0 引 言
土壤是自然生态的基础，是人类社会健康可持续发展的保障[1]。西北干旱区、半干旱区黄土有机质含量少，肥力贫瘠，而熟污泥作为一种新型、极具潜力的添加物质，在提高黄土肥力方面具有极大的应用价值，备受学者关注[2-3]。污水处理过程中，50%～90%的重金属通过吸附和沉淀作用转移到污泥中[4-5]，使得熟污泥农用具有潜在风险，但土壤重金属生态毒性在很大程度上取决于重金属的存在形态[6]。
Tessier和改进BCR连续提取法对重金属阳离子形态分析适应性强，且提取重现性好，广泛应用于土壤和沉积物重金属形态分析[7-8]。Tessier连续提取法是由Tessier等提出，将重金属形态分为水溶态和交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态共5态。改进BCR连续提取法是欧共体物质标准局提出，并经后人改进分为酸可提取态、铁锰氧化物结合态、有机物及硫化物结合态、残渣态共4态。Tessier连续提取法提取时间短，但提取碱性黄土重金属过量，仪器检测干扰大，改进BCR连续提取法适合碱性黄土重金属提取，但存在提取不足，提取时间长问题[9]。在环境研究领域，国外已较少使用Tessier法，而我国西北干旱、半干旱区黄土重金属形态分析方法主要以Tessier法为主[10-13]，改进BCR连续提取法鲜见。本文通过对比分析Tessier和改进BCR连续提取法对Cd形态提取能力及其总量回收，得出施加熟污泥后黄土Cd形态提取的最佳方法，以期为施加熟污泥后黄土重金属形态分析提供数据参考。
1 实验部分
1.1 实验材料
供试黄土来自陕西省榆中县夏官营镇非农田黄土层，采集深度为距离表层土50～100 cm。采回后均匀平铺于塑料薄膜上，阴凉处通风自然干燥，压碎、剔除石块和杂草等异物，过0.145 mm尼龙筛装袋备用。
供试熟污泥自制。生活污泥取自七里河A2/O污水处理厂，污泥采回后晾干破碎为1～2 cm，与粉碎后的小麦秸秆进行混合堆肥，并定期翻动。待其熟化后破碎，过2 mm尼龙筛装袋备用。污泥基本理化性质为pH=7.53，EC=3498 μS/cm，ω(有机质)=9.46%，ω(碳酸盐)=2.01%，ω(Cd)=3.02 mg/kg。
施加熟污泥后黄土种植多年生苜蓿，生长期为3年。苜蓿收割后，取施加熟污泥后黄土进行分析，基本理化性质见表1。
表1 熟污泥改性黄土理化性质
Table 1 Physicochemical properties of the test soil
熟污泥配比/%pHEC/(μS·cm-1)有机质/%碳酸盐/%0.58.121187.670.482.05
1.2 试剂与仪器
实验试剂均为优级纯，实验室器皿在使用前均用10%硝酸浸泡24 h以上。熟污泥改性黄土pH值采用pH计(雷磁 PHS-3E)测定，电导率采用笔式电导率仪(HI 98311)测定，有机质采用高温外热重铬酸钾氧化容量法测定，碳酸盐采用容量滴定法测定。离心机选用大容量Aida TD5A离心机，样品消解选用HNO3-HF-HClO4三酸微波(安东帕Multi wave 3000)消解法，重金属含量测试选用印度尼西亚生产的Thermo Fisher iCE3000原子吸收光谱仪。
1.3 实验方法
施加熟污泥黄土Cd提取实验设置1个对照组(L0)和7个Cd胁迫水平(L1—L8)，Cd胁迫水平依次为1.58，2.29，3.08，3.98，5.40，7.48，9.93，12.15 mg/kg，每组设置3个重复，取其平均值进行分析。施加熟污泥后黄土中Cd形态按改进BCR连续提取法分为酸可提取态(AC，即水溶态+交换态+碳酸盐结合态或酸可提取态)、可还原态(FMO，即铁锰氧化物结合态)、可氧化态(OM，即有机结合态或有机物及硫化物结合态)、残渣态(RES)4态，其可广泛应用于土壤、沉积物、悬浮颗粒物重金属研究分析领域[14-15]。
准确称取1.000 g样品于50 mL聚丙烯塑料离心管中，采用Tessier和改进BCR连续提取法，对施加熟污泥后黄土Cd形态进行逐步提取、离心，取其上清液过滤、定容、测定。Tessier连续提取法详情见表2[16]，改进BCR连续提取法详情见表3[17-18]。
表2 Tessier连续提取法
Table 2 Procedure of Tessier sequential extraction method
重金属形态提取剂操作条件第1步 水溶态+交换态(T1)8 mL 1 mol/L MgCl2(pH=7.0)室温下振荡1 h第2步 碳酸盐结合态(T2)16 mL 1 mol/L NaAc(pH=5.0)室温下振荡6 h第3步 铁锰氧化物结合态(T3)16 mL 0.04 mol/L NH2OH·HCl(25% HAc溶液)(96±3)℃下断续振荡6 h第4步 有机结合态(T4)3 mL 0.01 mol/L HNO3和5 mL 30% H2O2(pH=2)(85±2)℃水浴提取3 h,最后加 NH4Ac防止再吸附,振荡30 min第5步 残渣态(T5)HNO3-HF-HClO4土壤消化法
