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摘要 ：当代社会在发展过程中高度重视对新技术及新材料 的应用， 但这种高强度应用在推动整个社会发展的同时， 也为环 境付出了相对严苛的代价，其中尤其以重金属对土壤造成的污 染影响恶劣。土壤中的重金属不仅会严重影响土壤的生态环境， 导致土壤肥力下降并逐渐劣化，还会因为人类在食物链中处于 顶端位置，导致重金属造成的植物污染经食物链作用于人类自 身。为查明土壤中重金属的含量， 采取相应策略减轻重金属对土 壤的污染， 针对土壤重金属检测技术的研究势在必行。
关键词 ：土壤重金属,检测技术,研究现状,发展趋势
广义概念中重金属对土壤造成的污染，指的是因重金属及 重金属衍生物长期存留在土壤中，导致土壤生态环境及土壤所 在区域生态环境遭受严重破坏。常见的土壤重金属污染原因包 括采矿、污水灌溉、重金属超标制品的应用及大气排放等，由于 重金属极难被生物降解、污染来源的范围较广且拥有着非常强 的隐蔽性， 因此对土壤造成的污染具有长期性的特征， 也导致重 金属污染面临着非常高的治理难度。而在重金属通过各种途径 进入食物链之后，最终将严重威胁到人类的身体健康及生态环 境安全。在这种情况下， 有效检测土壤重金属污染情况并及时圈 定土壤重金属的污染范围，成了人类现有规避土壤重金属污染 最有效的策略。
1 关于土壤重金属污染
1.1 土壤重金属污染的危害
当代重金属泛指那些比重超过 5 的金属，而能够在土壤中造 成污染的重金属包括但不限于汞、镉、铅、铬、铜、钴、锌、镍、 锡等重金属或类金属，这类物质中的类金属具有非常强的生物 毒性，其他重金属的毒性也异常明显。通常情况下因重金属造 成的污染很难恢复(恢复时间周期一般以数十年乃至数百年起 步)，靠现有科学技术也难以有效逆转这种污染，被污染土壤会 影响到土壤中的生物、微生物，以及在区域内生存的其他物种， 自污染土壤中种植出的农作物最终也将作用于人类，由此可见 会对农业、畜牧业乃至整个社会造成严重的不良影响。结合相关 社会新闻及科研调查结果来看， 这种影响并不是显性的， 往往在 当地人口大面积暴发怪病的时候才能被发现。日本沿海区域曾 一度广泛出现的水俣病就是因重金属污染导致。随着人类社会 步入现代之后的高速发展，全球各地因重金属污染导致的恶性案例也开始大量出现， 在这种情况下， 土壤重金属污染造成的恶 果才逐渐被人类重视， 且由于土壤重金属污染不可逆的特性， 现 代人对这种情况的解决办法暂时只能以重金属污染检测为主， 并将土壤隔离。然而地球上的土地资源总量是有限的， 如果不能 及时发现并扼制土壤重金属污染，不对土壤重金属污染的情况 加以控制， 之后可能造成的恶果可想而知。
1.2 研究土壤重金属检测技术的意义
遭重金属污染的土壤对生态环境产生的影响已然众所周知， 不仅会导致生态系统的混乱与生态环境的劣化，同时也会对社 会的发展及人类的生存造成严重威胁。这也就意味着人类需要 及早谨慎对待土壤重金属污染问题，因此需要推动土壤重金属 检测技术的相关研究、应用及发展。结合近一个世纪以来人类社 会的发展历程来看， 为满足科研工作及社会具体需求， 必将有越 来越多的新型金属及其他元素出现，其目的是提升人类的生活 品质。而针对这些新型金属及元素的检测，就需要更先进、更科 学的检测技术支持，一贯沿用已有的检测技术，并不能保证充 分、及时发现土壤重金属污染的范围及严重程度， 也无法辨析出 这些新型金属及元素的特性， 这将使土壤污染、劣化的问题更加 严重并逐渐走上极端，研究土壤重金属检测技术的意义也在于 此，其根本目的是为具体环境保护策略的应用提供理论依据及 科学支持，而最终的目的则是为了提升人类的生活品质并保护 生态环境的正常演化。
