采礦區土壤重金屬污染現狀及檢測方法研究

曹 鈺

（湖南省分析測試中心有限公司，湖南 長沙 410004）

土壤大多數是由各種礦物質在地表組成的土質疏松的物質，是確保地球生態平衡的核心組成部分。然而土壤環境污染具有嚴重的隱秘性、滯后性、復雜多樣等多樣化特征，通常來說重金屬污染在土壤中最為嚴重。

隨著我國城鎮化速度的加快與推進，礦產工業得以迅速發展，污染土壤的重金屬元素備受重視，已經從早期的輕度污染轉變為現在的重度污染，使得土壤中自身的酶活性和微生物遭到嚴重的損壞，從而使得土壤肥力退化嚴重，甚至可以借助接觸到人們經常食用的糧食作物，嚴重危及人們的身心健康安全。所以，研究采礦區土壤重金屬污染現狀及檢測方法極其重要。

1 采礦區土壤重金屬污染現狀

經研究表明，中國現階段有大部分的土壤在遭受各種程度的重金屬污染，僅遭受重金屬污染的耕地面積高達2×105km2，在我國總耕地中占比高達20%，并且，因土壤重金屬污染而致使每年糧食減產總數量已經有2000萬噸，所造成的經濟損失高達200億元。可見當前我國土地重金屬污染問題極其嚴重，尤其是我國礦業采礦區土壤污染情況更是惡劣，就當前中國土壤重金屬污染的分布情況分析，相比較北方土壤重金屬污染的程度，南方土地重金屬污染程度十分嚴重，特別是在西南和中南部地區污染問題日益突出[1]。

1.1 當前我國采礦區土壤重金屬污染的分布特征

現階段，我國土壤重金屬污染分布呈現地域性特征，并且，在西部、中部、東部此區域的土壤重金屬污染情況各不相同，最為嚴重的屬于中部地區，相比較中部，西部和東部地區的土壤重金屬污染程度較小，究其根本，原因在于我國大多的煤礦及金屬礦區大部分集中在中部地區，以及中部地區有各種各樣的礦藏開采活動，造成嚴重的土壤污染。而我國的中部地區土壤重金屬污染最為嚴重的災區集中在14個大省，相關必須高度關注，具體詳情如下表所示：

表1 土壤重金屬污染區域分布詳情

1.2 土壤重金屬污染的主要元素

目前，我國采礦區土壤重金屬污染大多都存在土壤污染超負荷的問題，經研究表明，大多污染物的來源是無機元素，土壤重金屬污染元素超標率占據前8名有汞、鎘、鉻、鉛、銅、鎳、砷、鋅。特別是鎘元素的土壤點位超標最高。就地域分布特征而言，各個地區的土壤重金屬污染分布有所差異，我國一些老工業礦區的城郊地區許多農用耕地遭受各種重金屬元素的不同程度污染；而西部地區集中分布在內蒙古、云南四川等地區受到嚴重的砷、鎘、汞等重金屬的嚴重污染；分布在華南一代的采礦區有高達一半的農用耕地遭受到嚴重的重金屬污染，其中最多的是汞、鎘、砷。而分布在采礦區附近的土壤重金屬污染超標的元素是砷，嚴重危及當地居民的身心健康及生命安全。為了更好的從根源處治理土壤環境污染，究其根源需立即采取措施處理[2]。

