土壤重金属研究中DGT技术的优化及其应用

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薄膜梯度扩散技术(Diffusive Gradients in Thin Films Technique,DGT)是一种近年来快速发展的被动采样技术,已被广泛应用于土壤、沉积物、水体等多种环境介质中测定重金属有效态。但是,目前DGT技术在应用过程中,样品的前处理条件还未统一。为了确定DGT技术最适合土壤重金属测定的前处理条件,本文以河南省不同区域的农田土壤为研究对象,利用盆栽模拟实验来研究粒径、含水量、DGT放置时间以及提取液体积等不同的前处理条件对重金属测定的影响,将优化后的DGT技术应用于室内小白菜盆栽模拟实验与野外玉米农田实验,同时与其他方法相比较,探讨DGT技术在土壤重金属测定中的优势及影响因素。研究结果如下:(1)针对三个不同的土壤粒径条件(0.15 mm、0.42 mm和2 mm),分析不同粒径下DGT技术测定的重金属有效态含量,并与盆栽植物小白菜体内的重金属含量进行相关性分析,发现不同的重金属最优的粒径条件并不一致。总体来看,0.15 mm和2 mm粒径条件下的重金属有效态含量与植物体内的含量相关性较好,但为了实验的简捷方便,确定2 mm为最优的粒径条件。(2)设置六种不同的水量添加条件(一步添加60%、70%、80%以及两步添加60-100%、70-100%、80-100%),分析不同土壤含水量对重金属有效态测定的影响。结果显示,含水量高的两步添加测定的重金属含量比对应的含水量低的一步添加的含量高,将六种含水量条件下测定的重金属有效态含量与小白菜体内的含量进行线性拟合,发现除了铜,其他五种重金属都是在两步添加70-100%的含水量条件下相关性最好,因此,将70-100%的两步添加法确定为最优的土壤水量添加法。(3)DGT放置时间设置12 h和24 h两个条件。结果显示,DGT放置24 h后固定膜上的重金属积累量高于放置12 h条件下的积累量,但是其测定的重金属有效态含量普遍是低于12 h条件下的。最后将测定的重金属有效态含量分别与植物体内的含量进行线性拟合并进行相关性分析,发现DGT放置24 h后,其测定结果能更好的表征植物体内重金属含量。(4)提取液体积分别设置为1 m L、1.8 m L和2 m L,分析不同提取液体积对实验结果的影响。结果显示,在不同的浓度梯度和提取液体积下的重金属含量没有明显的规律性,将三种提取液体积下测定的重金属有效态与小白菜体内的重金属含量进行相关性分析,发现除了砷和铅,其他四种重金属均在1.8 m L提取液体积下有最好的相关性,相关系数分别是r-Cr=0.953、r-Cu=0.983、r-Zn=0.963、和r-Cd=0.946。因此,将1.8 m L确定为理想的提取液体积。(5)将优化后的DGT技术与其他方法做比较,应用于盆栽土壤中,发现不同的方法测定的重金属含量与小白菜体内的含量都有一定的相关性,但是与其他方法相比,DGT技术评价植物体内六种重金属含量时均有显著相关性,相关系数分别是r-Cr=0.945、r-As=0.967、r-Cu=0.972、r-Zn=0.982,r-Cd=0.960和r-Pb=0.923,对于不同酸碱度(开封碱性土壤以及南阳和信阳的酸性土壤)的土壤进行分析,发现DGT技术在碱性土壤中与植物体内的重金属含量相关性更好。(6)优化后的DGT技术应用于大田实验中发现在预测玉米体内锌含量时,EDTA法的效果最好,而当预测重金属砷、铜和镉的时,DGT技术相对于其他的评价手段更具优势性,并且,在预测玉米各部位中不同重金属含量时,DGT技术测定的含量与其均有显著的相关性,将理化性质纳入多元回归分析中,发现除了重金属锌外,DGT法测定的其他五种重金属与籽粒中含量的相关系数变化均较小。结果表明,EDTA法可直接评价植物体内锌的含量,但若要同步测定多种重金属含量,DGT技术是一种评价土壤重金属的生物有效性的理想方法。
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