2 土壤重金属检测技术研究现状
国内外最常见的土壤重金属检测(也称土壤污染状况检测) 多采取现场取样、随后在实验室应用特定化学制剂及仪器来分 析土壤的污染情况、土壤中的重金属含量等等，用以为环境预 警、污染控制、土地利用提供数据及可行性上的支持。但由于这 种技术存在周期长、检测过程中可能造成二次污染、只能针对特 定重金属特性检测的缺点， 使得其他更高效、更智能化且更精准 土壤重金属检测技术的研发应用成为必然，且这些研发应用在 近年来已经取得了一定的进展。
2.1 有效磷的光谱检测技术
光谱检测技术是国内土壤重金属检测的标准方法，在应用 光谱法进行检测之前通常需要对土壤进行采样，并对样本处以 强酸消解处理， 其原理是对光在被吸收、发射及散射状态下不同表现的应用。该方法能够有效检测出土壤中重金属的含量， 因此 本文仅以土壤中有效磷的检测为例， 简单介绍这种方法。
某项目在应用光谱法检测土壤中有效磷时采用了紫外可 见分光光度计这一检测仪器，环境温度、显色温度均控制在 25° C，环境湿度调整为 45.参比溶液选用了去离子水，检测 过程中的显色时间需要大概 30min，检出限为每 kg有效磷含量 0.5mg。配制的磷标准溶液浓度为 1000mg/L， 取 10.0mL 磷标准 溶液置于 100mL 的容量瓶中并在刻度上精准定容，获得溶液浓 度为 100mg/L 的A 液 ;移取 5.00mL 次溶液置于 100mL 容量瓶， 获得溶液浓度为 5.00mg/L 的B 液。随后分别移取 0mL/1.00mL/ 2.00mL/3.00mL/4.00mL/5.00mL/6.00mL 的 B 液置于 50 容量瓶， 并以此为依据配置吸光度标准曲线。
结果显示对应吸光度标准 曲线分别 为 0.000/0.055/0.103/0.207/0.310/0.412/0.52.之后在 进行样品分析时，先称量 5.00g 的干燥样本，将其放置在锥形瓶 中并塞好瓶口， 加入 50.0ml氟化铵盐酸浸提剂， 置于恒温往复振 荡器上，在25℃ ±1℃下以 180r/min 的频率振荡 30±1min, 立即 用无磷滤纸过滤，滤液当天分析。量取2.5ml试液于 50ml容量瓶 中 , 加入 10ml 硼酸溶液，加水至 30ml左右，加入2 滴二硝基酚指 示剂，然后逐滴加入氨水溶液，调至溶液刚显微黄色，加入 5ml 钼锑抗显色剂，用水定容至 50ml, 混匀。室温下放置 30min，用 10mm 比色皿在 700nm 处，在室温高于20℃环境条件下比色，以 去离子水做参比，测量吸光度。在 700nm 的测定波长下，准确获 得了土壤中有效磷的占比数值，并以此推算出整片污染范围内 土壤中有效磷的含量，为后续土壤重金属污染处理工作提供了 可靠的数据支持。光谱法作为最早出现且经过长期发展的检测 技术， 时至今日已经拥有了较为成熟的应用体系， 很多光学检测 仪器成功实现商品化并能够在生活中得到有效应用，也就能为 土壤重金属检测技术提供更加可靠的支持。
2.2 电化学检测技术
电化学检测技术的内容比光谱检测技术更加丰富，包括 ： 溶出伏安法、电位溶出分析法、离子选择性电极法等等，其原理 是对物质电化学性质的应用，借助特定的传感器及对溶液中电 位、电流等物理量的测定， 来明确电化学反应中参与反应的物质 总量。常见的电化学分析法包括以下几种。
溶出伏安法 ：对待检测物质进行预电解使之富集，待物质 富集至溶出之后再扫描检定。该方法的优势在于操作难度低、过 程简单方便、具有较强的抗干扰能力、检测流程也能达到较高的 灵敏度， 能同时对多种物质或元素的含量进行检测， 目前被认为 是最有效的一种重金属检测方法。
