楊愛萍，崔羅肖，李 蒙，任宗玲

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510000）

近年來(lái)，人類生產(chǎn)活動(dòng)引發(fā)了一系列的環(huán)境問(wèn)題，尤其是嚴(yán)重的土壤重金屬污染。

化肥施用、污水灌溉以及采礦過(guò)程中的廢棄物排放等是造成土壤重金屬含量過(guò)高的主要原因。重金屬是指原子密度大于5g·cm-3的一類金屬，其中目前研究關(guān)注最多的是鎘（Cd）、銅（Cu）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、鋅（Zn）以及類金屬元素砷（As）和汞（Hg）（Ali et al.,2018）。據(jù)估計(jì)，我國(guó)土壤點(diǎn)位重金屬超標(biāo)率達(dá)到16.10%，典型地塊土壤重金屬超標(biāo)率則高達(dá)36.30%，其中礦區(qū)周邊土壤和水體中的重金屬污染程度與當(dāng)?shù)夭傻V和冶煉等工業(yè)水平有著直接的關(guān)系（Hu et al.,2019；Yun et al.,2017）。由于重金屬的不可降解性及污染的隱蔽性和長(zhǎng)期性，土壤中較高含量的重金屬會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境并影響到農(nóng)業(yè)安全。農(nóng)田土壤中重金屬含量過(guò)高（包括某些必需金屬，如：Fe、Mn和Zn）會(huì)對(duì)植物的正常生長(zhǎng)過(guò)程構(gòu)成嚴(yán)重威脅，這些重金屬可通過(guò)農(nóng)田作物的吸收以及食物鏈的累積放大，進(jìn)而對(duì)人類健康造成危害（Mwesigye et al.,2016；Nagajyoti et al.,2010）。食用種植在Cd超標(biāo)的農(nóng)田中的水稻會(huì)誘發(fā)人體“骨痛病”，人體攝入Pb及其化合物會(huì)造成神經(jīng)系統(tǒng)的損傷（焦洪鵬等，2017）。通常認(rèn)為，重金屬在土壤中的賦存形態(tài)會(huì)影響其在水土體系中的遷移轉(zhuǎn)化等行為以及其本身的生物可利用性和毒性（Guo et al.,2021）。

1 重金屬形態(tài)研究方法

到目前為止，許多前人報(bào)道探究了重金屬形態(tài)與其產(chǎn)生的植物毒性以及潛在釋放能力之間的關(guān)系。通常以0.01mol·L-1CaCl2以 及0.43mol·L-1HNO3溶 液 作 為單一浸提劑來(lái)提取土壤中的重金屬元素，定量分析土壤重金屬的有效性，其中CaCl2溶液浸提的部分可被植物吸收利用，而HNO3浸提的部分則是用來(lái)評(píng)估重金屬在土壤中的潛在風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)（Khadhar et al.,2020）。但化學(xué)浸提通常是破壞性提取，因此采用該種方法提取的重金屬難以對(duì)控制重金屬毒性的關(guān)鍵形態(tài)做出定量解釋。土壤溶液中重金屬的自由態(tài)離子是其產(chǎn)生毒性的關(guān)鍵形態(tài)（Ore et al.,2010），考慮到土壤溶液的緩沖性以及化學(xué)浸提方法中的干擾問(wèn)題，道南膜技術(shù)（Donnan membrane technology,DMT）常被用來(lái)測(cè)定土壤溶液中的自由態(tài)重金屬離子含量（Temminghoff et al.,2000；Weng et al.,2001）。但由于DMT技術(shù)本身存在步驟繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題，因此相應(yīng)的模型預(yù)測(cè)手段也逐漸得到發(fā)展應(yīng)用（Kinniburgh et al.,1996；Ren et al.,2015）。