1.3 土壤重金屬污染治理存在一定難度

土壤重金屬污染大多集中在礦區、廢水、農業地帶，一些重金屬元素經表層土壤和積水滲透使得土壤受到嚴重的污染，事實地表農作物被污染、減產，并且很難通過自然條件達到自然降解，一旦土壤遭受到重金屬元素的污染，那么很難通過自然條件恢復到原有的生態面貌，并且，土壤重金屬污染極易吸附土壤中的膠體，經過時間的推移持續堆積。除此之外，由于土壤重金屬所造成的污染及分布狀況錯綜復雜，并且在許多土壤重金屬元素中有一些重金屬元素，其化學的酶活性較強，在污染過程中極易產生化學反應，從而引發土壤pH值的變化，致使土壤重金屬污染分布呈現各種污染形態，在治理上存在很大的難度，為了最大限度降低土壤重金屬污染以及對人體及環境的損壞，需要采取措施進行重金屬污染元素檢測，盡可能采用多樣化的土壤重金屬污染檢測方法，確保檢測的精準度、質量、效率實時高效，確保土壤環境能夠良性、健康發展[3]。

2 采礦區土壤重金屬檢測方法分析

若想從根源處檢測土壤重金屬污染的內部環境，需要采用多種方式進行土壤重金屬檢測，完善和提升土壤環境的檢測方法及技術，才能針對性的采取措施治理土壤中的重金屬污染[4]。目前，檢測土壤重金屬的方式有以下幾種：

2.1 土壤重金屬常規檢測方式

2.1.1 電化學檢測方式

目前，重金屬污染電化學的檢測方式通常是借助實驗技術和電化學的原理，結合土壤在溶液中的化學反應及含量分析，是較為常用的檢測方式，把試液當做化學電池的核心組成部分，結合電池的自身參數和土壤中檢測的重金屬濃度分析彼此之間的聯系，之后測定結果，根據測定的電參數差異，可分別采用極譜分析法、溶出伏安法、離子選擇性電極法等。

（1）極譜分析法：

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此檢測方式在于依照特定的滴汞電極當做工作電極，嚴格依照光學檢測法，其精準度極高，并且適用范圍較廣，其自身獨具可連續測定以及自由選擇等優勢，所以，極譜儀在土壤種金屬污染檢測中應用最為廣泛，最早學者創立催化極譜法，能夠以最快的速度檢測土壤中重金屬的含量及占比，其結果精準穩定，相比較早期的比色法、原子吸收等方式所消耗的資金投入較低，抗干擾因素較強，靈敏度較高。通過堿性消解，極譜法在土壤中金屬檢測中，測定鉻取得了顯著的效果。

（2）溶出伏安法：

與極譜法不同，此方式依照表面靜止的固體或液體電極作為工作電極，而極譜法則是依照特有的滴汞電極作為工作電極。通常伏安法是將所要測試的土壤電解到一定時間，之后轉變電極的定位，再次溶出新土壤，依照伏安曲線開展定量分析。此方式操作簡單快捷、極具干擾性能、靈敏度特別高，此方式不僅能夠檢測土壤重金屬元素，在生物式樣、食品檢測等多個領域中得到大量的普及和應用，經研究表明，此方式在測定土壤中重金屬元素的試驗中，效果顯著，能夠連續測定出銅、鉛、鎘等元素[5]。

（3）離子選擇性電極法：

此方式依照分子態以及離子物質優選響應電極，其電位是由溶液中一定的離子活度轉化而成，借助此關系檢測土壤溶液中所含有的重金屬成分，在檢測采礦區土壤重金屬元素含量研究過程中依照銅離子選擇性電極開展檢測，PVC Fe離子選擇性電極可以檢測出礦區土壤重金屬中的全鐵，在與之前離子光譜等早期的檢測方式對比，效果顯著，可大量應用于礦區土壤重金屬污染方式檢測之中[6]。

2.1.2 光學檢測法

光學檢測方式在各個領域的應用較為廣泛，檢測方法也各有不同，具體檢測方式的詳情如下：

（1）原子熒光光譜法：

（2）X射線熒光光譜法：

此方式借助X射線熒光照射土壤重金屬污染元素，之后形成次級X射線，隨之產生強大能量轟擊重金屬元素內部原子結構的電子之后形成X射線，此檢測優勢在于精準度高、快速高效、成本較低，并且能夠同時檢測多種重金屬元素，在許多領域應用極為普遍，能夠最大限度滿足當下礦區土壤重金屬元素檢測的基本要求。