电位溶出分析法 ：将待测物质预先进行电解，随后确定恒 电位使电解的待测物质在工作电极上富集，之后通过加入特定 的化学试剂，或增加附加电流来使待测物质产生氧化还原反应，待测物质中的重金属及元素会在氧化还原过程中逐渐溶出，而 反应过程中则需要记录电极电压 E 在进行时间 t不同状态下的 变化曲线， 最后分析变化曲线来得出结果。
离子选择性电极法 ：此方法是对离子活度对数与电位之间 线性关系的应用，离子选择性电极能够将溶液中指定离子的活 度转化成一定的电位， 随后通过代入电位和线性关系， 即可得出 溶液中指定重金属的含量。
上述三种电化学检测技术中以溶出伏安法的操作难度最低， 但同时电化学检测技术衍生出的多种方法，也证明了这种检测 技术相比光谱检测技术而言达到了更成熟的水准，其检测设备 中的极谱仪就在很大程度上继承了光谱检测技术的优势，能够 达到更高的精度并实现更广泛的检测范围，同时极谱仪又能够 进行连续测量， 在检测过程中也不需要对样品进行预处理， 对铅 离子及镉离子更是能够直接进行测定，在大量应用中同样表现 出十足可靠的检测效果。
2.3 生物学检测技术
以生物学策略对土壤重金属含量进行检测，在近年来各学 科高度交叉融合之后得以深度开发应用，生物学与其他学科的 交叉融合研究能够验证重金属在生物技术下的不同反应结果， 这也就为生物学在土壤重金属检测技术的开发上提供了理论支 持。当前常见的生物学土壤重金属检测技术主要包含以下几种 类型。
免疫分析法 ：这是一种上世纪九十年代就在国外出现的分 析方法， 最早被用于检测有机污染物， 后来在应用过程中逐渐发 现同样可以用于检测土壤重金属含量。在应用这种分析方法之 前，需要先选择能满足检测需求的金属络合物， 这是为了确保土 壤中的金属离子能与特定金属络合物结合，进而出现反应原性， 之后就是将与金属离子结合形成的化合物转接至对应的载体蛋 白，通过检测载体蛋白上出现的免疫原性类型测定重金属含量。
酶分析法 ：此种分析方法的原理在于对重金属及类金属生 物毒性的应用，重金属或类金属中存在的生物毒性会与酶活性 中心结合(仅限甲硫基或硫基两种形式)，结合后酶活性中心的 结构及性能都会发生变化，此时可按照变化的定量关系来判断 样本中重金属的含量。
生物传感器分析法 ：生物传感器分析法的核心主要体现了 交叉学科的研究成果， 在信号转换器的帮助下， 特定生物材料在 与待测材料结合之后转换出光、电类型的输出信号， 而对这些输 出信号的解析， 就是完成重金属含量分析的依据。当前的生物传 感器包括酶传感器、细胞传感器、微生物传感器及蛋白质传感器 几种类型， 但这种方法会受到生物活性的限制， 同时也容易遭到 环境因素的制约， 导致生物传感器的寿命普遍不长， 这一缺陷使 得该检测方法的应用与推广受到一定的局限。
2.4 前沿检测技术
前沿检测技术指的是那些最近才出现的新型检测技术，这 些检测技术是在各学科分别取得大幅发展并相互融合之后出现 的，单一检测技术通常包括两种及以上学科最新科研成果的应 用， 当前较为成熟的前沿检测技术以下几类较为常见 ：
环境磁学检测技术 ：该检测技术主要应用了物质的磁性， 地球上的物质普遍存在某种特定的磁性， 重金属也不例外， 因此 在对检测样本施加特征电流之后，根据样本产生的对外加磁场 效应及表现出的磁参数值即可确定土壤重金属的种类与数量。 这种检测方法不会对样本产生损坏， 且检测过程效率极高， 还具 有操作方便、经济性强及获取信息量多(能得出重金属类型、数 量，还能用于推断污染来源、污染程度及重金属分布规律) 等特 点， 因而受到学界的高度关注。
