土壤中重金属元素形态分析方法及形态分布的影响因素_关天霞

收稿日期：2009-09-01；修订日期：2009-11-07基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）计划（2005CB121104）资助作者简介：关天霞（1984-），女，甘肃白银人，在读博士生，主要从事土壤-作物系统环境污染方面的研究。E-mail：[e-mail]*通讯作者：E-mail：[e-mail]；Tel:[phone]土壤中重金属元素形态分析方法及形态分布的影响因素关天霞1,2，何红波1*，张旭东1，白震1，解宏图1（1.中国科学院沈阳应用生态研究所，陆地生态过程重点实验室，辽宁沈阳110016；2.中国科学院研究生院，北京100039）摘要：近年来，土壤重金属污染已经成为国内外关注的环境问题。随着对重金属元素迁移和积累行为研究的深入，已经认识到重金属的生物毒性不仅与其总量有关，更大程度上是由其形态分布所决定。主要介绍了土壤中重金属元素存在的形态，探讨了其形态化学分析中的提取剂选择及提取方法，总结了影响重金属在土壤中形态分布的内在和环境因素，对于深入了解重金属的污染情况，具有重要的理论意义和实际应用价值。关键词：土壤；重金属；形态；形态分析中图分类号：X131.3文献标识码：A文章编号：0564-3945(2011)02-0503-10Vol.42,No.2Apr.,2011土壤通报ChineseJournalofSoilScience第42卷第2期2011年4月土壤作为环境的组成部分，受到来自含重金属的工业和社会的废水、农药、化肥及大气降尘等的污染。其中，污水的农田灌溉、污泥的农业利用、畜禽废弃物和无机肥料的施用导致了部分土壤被重金属污染，同时土壤肥力退化，作物产量和品质降低[1]。重金属在土壤生态系统中所产生的污染具有隐蔽性强、残留时间长、不易降解、毒性强和不可逆性的特点[2]，并能通过直接接触或通过食物链传递在生物体内不断富集[3]，危害人类的健康及其它动物的繁衍生息[2]。土壤重金属污染不仅生态危险性很高，而且突发大面积污染的事件正在不断增长，因此，成为国内外瞩目的热点环境问题。随着对重金属元素迁移和积累行为研究的深入，人们发现土壤中重金属的总量可提供其富集程度的信息，但不能表明其存在状态、迁移能力以及对植物吸收的有效性。事实上，重金属污染物的生物毒性和迁移性很大程度上取决于它们的化学形态和结合状态（如第一纪或第二纪矿物的沉降作用，有机配位体的络合作用等）[4]，不同的重金属形态的毒性、迁移及在生态系统中的循环过程存在显著差异[5]，其中，以有效态重金属即土壤中易被植物吸收的那部分重金属作为评价污染的强度指标更能有效地反映土壤实际污染状况及其对植物的危害[6]。因此，探讨有效的重金属形态分析方法是重金属的生态学效应评价的基础。本文主要对土壤中重金属元素形态分析中的提取剂及提取方法进行了探讨，并对重金属形态分布的影响因素进行了综述，对于评价和了解重金属的污染情况具有重要的理论意义和实际应用价值。1土壤中重金属形态重金属形态是指某一重金属元素在环境中以某种离子或分子存在的实际形式。重金属离子作为一种重要的污染物进入土壤后，会经过一系列的反应，包括吸附、络合、淋溶和还原反应等[7]，使其实际存在形式与输入形态有所不同。土壤对重金属离子的吸附作用主要有静电吸附、专性吸附和沉淀吸附；络合作用是土壤中有机化合物中存在的配位基或官能团对重金属离子有较强的亲和力，可以与重金属离子螯合；淋溶作用是土壤中的可溶性有机碳与重金属形成可溶性金属络合物造成淋失；重金属离子进入土壤后可通过化学的和生物学的两个过程进行还原反应，如一些重金属离子的高低价态的转化或者受微生物活动的影响等而发生变化。通过这些行为，重金属最终以不同的方式与土壤的不同组分相结合形成不同形态的重金属。