王建乐， 谢仕斌， 王 冠， 涂国权， 方战强

(华南师范大学环境学院∥广东省水环境生态治理与修复工程技术研究中心，广州 510006)

重金属具有不可降解、易迁移、危害健康的特性，随着工业的发展，土壤重金属污染问题已成为我国较严重的环境问题之一[1]. 重金属在土壤中过度积累会对人体健康造成影响[2]，据调查，珠江三角洲地区的Cd、Hg、Pb等重金属污染已对居民健康和农产品安全构成严重威胁[3]，使得重金属污染的研究热度不断提高.

重金属在土壤中的形态决定着重金属的生物有效性[4]，由于土壤中重金属的形态在适当的条件下可以发生转变[5]，因此研究土壤中重金属的有效形态才能客观地评价重金属的毒性. 近年来，国内外对土壤重金属有效态的研究不断增加，旨在为重金属土壤修复效果提供评估标准.

目前，土壤重金属的提取方法分为单级提取法和多级提取法，单级提取法是利用单一或者混合提取剂一次性将土壤有效态重金属提取出来，多级提取法是利用提取能力不同的提取剂分几步从活跃到稳定的顺序将土壤中的重金属全部提取出来，其中单级提取法的特点是操作简单、用时较短，但参考性弱，常用的提取方法有水平振荡法、硫酸-硝酸法、TCLP法(Toxicity Characteristic Leaching Procedure, TCLP)、DTPA法(Diethylenetriaminepentaacetic Acid,DTPA)、CaCl2浸提法[6]. 多级提取法以欧共体标准物质局提出的BCR连续提取和SEP连续提取法(Sequential Extraction Procedures, SEP)最为权威[7]，其特点是参考性强，但操作复杂、用时较长. MENZIES[8]、刘峰[9]和罗泽娇[10]等针对单级提取剂比较了不同浸提剂对重金属的浸提能力，而刘丹丹[11]则主要比较了多级提取法中BCR法和SEP法提取重金属的形态分布. 单一的浸提剂对不同重金属的浸提能力存在差异[12]，不同提取剂的浸提能力的比较有待研究. 同时，关于单级提取与多级提取联系的研究尚未成熟，不同浸提剂浸出重金属的质量分数与土壤中重金属形态之间的关系也有待研究.

因此，本文选取Cu、Ni、Pb、Cd作为研究对象，通过实验对标准方法中去离子水、硫酸-硝酸、二乙烯三胺五乙酸、醋酸缓冲溶液、氯化钙溶液等浸提剂的浸提能力进行对比，同时比较BCR法提取的重金属形态分布和SEP法提取的重金属形态分布的联系与差异，探究浸提剂浸出的Cu、Ni、Pb、Cd的质量分数与BCR、SEP法提取的重金属形态分布的关系，为重金属污染土壤修复评估标准提供参考依据.

1 实验部分

1.1 供试土壤及试剂

以广东省广州市某酸性稻田土(113.38E，23.06N)作为供试土壤，土壤采自表层土壤0～20 cm土层. 为保证浸出液中重金属质量分数尽量保持在标准曲线的中间部分，减少因重金属质量分数太低或太高需稀释引入的误差，向土壤中外加已知质量浓度的硝酸铜、硝酸镍、硝酸铅和硝酸镉溶液(m(土)∶V(水)=1∶3)，使模拟土壤中重金属总质量分数控制在100～300 mg/kg，电力搅拌24 h充分混合均匀后，自然风干至恒质量，将制备的污染土磨碎后过0.30 mm筛，贮于广口瓶中于干燥器内保存，静置2周后待用. 经测定，土壤理化性质如表1所示. 实验中所使用的试剂均为分析纯.

表1 土壤理化性质Table 1 The basic physical and chemical properties of the test soil

1.2 单级提取法

用去离子水(DI)、硫酸-硝酸(AA)、二乙烯三胺五乙酸(DTPA)、醋酸缓冲溶液(TCLP)、氯化钙浸提剂(CC)分别对模拟污染土壤进行单级提取(表2)，提取后的溶液经0.45 um聚醚砜滤膜过滤，滤液用火焰原子吸收光谱法检测，Cu、Ni、Pb、Cd元素的检测波长分别为234.7、232.0、283.3、228.8 nm，原子吸收仪的设备型号为TAS-986.

1.3 多级连续提取法

参照欧洲共同体标准物质局的BCR连续提取法[17](表3)和TESSIER[18]提出的SEP连续提取法(表4)进行提取，除最后一步外，每个步骤完成后进行离心处理，保留上清液，每一个步骤之间用去离子水洗涤干净后进行离心处理，倒掉上清液，重复2～3次. 提取后各形态的浸出溶液经0.45 um微孔滤膜过滤，滤液用火焰原子吸收光谱法检测，谱线波长和设备型号同上.

