農業土壤重金屬污染監測技術研究

麥曉霞

（肇慶高新區生態環境監測站，廣東 肇慶 526238）

農業土壤是農作物賴以生長的基礎，作為農業生產發展的重要基礎性資源，也是構成農村生態環境的重要內容。隨著工業化、城鎮化進程加快，以及農藥化肥過量使用，農業土壤環境重金屬污染現象日趨嚴重，不僅破壞了農業土壤生態系統，也導致了農作物減產減收，經農作物根系吸收后經食物鏈，會危害人體健康。根據農業農村部環保監測系統對全國140萬公頃污灌區調查發現，有64.8%的污灌區遭受重金屬污染，每年因農業土壤重金屬污染而導致的糧食減產達1000多萬噸，經濟損失約200億元。重金屬污染物具有難降解、易累積、毒性大等特性，如汞、鎘、鉛等影響植物生長發育，也會對人體健康產生較為明顯危害。因此，進一步做好農業土壤重金屬污染監測，并采取有效修復措施，對守住耕地紅線，維護農業生態環境，助力鄉村振興戰略實施等，均具有積極的現實意義。

1 農業土壤重金屬監測方法

農業土壤重金屬污染物主要來自大氣沉降、污水排放、地膜、化肥、農藥過量施用。實驗室監測與現場快速監測是農業土壤重金屬污染監測的主要方式，其中，實驗室監測與現場快速監測兩種監測方法又涵蓋了多個具體的監測技術，通過土壤重金屬污染監測，能夠及時了解農業土壤重金屬污染現狀，使防治更加具體、可行。

1.1 實驗室監測方法

作為一種傳統監測方法，實驗室通過監測農業土壤重金屬污染物含量，利用農田土壤樣品采集，然后對該樣品進行重金屬成分監測，獲得土壤重金屬含量成分數值，并根據相關標準，分析其是否超標。目前，實驗室監測方法主要包括：

1.1.1 原子吸收光譜法

農業土壤重金屬污染原子吸收光譜監測法，是通過分析蒸氣中被監測金屬基態原子共振輻射吸收強弱，根據共振幅射吸收強弱來評估被監測土壤中各種重金屬污染物的指標含量。該方法監測土壤樣品的優勢在于其監測靈敏度高、適用范圍廣，但該方法的不足是需要耗費較高成本，操作流程復雜。

1.1.2 原子熒光光譜法

通過原子熒光光譜監測法監測農業土壤重金屬污染物含量，其原理是利用原子蒸氣吸收一定波長的光輻射，原子蒸氣在光輻射作用下激發原子熒光，在滿足相關標準要求下，農業土壤樣品中重金屬污染物原子濃度與原子熒光輻射強度成正向關系，通過分析熒光波長，從而分析獲取被監測農業土壤中的重金屬污染物濃度。原子熒光光譜法監測土壤樣品的優勢在于其監測靈敏度高、操作簡便，但該方法的不足是只能在特定條件下使用，推廣范圍受局限，此外，為達到預期分析效果，常需要添加輔助特定試劑。

1.1.3 電化學分析法

農業土壤重金屬污染電化學分析法，是給予監測土壤樣品在溶液中及電極上的電化學性質而采取的一種監測方法，電化學分析法是農業土壤重金屬污染實驗室監測中最基礎的一種監測方法。電化學分析法監測農業土壤具有操作簡便、監測靈敏度高、監測速度快等優勢，該方法的不足是易受到離子干擾。

1.2 現場快速監測方法

實驗室監測農業土壤重金屬污染狀況時，需要將土壤樣品運輸、儲存到專門場所，不僅成本高，還耗費大量時間。現場快速監測方法由于在監測現場即可對監測樣品進行分析監測，具有較強的現實推廣優勢。

1.2.1 激光誘導擊穿光譜技術

激光誘導擊穿光譜技術，又叫LIBS技術，這是一種新興的原子發射光譜分析法，其原理是利用激光器發射的激光源，結合聚透鏡將激光束聚于土壤監測樣品表面，并由此形成能量高的光斑，瞬時高溫將聚焦處的監測樣品激發至等離子態，由此產生相應的原子發射光譜。再將等離子體發射譜線運用光學采集系統進行采集，并將采集到的光譜線通過光纖傳導至光譜儀。測量等離子體發射光譜波長及強度，從而計算出監測土樣中的重金屬元素及其含量。與其他光譜監測技術相比，LIBS技術監測農業土壤樣品的優勢在于其可同時分析多種元素，非接觸或非破壞條件下可直接進行現場土壤樣品監測，監測效率高，可連續監測。作為一種新興應用的半定量化監測技術，也存在一些亟待完善之處：監測結果易受激光功率密度、環境氣體壓力、監測土壤樣品基質效應等因素影響。

1.2.2 土壤磁化率監測技術（簡稱MS技術）

所謂土壤磁化率，是指外磁場中土壤受感應產生的磁化強度與外加磁場強度之間的比值。土壤磁化率技術監測土壤樣品重金屬污染，通過監測土壤磁化率與地球化學元素含量間的相關性，利用這種相關性分析土壤重金屬元素含量。土壤中的重金屬污染會增強土壤磁性，通過磁性監測反映土壤重金屬污染程度。MS技術監測土壤重金屬具有靈敏度高、速度快、無破壞性、成本低，尤其適合野外現場土壤監測等優勢。該方法的不足之處在于土壤磁性除了受重金屬元素污染外，還與有機質、顆粒組成、水分狀況等因素相關，運用該方法監測還需要其他方法補充才能準確監測土壤重金屬污染物濃度。

