云南富源某地區土壤8種有效態元素的測定

馮 俊 楊發忠 何袖輝 唐帥帥 胡斯涵

(1.西南林業大學 化學工程學院，昆明 650000；2.中國地質調查局 昆明自然資源綜合調查中心，昆明 650000)

隨著我國工業、農業和城鎮化的快速發展，有毒有害固體和廢液和生活廢水的大量排放，再加上一些排水管網的滲漏和農業化學藥品的大量使用，土壤圈成為最直接的受害體，受到最為廣泛的危害。其中土壤中的重金屬污染危害性最大，有難利用、難分解、潛伏期長、不可逆性和時間長等特性，正受到世界各國的關注。重金屬排放到土壤圈后，很難在能量交換中利用，也很難分解，大多情況下在土壤中富集，對土壤的功能穩定和生態結構造成破壞，不利于農作物的正常生長[1-3]，人通過食物鏈吸收富集在植物里面的有害元素，對人身體健康產生嚴重威脅。隨著研究的深入，全量分析不能全面了解土壤的養分情況和污染情況，重金屬在土壤中存在多種對生物有效性不同的形態，研究表明生物有效性不僅和全量有關，更大程度決定于形態分布[4-7]。土壤成分復雜，背景波動范圍大，不均一，元素轉化反應機理復雜，對目的元素有效態含量進行檢測，是確切了解土壤質量，也是土壤修復、治理的理論基礎。對土壤中有效態的測定有很多的報道，包括原子吸收光譜法、分光光度法、電感耦合等離子體質譜法和光譜法等[8-9]。但大部分的報道只是檢測規范的應用，對規范的應用范圍和條件變化報道很少。本文從有效態提取劑的配制和提取過程的條件控制，來研究DTPA提取云南富源某地區的8種有效態元素，解決該地區土壤肥力狀況和污染情況，為該地區土壤修復和施肥提供技術支持。

關于有效態的定義，目前還沒有統一的標準，從土壤化學方面看，有效態包括水溶態、酸溶態、螯合態、吸附態，也包括能在短時期內釋放為植物吸收利用的某些形態[10-13]。DTPA浸提取土壤中的有效成分和植物吸收有很好的相關性，用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)測定錳、鎘、鐵、銅、鉛、鋅、鎳和鈷8種元素。

1 材料與方法

1.1 供試材料

6300系列電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES，美國熱電公司)，振蕩器(上海優普實業有限公司智能恒溫培養振蕩器)，離心機(湖南湘立科學儀器有限公司)，pH計(雷磁PHS-3E上海儀電科學儀器股份有限公司)。土壤標準樣品GBW07415a、GBW07416a、GBW07461均為中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所研制；云南富源土壤樣品(未知樣品)；實驗所用器皿均用硝酸溶液浸泡24 h后，使用超純去離子水清洗干凈后，干燥備用；實驗所用二水合氯化鈣、三乙醇胺、二乙烯三胺五乙酸和鹽酸為優級純試劑，實驗用水達到或者優于國家標準中二級水標準。

1.2 研究方法

1.2.1 方法原理

用pH等于7.3，DTPA-CaCl2-TEA緩沖溶液作為提取劑，螯合浸提出土壤中的有效銅、鐵、錳、鋅、鎘、鈷、鉛和鎳。其中DTPA為螯合劑；CaCl2能防止石灰性土壤中的游離鈣的溶解，避免因碳酸鈣所包庇的鋅鐵等元素釋放產影響；TEA作為緩沖劑，能使溶液pH值保持在7.3左右，對碳酸鈣溶解液起到抑制作用[14-15]。

1.2.2 DTPA配制方法和樣品預處理

DTPA 浸提液的配制：將1.967 g DTPA(二乙烯三胺五乙酸)、14.92 g TEA(三乙醇胺)和1.470 g二水合氯化鈣加去離子水攪拌使其完全溶解，繼續加水稀釋至約950 mL，在pH 計上用稀鹽酸溶液調整pH值為7.3，轉移至1 000 mL容量瓶中定容，搖勻，避光保存。

準確稱取10.0 g(精確至0.000 1 g)土壤樣品，置于100 mL 三角錐形瓶中，加入20.0 mL DTPA浸提液，蓋緊瓶塞。在25 ℃室溫下，以180 r/min的振蕩頻率振蕩2 h。將浸提慢倒入離心管中，以3 000 r/min離心10 min，上清液經中速定量濾紙重力過濾后于48 h內進行測定分析。

2 結果與分析

2.1 提取液的選擇

一次化學試劑提取法提取的金屬形態是指植物能吸收利用的所有形態，化學試劑提取方法提取的金屬含量與植物的相關性較好，可用來評價土壤中重金屬存在的情況和土壤質量情況。在現在使用的一次性化學試劑提取法中，主要有中性鹽、金屬螯合劑、酸試劑等。因浸提劑對土壤中的金屬浸提機理不同，不同浸提劑對金屬的浸提效率也有所差異。選用何種提取劑，要根據目的地的pH值、有機物含量等情況確定。在方法實驗之前，已經對該目的地的pH和有機物含量進行大量檢測，該地區有機物含量不高，pH值在7.5左右，屬于中性和偏堿性土壤，不適合用稀HCl提取，稀HCl緩沖性能弱，在堿性土壤和石灰性土壤中酸被堿中和，抑制了H+的置換作用，它對Cd、Cu、Zn、Pb的提取率很小，不利于儀器檢測。此外，有研究表明，DTPA提取的金屬離子除Zn外，其他金屬離子和植物的金屬離子高度相關[16]。因此，實驗選擇DTPA為該地區8種元素的提取劑。