BCR连续提取法规定土壤中重金属各种形态的稳定性由低到高依次是弱酸可提取态(B1)、可还原态(B2)、可氧化态(B3)、残余态(B4)[17]， SEP连续提取法规定土壤中重金属各种形态的稳定性由低到高依次是可交换态(S1)、碳酸盐结合态(S2)、铁锰氧化态(S3)、有机结合态(S4)、残余态(S5)[19]，这2种提取法常被用来确定重金属在土壤中的形态分布[7].

表2 单级提取法Table 2 The single-stage extraction method

表3 BCR连续提取法Table 3 The BCR extraction method

表4 SEP连续提取法Table 4 The SEP extraction method

1.4 分析方法

土壤中Cu、Ni、Pb、Cd的总质量分数测定参考文献[20]，土壤pH、土壤有机质质量分数、土壤阳离子交换量的测定分别参考文献[21]、[22]和[23].

1.5 数据处理及对比分析

浸提率的计算：浸提剂的浸提率=单位土壤中提取的重金属质量分数/单位土壤中重金属的总质量分数

实验数据采用Excel 2010、Origin 8、SPSS 16.0等软件进行统计分析，对不同浸提剂的浸提率进行比较，进一步分析BCR和SEP多级连续提取法的重金属形态分布.

2 结果与讨论

2.1 不同浸提剂对重金属提取能力的比较

不同浸提剂提取4种重金属的容易程度从高到低依次为Cd、Ni、Cu、Pb(表5). 对于Cd元素，DTPA的浸提率为89.90%，这是由于Cd在土壤中比较活跃[24]. 对于Pb元素，DTPA的浸提率为13.50%，而CC、TCLP、AA、DI无法提取出土壤中有效形态的Pb元素，这是因为Pb在中性环境下溶解性低，能提取出来的Pb元素非常少[7]. 5种浸提剂的浸提能力由高到低依次为DTPA、TCLP、CC、AA、DI，该规律对Cu、Ni、Pb、Cd这4种元素具有普适性，浸提能力最弱的AA和DI对Cu、Ni、Pb、Cd的浸提率均不足3.00%. DTPA的浸提能力最强，可能是因为DTPA中的螯合剂可以较好地捕获土壤中的重金属，刘锋等[25]比较了AA和TCLP提取能力的区别，结果表明TCLP的提取能力远大于AA的提取能力，与本研究中得出的结论一致. 由于DTPA和TCLP的强浸提能力，这2种浸出方法被广泛应用于土壤重金属的稳定性分析[26].

表5 不同浸提剂对重金属的浸提率Table 5 The extraction rate of heavy metals with different extractants %

2.2 BCR法和SEP法的重金属提取形态分布比较

研究[27]表明不同重金属在土壤中的形态分布存在差异. BCR法和SEP法提取的Cu和Ni的活跃形态存在联系(图1)，对于Cu、Ni元素，BCR法的B1和B2形态的质量分数总和(分别为52.0%和60.4%)与SEP法的S1、S2和S3的质量分数总和(分别为50.0%和60.3%)相近；对于Pb元素，2种提取方法的联系较弱，BCR法中Pb在土壤中主要以B2形态为主，可能是Pb元素极易被碳酸盐和氧化物强烈吸附所致[28]，SEP法中Pb在土壤中的S1形态分布较少，无显著的分布规律. 对于Cd元素，2种提取方法的联系较弱，BCR法中Cd的B3形态分布较少，B1、B2和B4形态分布较多；SEP法中Cd以S1和S2形态为主，较稳定的S4和S5形态的Cd非常低，可能是受污染的Cd土壤残余态比例会显著减少[29].

图1 不同提取法下土壤中重金属形态的分布图Figure 1 The species distribution of heavy metals in soil with different extraction methods

2.3 浸出重金属的质量分数与提取的重金属形态分布的联系

2.3.1 DTPA浸出重金属的质量分数与提取的重金属形态的联系 DTPA浸提剂可以模拟植物根系吸收土壤中重金属的过程，能被DTPA提取出来的重金属具有生物有效性[30]. DTPA浸出Cu的质量分数为 58.1 mg/kg(图2)，土壤中Cu的B1和B2形态的质量分数分别为40.9、42.2 mg/kg，DTPA能提取土壤中Cu元素的B1和B2形态的一部分；土壤中Cu的S1、S2、S3形态的质量分数分别为1.7、28.3、50.2 mg/kg， DTPA能提取土壤中Cu元素的S1～S3形态的一部分.

DTPA浸出Ni的质量分数为66.1 mg/kg，土壤中Ni的B1形态的质量分数为68.3 mg/kg，DTPA仅能提取出Ni元素的B1形态的一部分；土壤中Ni的S1、S2和S3形态的质量分数分别为18.3、39.1、57.2 mg/kg，DTPA能提取土壤中Ni元素的S1～S3形态的一部分.

