土壤重金屬快速監測技術研究

趙萍萍

（山東省淄博生態環境監測中心，山東 淄博 255000）

0 引言

土地資源的利用價值較高、土壤質量是影響使用價值的重要因素，因此需要對土壤污染情況進行技術監測。重金屬物質在土壤中的活動性較小、難以發生遷移，同時生物降解難度大，具有較強毒性，對農作物生長和安全構成不良影響。土壤重金屬含量一直以來都是土壤監測的重點項目。目前我國土壤中的重金屬污染總超標率為16.14%，占全國耕地面積總量的1/6，開展土壤重金屬污染監測迫在眉睫。

1 土壤重金屬污染原因及監測現狀

1.1 重金屬污染原因

造成土壤中重金屬污染的主要原因是化肥、農藥的大量使用和“三廢”排放。農業生產中，化肥、農藥、塑料膜等農業投入品的使用較為頻繁，相關物質中含有鉛、汞、鎘和砷等重金屬物質，其長期在土壤中沉積，難以降解，不僅影響土壤正常性能，而且增加風險，相關物質會被農作物吸收[1]。工業廢水未經處理或處理不當，排入到土壤中也是誘發重金屬污染的主要因素，例如Pb重金屬在土壤中的沉積，會通過農作物和畜牧食品攝入到人體中。

1.2 污染監測現狀

土壤重金屬污染問題較為嚴重，不利于優化生存環境，強化污染監測技術應用十分重要，是改善污染問題的有效方法。隨著科學技術發展，土壤監測理論與方法進步，使用先進合理技術對土壤中的重金屬含量進行獲取十分重要，通過相關數據可為環保決策提供參考。

數據統計表明，我國土壤重金屬污染的主要物質包括鎘、汞、砷、鉛，重金屬污染面積達到2000＊104hm2，在所有耕地面積中占比達到1/5，每年我國因重金屬污染而減少的糧食產量大約在1000萬噸。在受調查的土壤中，大部分為重金屬污染，污染發生率達到15%，其中鎘、汞、鉛元素的污染較高，占比約為8%。根據《全國土壤污染狀況調查公報》結果顯示，我國土壤重金屬污染較為典型的地區集中在企業建設用地、工業生產園區和部分資源采礦區，其重金屬污染超標率分別為36.2%、33.6%和31.5%。

2 土壤重金屬快速監測技術

2.1 生物傳感器技術

生物傳感器為土壤中重金屬元素監測提供了簡單、快速方法，在所有傳感器中，應用較為普遍的是全細胞微生物生物傳感器，相關方式能夠完成汞元素的快速監測。研究人員可構建基于監測需求的生物傳感器系統，通過該系統可將不透明物質中的汞信號轉化為C2H4信號。隨著監測技術進步，目前研究開發出手持C2H4傳感器，能夠更好監測污染土壤情況，并且能夠在較短時間內（30min），完成現場監測，避免大型監測儀器應用中造成的不便利性。

基于生物傳感器的應用，可將生物活性信號轉化為電信號，技術人員通過外業采集獲取土壤樣本，通過生物傳感裝置對土壤中的污染物進行識別。相關技術應用具有分析速度快、準確度高的優勢，其相對誤差值在1%以內。

全細胞生物傳感器應用在土壤重金屬現場監測中優勢較為明顯，不僅節約了監測時間和成本，而且具有較高的特異性和靈敏度，通過iEFE和cEFE生物傳感器能夠有效監測汞元素在土壤中具體含量。能夠形成這一優勢的主要原因是生物傳感器以分子識別部分檢測目標，可實現材料樣本批量生產、反復利用[2]。

2.2 X射線光譜技術

X射線光譜技術由激光源與探測系統兩部分構成，具體應用中，當X射線管產生X射線后，會激發被測樣品，監測待樣本中每一種元素會放射出二次X射線，不同射線的能量性質和波長區別較大，通過儀器可將相關信息進行轉化，實現對各種元素、種類和數量的有效識別。目前，X射線熒光光譜快速分析技術的應用十分廣泛，在金屬冶煉、地質勘查、環保衛生、商檢等領域發揮重要價值，尤其是RoHS監測技術應用。將相關快速監測技術應用在土壤重金屬元素監測中，產生了顯著效果，其分析范圍較廣，并且具有速度快、抗干擾能力強的優勢。

利用X射線光譜技術測定土壤中重金屬污染問題時，其具體測定時間與測定精密度有關，但是一般情況下，測定時間較短，可在10min內完成樣本待測元素的精準監測。此外，相關監測技術應用與待監測物質的物理形態無關，無論是固體、液體還是氣體，均可完成相關監測。在高分辨率的精密測定中，利用該種方法能夠清晰地看到波長變化，以此保證結果準確率。但是，相關監測方法也存在一定技術局限性，例如難以開展絕對分析，因此在定量分析的過程中，需要連續取樣，方法較為繁瑣。同時，相關監測方式對輕元素的靈敏度較低，會受到元素之間的耦合干擾影響，此外，在監測技術應用中，相關人員也需要考慮波形疊加后果，發揮相關技術在環保監測領域的應用效果。

