隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，土壤重金屬污染對(duì)糧食安全及人類的身體健康構(gòu)成了巨大的威脅，而目前廣泛采用的全量檢測(cè)法并不能準(zhǔn)確地反映土壤重金屬的生物毒性。為了更好地了解土壤重金屬的污染情況及其生物毒性，需快速有效檢測(cè)土壤重金屬的賦存形態(tài)及有效態(tài)含量。
本文介紹了土壤有效態(tài)重金屬的定義及其在土壤-有機(jī)體系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移；并結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)資料，按檢測(cè)對(duì)象將土壤重金屬有效態(tài)的檢測(cè)方法分為直接檢測(cè)方法（化學(xué)檢測(cè)方法和物理檢測(cè)方法）和間接檢測(cè)方法（生物指示法），系統(tǒng)闡述了化學(xué)檢測(cè)方法中的浸提法，物理檢測(cè)方法中的梯度擴(kuò)散薄膜技術(shù)和光譜分析法，及生物指示法中的指示植物檢測(cè)法、微生物檢測(cè)法和動(dòng)物檢測(cè)法的研究進(jìn)展、適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，概括了目前檢測(cè)方法存在的主要問(wèn)題是不能同時(shí)滿足大面積監(jiān)測(cè)和精確檢測(cè)兩個(gè)方面。并指出快速、大面積、原位測(cè)定污染物種類和含量，采取相應(yīng)措施保障糧食安全及人類身體健康是目前迫切需要解決的問(wèn)題。
本文將土壤-植物-人作為一個(gè)整體，了解重金屬有效態(tài)在該系統(tǒng)中的遷移富集機(jī)理，認(rèn)為在此基礎(chǔ)上選擇合適的數(shù)據(jù)處理方法及建模參數(shù)，結(jié)合遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行原位立體監(jiān)測(cè)，是未來(lái)土壤重金屬有效態(tài)含量檢測(cè)與監(jiān)測(cè)研究的主要發(fā)展方向。
背景
隨著人口的增加，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化速度的加快，工業(yè)“三廢”的排放、城市生活污水、農(nóng)藥和化肥的不合理施用等，使得大量重金屬污染物通過(guò)各種途徑進(jìn)入土壤。重金屬不能被生物降解，且具有隱蔽性強(qiáng)、毒性大等特點(diǎn)，進(jìn)入土壤，特別是進(jìn)入農(nóng)田后不僅影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，更會(huì)對(duì)人體健康造成極大危害，因此一直被世界各國(guó)環(huán)境科學(xué)工作者視為研究重點(diǎn)。
過(guò)去對(duì)重金屬有效性的研究主要集中在其全量的有效性。然而，由于土壤環(huán)境成分復(fù)雜且不均一，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，重金屬在土壤中存在多種形態(tài)，而不同形態(tài)重金屬其生物有效性不同，所以重金屬的生物毒性不僅與其總量有關(guān)，更大程度上由形態(tài)分布所決定。因此，對(duì)重金屬有效態(tài)含量進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，是確切了解重金屬污染程度、預(yù)測(cè)重金屬對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的影響以及對(duì)人類健康危害的有效途徑，也是重金屬污染修復(fù)、治理的理論基礎(chǔ)。然而，土壤重金屬有效性的精確定義在土壤學(xué)、生物學(xué)、毒理學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域間還存在較大爭(zhēng)議，目前并沒(méi)有可靠的用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法。
在此基本上，本文介紹了土壤有效態(tài)重金屬在不同學(xué)科領(lǐng)域的定義及其在土壤-有機(jī)體系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)資料，按檢測(cè)對(duì)象將檢測(cè)方法分為直接檢測(cè)方法和間接檢測(cè)方法，并系統(tǒng)闡述了不同檢測(cè)方法的研究進(jìn)展、優(yōu)缺點(diǎn)及今后研究的主要發(fā)展趨勢(shì)，為開(kāi)展土壤重金屬有效態(tài)含量檢測(cè)與監(jiān)測(cè)研究提供借鑒，尤其為大面積耕地安全方面的研究提供參考。