生物量间接测定技术 ：部分生物基因在表达过程中会出现 发光的特质， 因而可借助高精度遥感设备接收其发射的光谱， 而 对光谱特征的分析则可用于确定重金属在土壤中的含量，此外 有些生物基因在表达过程中呈现出的光谱变化规律还能用于区 分重金属的类型。这种方法当前仅在实验室中存在， 尚未得到大 规模的应用。
高光谱分析技术 ：高光谱分析技术同样应用了遥感技术， 由于是在无接触的情况下以遥感技术获取污染区域的高光谱数 据，之后通过对光谱波段及光谱分辨率进行分析， 得出土壤中的 重金属含量，因而具有检测面积大、非接触性及无损害的特征， 可作为一种快速进行大面积土壤重金属污染检测的方法。
太赫兹光检测技术 ：相比其他前沿技术而言，太赫兹光检 测技术在技术能力上达到了目前最高水准，其原理是对分子之 间及分子内部振动的检测。由于分子相互之间及分子内部会在 氢键及微观力学作用下相互激励，从而产生振动并吸收一定的 能量， 因而也可用于土壤重金属污染检测工作。但这种技术当前 仍处在深层次的研究阶段， 还未有相关应用案例出现。
3 土壤重金属检测技术发展趋势
从原有检测技术及前沿检测技术的发展与应用状态可以看 出，土壤重金属检测技术在近年来整体上获得了可喜的发展成 果，但仍有相当一部分发展成果尚未能直接投入到应用领域。而 在一系列旧有技术中，光谱检测技术往往需要大量专业仪器及 预处理， 存在一定安全风险的同时， 也具有高昂的成本表现 ;电 化学分析技术会受到波峰重叠、离子干扰等因素的影响， 而检测 前的土壤消解(主要应用强酸) 又可能导致样本二次污染 ;生物 检测技术及前沿新兴技术尚需要大量的试验及数据支持才能投入应用，由此可见未来土壤重金属检测技术的发展趋势主要体 现在以下几方面。
3.1 仪器智能化
当下土壤检测技术的发展趋势之一表现为高精度、操作难 度低、结构丰富检测仪器的应用， 而结合社会整体的发展状态来 看，用于土壤重金属检测的仪器将朝向智能化、自动化的方向发 展， 因此能够最大限度优化检测人员的操作流程， 降低检测人员 的操作难度， 借助智能化设备高精度且免疫疲劳的特性， 人为因 素给检测结果造成的影响会被得到有效控制，从而提升土壤重 金属检测工作的效率。
3.2 技术综合化
从前沿检测技术的发展状态来看，最新出现的几种前沿检 测技术中都应用了两种或两种以上的技术成果，这意味着未来 检测技术的发展很可能朝向学科综合化发展，并使技术表现出 综合性的特征。这种发展方向能将两种及两种以上检测方法进 行高度融合， 在充分发挥出不同方法检测优势的同时， 抵消单一 技术造成的缺陷，进而大幅提升检测工作的精准度及检测效率， 全面强化土壤重金属检测结果的精准度和可靠性。
3.3 结果精确化
土壤重金属检测技术在发展过程中表现出的一个突出特点 是在应用多种检测技术之后，有效降低了检出限。检出限越低， 证明精准度越高， 同时又能实现检测范围的显著提升。在计算机 信息技术、人工智能、微电子技术及人工神经网络得到长足发展 之后，越来越多这方面的技术研究成果开始应用到土壤重金属 检测技术中， 并为原有检测技术带来了飞跃性的提升， 如高光谱 检测技术与传统光谱检测技术之间的区别就能很好地证明这一 点。尽管目前的相应研究大多处于实验室阶段， 但随着经验的积 累及新技术的应用，土壤重金属结构精确度大幅增加势必会成 为未来该技术的主要发展趋势之一。
4 结语
本质上土壤重金属检测技术是作为研究土壤问题的工具， 但这一工具在对土壤问题进行研究的过程中发挥了至关重要的 作用。原本的研究技术在获得前沿科研成果支持后出现了新的 发展方向， 但在总体趋势上依然是朝着更高的精准度、更智能化 的设备及综合性更强的技术应用发展的。至于未来该技术究竟 能发展到何种程度， 还需要交给时间来进行验证。
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