CaCl2-DTPA法提取土壤有效態(tài)砷的條件優(yōu)化

王 雨，宋慶瑞

（1.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384；2.中華全國(guó)供銷合作總社天津再生資源研究所，天津 300191）

砷在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中利用比較廣泛，正確、合理的使用下才不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境造成污染。土壤中砷元素的積累很大一部分原因來自農(nóng)業(yè)上農(nóng)用產(chǎn)品的過量使用（如：含砷農(nóng)藥、化肥等）[1]，最終導(dǎo)致環(huán)境污染。我國(guó)土壤砷元素的背景值為9.6 mg/kg，范圍為2.5～33.5 mg/kg。同等含量的砷在不一樣的土壤中的生物有效性和毒性是不同的。目前，利用“有效態(tài)”來評(píng)估土壤中的污染物濃度，可以更好地體現(xiàn)出土壤中的環(huán)境污染情況和環(huán)境對(duì)作物的影響[2]，因此開展農(nóng)用地土壤有效態(tài)砷的研究對(duì)分析土壤砷污染與評(píng)價(jià)有重要的作用。

土壤中有效態(tài)砷測(cè)定，目前應(yīng)用普遍的是選擇提取劑法。Woolson等[3]認(rèn)為，在酸性的土壤中，HCl（0.5 mol/L）的效果較好，但在堿性的土壤中NaHCO3（0.5 mol/L）的效果較好。涂從等[4]在紫、黃兩種土壤中進(jìn)行了NaHCO3（0.5 mol/L），NH4Cl（1.0 mol/L）以及HCl（0.1 mol/L）等提取劑提取有效態(tài)砷的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，三類提取劑對(duì)土壤均有較好的作用，而NaHCO3(0.5 mol/L）對(duì)土壤的影響最大。肖玲等[5]的研究表明，在石灰質(zhì)土壤中，NaHCO3(0.5 mol/L）最好的萃取有效態(tài)砷含量的方式是土∶液=1∶10，振蕩時(shí)間60 min。黃瑞卿等[6]采用不同的提取劑，分別從不同的酸堿地和酸菜地中提取出有效態(tài)砷，得出提取的土壤有效態(tài)砷與作物果實(shí)部分的砷含量的相關(guān)程度較高，其中選用NaH2PO4（0.5 mol/L）提取劑的相關(guān)性最為明顯，優(yōu)于其它提取劑。在對(duì)NaH2PO4的提取條件的研究中發(fā)現(xiàn)，在液土比15∶1、振蕩速度250 r/min、振蕩時(shí)間120 min時(shí)提取酸性土壤有效態(tài)砷為最優(yōu)。盧聰?shù)萚7]認(rèn)為有效態(tài)砷測(cè)定可以采用Wenzel等[8]的連續(xù)提取方法。

分析土壤重金屬有效態(tài)，提取劑的選擇和提取條件是分析步驟的關(guān)鍵。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外在對(duì)土壤中的有效態(tài)砷進(jìn)行試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通常用DTPA（絡(luò)合劑）、HCl、中性鹽等溶液進(jìn)行浸提，其中HCl等酸性溶液由于pH不高，可以將某些未被置換狀態(tài)下的重金屬分離，但實(shí)際的活性狀態(tài)不能用所提取的重金屬形式來表示；中性鹽當(dāng)做提取劑只能大致反映出中性pH下土壤重金屬的溶解程度；而DTPA等絡(luò)合物對(duì)土壤中的重金屬具有很好的吸附效果，而且可以很好地表現(xiàn)出重金屬的有效性[9]。氯化鈣-二乙烯三胺五乙酸(CaCl2-DTPA)是一種復(fù)合提取劑，選用CaCl2-DTPA作為提取劑，則能進(jìn)一步增強(qiáng)土壤有效砷測(cè)定的穩(wěn)定性。

在以往用CaCl2-DTPA作為提取劑的研究中，提取時(shí)間一般在0.5~2 h不等，液土比、提取速率以及其它的提取條件也各不相同，而且最佳提取條件也因土壤類型和土壤性質(zhì)的不同而有較大差異，這使得CaCl2-DTPA提取劑在不同類型土壤有效態(tài)砷的提取及推廣應(yīng)用過程中缺乏有效的指導(dǎo)。因此，本文試圖探索利用CaCl2-DTPA提取劑提取農(nóng)用地土壤中有效態(tài)砷的最佳提取條件，并為各類土壤中有效態(tài)砷的測(cè)定提供理論和技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法選擇