1.1 化學(xué)浸提

單一浸提是指按照一定土液比將一種或幾種化學(xué)試劑與土壤混合提取一次后，測(cè)定溶液中提取態(tài)重金屬含量的方法。不同提取劑提取效果的差異與其提取的機(jī)制不同有很大的關(guān)系。按照提取劑不同性質(zhì)，可將其分為：稀酸溶液、中性鹽溶液和絡(luò)合劑等。稀酸溶液提取劑主要有醋酸（HAc）、鹽酸（HCl）和硝酸（HNO3）等，常用于酸性土壤中重金屬生物有效性的研究。眾多研究發(fā)現(xiàn)0.1 mol·L-1HCl提取態(tài)重金屬含量與植物吸收量相關(guān)性顯著（李富等，2020；劉繁燈等，2017），但也有研究認(rèn)為0.43 mol L-1HNO3對(duì)重金屬生物有效的評(píng)價(jià)結(jié)果更為可靠（Brady et al.,2016）。中性鹽溶液提取劑主要有氯化鈣和硝酸鈉等，該類型提取劑主要通過(guò)離子交換作用對(duì)水溶態(tài)和部分可交換態(tài)重金屬進(jìn)行提取，其中CaCl2提取態(tài)重金屬含量與多種作物累積重金屬含量存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，是目前應(yīng)用最多的中性鹽提取劑。絡(luò)合型提取劑包括二乙三胺五乙酸（diethylenetriamine pentaacetic acid,DTPA）、 乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraacetic acid,EDTA）和乙二胺四乙酸二鈉（disodium ethylenediamine tetraacetate,EDTA-Na2）等，該類型提取劑通過(guò)絡(luò)合作用將土壤中重金屬離子提取出來(lái)，可以模擬植物根系分泌物對(duì)重金屬的活化作用，絡(luò)合型提取劑對(duì)堿性土壤中重金屬的提取效果也較好（Bakircioglu et al.,2011；王婷等，2012）。單一提取劑通常只對(duì)少數(shù)幾種重金屬的提取效果較好，且不同提取劑對(duì)不同土壤類型的提取效果不同。目前還沒(méi)有一種普適性的單一提取劑可以較好的對(duì)所有土壤類型中的重金屬進(jìn)行有效地提取。

連續(xù)提取法模擬自然及人為的環(huán)境條件變化，合理使用一系列選擇性試劑，連續(xù)溶解不同吸附痕量元素的礦物相。通常采用中性、弱酸性、中酸性、強(qiáng)酸性提取劑對(duì)土壤重金屬進(jìn)行逐級(jí)提取，隨著浸提劑的破壞性逐漸增強(qiáng)，重金屬按照結(jié)合能力由弱到強(qiáng)被逐級(jí)浸提。20世紀(jì)70年代末，在前人研究的基礎(chǔ)上，Tessier提出了用不同溶蝕能力的化學(xué)試劑，對(duì)海洋沉積物進(jìn)行連續(xù)溶蝕和分離的操作，將其分成若干個(gè)操作上定義的化學(xué)形態(tài)，建立了Tessier連續(xù)提取法（Tessier et al.,1979）。Tessier法將土壤中重金屬形態(tài)分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)及硫化物結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)等五種形態(tài)。BCR連續(xù)提取法是20世紀(jì)90年代歐盟標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量和測(cè)試機(jī)構(gòu)提出的較新的劃分方法（Ure et al.,1993），將重金屬形態(tài)分為四種（酸溶態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)）。另外，Dold（2003）為了更有效區(qū)分硫酸鹽沉淀中重金屬元素的溶解和解吸過(guò)程，并考慮到智利北部干燥氣候的影響，將浸提順序作了適當(dāng)修改以適應(yīng)研究區(qū)域銅硫化物尾礦的特定礦物學(xué)特征，從而形成了Dold連續(xù)浸提法。邢寧等（2011）采用Dold連續(xù)浸提法，通過(guò)區(qū)分重金屬所吸附的礦物相，從而將重金屬分為7個(gè)不同的形態(tài)，分別為賦存在可溶性硫酸鹽礦物、碳酸鹽礦物、次生的非結(jié)晶態(tài)鐵氧化物和結(jié)晶態(tài)鐵氧化物中的重金屬，有機(jī)物結(jié)合態(tài)重金屬、賦存在硫化物礦物上的重金屬以及賦存在硅酸鹽類礦物中的殘?jiān)鼞B(tài)重金屬。

1.2 電化學(xué)方法

隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)生物體對(duì)重金屬的吸收程度與自由態(tài)金屬離子以及不穩(wěn)定絡(luò)合態(tài)金屬之間有更高的相關(guān)性。

考慮到樣品的分離方法會(huì)直接影響到重金屬離子形態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，前人為此提出了多種解決方法。電化學(xué)檢測(cè)方法的原理主要是基于物質(zhì)自身相關(guān)的電化學(xué)性質(zhì)及基本電化學(xué)原理，通過(guò)相應(yīng)特定傳感器測(cè)定電類物理量并分析其中重金屬含量的方法。其中，離子選擇電極法和伏安法都屬于電化學(xué)法。