1 重金屬有效態(tài)的定義
特定化學(xué)形態(tài)的重金屬?gòu)?qiáng)烈影響其化學(xué)行為，重金屬可以因形態(tài)中某一個(gè)或幾個(gè)方面不同而表現(xiàn)出不同的毒性和環(huán)境行為，重金屬在環(huán)境中的移動(dòng)性、被有機(jī)體吸收、產(chǎn)生的毒害作用，無(wú)論在環(huán)境中還是在生物體內(nèi)，都是表征和了解重金屬形態(tài)的依據(jù)。然而關(guān)于重金屬的有效態(tài)（availability）至今沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，在不同的學(xué)科領(lǐng)域，對(duì)重金屬有效態(tài)的定義略有不同：環(huán)境學(xué)者認(rèn)為土壤重金屬的有效態(tài)為其環(huán)境生物有效態(tài)（environmental biavailability）及環(huán)境有效態(tài)（environmental availability），即土壤重金屬能被生物吸收利用或產(chǎn)生毒害效應(yīng)的重金屬形態(tài)；生物毒理學(xué)者則側(cè)重于土壤中重金屬的毒性生物有效態(tài)（toxicological bioavailability），即土壤重金屬直接進(jìn)入生物體消化系統(tǒng)并可以被生物體消化道溶解吸收的部分。其中，環(huán)境生物有效態(tài)及環(huán)境有效態(tài)主要是依據(jù)重金屬的賦存形態(tài)來(lái)區(qū)分的。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Standards Organization，ISO）將重金屬的生物有效性描述成一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程（圖1），包括3個(gè)步驟：（1）土壤中的重金屬有效態(tài)（環(huán)境有效態(tài)性）；（2）被有機(jī)體吸收的重金屬（環(huán)境生物有效性）；（3）在有機(jī)體內(nèi)的富集并對(duì)有機(jī)體產(chǎn)生毒害影響的重金屬（毒性生物有效性）。這3類重金屬有效態(tài)在特定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化。
綜上，重金屬有效態(tài)目前雖沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的概念，但是無(wú)論哪一種概念，其實(shí)質(zhì)都在于研究重金屬與生物體的一種潛在相互關(guān)系，它將生物體與其周圍環(huán)境聯(lián)系起來(lái)。
2 土壤重金屬有效態(tài)含量檢測(cè)的理論、方法及成果回顧
關(guān)于土壤重金屬有效態(tài)含量檢測(cè)的報(bào)道很多，研究?jī)?nèi)容涉及物理、化學(xué)和生物等各個(gè)領(lǐng)域。按照檢測(cè)對(duì)象可分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。
2.1 直接檢測(cè)法
直接檢測(cè)法，即直接對(duì)受重金屬污染的土壤進(jìn)行檢測(cè)。直接檢測(cè)主要有兩類方法：一是化學(xué)浸提分析方法，二是物理分析方法。
2.1.1 化學(xué)浸提分析方法
化學(xué)浸提法，即化學(xué)提取法，是指采用一種適當(dāng)組成與組成比例的試劑溶液（一種或幾種試劑混合），或者幾種不同的試劑溶液（浸提能力依次加強(qiáng)，以一定順序依次浸提），按照一定的土液比與浸提工藝方法浸提，最后測(cè)定浸提液中重金屬的含量。從提取試劑的使用方式上可分為一次浸提法和連續(xù)浸提法。
一次浸提法：也叫單級(jí)提取法，是指采用單一的提取試劑進(jìn)行提取。一次提取法所提取的重金屬形態(tài)是指植物可利用的重金屬所有形態(tài)，因此，此種方法所提取的重金屬含量與植物的相關(guān)性較好，可用來(lái)評(píng)價(jià)重金屬的短期或中期存在的危害。一次浸提常用的提取劑主要有金屬螯合劑（如0.05 mol·L-1 EDTA、DTPA 等）、中性鹽（如0.05 mol·L-1 CaCl2、1 mol·L-1 NaNO3 等）、酸試劑（如0.43 mol·L-1 HOAc、0.1 mol·L-1 HNO3 等）等。由于浸提劑對(duì)重金屬浸提機(jī)理不同，及重金屬賦存形態(tài)的差異，不同浸提劑對(duì)重金屬的浸提效果也不同，而且同一浸提劑對(duì)土壤中不同重金屬的浸提效果也有差異。因此在選用浸提劑時(shí)，要根據(jù)具體情況而定。
