提取劑；但弱酸類和中性鹽類提取劑，如CaCl2、NH4OAC和HCl，尤其是HCl提取的有效態(tài)Hg含量則與土壤pH值有一定的關(guān)系，在酸性土壤中，其提取能力與NH4OAC和CaCl2相近，而在堿性土壤中，其提取能力低于NH4OAC和CaCl2。NH4OAC和CaCl2對(duì)土壤有效態(tài)Hg的提取能力相對(duì)比較穩(wěn)定，二者沒(méi)有顯著差異。

2.2 不同浸提劑提取的有效態(tài)Hg適用性分析

表2列出了供試蔬菜和水稻及其相應(yīng)的土壤Hg含量：菜地土壤Hg含量在0.094～0.68 mg·kg-1時(shí)，蔬菜植株Hg含量?jī)H為0.001 7～0.005 7 mg·kg-1，蔬菜Hg含量占土壤全Hg的0.4%～2.0%；稻土土壤Hg含量在0.087～1.7 mg·kg-1之間，水稻籽粒Hg含量在0.002 7～0.005 5 mg·kg-1，水稻籽粒Hg含量占土壤全Hg的0.2%～4.1%?？梢?jiàn)，水稻對(duì)Hg的吸收能力稍高于蔬菜，但總體來(lái)說(shuō)，Hg仍屬于不易被植物吸收的元素。因此，對(duì)土壤有效態(tài)Hg，即生物有效性Hg含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)就顯得尤為重要。

表2 蔬菜和水稻樣品Hg含量及其對(duì)應(yīng)的 土壤全Hg含量 單位：mg·kg-1

為了更好地評(píng)價(jià)不同提取劑對(duì)不同土壤的適用性，對(duì)土壤有效態(tài)Hg含量與蔬菜或水稻Hg含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表3。從水稻種植體系來(lái)看，HCl、NH4OAC和CaCl2提取的有效態(tài)Hg含量都與水稻籽粒Hg含量呈顯著正相關(guān)，尤其是HCl和CaCl2提取的有效態(tài)Hg含量與水稻Hg含量呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明HCl、NH4OAC和CaCl2較適于稻田土壤有效態(tài)Hg的提取。進(jìn)一步將8個(gè)水稻樣品按土壤pH值分為酸性和堿性2類，分別與水稻籽粒Hg含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，其相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平(數(shù)據(jù)未給出)。從蔬菜種植體系來(lái)看，僅CaCl2提取的有效態(tài)Hg含量與蔬菜Hg含量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平，但二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，具體原因還有待于深入研究。

表3 不同提取劑提取的土壤有效態(tài)Hg與蔬菜或 水稻籽粒Hg含量的相關(guān)系數(shù)

2.3 不同浸提劑提取的有效態(tài)Hg相關(guān)性分析

如表4、5所示：在菜地土壤樣本上，不同浸提劑提取的有效態(tài)Hg含量之間并無(wú)顯著相關(guān)性；在稻田土壤樣本上，CaCl2提取的有效態(tài)Hg含量分別與HCl或NH4OAC提取的有效態(tài)Hg含量呈極顯著或顯著正相關(guān)。這可能是因?yàn)槭卟朔N植體系中蔬菜品種的頻繁變更導(dǎo)致其土壤特性較為復(fù)雜，因此，壤土有效態(tài)Hg的提取也更加復(fù)雜，不同浸提劑的提取效果存在較大差異。