Cd形态提取系数计算方法，根据不同形态Cd的化学稳定性，其可分为3类：易提取态、不易提取态和不可提取态，分别用系数K1、K2、K3表示，其中易提取态和不易提取态统称为可提取态[19-20]。为便于2种提取方法的比较，本研究选择易提取态为酸可提取态(水溶态+交换态+碳酸盐结合态或改进BCR连续提取法酸可提取态)。形态提取系数计算公式如下：
表3 改进BCR连续提取法
Table 3 Procedure of modified BCR sequential extraction
重金属形态提取剂操作条件第1步 酸可提取态(B1)20 mL 0.1 mol/L CH3COOH室温下振荡16 h第2步 铁锰氧化物结合态(B2)20 mL 0.1 mol/L NH2OH·HC1(pH=2.0)室温下振荡16 h第3步 有机物及硫化物结合态(B3)30% H2O2和3 mL 1 mol/L CH3COOHNH4(pH=2)室温下振荡1 h,85 ℃水浴提取2 h,最后加 NH4Ac防止再吸附,振荡16 h第5步 残渣态(B4)HNO3-HF-HClO4土壤消化法
或
(1)
或
(2)
或
(3)
实验采用20%平行样、GBW 07408(GSS-8)标准土样进行消解质量控制，误差控制在5%以内。实验数据统计分析及数据图制作采用Microsoft Excel和Origin 9.0。
2 结果与讨论
2.1 2种方法提取不同Cd形态含量比较
2种方法提取的不同Cd形态含量结果见图1。Tessier连续提取法L2—L8组Cd形态为酸可提取态>残渣态>可还原态>可氧化态。改进BCR连续提取法L1—L5组Cd形态为残渣态>酸可提取态>可还原态>可氧化态，L6—L8组为酸可提取态>残渣态>可还原态>可氧化态。随着Cd胁迫水平增加，Tessier和改进BCR连续提取法以酸可提取态为主。Tessier连续提取法中醋酸根离子浓度是改进BCR连续提取法的10倍，酸可提取态Cd明显大于改进BCR连续提取法。Tessier连续提取法对红壤土、云南省个旧市稻田土壤中酸可提取态Cd的提取值也大于改进BCR连续提取法[21-22]。改进BCR连续提取法对可还原态、可氧化态、残渣态提取量大于Tessier连续提取法，可氧化态尤为显著。有研究也认为改进BCR连续提取重金属可氧化态较Tessier连续提取法更为有效[23],高浓度醋酸铵的加入有效防止Cd再吸附。
酸可提取态AC； 
可还原态FMO； 
可氧化态OM； 
残渣态RES。
图1 熟污泥改性黄土中Cd的形态含量
Fig.1 Concentration of Cd in the test soil by Tessier and modified BCR
2.2 2种方法提取的Cd形态分布比较
重金属元素在土壤中的形态分布是指各形态重金属含量与各形态重金属含量之和的商值，如图2所示。随着Cd胁迫水平的增大，施加熟污泥后黄土Cd形态分布较对照组发生了较大变化：酸可提取态、可还原态分布均稳定增加，但略有波动；可氧化态含量亦增加，但呈先上升后下降趋势。改进BCR连续提取法有机态量明显大于Tessier连续提取法，其原因可能有：1)改进BCR连续提取法提取时间长；2)有机态Cd再吸附。残渣态随Cd胁迫水平增大，其形态分布较对照组整体减小。施加外源Cd后，Cd残渣态分布明显减小。随着Cd胁迫水平加大，施加熟污泥后黄土中Cd主要以酸可提取态为存在。
酸可提取态AC； 可还原态FMO； 可氧化态OM； 残渣态RES。
图2 熟污泥改性黄土中Cd的形态分布系数
Fig.2 The speciation factor of Cd in the modified soil by Tessier and modified BCR method
2.3 两种方法提取Cd形态系数和生物有效性比较
计算Tessier和改进BCR连续提取法获得的Cd形态系数，结果见图3。计算Tessier连续提取法Cd平均形态系数顺序为K1>K3>K2，改进BCR连续提取法相应为K3>K1>K2。Tessier连续提取法Cd易提取系数最大，除L1组外，L2—L8组易提取系数明显高于对照组L0，表明随着Cd胁迫水平增大，Cd在施加熟污泥后黄土中主要以易提取态存在，具有较强的迁移能力和生态风险。改进BCR连续提取法Cd形态系数表明，低水平胁迫条件下，Cd主要以不可提取残渣态形式存在，其次为易提取态、不易提取态。随着Cd胁迫水平的增大，改进BCR连续提取法提取Cd的易提取态、不易提取态、不可提取态规律性强于Tessier连续提取法。有研究认为，改进BCR连续提取法较Tessier连续提取法具有更高的分析精密度，改进BCR连续提取法可减少分析Cl-光谱吸收干扰。改进BCR连续提取法所得结果可比性较高，更能直观反映土壤中重金属各形态的含量情况[25]。