本試驗(yàn)選擇原子熒光法，此方法測(cè)試線性范圍大、穩(wěn)定性高、成本低，廣泛應(yīng)用于土壤中的砷測(cè)定。針對(duì)土壤中砷測(cè)定的實(shí)際問題，需要根據(jù)不同的需求，采用不同方法進(jìn)行研究、比較，選用合理測(cè)試方法，對(duì)于目前土壤有效態(tài)砷的測(cè)定現(xiàn)狀，本次實(shí)驗(yàn)選擇原子熒光分析法。

1.2 試劑與儀器

鹽酸（HCl）、硝酸、硫酸（H2SO4）、高氯酸（HClO4）均為優(yōu)級(jí)純；二水合氯化鈣（CaCl2·2H2O）、三乙醇胺（C6H15NO3）、二乙烯三胺五乙酸（C14H23N3O10）均為分析純；砷標(biāo)準(zhǔn)貯備液（1 mg/mL）；氫氧化鉀（KOH）優(yōu)級(jí)純；硼氫化鉀（KBH4）優(yōu)級(jí)純。

配制CaCl2-DPTA提取劑：0.147 g二水合氯化鈣、1.492 g三乙醇胺、0.1967 g二乙烯三胺五乙酸，加水溶解定容至80 mL，用濃HCl調(diào)整pH值，后轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中定容。

AFS-230E型原子熒光光度計(jì)；QYC-2102型恒溫振蕩機(jī)；LD5-2B型離心機(jī)；TU-1901型紫外分光光度計(jì)；pH計(jì)；氧化還原電極；電熱板；分析天平等。

1.3 樣品制備

根據(jù)NY/T1221.1—2006《土壤檢測(cè) 第1部分：土壤樣品的采集、處理和貯存》制備樣品。采集的農(nóng)用地土壤樣品，放在陰涼、干燥、通風(fēng)、無特殊氣味和無灰塵污染的室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干、碾碎土塊。風(fēng)干后，將樣品敲碎，全部過100目尼龍篩，裝入專用塑料瓶中，封好對(duì)其編號(hào)留以備用。

1.4 樣品處理

1.4.1理化性質(zhì)

根據(jù)NY/T 1377—2007規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定土壤pH值；HJ 746—2015國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定土壤氧化還原電位；HJ 704—2014國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《土壤 有效磷的測(cè)定 碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗分光光度法》測(cè)定土壤有效磷含量；HJ 615—2011國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《土壤 有機(jī)碳的測(cè)定 重鉻酸鉀氧化—分光光度法》測(cè)定土壤有效碳含量；NY/T 1221.1—2006《土壤檢測(cè) 第11部分：土壤總砷的測(cè)定》測(cè)定土壤總砷含量，測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 土壤理化性質(zhì)

1.4.2Tessier法

該法將土壤金屬的結(jié)合態(tài)分為5種，即可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)[10]，本試驗(yàn)將Tessier法前四步提取方法（除殘?jiān)鼞B(tài)）提取的有效砷含量作為此土壤有效砷含量的總量，通過CaCl2-DTPA提取劑提取土壤有效砷，得到土壤有效砷提取率，見表2。

表2 Tessier法測(cè)提取有效砷含量 mg/kg

1.5 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

加 入 砷 標(biāo) 準(zhǔn) 溶 液0、0.25、0.50、1.50、2.50、5.0 mL于50 mL容量瓶中，再加入5%鹽酸溶液定容。此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)系列濃度分別為：0.00 μg/L、0.50 μg/L、1.00μg/L、3.00 μg/L、5.00 μg/L、10.00 μg/L。

按照參考測(cè)量條件，由低濃度到高濃度依次向原子熒光光譜儀中進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)使用液。起始濃度為零，以熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，以濃度（μg/L）為橫坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.6 單因素試驗(yàn)

在未開始試驗(yàn)之前，根據(jù)資料查閱的研究結(jié)果，本試驗(yàn)以土液比1:15，振蕩時(shí)間60 min，振蕩速度150 r/min為中間條件，分別考察土液比1:5、1:10、1:15、1:20、1：25；振 蕩 時(shí) 間10 min、30 min、60 min、90min、120 min;振蕩速度50 r/min、100 r/min、150 r/min、200 r/min、250 r/min，3個(gè)單因素水平對(duì)土壤有效砷提取率的影響。

