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浅谈土壤污染的检测手段

2019-09-22柴禄

南方农业·下旬 2019年5期

柴禄

摘 要 介绍目前几种常见的土壤污染类型,并以此为基础,阐述了气相色谱分析法、高效液相色谱分析法、原子吸收光谱法、近红外光谱法以及X射线荧光光谱法等土壤成分的分析和污染检测手段。通过这些检测手段可快速获取土壤结构和组成等多种基础数据,可为开展土壤修复工作提供理论依据。

关键词 土壤检测;组成分析;检测手段

中图分类号:S289 文献标志码:B DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.15.095

任何植物的生长都离不开土壤。在当今农业科技高度发展、我国人口与耕地资源极度不平衡的情况下,人们采取了多种手段获取更多的植物资源,随之带来的是更多的化学肥料和杀虫剂的使用,造成了严重的土壤污染,阻碍甚至破坏了生态系统的稳定发展。因此,改善土壤问题亟待解决。而土壤成分分析和污染检测将为土壤修复提供最基础的数据依据。

1 土壤污染来源

土壤的污染主要分为肥料污染、农药污染和重金属污染3大类[1]。

1.1 肥料污染

随着社会的不断发展,国家农业的产能需求日益增长,农耕地呈现日益减少的局面。为提高土壤的使用性能,追求产量和质量,人们在农作物生长过程中过度使用化学肥料,破坏了土壤原有的结构,使得土壤出现酸化和板结现象。因此,种植人员应科學合理使用化学肥料,保障土壤健康。

1.2 农药污染

土壤可以实现对部分污染物质的有效净化,但由于净化能力有限,当污染物质累积越来越多时,将超出土壤的净化能力,形成土壤污染。适量的农药可以清除虫害与杂草,但过度使用会造成土壤污染,影响农作物和植物的生长。

1.3 重金属污染

工业废水废渣的无处理排放、含重金属废水灌溉农田以及重金属农药的使用,均可造成土壤重金属污染。重金属能够在很大程度上减弱土壤肥力、减低农产品质量与产量,从而影响农产品的持续生长。此外,残存的重金属污染物通过土壤进入生长的植物,直接威胁人的生命健康。

2 土壤检测手段

为更好地应对土壤污染,将重点介绍气相色谱分析法、高效液相色谱分析法、原子吸收光谱法、近红外光谱法和X射线荧光光谱法等常见的检测手段。

2.1 气相色谱检测法

气相色谱法是检测土壤的常用方法之一,主要用于检测农药残留,通过载气冲洗实现色谱分离,又称气相层析法。它的工作原理是利用色谱中流动相在固定相中不同分配系数的特性,当土壤中的成分被气化后,进到色谱柱中进行多次分配与重组。此过程中各成分溶解程度不同,可以实现科学、合理分析。气相色谱检测法广泛应用于化工成品的检测。这种方法的使用,可以实现对土壤中农药残留的测定与分析,有助于充分了解土壤中的农药含量[2]。朱晓兰等[3]采用加速溶剂萃取—气相色谱法测定10种含有有机磷农药的土壤,将土壤样品与萃取剂混合后在加速溶剂萃取仪上以10.3 MPa、60 ℃提取10 min,对土壤中的回收率在80.4%~113.7%,有机磷农药残留检出限为0.01~0.06 μg·kg-1。李飞飞等[4]应用气相色谱氮磷检测器对土壤中霜霉威的残留量进行测定,方法的最低检出量为1×10-10 g,最低检出质量分数为0.03 mg·kg-1。

2.2 高效液相色谱法

高效液相色谱主要是在典型液相色谱方法的基础上研究提出的,是一种全新的分离技术。近年来,高效液相色谱法的使用范围逐渐扩大,重要性也在提升。高效液相色谱法具有检测效率高、结果准确和适用性广的特点,可以实现对土壤、水分以及大气等多种物质的检测,还能对其中的农药残留与杀虫剂残留进行针对性测试,有效帮助检测人员高效分析土壤情况,但检测成本较高。因此,要想这一技术得到广泛使用,需要加强降低检测成本的相关研究[2]。李彦文等[5]利用固相萃取(SPE)-高效液相色谱法(HPLC)同时测定水和土壤中5种磺胺类抗生素的分析方法,检出限分别为0.94~13.2 ng·L-1和0.24~3.3 μg·kg-1。

2.3 原子吸收光谱法

原子吸收光谱通过检测蒸汽中被检测元素中的基态原子所吸收原子共振辐射强度大小,有效确定元素的具体含量。目前,可通过火焰原子吸收光谱法、石墨炉原子吸收光谱法和氢化物发生法等3种检测手段实现[6]。几种方法的优缺点和适用范围见表1。

采用原子吸收光谱法前,需先对土壤样品进行处理。由于土壤样品基质的差异性,可依据实际情况采取不同的处理方式。目前的方式主要有电热板湿法消解法、干灰化法和微波消解法。其中,电热板湿法消解法操作简单,使用普遍。例如土壤中金属镉的检测,可采用二乙基二硫代氨基甲酸钠为检测络合剂,使用四氯化碳作为萃取剂,利用硝酸-过氧化氢进行反萃取,使之转化成水相,然后可以使用火焰原子吸收光谱法检测金属镉。另外,土壤中铝元素的检测可采取石墨炉检测法。

2.4 近红外光谱法

土壤是身份复杂的物质,主要包含有机物和无机物。其中,有机物中有大量的烷烃、芳香族、含氮和含氧物质等,而土壤有机质的含量与土壤肥力密切相关。通过近红外光谱检测手段可实现土壤中物质结构和组成的分析[7]。