連續(xù)浸提法，也叫逐步提取法、分級(jí)淬取法，指采用幾種不同的試劑組合成一種提取程序，每種試劑被認(rèn)為對(duì)重金屬的一種存在形態(tài)有效，不同提取劑對(duì)同一樣品先后進(jìn)行提取的一種方法。目前，使用較多的連續(xù)浸提法有：Tessier法（5步提取法）、BCR 提取法（3步提取法）、以及在這兩種方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一些方法等。這些方法從不同的研究角度出發(fā)，將重金屬分為不同的形態(tài)，并分別提取，如Tessier 法將重金屬形態(tài)定義為5種形態(tài)，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)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)；BCR 法重金屬形態(tài)按實(shí)驗(yàn)操作定義為水溶態(tài)、可交換態(tài)與碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵-錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)物-硫化物結(jié)合態(tài)。鄭冬梅等采用連續(xù)化學(xué)浸提技術(shù)對(duì)不同污染類型沉積物中的汞形態(tài)進(jìn)行分析，將汞形態(tài)分為可代換及水溶液、酸溶態(tài)、堿溶態(tài)、過(guò)氧化氫溶態(tài)和王水溶態(tài)5大類。由于不同的提取方法，提取的重金屬形態(tài)略有差別，因此，不同方法所提取的結(jié)果不能直接進(jìn)行比較。Maiz 等利用3步提取法提取了3種不同土壤中的Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb 和Zn 的不同狀態(tài)含量，并將結(jié)果與Tessier 的5步提取法及Ure 的4步法的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，很難將3種方法的結(jié)果進(jìn)行直接比較，但是每種方法所提取到的最活躍的重金屬都為Cd，其次是Pb和Zn。
采用化學(xué)提取法檢測(cè)土壤重金屬的有效性雖然具有簡(jiǎn)單、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但該方法多是異位分析方法，需要進(jìn)行試驗(yàn)或田間采樣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且利用浸提劑提取出來(lái)的有效態(tài)雖可以評(píng)估出土壤中重金屬的有效性，但僅表示元素有效態(tài)含量與植物吸收重金屬的量呈正相關(guān)，不表示萃取劑萃取的有效態(tài)就是植物吸收的那部分，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的分析，找出它們的相關(guān)性。
2.1.2 物理分析方法
用物理方法分析土壤中重金屬形態(tài)，是指借用一些物理原理對(duì)土壤中重金屬形態(tài)進(jìn)行分析，目前研究較多的是運(yùn)用擴(kuò)散原理（如梯度擴(kuò)散薄膜技術(shù)）和光學(xué)原理（如光譜分析）來(lái)分析重金屬形態(tài)。
梯度擴(kuò)散薄膜技術(shù)（diffusive gradients in thinfilms，DGT）。DGT 技術(shù)是英國(guó)科學(xué)家Davlson 等于1994年發(fā)明并推廣使用，該技術(shù)以Fick 第一擴(kuò)散定律為其理論基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)在特定時(shí)間內(nèi)穿過(guò)特定厚度的擴(kuò)散膜的某一離子進(jìn)行定量化測(cè)量計(jì)算而獲得準(zhǔn)確的某一離子的濃度值。DGT 裝置的核心由擴(kuò)散相和結(jié)合相兩部分組成，擴(kuò)散相一般由水凝膠構(gòu)成，其作用是保證溶液中的離子自由擴(kuò)散進(jìn)入DGT 裝置；結(jié)合相是由帶有能提供配位電子對(duì)官能團(tuán)的高分子化合物構(gòu)成，其作用是與擴(kuò)散過(guò)來(lái)的金屬進(jìn)行配位。