1.7 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)提取劑提取條件優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以土液比1:5、1:10、1:15；振蕩時(shí)間60 min、90 min、120 min；振蕩速度150r/min、200 r/min、250 r/min，設(shè)計(jì)三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，見表3。

表3 三因素三水平初步設(shè)計(jì)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1土液比的影響分析

見圖2，可以看出，不同土液比對(duì)土壤有效砷的提取率有明顯地差別，在土液比1:5～1:10的范圍內(nèi)，可以明顯看出土壤有效砷提取率增加趨勢(shì)，在土液比1:10以后開始逐漸下降至1:20開始趨于平穩(wěn)，原因應(yīng)該是土液比相對(duì)增加，提取難度也相對(duì)增大，CaCl2-DTPA提取劑難以從土壤中提取到更多的有效砷，因此選擇1:10為理想土液比。

圖2 不同土液比對(duì)有效砷提取率的影響

2.1.2振蕩時(shí)間的影響分析

見圖3，可以看出，不同振蕩時(shí)間對(duì)土壤有效砷的提取率也有較大影響，整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。10 min時(shí)出現(xiàn)短暫小峰值，考慮到振蕩時(shí)間過短，提取劑沒有完全產(chǎn)生提取作用，提取的有效砷含量沒有較高的準(zhǔn)確度，因而在10～30 min出現(xiàn)提取率下降；30～90 min時(shí)，提取率顯著增多，在90 min時(shí)開始穩(wěn)定，趨勢(shì)較為明顯，因此選擇90 min為理想振蕩時(shí)間。

圖3 不同振蕩時(shí)間對(duì)有效砷提取率的影響

2.1.3振蕩速度的影響分析

見圖4，可以看出，不同振蕩速度對(duì)土壤有效砷的提取率影響不是特別顯著，不同振蕩速度都會(huì)有上升或下降趨勢(shì)，但整體提取率較為穩(wěn)定。從變化幅度上不好比較振蕩速度的影響差別，但從提取率上可以發(fā)現(xiàn)到振蕩速度200 r/min時(shí)提取率最優(yōu)，且之后較為穩(wěn)定，因此選擇200 r/min為理想振蕩速度。

圖4 不同振蕩速度對(duì)有效砷提取率的影響

2.2 正交實(shí)驗(yàn)分析

如表4所示，K1、K2、K3分別表示在各因素、各水平下CaCl2-DTPA提取劑提取土壤有效砷提取率的總和，K1、K2、K3可表示為提取率的平均值。同一因素各水平下平均提取量的極差R就等于平均提取率的最大值-平均提取率的最小值。R的數(shù)值表示某一因素的水平變動(dòng)對(duì)結(jié)果影響的大小[11]。

表4 CaCl2-DPTA提取劑正交實(shí)驗(yàn)

由正交實(shí)驗(yàn)表得到結(jié)果：CaCl2-DTPA提取劑提取條件最佳組合為土液比1:5，振蕩時(shí)間90 min，振蕩速度200 r/min。因素影響為土液比＞振蕩時(shí)間＞振蕩速度。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示土液比1:5為最佳提取條件，但從數(shù)據(jù)分析看出當(dāng)土液比為1:10時(shí)提取量已經(jīng)達(dá)到最佳提取效率。從減少實(shí)驗(yàn)用量，在實(shí)驗(yàn)消耗最低的情況下，達(dá)到最優(yōu)提取率的角度考慮，因此我們選擇理想土液比為1:10。

2.3 討論

張傳琦等[12]以ICP-MS法測(cè)定土壤中有效態(tài)砷，與原子熒光法同時(shí)對(duì)比測(cè)定有效態(tài)砷，兩種方法測(cè)定的土壤有效砷的含量均為有效值。但I(xiàn)CP-MS法僅在對(duì)大批量樣品測(cè)定時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，在檢測(cè)樣品少時(shí)并不適用，相比之下顯得浪費(fèi)時(shí)間、虛耗成本，此外選用ICP-MS法檢測(cè)有效態(tài)砷的應(yīng)用較少，缺乏準(zhǔn)確有效的參考價(jià)值，而以原子熒光法為測(cè)定方法，不僅儀器成本、維護(hù)成本低且操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，因此本研究選用原子熒光分析法為實(shí)驗(yàn)方法。

