土壤重金属形态与环境因子影响

重金属形态是指重金属元素在环境中的某种离子、分子或其他结合方式存在的物理—化学形式。土壤中的重金属无论是本底还是外部输入，都会与土壤胶体、黏粒、有机质等通过溶解、吸附、络合、沉淀、凝聚等反应形成不同形态。如自由离子态、铁锰氧化物结合态、有机螯合态、残渣态等，而各形态的活性、迁移特点和生物毒性及环境效应是存在差异的。关于土壤中重金属的形态，有着不同的分类方法，也有不同的称谓，Kim等总结了重金属在土壤-作物系统运移土壤-植物根表—植物体内3个不同阶段的形态特征及适宜的名称，具体见图8-1。

土壤中的重金属形态与测量方法直接相关，事实上，重金属的形态称谓就是其化学测量方法的名词表征。现今，重金属形态分析有多种方法，主要有化学提取法、模型分析法、电化学检测法、DGT提取法及其他方法等。化学提取法是最常用的重金属形态分离方法，又可以根据提取步骤的多少可分为一步提取法或多步提取法。一步提取法是指采用酸（如0.1mol/L HCl、0.43mol/L HNO3、苹果酸或柠檬酸或混合有机酸等）、盐（如0.01mol/L CaCl2、1mol/L NH4NO3、0.1mol/L NaNO3）或耦合剂（如0.05mol/L DTPA）浸提土壤中的重金属，将可浸提的部分称为有效态。多步提取法主要分为Tiesser连续提取法及BCR连续提取等（表8-1和表8-2）。

模型分析法是重金属形态分析的另一种重要方法，它往往是基于对重金属在土壤体系中化学平衡机制形成的重金属形态分析方法，现阶段较为成熟的机制模型及对应的软件主要有ModelⅦ，SCAMP模型支撑的WHAM软件（Tipping，1994；Lofts et al.，2011），以NICA-Donnan模型为基础的ECOSAT软件（易丽，2005），以SHM模型和NICA-Donnan模型为基础的Visual MINTEQ软件（Choi，2006）等。其中Visual MINTEQ属于免费共享软件，在国际上应用非常广泛，Visual MINTEQ可有效解析在不同环境条件下，如pH、SOM、溶解性CO2等，单一金属及多种金属复合溶液中金属的形态及各组分的比例，高级用户甚至可以对机制模型的相关参数根据实际实验数据进行修正，以更好地满足需求。WHAM软件为付费软件，它在土壤重金属形态分析中充分考虑了土壤胶体，有机质、铁锰氧化物等因子与重金属的物理及化学反应特点，计算结果内容丰富，并可与DGT等技术检测结果进行对比评估，实际应用也多见于报道（Almas et al.，2006；Sondergaard et al.，2008）。

图8-1　土壤-植物根表—植物体系三阶段重金属形态特征及称谓

表8-1　Tiesser连续提取程序(www.xing528.com)

表8-2　BCR连续提取程序

电化学分析法主要有离子选择性电极法、阳极溶出伏安法等。离子选择性电极法易受到溶液环境条件的影响，且受限于离子选择性电极的可获得性；阳极溶出伏安法确定的重金属某种形态是一组在动力学、迁移性和稳定性等方面具有相似行为的重金属物质（李桂华，2004；李鑫等，2017；孙萍等，2017）。

DGT法是重金属形态分析的另一种方法，它属于重金属形态分析原位提取技术，可以将重金属形态分为有效态及无效态两种，有效态又可分为离子态及有机易解离态（田娜娜等，2017）。相比其他技术，DGT具有原位提取土壤扰动少，有效态与植物吸收量相符性高、实施过程简单、计算方便、检测参数少等特点。其缺点是DGT自身制备复杂，要求条件高，受制于成本限制等。近年来，国产化DGT也在不断发展，其制备材料也在不断推陈出新，成本也逐步亲民化（宋志廷等，2016）。

除以上提出的重金属形态分析方法外，其他方法还包括X射线吸收光谱法。X射线吸收光谱法测量透过样品的X射线强度随波长的变化，根据所揭示的吸收限的波长，即可鉴定样品中所存在的元素，再通过测定各吸收限上所出现的吸收强度的变化进行定量分析。X射线吸收光谱法也是对重金属进行形态分析的利器。