守护大地健康的科技利器

经验 2025年02月19日 11:53 176 艺桐

在当今工业化和城市化快速发展的时代，土壤污染问题日益引起人们的广泛关注，土壤中的重金属污染更是对生态环境、农作物安全以及人类健康构成了严重威胁，准确测定土壤中的重金属含量成为了解决这一问题的关键环节，它就像是一场保护大地健康的精密战役中的重要侦察行动。

一、土壤中重金属的来源与危害

（一）来源

1、工业污染

- 工业生产过程是土壤重金属污染的主要源头之一，在金属冶炼过程中，铅、锌、铜等重金属会随着废气、废水和废渣排放到环境中，以铅冶炼为例，含铅烟尘可能会沉降在周边的土壤中，而且一些小型的非法冶炼厂由于缺乏有效的环保措施，其排放的重金属污染物对附近土壤的危害更为严重。

- 化工产业也会产生大量的重金属污染物，像磷肥生产企业，在磷酸生产的湿法工艺中，会产生含有氟、镉等重金属的废水，如果处理不当，这些废水渗入土壤后就会造成污染。

2、农业活动

- 农药和化肥的不合理使用是导致土壤重金属污染的重要农业因素，某些农药中含有汞、砷等重金属成分，长期大量使用这些农药会使土壤中的重金属逐渐积累，有机胂农药曾被广泛应用于农业生产中防治病虫害，但其残留的砷元素会在土壤中累积并对土壤微生物和农作物产生毒害作用。

- 含有重金属的污水灌溉也是不可忽视的因素，在一些地区，为了节约水资源或者缺乏合适的灌溉水源，将未经处理或处理不达标的工业废水用于农田灌溉，这些污水中携带的重金属离子如铬、镍等就会进入土壤，改变土壤的理化性质并影响农作物的质量。

3、交通运输

- 汽车尾气排放是交通运输领域土壤重金属污染的主要途径，汽车燃油燃烧不完全时会产生铅、镉、钒等多种重金属微粒，尤其是在交通繁忙的城市道路两侧，土壤中的铅含量往往较高，轮胎磨损产生的橡胶粉尘中也含有一定量的锌等重金属元素，这些物质在道路上沉积后，经过雨水冲刷等作用最终进入土壤。

（二）危害

1、对土壤生态系统的破坏

- 土壤中的重金属会影响土壤微生物的群落结构和功能，许多土壤微生物对重金属具有较高的敏感性，当土壤中的镉含量超过一定限度时，会抑制土壤中硝化细菌的活性，从而影响土壤氮循环过程，这会导致土壤肥力下降，影响植物根系对养分的吸收利用。

- 重金属还会改变土壤的物理化学性质，高浓度的重金属可以使土壤的pH值发生变化，降低土壤的缓冲能力，它还会影响土壤的通气性和透水性，使土壤变得板结，不利于植物生长。

2、对农作物的影响

- 作物在生长过程中会吸收土壤中的重金属，一旦土壤中重金属超标，农作物就会富集这些有害物质，水稻对镉有一定的富集能力，当稻田土壤受到镉污染时，大米中的镉含量就会升高，食用这种受污染的大米会对人体健康造成危害，如损害肾脏功能、引发骨骼疾病等。

- 重金属还会影响农作物的产量和品质，它可能干扰植物体内正常的生理代谢过程，导致叶片黄化、植株矮小等症状，进而降低农作物的产量，农产品中的重金属残留也会使其在市场上失去竞争力。

3、对人体健康的威胁

- 当人们摄入被重金属污染的食物、饮用受污染的地下水或者通过皮肤接触等方式接触到土壤中的重金属时，就会对健康产生不良影响，铅中毒会影响儿童的神经系统发育，导致智力低下、注意力不集中等问题；汞中毒会引起神经系统、消化系统和泌尿系统等多器官的功能紊乱；铬及其化合物具有致癌性，长期暴露在铬污染环境中会增加患癌症的风险。

二、土壤中重金属测定的方法

（一）传统的化学分析方法

1、原子吸收光谱法（AAS）

- 原子吸收光谱法是基于测量基态原子对特定波长光的吸收来进行定量分析的方法，在土壤重金属测定中，首先要将土壤样品进行预处理，如消解，常用的消解方法有酸消解法，即采用盐酸 - 硝酸 - 氢氟酸 - 高氯酸等混合酸体系对土壤样品进行加热消解，使土壤中的重金属转化为可溶性的金属离子。