L0； 
L1； 
L2； 
L3； 
L4； 
L5； 
L6； 
L7； 
L8； ---平均值(average)。
图3 Cd的形态系数
Fig.3 The fractionations factor to Cd by Tessier and modified BCR method
计算施加熟污泥后黄土易提取态、不易提取态和不可提取态Cd含量与苜蓿内Cd含量的相关系数，见表4。2种方法易提取态和不易提取态Cd含量与苜蓿生物有效性显著相关，有研究认为易提取态为苜蓿可利用态，不易提取态为苜蓿潜在利用态[6]，与本研究结果一致。改进BCR连续提取法的可提取态生物有效性拟合效果优于Tessier连续提取法，对施加熟污泥后黄土可提取态Cd生物有效性表征效果明显。黄土中碳酸盐含量高，碱性大，Cd主要以碳酸盐结合态存在。施加熟污泥后黄土盐度增大，Cd吸附位点减少，从而提高了黄土中Cd的生物有效性。
表4 Cd生物有效性相关系数比较
Table 4 Cadium bioavailability factor comparison of Tessier and modified BCR method
提取态Tessier连续提取法改进BCR连续提取法易提取态0.979**0.988**不易提取态0.985**0.976**可提取态0.980**0.985**不可提取态0.756*0.049
2.4 两种方法提取Cd总量回收比较
分别计算出不同Cd胁迫水平下，Tessier和改进BCR连续提取法提取Cd各形态总量之和。结果见表5。可知：改进BCR连续提取法总量整体大于Tessier连续提取法，在低含量胁迫水平下尤为明显。有研究认为，当土壤中Cd胁迫水平为0～20 mg/kg时，改进BCR连续提取法对土壤中Cd的提取率略高于Tessier连续提取法[26]。
将2种方法提取Cd各形态量之和与三酸消解所测总量进行比较分析，结果见表5。随着Cd胁迫水平的增加，Tessier和改进BCR连续提取法对Cd提取回收率总体上呈下降趋势。Tessier连续提取法回收率最大组为对照组(L0)，回收率为162%。改进BCR连续提取法的回收率，L0、L1组分别为220%、167%。高含量Cd胁迫水平下，Tessier和改进BCR连续提取法提取的Cd回收率可满足实验分析要求。综上所述，在低含量Cd胁迫条件下，Tessier连续提取法提取Cd实验分析误差更小；在高含量Cd胁迫条件下，Tessier和改进BCR连续提取法提取Cd回收有较好的一致性和普适性。
表5 Tessier和改进BCR连续提取Cd含量回收率
Table 5 The recovery of Cd by sequential extraction procedure of Tessier and modified BCR method
胁迫水平L0L1L2L3L4L5L6L7L8标样Tessier法/(mg·kg-1)1.77±0.13 a2.17±0.33 a2.13±0.56 a2.44±0.43 ab3.45±0.19 b5.28±0.49 c8.73±0.44 d10.67±0.68 e12.04±0.86 f—改进BCR法/(mg·kg-1)2.40±0.26 a2.72±0.09 a3.30±0.47 a4.64±0.51 b4.80±0.54 bc6.07±0.15 c8.73±0.40 d10.41±0.56 e12.65±1.31 f—全量Cd/(mg·kg-1)1.09±0.14 a1.63±0.23 ab1.58±0.14 ab2.84±0.39 bc4.18±0.41 cd4.54±0.34 d7.36±0.98 e9.92±0.75 f13.46±0.17 g—Tessier法回收率/%162133135868311611910889114～123改进BCR法回收率/%22016713416411513411910594
注：数据为分析结果平均值±标准偏差；数据后不同字母表示同一列数据在0.05水平上差异显著，其中n=3。
3 结 论
在外源Cd胁迫下，施加熟污泥的黄土中Cd形态再分布向不稳定方向移动，Cd形态由残渣态向酸可提取态和铁锰氧化态再分布。Cd易提取形态系数随着外源Cd胁迫增加而增大，其潜在生物可利用性增强，潜在生态风险增加。
改进BCR连续提取法较Tessier连续提取法Cd形态含量和形态分布更为显著，生物有效性相关系数大，故改进BCR连续提取法更适合施加熟污泥后碱性黄土Cd的形态分析。
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