农业土壤重金属污染监测及防治探讨

张 雪 崔向坡

（1.徐州市环保集团环境科技有限公司，江苏 徐州 221018；2.徐州重型机械有限公司，江苏 徐州 221005）

0 引言

近年来，随着工业化、城市化发展，农业土壤重金属污染问题成为导致农产品减产，影响居民身体健康的重要因素。据不完全统计，我国耕地中受重金属污染的概率约为16.67%，即有1/6 的土壤不同程度地受到重金属污染［1］。从土壤重金属污染的危害程度来看，危害较严重的有镉、汞、铅等元素污染。据统计，每年由于农业土壤重金属污染而导致的粮食损失高达200 多亿元。重金属元素进入农业土壤后，由于其易积累、难迁移、难降解以及不可逆、较隐蔽等特性，会影响农业土壤中的微生物种类、群落结构，最终导致农业土壤肥力下降，影响农作物正常生长［2］。因此，要积极做好农业土壤重金属污染监测工作，根据监测结果对农业土壤进行修复，合理利用土壤资源，达到提高经济效益和环保效益的目的。

1 农业土壤重金属污染监测方法

1.1 实验室监测法

实验室监测法是农业土壤重金属污染监测中最为常见，也是最传统的一种监测方法。该方法是对农业土壤样品进行采集、收集，然后利用专业的实验室监测仪器和监测设备，将采集、收集的土壤样品进行监测分析。在实验室监测法中，根据不同监测仪器的使用方法，可以进一步细分为分光光度法、电感耦合法、吸收光谱法及原子荧光光谱法等以光学仪器为基础的监测分析法；也可基于电化学仪器使用的差异性分为化学反应分析法和极谱分析实验法等［3］。用实验室监测法分析农业土壤重金属污染具有精度高、稳定性强等优势，不足之处是流程复杂、成本高。

1.2 现场快速监测法

针对突发性环境污染事件及因环境问题而发生的纠纷，需要采取现场快速监测方法，以快速监测土壤中的重金属含量。现场快速监测法主要包括醇抑制法、生物传感器分析法、土壤表层磁化率监测等。

2 农业土壤重金属污染监测技术

2.1 化学比色技术

化学比色技术包括试纸法、液相色谱法等，其基于样品监测物质与化学试剂接触而发生反应，通过引起颜色的变化来定性、定量样品待测物的含量。试纸法将特定显色剂附着于试纸上，显色剂与重金属离子接触，试纸颜色会发生变化，将这一颜色变化与比色板比对，即可得出待测物含量范围。该方法的优点在于操作简便、分析效率高、成本低，可应用于现场监测，不足之处是检出限高，易受外界因素影响，精密度差，多应用于定性或半定量分析。液相色谱技术是利用重金属离子与有机试剂反应，生成有色络合物，络合物过色谱柱时会被分离，利用紫外线可见光光度法测定分离物含量［4］。该工艺技术不仅可以定量监测重金属元素，而且可以同时监测多种重金属元素，不足之处是色谱分离时间长、前处理较为复杂。

2.2 电化学技术

电化学技术监测农业土壤重金属污染技术较为成熟，应用广泛。其原理是将消解后的液体当作化学电池的一部分，根据监测试液中待测重金属离子电化学特性产生的电流、电压、电导等电信号变化定性、定量测定重金属元素。

电化学技术包括极谱法、离子选择性电极法等。极谱法监测农业土壤重金属污染是通过监测电解反应过程中极化电极电流、电位关系，将消解后试液中重金属元素进行定性、定量分析。极谱法具有监测精度高、分辨率高、高灵敏性等优势，不足之处是监测样品易被污染、监测电位窄。离子选择性电极法监测农业土壤重金属是将电极放入重金属监测试液中，电极敏感膜与试液界面发生离子交换与扩散作用产生与待测元素活度呈对数关系的电位，通过电位数值分析测定重金属含量。该方法监测农业土壤重金属污染具有监测效率高、能耗低、易操作等优势，不足之处是检出限高、监测易受到外部影响、检测电位窄等［5］。

电化学法监测农业土壤重金属污染具有操作简便、仪器体积小、分析时间短、灵敏度高和能耗低等诸多优势，但也普遍存在样品前期处理复杂、检测电位窄、易受杂质离子影响等不足。

2.3 光谱技术

光谱技术监测农业土壤重金属污染是利用光的发射、吸收、散射等作用，将其应用于监测仪器，从而监测出相应元素光谱特征波长及其强度，据此定量分析出重金属元素含量的监测方法。

目前，光谱技术主要有原子吸收光谱法、原子荧光光谱法。原子吸收光谱法监测农业土壤重金属污染，是利用高温条件下化合物离解为基态原子蒸气，原子蒸气可吸收同种元素空心阴极灯辐射的单色光，利用特征谱线的变化分析测定，得出重金属元素的含量。原子吸收光谱法具有监测灵敏度高、检测限低、方法选择性好、受化学干扰小等优势，不足之处是设备复杂、操作烦琐、不能同时监测多种元素。原子荧光光谱法监测农业土壤重金属污染是利用高温条件下化合物离解为基态原子蒸气，基态原子吸收特定频率辐射能量后激发到高能态，激发态跃迁回基态时发射具有特征波长的荧光，分析特征波长荧光强度得出相应的监测元素含量。原子荧光光谱法监测农业土壤重金属污染具有灵敏度高、线性范围宽等优势，不足之处是不能同时监测多种元素。