近红外光的波长范围为700~2 500 nm,电磁波介于中红外光和可见光。近红外光谱可吸收C-C、C-H、C-O、N-H、P-H以及S-H等集团。几乎所有有机物的主要结构在近红外谱区都有信号,且光谱易获取、谱图稳定,可快速实现对土壤中水分、有机质以及氮磷钾等含量的检测[8]。Bowers等[9]用1 400 nm、1 900 nm和2 200 nm反射波长准确测量了土壤水分含量。Dalal等[10]用1 744 nm、1 870 nm和2 052 nm波长对澳大利亚土壤有机碳进行预测并取得了良好结果。Linker等[11]用中红外傅里叶变换—衰减全反射法(FTIR—ATR)直接测定土壤团粒中的氮含量,根据土壤类、碳酸盐含量和土壤粘土含量将土壤分类,得到了较准确的氮含量。

2.5 X射线荧光光谱法

X射线荧光光谱法主要通过X射线透射被检测物质中的原子,使其产生X射线,而不同元素与X射线荧光一一对应,以此为基础分析物质的物理和化学构成。此外,X荧光射线的强度与元素的含量呈现正相关关系,因此X射线荧光光谱法可实现对土壤中元素的定性和定量分析[12]。

利用X射线检测的过程中,因检测结果会受到同物质的相互作用,如相干散射及康普顿散射等,需对荧光光谱本底进行扣除,以保证检测结果的科学性和准确性。为减轻不同元素之间的相互影响,需用经验系数法、理论影响系数法以及基本参数法等数学校正方法进行荧光分析基体校正。该方法具有检测过程简单、检测数据准确和不破坏样品的特点,在土壤检测分析中得到了广泛应用。贾立于[13]利用粉末压片X射线荧光光谱法对土壤环境质量指标Pb、As、Zn、Cu、Ni和Cr进行测定,技术指标良好。滕彦国等[14]利用EDXRF方法成功分析了攀枝花地区土壤中重金属的含量,评价了该区土壤重金属污染的特征,结果表明该区重金属污染主要与工矿活动有关。

3 结语

气相色谱利用流动相在固定相中的不同分配系数的特性,土壤中的成分被气化后进到色谱柱中进行多次分配与重组,可科学、合理地测定和分析土壤中的农药残留。高效液相色谱是一种全新的分离技术,可实现对土壤、水分以及大气等多种物质的检测,还能够对其中的农药残留与杀虫剂残留进行针对性测试,可高效准确地分析土壤情况。原子吸收光谱通过检测蒸汽中的被检测元素中的基态原子所吸收原子共振辐射强度大小,可有效确定元素的具体含量。红外光谱法通过特定官能团可获取土壤中物质结构组成,几乎所有有机物的主要结构在近红外谱区有信号且光谱易获取、谱图稳定,可快速实现对土壤中水分、有机质以及氮磷钾等含量的检测。X射线荧光光谱法主要通过X射线透射被检测物质中的原子使其产生X射线,而不同元素与X射线荧光一一对应,以此为基础分析物质的物理化学结构,实现对土壤中元素的定性和定量分析。

参考文献:

[1] 章哲,章日亮,杨佳佳,等.农业环境中的土壤污染及检测手段分析[J].现代农业科技,2018(5):177-178.

[2] 傅程玲.基于环境中的土壤污染及检测手段研究[J].资源节约与环保,2017(2):52.

[3] 朱晓兰,蔡继宝,杨俊,等.加速溶剂萃取-气相色谱法测定土壤中的有机磷农药残留[J].分析化学,2005,33(6):821-824.

[4] 李飞飞,黄荣茂,胡德禹,等.气相色谱测定土壤中霜霉威的残留[J].农药,2010,49(2):131-132.

[5] 李彦文,莫测辉,赵娜,等.高效液相色谱法测定水和土壤中磺胺类抗生素[J].分析化学,2008,36(7):954-958.

[6] 臧娜.原子吸收方法在土壤检测中的应用研究[J].资源节约与环保,2016(5):186.

[7] 刘燕德,熊松盛,刘德力.近红外光谱技术在土壤成分检测中的研究进展[J].光谱学与光谱分析,2014,34(10):2639-2644.

[8] 陳鹏飞,刘良云,王纪华,等.近红外光谱技术实时测定土壤中总氮及磷含量的初步研究[J].光谱学与光谱分析,2008,28(2):295-298.

[9] Hanks R J,Bowers S A.Non-Steady-State Moisture,Temperature,and Soil Air Pressure Approximation With an Electric Simulator[J].Soil Science Society of America Journal,1960,24(4):699-705.

[10] Dalal R C,Henry R J.Cultivation Effects on Carbohydrate Contents of Soil and Soil Fractions[J].Soil Science Society of America Journal,1986(50):120.

[11] Linker R,Weiner M,Shmulevich I,et al.Nitrate Determination in Soil Pastes Using Attenuated Total Reflectance Mid-infrared Spectroscopy:Improved Accuracy via Soil Identification[J].Biosystems Engineering,2006,94(1):111-118.

[12] 陈霄龙.X射线荧光光谱法检测土壤中重金属的研究[D].长春:长春理工大学,2014.

[13] 贾立于.土壤环境质量指标Pb、As、Zn、Cu、Ni、Cr的X射线荧光光谱法快速测定[J].环保科技,2010,16(1):14-16.

[14] 滕彦国,度先国,倪师军,等.EDXRF方法在土壤重金属污染评价中的应用[J].核技术,2003,26(6):440-443.

(责任编辑:赵中正)