（3）原子吸收光譜法：

此方式也是礦區土壤重金屬檢測適用性較強的檢測方式，其優勢特征在于靈敏度較強，借助發射光譜、吸收光譜等多樣化的方式可檢測土壤重金屬工作。在檢測土壤重金屬的過程中，可根據原子譜線在檢測重金屬元素過程中的蒸汽吸收比例，分析此元素在土壤中的大體含量，此方式被稱作吸收光譜法，其屬于原子光譜法中方式的一種。借助多種元素的電子排布模式及內部的原子結構不同，促使土壤中各類元素能夠激發不同狀態的能量，進而在吸收能量的光譜線上也會呈現各種各樣的形態，此方式最早是通過澳大利亞一名科學家研究表明的，自1955年發布以來在各個領域得到了廣泛的普及和應用，同時，也為許多領域的研究學者帶來一定的學術參考[7]。

顯然，因為光譜針對性較強，所以在監測各種元素的過程中，需要以各種光線和元素光譜保持對應，以此來確保土壤中重金屬檢測結果的精準度，并且，光譜的性能較為單一，當檢測土壤中眾多重金屬元素時，在檢測的結果上可能會存在或多或少的誤差，以此影響土壤重金屬元素檢測的準確性及后續采取針對性措施的開展。但是發射光譜法可以最大限度彌補光譜法線性范圍較窄的缺陷，借助“價電子”由高能的激發態轉變為基態，之后通過輻射的呈現方式進行釋放，能夠直觀的分析各個重金屬元素的組成部分，從而針對性地采取對應措施進行處理和應對土壤中重金屬環境污染問題。

（4）電感耦合等離子體發射光譜法：

此方式是依照早期原子光譜法的理論方式，進行多頻次的電感耦合爆發等離子體放電的光源之后激發土壤重金屬元素，根據光輻射進行分光色散，從而形成特定的光譜。特定的重金屬元素其內部原子結構僅僅能夠產生限制性的波長譜線，之后則能推斷出土壤中重金屬元素的含量及比例，此種檢測方式速率較高、元素選擇性較好，可以多種檢測物質共同檢測[8]。在一些工廠礦區土壤重金屬污染元素檢測應用過程中，取得較好的檢測效果。

2.1.3 生物學檢測方法

（1）酶分析檢測方法：

此方式結合土壤中重金屬離子的污染毒性和酶類成分有效融合，之后產生結構變化，使得酶活性降低，依照重金屬濃度以及煤內部結構的變化之間的定量聯系分析重金屬的占比及含量。通常將尼龍網和尿酶共價偶聯，之后對pH復合電極實行綜合性覆蓋，形成雞丁抑制尿酶的電位型生物傳感器能夠實時進行多種土壤重金屬污染元素的離子檢測。經研究顯示，傳感器的性能穩定、精密值極高，是當前檢測重金屬離子的有效方式。

（2）免疫分析檢測方法：

通常，土壤重金屬很難直接進行免疫反應，所以在采用免疫分析檢測之前，可將合適的重金屬離子和金屬絡合物進行優化組合，促使產生原性反應，之后將此復合物質與載體蛋白進行有效連接，之后產生免疫原性，從檢測結果能夠分析出土壤中的重金屬成分及含量，此方式目前還處在初步的研究和應用階段。

（3）生物傳感器檢測方法：

此種檢測方式是借助一定的固化生物材料當做識別重金屬元素的原件，之后采用理化換能器與之相互作用，之后將濃度逐步轉變為電信號開展實時監控的檢測方式。此方式的傳感器優勢較為顯著，檢測效率極高、便攜性較強等，能夠為重金屬元素內部結構持續檢測提供強有力的保障。生物傳感器的檢測方式在礦區土壤重金屬污染元素檢測的應用過程中優勢凸顯。