光谱法监测农业土壤重金属污染具有灵敏度高、检出限低、监测分析速度快等优势，但也存在成本高、操作复杂等亟待改进之处。

2.4 生物化学技术

近年来，随着科学技术的发展以及交叉学科的跨界融合发展，生物化学技术监测农业土壤重金属污染成为研究热点。其是将生物技术与化学技术融合起来，以生物技术为基础的土壤重金属污染监测方法，主要包括酶分析法和生物传感器法。酶分析法利用生物酶与土壤重金属发生反应，降低酶活性，从而改变电导率、pH 值、显色剂颜色，并将这种变化与重金属种类、浓度之间的关系结合起来，定性定量进行分析。酶分析法具有易操作、监测速度快等优势，不足之处是选择性差，对生物酶具有抑制功能的重金属种类较少。生物传感器法利用酶、抗原、微生物、免疫抗体等生物活性物质与土壤中的重金属离子结合，发生物理、化学反应，捕捉反应变化，并将其转化为光电信号，实现土壤重金属元素的定性定量分析，其优势在于易操作、自动化程度高、准确性好，但监测成本高、选择性差、易受到外部环境影响。

3 农业土壤重金属污染监测案例分析

3.1 监测前准备工作

第一，布设点位。根据农业土壤重金属污染监测需要，可选用均匀布点法、带状布点法和综合放射状法等方法，此案例研究选择带状布点法。第二，采集样品。以某城市郊区农业土壤作为监测对象，选择5 个布点，表层厚度为25 cm 的土壤，点位样品质量相同，土壤样品质量＞1 kg，去杂质、装袋、封口，标注采样时间、采样地点、采样编号和采样人员。第三，保存样品。农业土壤重金属监测结果易受土壤粒度影响。为做好此次监测，选用无须消解即可测量土壤汞含量的DMA80 法，以分析土壤粒度对农业土壤重金属污染监测结果的影响，提高监测精准性。从表1 可以看出，0.075 ～2.000 mm，随着农业土壤监测样品粒度的不断增加，3 次测试的结果逐渐趋于一致；当农业土壤监测样品粒度达到0.075 mm 时，3 次监测的结果差距很小，测试的结果值基本相同。因此，在农业土壤重金属污染监测过程中，监测粒度不断增大，其测试的结果差异存在正相关性。为此，将0.075 mm 粒度作为保障此次实验室土壤样品监测分析有效粒度值。第四，预处理样品。根据此次土壤样品监测的试剂需要，添加一定的消解试剂，作为监测土壤重金属元素的辅助，以保证重金属元素监测结果的精准性。此次监测空白试验选用多元酸分解法，选用盐酸、硝酸和氢氟酸消解法消解样品中的硅晶格（见表2）。

表1 农业土壤样品粒度对测试结果的影响 μg/kg

表2 盐酸、硝酸及氢氟酸消解法加入量情况

3.2 监测中处理程序

第一，称取0.5 g 农业土壤重金属监测样品，并将其放置于聚四氟乙烯消解罐。第二，将盐酸、硝酸、氢氟酸等多元酸加入聚四氟乙烯消解罐，对土壤监测样品进行消解。第三，利用微波消解仪对农业土壤监测样品进行消解。第四，结束微波消解环节之后，滴1 ～2 滴高氯酸至消解罐。第五，将滴1 ～2 滴高氯酸的土壤样品放置电热板加热至150 ℃，然后冷却、放置。第六，土壤监测样品过滤消解环节中产生不容灰后待用。共选用1 个空白样、8 个平行样。

3.3 监测后预处理结果

按照表2 中3 种不同消解法对土壤样品进行处理，分析结果见表3。

表3 3 种不同消解法分析结果

方法1 中，对土壤样品消解监测发现，消解液透明，呈黄色，消解罐中有粉末状不可溶物体；方法2 中，土壤样品消解罐的内壁及底部附着有黑色沉淀物；方法3 中，消解罐压力大，打开罐口，喷出大量棕黄色酸雾，罐底存少量灰白色、不可溶物体。从3 种不同消解法的消解结果来看，虽然3 种消解方法存在差异，但差异并不显著，均获得了较好的消解效果。第1 种方法用酸量少，效果佳，因此可选用方法1 对采集的农业土壤样品进行预处理。

4 农业土壤重金属污染防治

农业土壤重金属污染防治应坚持预防为先、强化修复的原则。一方面，要认真做好农药化肥等污染预防工作；另一方面，要认真开展土壤重金属污染监测工作，根据监测情况及时做好修复工作。

4.1 做好土壤污染预防

一是结合辖区内农业发展实际和农田规模，科学制订土壤重金属污染防治工作规划，从顶层做好预防设计。二是建立农业土壤重金属污染监测、预报及评价机制，运用第三方专业技术力量协助做好常态化重金属污染监测，实时掌握区域内农业土壤重金属污染情况。三是农业、市场、公安、环保等部门要加大监督和管理合作力度，协同发挥各方的聚合效应，共同做好农业土壤重金属污染防治。四是从源头做好化肥减量化处理，即推广测土配方，施肥技术、绿色肥料，降低农药、化肥的使用量，大力研发和推广高效、无毒、无残留农药，强化工业“三废”的源头治理，降低农业土壤污染风险。

4.2 及时修复土壤

针对环境监测过程中发现的农业土壤重金属污染，及时采取相应措施，做好农业土壤污染的修复和治理。可应用生物修复技术、化学修复技术、生态修复技术及物理修复技术等，根据不同修复技术的原理和特点，因地制宜地选择适当的修复技术工艺，如栽种蕨类植物可以吸收和富集土壤中的镉等重金属污染物，从而降低土壤中的重金属含量。

4.3 强化环保知识宣传

相关部门要切实加大农业土壤重金属污染防治方面的专业知识宣传力度，帮助广大农业种植户掌握绿色种植、科学种植技术，减少化学农药使用量，推广绿色种植技术。另外，可利用广播、电视、报纸等宣传媒介，加强环保知识宣传，提高居民环保意识，不断提升其环保能力和水平。