2.3 激光誘導擊穿技術（LIBS）

激光誘導擊穿光譜監測技術的發展十分迅速，能夠將其應用在土壤樣本監測實踐中，但是，分析該監測技術下的光譜線可知，其光譜線完整、密度較大。因此，在技術應用中，為確保樣本數據獲取的實時性與準確度，需要將工作重心放在樣本表面平整度調整上，同時，相關人員需要重視樣品監測中存在的基體效應。未來技術發展中，相關人員應對激光誘導擊穿技術進行優化，并改善以往監測中存在的不足，調整并固定監測設備，防止出現以往激光掃描過程中出現的抖動問題。技術人員也需要對樣品疏密程度進行檢查，并且排除各項干擾，使得檢出成功率獲得提升，滿足監測數據真實可靠要求。

土壤污染和生態環保檢測中使用激光誘導擊穿技術取得了突破性進展，鑒于土壤成分復雜、基體效應不夠明顯，因此在具體監測過程中，出現了精密度和準確度降低的問題[3]。國內使用了內標分析法，對土壤中的Cr、Ba相對偏差進行控制，將標準差控制在9%和6%之內。

LIBS的工作原理如下：樣本分析中產生聚焦脈沖激光，激發樣品，通常情況下，被檢測物品在1s內會受到千余次脈沖激發，材料會被加熱到1000℃以上。此外，與傳統綜合檢測比較，激光誘導擊穿法，可制作成手持便攜式元素分析儀，可實現對檢測土壤的在線分析，在戶外現場實際檢測中得到廣泛應用。LIBS可以檢測的要素較多，尤其是對Cr和Ba樣本檢測?？傊?，在土壤重金屬元素的污染監測中使用激光誘導擊穿方法可靠性較高。

3 土壤重金屬快速監測技術的應用途徑

3.1 樣本綜合監測

樣本綜合監測法是相對傳統的土壤重金屬污染監測方法，操作人員通過分析土壤樣本，借助精密儀器和先進方法對土壤中的重金屬元素進行分離，完成具體監測目標。綜合檢測方法具有抗干擾能力強、精度高和穩定性強的優勢。同時，也存在成本高、耗時長、操作復雜等缺點，相關人員在重金屬污染監測方案選擇中，應充分現場實際要求和具體情況，使得監測技術應用更加科學、高效。

現階段使用的綜合檢測方法主要有分光光度法、極譜分析法、電感耦合法。以上方法的應用均需要建立在樣本分析基礎上，監測人員需要實地考察、外業采集樣本，并將樣本進行初步加工，送至檢驗室備用。相關流程會浪費較長時間，因此，利用綜合檢測法獲取土壤重金屬污染相關信息的周期較長。目前使用較為廣泛的綜合檢測法是電感耦合法，相關方法能夠監測農田土壤中的重金屬污染情況，對Zn、Cd、Cr和Mn等元素進行監測，獲取的數據具有線性關系，其精密度均＜4%，準確率在95.6%～99.2%之間。通過綜合檢測法能夠實現對樣本土壤中，超過40余種重金屬元素的監測，并且各個元素之間的標準差較小，相對標準差＜3.8%。

3.2 現場快速監測法

為進一步研究土壤中重金屬污染程度，相關人員應組織開展重金屬污染現象監測，并且制定科學有效、靈活便利的工作方案，確保監測工作快速落實。目前應用在土壤重金屬現場監測中的技術與方法主要包括X射線熒光光譜法、免疫分析法、激光誘導擊穿技術等。值得注意的是，技術人員在開展現場監測時，應將監測結果與綜合檢測結果比較，并且糾正其中存在的差值，明確導致結果不一致的具體原因，使得監測工作有序科學開展?，F場監測中，通過對檢測方法的應用，能夠快速獲取土壤中重金屬的種類和程度，但是準確率要低于綜合檢測法。例如，目前行業內廣泛使用的便攜式X射線熒光光譜儀。相關設備在環保監測領域中應用，具有低成本、高效率的應用優勢，并且滿足當下無損監測需求[4]。

操作人員可設計儀器參數，通過“一鍵測試”功能，可實現對土壤中Pb、Cr、Cu、Ni、Zn、As等元素指標的獲取，進而明確農田土壤是否存在重金屬污染問題。實踐中，相關人員對某地區的土壤系統進行了監測，選取指標為Pb、Cr、Cu、Ni、Zn、As，經過現場快速監測技術應用，以上元素的檢出值均在合理范圍內，對相關檢驗結果進一步分析，其準確率和信實度較高，與當地環保檢驗規定相符合[5]。將該地區土壤樣本送入相關部門做進一步檢驗，通過電感耦合等離子質譜法開展對比分析，結果表明兩種檢驗方法得到的數據一致。

4 結語

綜上所述，分析了土壤重金屬快速監測技術的分類和主要應用，對土壤污染的原因進行描述，而且闡述了快速監測技術應用現狀問題，提出可行的改進方法。目前土壤重金屬污染問題已經成為威脅我國糧食安全穩定主要問題，開展農田土壤環境監測、對監測理念、技術與方法進行更新十分重要，相關監測方案落實是建設生態文明，強化環保監督的關鍵舉措。