2.2 分析儀器參數的選擇

ICP-OES測定金屬元素，譜線波長的選擇和儀器參數的優化十分重要，是減少光譜干擾和非光譜干擾的有效手段。譜線的選擇原則是選擇靈敏度高，信噪比大[17-18]，待分析譜線周圍“干凈”沒有和其他重復的譜線。通過該地區的盲樣全譜分析，發現有效Cd、Ni、Zn含量都不高。為有效減少分析誤差，通過條件優化實驗，確定的分析譜線和儀器參數(功率、載氣流速和霧化器壓力)如表1所示。測定時以Sr為內標矯正基體效應。

表1 電感耦合等離子體發射光譜儀工作條件

2.3 浸提條件的確定

DTPA是非平衡體系，很多因素都可能影響浸提效果，DTPA的酸度、濃度、水土比(浸提液的體積和土壤的質量之比)，溫度、振蕩時間和浸提瓶等都會影響浸提效果[19]。其中震蕩時間和水土比是影響浸提效率的最關鍵因素。

2.3.1 震蕩時間的確定

按照實驗方法，在振蕩時間0.5～5 h范圍內，對標準物質和未知的土壤樣品(富源地區)進行比對分析。一個樣品平行稱取多份，每相隔30 min對一個樣品進行離心檢測，標準物質GBW07415a中8種有效態結果見圖1和圖2(未知樣品和標準樣品有相同的結果，以GBW07415a為例說明)。從圖中可以看出，在2 h內，各元素有效態的值和時間是正相關，且先快后慢；當振蕩時間在2～3.5 h內，各元素有效態的值變化不大，趨于平穩。當震蕩時間在3.5～5 h時，各元素有效態的值有緩慢上升的趨勢。剛開始時，提取劑和土壤混合時，土壤樣品中的有效態隨著時間不斷從土壤中浸提出來，震蕩時間在2 h左右，有效態可能完全浸提出來，但是當震蕩時間增長，超過3.5 h后，有一部分非有效態也可能被浸提出來，此時提取的部分植物不能吸收，不能當作有效組分。因此，實驗選擇振蕩時間為2 h。

圖1 震蕩時間對Cu、Fe、Mn、Pb的影響Figure 1 Effect of oscillation time on Cu，Fe，Mn and Pb.

圖2 震蕩時間對Cd、Co、Ni、Zn的影響Figure 2 Effect of oscillation time on Cd，Co，Ni and Zn.

2.3.2 水土比的確定

按照實驗方法，選用不同的水土比1∶1、2∶1、3∶1對國家一級標準物資GBW07415a進行實驗，測定結果見表2，水土比1∶1時，各元素的有效態測定值普遍偏低，可能浸提液少，不能完全螯合土壤中的有效態；當水土比為2∶1時，測定值和標準值吻合；水土比為3∶1時，測定值和標準值相比，測定值有高有低，可能是測量誤差，有效Cd、Cu、Zn、Pb、Co、Ni的值在土壤中含量不高，當水土比較大時，有效態含量接近檢出限，測量誤差較大。因此實驗選擇水土比2∶1。

表2 不同水土比對各元素有效態值的影響

2.4 方法檢出限和測定限

按照樣品分析全步驟，重復10次全程序空白實驗，計算10次平行測定的標準偏差，按照計算公式(1)計算方法檢出限。檢出限的4倍為測定下限。計算檢出限和測定下限的結果見表3。從表3中可以看出，測試的工作曲線線性相關系數均在0.99以上，工作曲線線性良好，滿足分析測試要求。

MDL=tn-1,0.99×S

(1)

式中：MDL—檢出限，μg/g；n—樣品平行測定次數；t—自由度為n-1，置信度為99%時的t值；S—n次測定的標準偏差。

表3 各元素檢出限和定量下限

2.5 方法的準確度和精密度實驗

將土壤標準物質 GBW07415a、GBW07416a、GBW07461和按照最佳條件平行制成6份待測試液，測試8種元素的含量，并計算各元素的平均值、相對標準偏差。結果見表4。各元素的測定值和標準值吻合，表明該方法準確度好。Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn的相對標準偏差均小于5%，說明本方法精密度高。

表4 標準物質分析結果

2.6 方法加標回收實驗

為進一步驗證本方法的準確度，取云南富源項目的未知樣品6件進行加標回收實驗，每件樣品平行分析3次取平均值，結果見表5。從結果能看出，Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn這 8種元素加標回收率在 90.0%～110%，符合分析要求。

表5 加標回收實驗

2.7 實際樣品分析

為按照實驗方法對云南富源-貴州盤州能源礦產集中區生態修復項目的2 000余件樣品進行分析，安插在分析批次里面的國家一級標準物質合格率為100%。按照驗收要求對基本分析樣品進行一定比例的盲樣外檢，相互對比一次合格率為99%，說明本方法再現性好。

3 結論

結合云南富源某地區的土壤背景條件，采用二乙烯三胺五乙酸(DTPA) 提取土壤中的8種有效態元素，用ICP-OES測定。通過優化儀器工作條件，降低了基體效應和光譜干擾。通過實驗，確定了最佳的震蕩時間和水土比，用國家一級標準物質進行驗證，說明本方法檢出限、準確度和精密度滿足分析要求。通過對云南富源地區的土壤樣品進行大量分析，該方法穩定性好，通過和外單位的數據對比，該方法再現性好。總之，該方法操作快速簡單，綠色環保，方法線性相關系數好，適合該地區土壤中有效態元素的分析，該方法對于分析土壤中有效態元素具有重要的現實意義。