它引入了一個(gè)動(dòng)態(tài)概念：所測(cè)定的有效態(tài)濃度不僅包括土壤溶液中的重金屬含量，還包括測(cè)量期間從土壤固相動(dòng)態(tài)釋放的重金屬含量，而植物根部對(duì)重金屬的吸收導(dǎo)致概況附近土壤溶液中的重金屬濃度下降，并促使土壤顆粒態(tài)重金屬補(bǔ)充給土壤溶液，這個(gè)動(dòng)態(tài)反應(yīng)過(guò)程對(duì)于重金屬的生物有效性評(píng)價(jià)是不可忽略的，因此它是模擬生物吸收，預(yù)測(cè)金屬生物有效性較好的技術(shù)。
近年來(lái)，DGT 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水體、沉積物、土壤中重金屬有效態(tài)的原位采樣以及生物有效性的研究中。其應(yīng)用于土壤重金屬監(jiān)測(cè)，主要用于測(cè)定土壤環(huán)境中重金屬的有效態(tài)和重金屬的生物有效性，但其在測(cè)定重金屬生物有效性方面并沒(méi)有得到一致的結(jié)論：Koster 等比較了DGT 法提取的土壤中Zn的含量與3種植物中Zn 含量的相關(guān)性，結(jié)果表明在萵苣（Lactuca sativa）和藍(lán)花萵苣（L. perenne）中， Zn的累積與DGT 有效態(tài)濃度有很好的相關(guān)性，而在羽扇豆（Lupinus nanus）中Zn 的累積與Zn 的DGT 有效態(tài)濃度則沒(méi)有很好的相關(guān)性。這表明DGT 技術(shù)測(cè)定重金屬的生物有效性的準(zhǔn)確性可能會(huì)受植物種類的影響。
此外，國(guó)內(nèi)外大量研究將DGT 方法與傳統(tǒng)化學(xué)方法在檢測(cè)土壤重金屬生物有效性方面進(jìn)行了比較，如姚羽等對(duì)比研究了DGT 技術(shù)與5種傳統(tǒng)化學(xué)提取方法（土壤溶液法、0.11 mol·L-1 醋酸、0.05 mol·L-1 EDTA、0.01 mol·L-1 CaCl2 和1 mol·L-1 NaAc）評(píng)價(jià)鉛鎘復(fù)合污染情況下土壤鎘的生物有效性，結(jié)果表明：DGT 法與土壤溶液法和CaCl2 法測(cè)定的土壤有效態(tài)Cd 均與植物體內(nèi)Cd 含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。Sonmez 等采用DGT 法評(píng)價(jià)土壤中Zn 對(duì)高粱（Sorghum vulgare var. Sudanese）的生物有效性，并與CaCl2 提取法對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者的評(píng)價(jià)結(jié)果相似。Nolan 等采用DGT 法和0.01 mol·L-1 CaCl2 法對(duì)小麥（Triticum aestivum）中Zn、Cd 和Pb 的生物可利用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：DGT 法可以很好地預(yù)測(cè)3種重金屬在小麥體內(nèi)的累積。
由此可見(jiàn)，DGT 技術(shù)在測(cè)定重金屬的生物有效性方面不一定比化學(xué)浸提法更精確，但仍有著不同于化學(xué)分析方法的優(yōu)勢(shì)：一方面，DGT 技術(shù)是一項(xiàng)原位分析技術(shù)，操作簡(jiǎn)單，可以選擇性地吸收檢測(cè)特定形態(tài)的重金屬，不僅能很好地預(yù)測(cè)土壤重金屬的生物有效性，其測(cè)定結(jié)果還可以提供更多的關(guān)于土壤重金屬的信息，包括獲取重金屬在土壤中從固相到液相釋放的動(dòng)力學(xué)過(guò)程；另一方面其測(cè)量值不易受土壤理化性質(zhì)的影響。但該技術(shù)目前還基本處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，且并不能完全包含植物生長(zhǎng)過(guò)程中所受的各種影響因素，所表示的有效態(tài)會(huì)受結(jié)合相的影響， 結(jié)合相不同，其累積和測(cè)定的被監(jiān)測(cè)物質(zhì)的有效態(tài)也有所不同。