1.2.3 其他

土壤重金屬污染現場監測，除了LIBS技術、MS技術外，還有高光譜分析技術（簡稱RS技術）、生物量間接測定技術。其中，RS技術是利用高光譜分辨率及連續光譜波段的遙感高光譜數據，監測土壤中的重金屬污染物含量。該技術具有監測面積大、非侵入式、監測效率高等諸多優勢。生物量間接測定技術監測農業土壤重金屬污染物，則是利用生物基因表達發光特性，遙感技術接收光譜特征，光譜特征分析土壤中重金屬污染物含量。目前，該項技術尚處于試驗模擬階段，還未應用于野外現場監測。

農業土壤實驗室監測與現場監測技術之間相比而言，其中，實驗室監測精度高、檢測線低，且受土壤基體影響其監測效果較小，但實驗室監測也受到監測儀器選用而導致成本高，且監測環節多、繁瑣等，對土壤樣品監測的專業知識及專業技能要求較高。此外，實驗室土壤重金屬污染監測時間長，一次性監測樣品收集量大，易造成土壤二次污染，因此，實驗室土壤樣品監測較適用于小面積農業土壤污染監測。而現場快速監測技術則具有監測面積大、連續高密度監測等優勢，避免區域大面積土壤監測樣品采樣及預處理工作，監測的時效性較強。非侵入式監測擾動土壤環境小，但現場快速監測法大多處于定性或半定量化試驗階段，監測的精度還需持續做好研究。

1.3 農業土壤重金屬監測發展趨勢

近年來，農業土壤重金屬污染問題日益引起人們的重視，為采取有效修復技術，降低土壤重金屬污染造成的生態及經濟損失，需要不斷提高農業土壤重金屬污染物監測效率和質量。從實驗室監測及現場快速監測技術的發展來看，農業土壤重金屬污染監測朝著監測設備更加智能化、監測結果更加精準化和監測技術聯動性方向發展。其中，監測設備智能化逐漸取代傳統實驗室分析，監測結果從mg到μg再到ng變得更加精準，監測技術逐漸聯合應用到兩個或兩個以上儀器。

2 農業土壤重金屬監測分析

以某城郊周邊農業土壤為例，通過點位布設、土樣采集、土樣保存、樣品預處理、監測結果等，詳細探討農業土壤重金屬污染監測的具體操作過程及內容。

2.1 點位布設

農業土壤監測在取樣前，需要布設相應的采樣點位，根據不同點位布設，采集相應的土壤樣品。目前，主要的點位布設方法有帶狀布點、綜合放射狀布點和均勻布點三種布點方式。本研究采用帶狀布點法采集相應土壤樣品。

2.2 土樣采集

以某田塊土壤監測為例，采用帶狀布點法，監測樣品取樣深度為20cm，樣品重量為2kg，采樣結束后，篩去雜質，再裝袋，標樣。

2.3 土樣保存

土壤粒度會影響土壤樣品監測結果，為有效防止消解等因素而影響農業土壤樣品監測結果，需要在采集后做好樣品保存，主要是確定土壤樣品的粒度。

從表1土壤樣品粒度對監測結果的影響統計情況分析，10-200目之間，土壤粒度不斷增加，第一、二、三次的測試結果逐步趨于一致。當土壤樣品粒度達到200目時，第一、二、三次的監測結果數值基本趨于一致。可見，農業土壤樣品監測粒度增大，監測結果差異隨之擴大。從本次監測試驗的要求來看，200目土壤粒度可以保障本次監測所需。

表1 土壤樣品粒度對監測結果影響μg/kg）

2.4 樣品預處理

消解試劑是農業土壤重金屬污染監測常用到的輔助性要素，消解試劑種類、純度會直接影響土壤重金屬元素的監測結果。本次試驗選用多元酸分解法進行空白試驗，并選用鹽酸、硝酸和氫氟酸等多元酸分解法，溶解監測土樣中的硅晶格（表2）。

表2 鹽酸、硝酸、氫氟酸消解法加入量

土壤監測樣品預處理流程：第一步，稱取0.5g農業土壤監測樣品，并選取聚四氟乙烯（PTFE）消解罐盛放土壤樣品。第二步：將HCl、HNO、HF等多元酸加入PTFE消解罐，消解土壤監測樣品。第三步：選用微波消解儀消解監測土壤樣品。第四步：消解后，將1-2滴HClO4滴入消解罐。第五步：HClO4滴入后的土樣，放至電熱板，加熱至150℃，再冷卻。第六步：樣品過濾消解，產生不溶灰待用。本次土壤監測樣品預處理共取1個空白樣、10個平行樣。

2.5 監測結果

通過預處理，采取三種不同方法進行監測，每一種監測方法監測到的結果分別為：方法A，消解液呈透明、黃色，罐中存部分不可溶物，呈粉末狀；方法B，罐底及內壁四周附沉淀物，呈黑色；方法C，消解罐口打開噴出棕黃色酸霧，罐底存灰白色不溶物（表3）。

表3 不同消解法分析結果（n=12）

3 結束語

從案例分析結果來看，用三種不同監測方法監測土壤重金屬污染物，方法A是三種消解法中效果最優的，可推廣應用。