離子電極可將溶液中離子活度以電極電位呈現(xiàn)，通過(guò)能斯特方程計(jì)算出離子活度進(jìn)而得到待測(cè)溶液中重金屬含量。離子選擇電極法操作簡(jiǎn)單且成本不高，可以直接測(cè)量溶液中的游離金屬離子濃度，但存在檢出限高、溶液中其他雜質(zhì)金屬離子會(huì)干擾測(cè)定等不足（Mota,1995）。Luo et al.（2006）采用銅離子選擇電極和銅緩沖溶液校準(zhǔn)，建立了采用0.01mol·L-1KNO3提取土壤溶液中低濃度水平自由態(tài)銅離子的分析方法，以評(píng)估土壤性質(zhì)對(duì)重金屬形態(tài)分布的影響，結(jié)果表明土壤溶液pH值是影響自由態(tài)離子含量的最顯著因素，但對(duì)可溶性銅濃度影響不明顯。伏安法作為一種電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)，具有靈敏度高、選擇性良好、操作方便、檢測(cè)設(shè)備便攜、檢測(cè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以用于土壤中Pb2+和Cd2+的快速檢測(cè)，但土壤腐殖質(zhì)的存在會(huì)干擾重金屬的溶出伏安信 號(hào)（Borggaard et al.,2011；Mc Eleney et al.,2020），且同時(shí)目標(biāo)金屬離子的信號(hào)也會(huì)受到雜質(zhì)金屬離子的干擾，其中關(guān)于Cu2+造成干擾的報(bào)道最多（Kadara et al.,2008）。（李杜娟等，2018）用納米金/石墨烯材料修飾后的電極測(cè)試Pb2+濃度下限為0.272μg·L-1，進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)測(cè)得土壤中Pb2+的回收率區(qū)間為93.82%～109.9%。

1.3 道南膜技術(shù)

道南膜技術(shù)是基于道南平衡通過(guò)陽(yáng)離子交換膜將供出室和接受室隔開，供出室待測(cè)土壤溶液中的自由態(tài)重金屬離子可以透過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入接受室，通過(guò)測(cè)定達(dá)到道南平衡后接受液中溶解態(tài)金屬濃度，進(jìn)而計(jì)算得到自由態(tài)金屬離子含量的方法（Fitch et al.,1989；Temminghoff et al.,2000；Weng et al.,2001）。DMT的 優(yōu) 勢(shì) 在 于 它可以測(cè)量單個(gè)樣品中的多種不同元素，而且與其他方法相比，對(duì)樣品平衡的干擾和其他成分帶來(lái)的干擾均是最小的（Kalis et al.,2006）。DMT技術(shù)已廣泛用于實(shí)驗(yàn)室尺度下的加標(biāo)樣品（Parat et al.,2015；Zelano et al.,2018）、實(shí)際環(huán)境中水樣和土壤等各種自然樣品中，可有效準(zhǔn)確地定量檢測(cè)多種二價(jià)金屬（Cd、Cu、Ni、Pb和Zn）的自由態(tài)離子濃度（Cancès et al.,2003；Pan et al.,2015；Vega et al.,2013），該技術(shù)在土壤重金屬形態(tài)分析和生物有效性研究中有巨大的應(yīng)用價(jià)值。例如，Ge et al.（2009）將DMT應(yīng)用于土壤重金屬的植物有效性研究中，發(fā)現(xiàn)土壤中的Cd2+濃度會(huì)影響水稻根和葉中的Cd累積量，水稻的生長(zhǎng)終點(diǎn)也與Cd2+濃度密切相關(guān)。

1.4 模型手段

除了使用電化學(xué)檢測(cè)、化學(xué)浸提等實(shí)驗(yàn)室分析手段研究土壤中重金屬形態(tài)，模型模擬的方法也逐漸受到人們的關(guān)注。由于模型預(yù)測(cè)重金屬形態(tài)通常只需要重金屬總濃度和基本的土壤物理化學(xué)性質(zhì)，因此大量學(xué)者對(duì)模型預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究，模型方法也得到了較好的發(fā)展。