2.2 新型的重金屬元素檢測方法

隨著科學技術的飛速發展，我國在礦區土壤重金屬污染檢測方法中的體系架構也在逐步完善，相關的檢測技術人員的專業技能水平也在大幅度提升，其檢測效果及優勢更為凸顯。因此，許多新型的重金屬元素檢測方法得以廣泛的應用和推廣。

礦區土壤重金屬污染檢測過程中，可借助多種新型的檢測方法進行全方位、系統化的監督和整合，最大限度確保重金屬元素的成分、含量能夠精準檢測，具體檢測方法如下：

2.2.1 生物量間接測定檢測方法

此方式通過特定的生物基因在表達期間憑借發光特性，采用遙感技術進行光譜強度接收，依照光譜的特性分析統計礦區土壤重金屬中的占比及成分含量。目前已有眾多學者根據發光細菌檢測方法分析統計土壤重金屬污染元素的檢測方法，然而當前依然在發展時期，但是很大程度上為后期的礦區土壤重金屬污染元素檢測以及采取針對性的處理措施提供新的思路和依據。當前科學技術在日益進步和完善，許多新型的檢測方法應運而生，應用前景也非常廣闊，應用效果會越來越好。

2.2.2 環境磁學檢測方法

此檢測方法的原理在于結合物質根據外部磁場效應的電流特征定量分析土壤中的重金屬元素成分及含量，在土壤重金屬檢測期間應用此方法，其優勢在于經濟性較強、損壞性較低、高效便捷、成本低廉等，此檢測方式的優勢特征備受國內外眾多學者的高度重視，分別投入大量的精力研究和探索，經結果顯示，此站位表層沉積物磁學性質的空間分布和以往學者研究的區域表情沉積物中的檢測重金屬含量的占比及分布情況完全相符，所以，此檢測方法的使用效果極強。

2.2.3 高光譜分析檢測方法

此種檢測方法通常借助遙感技術感知高光譜的信息數據，由此進行統計分析礦區土壤重金屬污染元素的占比及成分，轉變了往期采樣、消毒、溶液等繁瑣且易污染的準備流程，可以對土壤重金屬元素實現非接觸性的高效檢測。在此期間有眾多學者針對研究前以研究后的光譜參數進行對比和校驗，實踐結果表明高光譜通過遙感數據檢測土壤中重金屬含量的成分及占比方式可行性極高，其實驗結果與之前學者研究檢測的數據完全一致，可見，此方式礦區土壤重金屬污染元素檢測的應用過程中效果顯著。

綜上所述，對比以往和當下新型的土壤重金屬污染元素檢測方法，各具優缺點，前期檢測方法依然取得一定的應用效果，前期的傳統檢測方法可能在前期準備流程中存在易污染的可能性，并且處理程序復雜多樣，一定程度上容易引發環境污染和各種安全事故；而新型的土壤重金屬污染元素檢測方法不可避免也有自身的不足之處，監測范圍具有一定的局限性，除此之外，優勢顯著，能夠實時檢測土壤重金屬污染元素的成分及占比含量，其發展前景及應用空間十分廣闊，具有極強的可行性。

3 結語

總的來說，隨著我國科學技術的進步與發展，隨之引發的土壤重金屬環境污染問題十分嚴重，相關部門需給予高度重視，需要結合礦區的實際情況采用科學的檢測方法對土壤重金屬污染的含量及成分占比進行分析統計，之后采取針對性的措施給予解決，最大限度確保水土環境的生態平衡。文章經過分析土壤重金屬元素的常規檢測方法以及新型的檢測方法，可見重金屬污染元素的檢測方法在逐漸的創新和優化，能夠實現多種土壤重金屬元素的同時檢測，其效果及精準度較好，以此來提升礦區土壤重金屬污染檢測的質量和效率，為我國治理水土污染提供強有力的科學依據和保障。