目前研究最彻底、应用最广泛的重金属形态分析方法是Tessier等[8]提出的顺序提取法及其修正方法，适合Cd、Co、Cu、Ni、Pb、Zn、Fe和Mn等多数重金属的提取，并按照提取顺序，将土壤或沉积物中重金属的形态分为交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态5种形式。Clark等[9]对Tessier提取法进行了修正，主要用于U、Pb、Cs等重金属的提第42卷土壤通报取，并建议将重金属分为水溶态、交换态、酸溶解态（如碳酸盐结合态）、无定形氧化物结合态、锰氧化物结合态、有机质结合态、晶形氧化物结合态和残渣态8种形式；蒋廷惠等[10]通过对Zn、Cu、Fe和Mn等重金属的研究，认为这5种形态的区分不足以反映重金属在土壤组分内部的活性差异，并通过浸提剂的筛选，将重金属分为交换态、碳酸盐结合态、氧化锰结合态、有机结合态、无定形氧化铁结合态、晶形氧化铁结合态和硅铝酸盐矿物态7种形式。但是这些方法自身都存在着一定缺陷，尤其是在分析过程中存在元素再分配与再吸收的问题，造成分析结果可比性差、很难进行数据的验证和比对。为融合各种不同的分析方法，增强数据间的可比性，欧共体参比司（TheCommunityBureauofReference,1987）将土壤和沉淀物中提取重金属含量的方法进行了统一，称作BCR法，适合Cr、Ni、Cu、Zn、Pb和Cd等重金属提取，并将重金属形态分为碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态4种形式。2土壤重金属形态测定自二十世纪八十年代以来，许多学者针对沉积物和土壤中重金属形态的提取和分离，建立了大量的方法，如同位素示踪法、自由离子活度法、物理测定法和化学试剂提取法等。但是，目前经常采用物理测定法和化学试剂法对重金属离子进行提取和测定。物理测定法常用离子树脂交换法，特征是不断打破实验体系中土壤液相和固相之间的离子平衡；使固相表面不断释放重金属离子；树脂吸附需要足够的时间[11]；但是由于技术的不完善、试验周期较长、设备条件不足，而且所测重金属离子量与生物有效性之间的关系不明确，应用上有所限制。目前最常用的还是化学试剂提取法，在实际操作过程中，可将其分为单一形态的单独提取法和多种形态的顺序提取法。2.1单独提取法土壤中重金属生物有效性可表明重金属进入生物圈的毒性潜在风险和它们对植物的有效性，它包括以物理化学作用驱动机制的解吸过程和以生理学作用为驱动机制的吸收过程。化学提取法是目前最广泛使用的评价重金属生物有效性的替代方法，其中单独提取法操作简便，提取时间短，便于直观的了解土壤的受污染程度，判断其对农作物的潜在危害性。根据土壤性质以及污染土壤的重金属的物理化学特性，提取土壤中有效态重金属通常使用不同的提取剂，归纳起来，这些提取剂主要有：稀酸或弱酸溶液、络合剂、中性盐溶液、缓冲溶液及复合提取剂。酸试剂常用来评估酸性土壤中植物对重金属元素的吸收情况。常用的酸溶液包括：0.1molL-1HCl，0.01molL-1和0.43molL-1HNO3，0.4molL-1和0.5molL-1HOAc等[1~14]。络合剂能同大多数重金属离子形成稳定的水溶性络合物，所以也常被用来提取土壤中的有效态重金属元素，常用的络合剂有0.05molL-1EDTA，0.1molL-1EDTA，0.005molL-1DTPA（二乙烯三胺五乙酸）和NTA[15~17]。研究结果表明，DTPA浸提的土壤重金属与植物吸收量具有显著相关性[18]；植物体内的元素Cd、Zn与EDTA提取的土壤有效态Cd、Zn有较好的相关性[19]。利用不具备缓冲能力的盐溶液对重金属进行单一萃取，已经被广泛应用于土壤中重金属有效性的研究中，而且这些提取过程也适用于预测土壤中植物所能吸收的重金属含量[20]。常用的中性盐试剂有0.1molL-1NaNO3，1molL-1NH4NO3，0.1molL-1Ca(NO3)2，0.01和0.05molL-1CaCl2，0.125%BaCl2[21~24]和USEPATCLP（美国环保局毒性浸出程序）法提取液（冰乙酸+1molL-1NaOH或1molL-1HNO3+1molL-1NaOHpH5.0）[17]，常用的缓冲试剂有0.5和1molL-1NH4OAc/HOAc[22,25,26]。