DTPA與土壤中的金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成絡(luò)合物。該絡(luò)合物在提取液中狀態(tài)比較平穩(wěn)，而且提取時(shí)對(duì)樣品的酸堿度也沒有太大的需求。因此，DTPA廣泛用于提取土壤中有效態(tài)重金屬含量。Hooda等[13]發(fā)現(xiàn)DTPA提取的土壤重金屬有效態(tài)與黑麥草吸收的重金屬存在較好的相關(guān)性，這說明DTPA提取出的重金屬正是植物可以吸收的有效態(tài)重金屬。馬建軍等[14]研究土壤有效態(tài)鎳的提取條件，分析了幾種不同的提取劑，提出DTPA是提取不同類型土壤中有效態(tài)鎳通用提取劑的首選，這說明DTPA在土壤有效態(tài)金屬的提取方面有一定優(yōu)勢(shì)。周嘉誠(chéng)等[15]提出了石墨爐原子吸收光譜法，即DTPA作為提取劑，用原子吸收光譜儀測(cè)定，這與本研究利用DTPA提取有效態(tài)砷的步驟大致相同，但該研究并未對(duì)提取步驟進(jìn)行優(yōu)化，提取率也低于本研究。徐琴等[16]對(duì)DTPA浸提法測(cè)定土壤中有效態(tài)鐵的方法進(jìn)行了探討，得出對(duì)于測(cè)定土壤有效鐵采用的DTPA浸提法要優(yōu)于其他浸提方法，而砷與鐵同為土壤重金屬，因此理論上選用DTPA提取有效態(tài)砷是可行的；馮俊等[17]采用DTPA作為提取劑，用ICP-OES測(cè)定以識(shí)別土壤中的有效鋅、鐵、錳、銅、鉛、鈷、鎳和鎘的含量，并被成功應(yīng)用到云南富源某地區(qū)，用于指導(dǎo)該地區(qū)的土壤施肥情況以獲得作物的最大產(chǎn)量。以上眾多研究均表明，本研究選擇DTPA作為農(nóng)用土壤有效態(tài)砷的提取劑具有充分的理論依據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

孫震等[18]的研究結(jié)果與本研究提取劑想法大致相同，都發(fā)現(xiàn)CaCl2-DTPA提取劑提取有效態(tài)砷有顯著效果。但其對(duì)于最優(yōu)提取條件的分析沒有進(jìn)一步研究，對(duì)用CaCl2-DTPA提取劑提取出有效態(tài)砷的提取條件說明并不完善。本研究不僅分析了影響提取條件的較大因素，還利用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了提取效率，結(jié)果表明有效態(tài)砷在提取條件為土液比1:10，振蕩時(shí)間90 min，振蕩速度200 r/min時(shí)提取效果最優(yōu)，研究結(jié)果使農(nóng)用土地中有效態(tài)砷的最優(yōu)提取條件的科學(xué)性增加。

3 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)研究通過單因素實(shí)驗(yàn)分析了CaCl2-DTPA提取劑提取條件包括土液比、振蕩時(shí)間、振蕩速度。再通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化最佳提取條件得到理想土液比1:10、振蕩時(shí)間90 min、振蕩速度200 r/min。涉及的農(nóng)用地土壤為堿性土壤，這也為CaCl2-DTPA提取劑適用范圍進(jìn)行了補(bǔ)充，除適用于中性、酸性和石灰性土壤有效鋅、鐵、銅、錳、鎘和汞等元素之外，CaCl2-DTPA提取劑可以適用于堿性土壤有效態(tài)砷

的提取。但本次實(shí)驗(yàn)的CaCl2-DTPA提取劑最優(yōu)提取條件還未對(duì)中性和酸性土壤進(jìn)行分析，出于部分因素限制，實(shí)驗(yàn)所采用的土壤樣品數(shù)量和種類有一定的局限性，在不同類型農(nóng)用地土壤中有效態(tài)砷的分析測(cè)試中有待將方法進(jìn)一步的擴(kuò)大、應(yīng)用，使該方法更具實(shí)用性。