- 然后将消解后的溶液引入原子吸收光谱仪中，仪器内的空心阴极灯发射出特定波长的光，该波长与待测重金属元素的特征谱线相对应，当溶液中的金属离子被雾化成原子蒸气后，会吸收来自空心阴极灯的光，根据吸光度与金属离子浓度之间的关系，就可以计算出土壤中重金属的含量，这种方法具有灵敏度高、准确性好、选择性强等优点，适用于多种重金属元素如铅、镉、铜、锌等的测定。

2、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP - AES）

- ICP - AES是一种强大的多元素分析技术，它的工作原理是利用高频感应电流产生的高温等离子体激发待测元素的原子或离子，使其发射出特征谱线，同样需要对土壤样品进行消解处理后制备成溶液。

- 在测定过程中，将样品溶液引入等离子体炬管中，等离子体提供的高温能量使样品中的元素电离并发射出不同波长的光，通过检测这些特征光谱的强度，并与已知标准溶液建立的标准曲线进行比较，可以同时测定多种重金属元素的含量，相比原子吸收光谱法，ICP - AES具有更高的检测效率，能够同时分析多个元素，并且在较宽的浓度范围内保持良好的线性关系。

3、石墨炉原子吸收光谱法（GFAAS）

- GFAAS是在原子吸收光谱法基础上发展起来的一种更加灵敏的分析方法，它采用石墨管作为原子化器，可以提供更高的温度来实现对微量甚至痕量重金属元素的测定。

- 对于土壤样品，消解后的溶液注入石墨管中，在石墨管升温过程中，样品中的金属元素被原子化，由于石墨炉的高温环境和较小的样品体积，使得该方法具有极高的灵敏度，能够检测到更低浓度的重金属，如纳克级的铅、镉等元素，但它也有一定的局限性，如容易受到基体效应的影响，即样品中其他成分对目标元素测定的干扰。

（二）现代新兴的测定方法

1、X射线荧光光谱法（XRF）

- XRF是一种非破坏性的元素分析方法，它不需要对土壤样品进行复杂的消解处理，可以直接对固体土壤样品进行测定，当X射线照射到土壤样品表面时，样品中原子的内层电子被激发而跃迁到外层，同时释放出特征X射线，通过检测这些特征X射线的能量和强度，就可以确定土壤中所含有的重金属元素及其含量。

- 这种方法具有快速、简单、适合现场初步筛查等优点，它的准确度相对较差，容易受到样品表面状态、矿物组成等因素的影响，通常用于定性分析或者与其他方法结合进行半定量分析。

2、生物传感器技术

- 生物传感器是将生物识别元件（如酶、抗体、微生物等）与物理化学换能器相结合的分析工具，对于土壤重金属测定，可以利用某些对重金属具有特异性反应的微生物或者酶作为识别元件，一些细菌能够在重金属存在的情况下产生特定的代谢产物或者发生形态变化。

- 将这些微生物固定在电极等换能器上，当土壤样品中的重金属与微生物相互作用时，会产生电信号等可检测的变化，生物传感器具有选择性好、成本低、操作方便等特点，但目前还处于研究和发展阶段，在实际应用中面临着稳定性、灵敏度等方面的挑战。

三、土壤中重金属测定的意义与展望

（一）意义

1、环境保护

- 准确测定土壤中的重金属含量有助于及时发现污染源，为制定合理的污染防治措施提供科学依据，通过对污染场地土壤中重金属的测定，可以确定污染范围、污染程度以及主要污染元素，从而有针对性地采取修复措施，如物理修复（客土法、热脱附等）、化学修复（淋洗法、稳定固化法等）和生物修复（植物修复、微生物修复等），这不仅有助于改善土壤环境质量，还能防止重金属进一步扩散到水体、大气等其他环境介质中，保护整个生态环境的平衡。

2、保障食品安全

- 土壤是农作物生长的基础，土壤中重金属的测定能够确保农产品的安全性，通过监测土壤中的重金属含量，可以指导农民合理调整种植结构，避免在重金属污染严重的土壤上种植食用作物，也为食品监管部门提供了可靠的检测数据，以便加强对农产品质量安全的监管，保障消费者的身体健康。

3、土地资源管理

- 在土地规划和开发过程中，土壤重金属测定是非常重要的考量因素，它可以