DTPA浸出Pb的质量分数为36.5 mg/kg，Pb的B1和B2形态的质量分数分别为4.6、169.2 mg/kg，DTPA能提取土壤中Pb元素的B1和B2形态的一部分；土壤中Pb的S1、S2和S3形态的质量分数分别为1.4、39.3、92.5 mg/kg，DTPA能提取土壤中Pb元素的S1～S3形态的一部分.

DTPA浸出Cd的质量分数为113.9 mg/kg，接近土壤中的总镉质量分数(126.7 mg/kg)，DTPA能提取出土壤中Cd的B1～B4形态的一部分；土壤中Cd的S1、S2和S3形态的质量分数分别为55.8、52.8、26.3 mg/kg，DTPA能提取土壤中Cd元素的S1～S3形态的一部分.

在BCR连续提取法中，DTPA对不同重金属的提取能力存在较大差异，造成这种差异主要是因为复杂的土壤环境下重金属离子之间互相影响[31-32]及根际微生物所引起的重金属形态变化[33]. 在SEP连续提取法中，DTPA对不同重金属的提取能力比较接近，DTPA普遍能提取出土壤中S1、S2形态全部的重金属和S3形态一部分的重金属.

图2 DTPA浸出重金属的质量分数与土壤中重金属形态分布的关系Figure 2 The relation between DTPA-based leachability of heavy metal fractions and heavy metal species distribution in soil

2.3.2 TCLP浸出重金属的质量分数与提取的重金属形态的联系 在美国，TCLP浸提剂常用于评估固体废物浸出毒性[16]. 在BCR连续提取法中，TCLP对不同重金属的提取能力比较接近(图3A)，Pb的B1形态的比例明显低于其他重金属[34]，这解释了提取能力较强的TCLP浸提剂无法浸出Pb元素的现象. TCLP浸出Cu、Ni、Cd的质量分数分别为15.8、44.2、45.5 mg/kg，土壤中Cu、Ni、Cd的B1形态的质量分数分别为40.9、68.3、45.0 mg/kg，TCLP只能提取出土壤中B1形态一部分的重金属，该结果与刘丹丹[8]等的结论一致. TCLP浸出的重金属质量分数与BCR连续提取法中重金属形态存在紧密联系，TCLP能提取出B1形态一部分的重金属，原因可能是TCLP浸提剂的主要原料是醋酸，BCR法第一步用的也是醋酸. 在SEP连续提取法中(图3B)，TCLP对不同重金属的提取能力存在差异. 土壤中Cu的S1、S2形态的质量分数分别为1.7、28.3 mg/kg，TCLP能提取土壤中Cu元素的S1和S2形态的一部分；土壤中Ni的S1、S2形态的质量分数分别为18.3、39.1 mg/kg，TCLP能提取土壤中Ni元素的S1和S2形态的一部分；TCLP无法提取出土壤中的Pb元素；土壤中Cd的S1形态的质量分数为55.8 mg/kg，TCLP仅能提取土壤中Cd元素的S1形态的一部分. JOSE等[35]证明了CC提取重金属的质量分数与土壤中S1形态含量相近，这也能解释本实验发现比CC提取能力强的TCLP可以提取Cu、Ni的S1和S2形态. CC、AA、DI浸提剂与土壤中重金属形态分布无显著联系，可能与土壤本身性质有关[36].

图3 TCLP浸出重金属的质量分数与土壤中重金属形态分布的关系Figure 3 The relation between TCLP-based leachability of heavy metal fractions and heavy metal species distribution in soil

3 结论

(1)本研究表明：5种常见单级提取法的浸提能力由大到小依次为DTPA、TCLP、CC、AA、DI，浸提剂提取4种重金属的容易程度由大到小依次为Cd、Ni、Cu、Pb. 多级提取实验显示：不同重金属在土壤中的形态分布存在差异，对于Cu和Ni元素，BCR法提取的活跃形态(B1+B2)的质量分数与SEP法提取的活跃形态(S1+S2+S3)的质量分数相近.

(2)通过对比分析单级提取和多级提取的数据可以发现：TCLP浸出重金属的质量分数与BCR连续提取法中重金属形态存在紧密联系，TCLP能提取出B1形态一部分的重金属；DTPA浸出重金属的质量分数与SEP连续提取法中重金属形态也存在紧密联系，DTPA浸提剂能提取出S1、S2形态全部的重金属和S3形态一部分的重金属；CC、AA、DI浸出重金属的质量分数与BCR、SEP法提取形态分布均无显著联系，不同重金属的浸出规律也存在差异. 建议直接用单级提取法中的DTPA提取法和TCLP提取法进行土壤Cu和Ni的浸出毒性研究，使用BCR或者SEP多级提取法进行Pb和Cd的浸出毒性研究. 浸出重金属质量分数与形态分布的规律在不同重金属污染程度和理化性质土壤中的普遍适用性问题则有待进一步研究.