重金屬在土壤中有多種吸附質(zhì)，如鐵氧化物、有機(jī)質(zhì)和粘土礦物等，針對(duì)不同吸附質(zhì)有對(duì)應(yīng)的模型進(jìn)行針對(duì)性預(yù)測(cè)。例如，結(jié)合在水合鐵氧化物上的重金屬濃度可用表面絡(luò)合擴(kuò)散雙層模型（diffuse double layer model）進(jìn)行預(yù)測(cè)，而針鐵礦與重金屬的結(jié)合通常使用CD-MUSIC（charge distribution multi-site complexation）模型預(yù)測(cè)。Donnan電勢(shì)可以很好地解釋離子強(qiáng)度與靜電吸附平衡之間的關(guān)系，可用于模擬計(jì)算重金屬在粘土礦物上的吸附解吸過(guò)程。

土壤溶解性有機(jī)質(zhì)含有豐富的羧基、羥基等活性官能團(tuán)，可與重金屬發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而影響重金屬在土壤中的吸附解吸、遷移轉(zhuǎn)化等過(guò)程?？紤]到有機(jī)質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)異質(zhì)性，多種模型可用來(lái)描述有機(jī)質(zhì)與重金屬的結(jié)合情況，例如：非理想競(jìng)爭(zhēng)吸附模型（non-ideal competitive adsorption-Donnan model,NICA-Donnan)、腐殖酸模型（Windermere humic aqueous model,WHAM）以及SHM（Stockholm humic model）。這些模型都是基于結(jié)合位點(diǎn)與溶解性有機(jī)碳的濃度成比例這一主要假設(shè)，只需要設(shè)定一些關(guān)鍵參數(shù)，便可以將重金屬與有機(jī)質(zhì)結(jié)合的影響描述為環(huán)境pH值和DOC濃度的函數(shù)（Zhu et al.,2021）。WHAM、SHM和NICA-Donnan模型中將結(jié)合位點(diǎn)分為強(qiáng)弱兩類，分別為羧基類和酚羥基類（Benedetti et al.,1995；Gustafsson,2001；Tipping et al.,2011）。其中，WHAM模型假定Donnan相圍繞帶電腐殖質(zhì)大分子并且僅包含帶正電的反離子，使用經(jīng)驗(yàn)玻爾茲曼因子計(jì)算離子結(jié)合的靜電效應(yīng)（Benedetti et al.,1995；Christensen et al.,1998；Tipping et al.,1992）。NICA-Donnan模型假定腐殖質(zhì)分子為離子可滲透的膠體物質(zhì)，采用Donnan相來(lái)描述靜電層發(fā)生的靜電作用，腐殖質(zhì)表面所帶負(fù)電荷被滲透進(jìn)去的反離子和共存離子所中和（趙曉鵬等，2019）。上述兩個(gè)模型采用了不同的方法來(lái)處理離子之間的競(jìng)爭(zhēng)和化學(xué)計(jì)量的變異性（鄧迎璇，2020）。在WHAM模型中，羧基和酚羥基位點(diǎn)的親和力分布被視為離散分布，而NICADonnan則采用遵循Sips型函數(shù)的連續(xù)分布來(lái)描述離子親和力（Ahmed et al.,2014）。Koopmans et al.（2008）采用NICA-Donnan模型探究了EDDS對(duì)土壤中自由態(tài)重金屬形態(tài)的影響，證明了使用EDDS后會(huì)導(dǎo)致土壤溶液中自由態(tài)金屬濃度的降低。許多學(xué)者使用NICA-Donnan模型成功預(yù)測(cè)了土壤溶液中重金屬形態(tài)，并建立了自由態(tài)重金屬與植物吸收利用的相關(guān)關(guān)系（De Schamphelaere et al.,2014 ；Zhao et al.,2007）。

2 結(jié)論與展望

土壤重金屬污染已成為全球環(huán)境污染的主要關(guān)注問(wèn)題，重金屬排放至土壤后因無(wú)法發(fā)生降解而不斷累積，威脅農(nóng)田安全并引發(fā)人體健康問(wèn)題，因此修復(fù)重金屬污染的土壤是必要的。

多項(xiàng)研究表明，重金屬的毒性及生物可利用性與其賦存形態(tài)存在顯著相關(guān)關(guān)系，因此研究重金屬形態(tài)可為準(zhǔn)確評(píng)估土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)以及提出有效修復(fù)措施提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。當(dāng)前，對(duì)重金屬形態(tài)研究的方法較多，但均存在一定的局限性，故采用單一形態(tài)研究方法仍需要進(jìn)一步改進(jìn)，多種方法聯(lián)合使用對(duì)重金屬形態(tài)進(jìn)行全面分析是未來(lái)發(fā)展方向。

因此本文闡述了多種重金屬形態(tài)研究方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用情況，為研究方法的選取提供參考。