表4 菜地土壤樣本上不同浸提劑提取的有效態(tài) Hg含量的相關(guān)性

表5 稻田土壤樣本上不同浸提劑提取的有效態(tài) Hg含量的相關(guān)性

3 小結(jié)與討論

土壤中的汞以多種形態(tài)存在。本研究表明，水稻籽粒Hg含量?jī)H為土壤全Hg的0.2%～4.1%，而蔬菜Hg含量?jī)H為土壤全Hg的0.4%～2.0%，可見(jiàn)利用土壤Hg全量指標(biāo)并不足以反映土壤Hg的污染風(fēng)險(xiǎn)。有效Hg是指能被植物吸收或植物能夠從土壤中提取的Hg，是一個(gè)可以衡量土壤Hg污染程度的量化指標(biāo)[11]，在土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中比土壤全Hg具有更重要的意義[12]。近年來(lái)，關(guān)于土壤有效態(tài)Cd、Cr、Pb、Cu、Zn提取的相關(guān)研究已經(jīng)取得了較多進(jìn)展，并形成了成熟的方法，但關(guān)于土壤有效態(tài)Hg的提取則仍處于摸索階段。Zhu等[13]用CaCl2提取法評(píng)估了土壤有效態(tài)Hg含量，發(fā)現(xiàn)CaCl2僅提取了土壤中的大部分離子態(tài)Hg和少量甲基Hg。Pelcová等[14]報(bào)道，薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)(DGT)提取的土壤有效態(tài)Hg與豌豆根、莖和葉部的Hg含量呈顯著正相關(guān)，但該方法操作繁瑣，提取周期長(zhǎng)，目前應(yīng)用不多。本研究以目前常用的5種土壤有效態(tài)重金屬提取劑為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)其提取效率表現(xiàn)為TGA>NH4OAC≈CaCl2≥HCl>DTPA。劉繁燈等[5]在油茶林地的研究發(fā)現(xiàn)，DTPA對(duì)土壤有效態(tài)Hg的提取能力強(qiáng)于HCl；而荊延德等[15]在對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)青紫泥稻菜輪作土壤上的研究表明，不同浸提劑對(duì)有效態(tài)Hg的提取能力表現(xiàn)為CaCl2>HCl>NH4OAc>DTPA。上述結(jié)果說(shuō)明，不同的土壤和不同的作物體系下，不同提取劑對(duì)土壤有效態(tài)Hg的提取能力有所差異?，F(xiàn)有的其他關(guān)于有效態(tài)重金屬的研究也發(fā)現(xiàn)，不同提取劑對(duì)土壤有效態(tài)重金屬的提取能力有很大差異，且在不同土壤、作物條件下存在明顯差異[5,8,16-18]。可見(jiàn)，不同提取劑在不同土壤、作物條件下的提取能力變化是普遍存在的。

樣本相關(guān)性分析結(jié)果表明，HCl、NH4OAC和CaCl2提取的有效態(tài)Hg與水稻籽粒Hg含量呈顯著正相關(guān)，而且HCl和CaCl2提取的有效態(tài)Hg含量與水稻籽粒Hg含量呈極顯著正相關(guān)；而蔬菜上各浸提劑提取的有效態(tài)Hg與蔬菜Hg含量的正相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。這說(shuō)明與水稻種植體系相比，蔬菜土壤有效態(tài)Hg的最佳提取劑是不同的，也再次說(shuō)明不同土壤條件或種植作物類型都會(huì)對(duì)土壤有效態(tài)Hg的浸提產(chǎn)生影響。張傳琦[19]對(duì)黃棕壤的研究發(fā)現(xiàn)，0.1 mol·L-1HCl提取的有效態(tài)Hg、Cd含量與禾本科草類的相關(guān)性略大于與茶葉的相關(guān)性，而0.1 mol·L-1HCl提取的有效態(tài)Pb、As含量和氯化鈣提取的有效態(tài)Cr含量則是與茶葉的相關(guān)性要大于與禾本科草類的相關(guān)性；姚羽等[20]和陳靜等[21]都報(bào)道，CaCl2提取的土壤有效態(tài)Cd與小麥和玉米體內(nèi)Cd含量呈顯著正相關(guān)；孫芳芳等[22]報(bào)道，小白菜和胡蘿卜的Hg含量與TGA提取的土壤有效態(tài)Hg含量相關(guān)性良好。本研究中，僅水稻籽粒Hg含量與部分浸提劑提取的土壤有效態(tài)Hg含量的正相關(guān)性達(dá)到顯著水平，供試各浸提劑提取的土壤有效態(tài)Hg含量與蔬菜Hg含量的正相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。結(jié)合各供試樣本的土壤理化性狀分析，似乎CEC含量高的土壤(本研究中，稻田土壤樣本的CEC平均含量高于菜地土壤)更適于中性鹽和弱酸類的提取劑。