使用0.1molL-1Ca（NO3)2对于Cd，Pb，Zn的生物有效性和毒性测定是个很好的选择[27]。对污染农田土壤中铜采用3个单一提取剂提取：软化水、0.01molL-1CaCl2和TCLP法提取液（pH5.0），结果表明，只有TCLP法提取液提取出的铜和全量铜具有显著的相关性[28]。Mehlich，简称M3，是一种成分比较复杂的一步提取剂，主要包括：0.2molL-1HOAc+0.25molL-1NH4NO3+0.05molL-1NH4F+0.013molL-1HNO3+0.001molL-1EDTA[29]。陆文利等将M3试剂与EDTA和DTPA进行比较，发现M3试剂提取的土壤中重金属元素的含量与植物中的相应含量显著相关，而且M3浸提剂适用于酸性、中性、碱性及石灰性等各类土壤[30]。2.2顺序提取法（SEPs）和单独提取法相比，顺序提取方法比较复杂，耗时较长。但是，顺序提取方法可以研究固体矿物和有机相的重金属的地球化学分配，已经成为一种研究土壤和沉淀物重金属化学形态的标准技术。为了选择性地萃取和溶解重金属组分，通常采用化学性质不同的试剂进行3~8个过程的提取。一般来讲，提取剂与提取顺序的选择应满足下列条件：①对期望提取的土壤组分有较高的选择性，而对其它组分的干扰尽可能小；②溶出的微量元素尽可能不产生次生沉淀或强5042期关天霞等：土壤中重金属元素形态分析方法及形态分布的影响因素烈的再吸附；③测定简单方便[10]。SEPs过程中第一种提取剂应该具有最弱的侵略性和最强的特异性，而后的提取剂性质则恰恰相反[31]。下面就各形态的提取剂进行简要介绍：2.2.1交换态重金属元素提取剂交换态重金属元素主要是指借助库仑引力吸附于土粒表面的重金属离子，其中也包含水溶态重金属元素。这种形态的提取原理在于重金属与土壤之间的吸附属于交换性吸附，带电荷的土壤表面通过静电力从溶液中吸附带异号电荷的离子，同时，等当量的另一种离子（重金属）从表面上解吸下来进入溶液中，所以提取该形态的重金属元素应该选择交换性比较强的阳离子试剂。但是该吸附解吸过程是可逆的，交换容量取决于土壤表面所带静电荷的数量，该值并非恒定，且随pH的升高而有所增加，所以交换态重金属提取一般是在中性条件下进行。常用的提取剂主要包括：①1molL-1MgCl2：Mg2+具有较强的离子交换能力，而Cl-的络合能力较弱，MgCl2对有机物质、硅酸盐和重金属硫化物均不会产生破坏作用[8]，因此常常作为交换态重金属元素的提取剂，但是由于它能够溶解少量碳酸盐结合态重金属（2%~3%），结果高估了交换态重金属离子的含量，尤其是对Cd的影响最大[32]，试验中一般可以通过缩短提取时间来避免碳酸盐结合态重金属的提取[8]。②1molL-1NH4OAc：在修正的Tessier法中常采用醋酸/醋酸盐提取交换态重金属，醋酸根离子络合物比Cl-络合物稳定，更利于产生交换，从而减少了所提取重金属的再吸附和沉淀作用[33]；同时由于该溶液具有缓冲能力，pH变化减少，交换容量相对比较稳定，但是1molL-1NH4OAc可以破坏碳酸盐结合态重金属元素[8]，为了避免这一问题，有人提出将NH4OAc浓度降至0.01molL-1[4]。③0.01molL-1CaCl2：CaCl2不会改变土壤pH值，可以同时提取多种重金属元素。Ca本身是土壤中的主要金属元素，Ca2+是土壤复合吸附的重要的阳离子，在悬浮液中比单价阳离子具有更好的凝聚作用[34]，且所用浓度接近于土壤溶液的平均水平，因此，Ca2+比Mg2+或NH4+能更有效的提取交换态重金属元素。CaCl2溶液提取重金属是通过解吸和溶解过程进行，而不像K+，Mg2+，Na+，NH4+等是通过离子交换过程来提取重金属[14]。但是，由于Cl络合物的形成，应用CaCl2提取会过高的估计交换态重金属元素（Zn，Cd）的含量，建议使用