光譜分析。光譜分析技術(shù)是指利用光譜學(xué)原理和實(shí)驗(yàn)方法，以確定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的方法，在土壤重金屬污染檢測(cè)中應(yīng)用廣泛，常常配合其他提取方法用于檢測(cè)樣品中重金屬的含量。傳統(tǒng)的光譜分析方法有原子吸收光譜法、紫外-可見(jiàn)吸收光譜法、紅外光譜法、等離子體光譜法等，其中等離子體光譜法是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多的方法。這類方法靈敏度高，但不能直接檢測(cè)土壤中重金屬的形態(tài)，只能測(cè)定樣品中重金屬的總量或檢測(cè)不同提取方法（如前文介紹的化學(xué)浸提法，EDT 法等）所提取的各形態(tài)重金屬的含量，且樣品需要進(jìn)行前處理。隨著現(xiàn)代分析技術(shù)的發(fā)展，一些結(jié)構(gòu)和形態(tài)的光譜分析技術(shù)逐漸應(yīng)用于土壤固相重金屬的形態(tài)分析領(lǐng)域，如常用于鑒定一些金屬尾礦沉積物中重金屬的形態(tài)電子探針技術(shù)，X 射線衍射技術(shù)（XRD），同步輻射X 射線熒光光譜（SXRFS）等。這類方法檢測(cè)速度快，不需要樣品前處理，但其檢測(cè)靈敏度較上述傳統(tǒng)的光譜檢測(cè)方法低，主要應(yīng)用于礦物、礦床研究方面，一般不用于農(nóng)田土壤重金屬污染檢測(cè)。
20 世紀(jì)80 年代發(fā)展起來(lái)的高光譜遙感技術(shù)，以其高光譜分辨率和連續(xù)的光譜波段預(yù)測(cè)土壤重金屬含量，實(shí)現(xiàn)非破壞性和非接觸快速測(cè)樣。其原理是利用土壤有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、鐵錳氧化物、碳酸鹽礦物等主要組分對(duì)重金屬的吸附作用，通過(guò)這些重金屬吸附物對(duì)光譜曲線的影響來(lái)反演土壤中不同重金屬的含量。Zabcic 等利用機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)對(duì)黃鐵礦尾礦進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。李淑敏等利用ASD FieldSped Pro 光譜儀分析了北京地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬光譜特征，表明土壤重金屬含量與反射光譜之間存在顯著相關(guān)關(guān)系。
傳統(tǒng)的光譜分析方法，分析速度快，靈敏度高，且操作簡(jiǎn)便，但多與其他方法聯(lián)合使用，直接用于農(nóng)田土壤重金屬有效態(tài)含量檢測(cè)的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道，而且光譜定量分析是建立在相對(duì)比較的基礎(chǔ)上，必須有一套標(biāo)準(zhǔn)樣品作為基準(zhǔn)，這常常為實(shí)際操作帶來(lái)不便。高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于土壤污染檢測(cè)還處于探索階段，由于土壤成分十分復(fù)雜，土壤質(zhì)地、濕度、有機(jī)質(zhì)、氧化鐵等的含量都會(huì)對(duì)土壤光譜特征產(chǎn)生影響，因此，目前用光譜分析方法直接分析土壤重金屬含量的精度往往不是太高。但由于其具有快速、無(wú)損傷，大面積檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，在土壤污染檢測(cè)和監(jiān)測(cè)中有廣泛的應(yīng)用前景。
2.2 間接檢測(cè)法
間接檢測(cè)法是指不直接將土壤作為檢測(cè)對(duì)象，而是通過(guò)檢測(cè)生長(zhǎng)或生活在該土壤環(huán)境中生物的反映來(lái)間接檢測(cè)受污染土壤中重金屬的有效性。間接檢測(cè)法主要是指生物檢測(cè)法。土壤重金屬污染的生物檢測(cè)是指利用生物個(gè)體、種群或群落對(duì)土壤重金屬污染所產(chǎn)生的反應(yīng)，從生物學(xué)角度對(duì)環(huán)境污染狀況進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)的一門(mén)技術(shù)，包括指示植物檢測(cè)法、微生物檢測(cè)法、動(dòng)物檢測(cè)法等。
2.2.1 指示植物檢測(cè)法
指示植物檢測(cè)法是判斷污染土壤中重金屬有效性的一種經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便且可靠的方法，由于其不可比擬的優(yōu)越性而備受科研工作者的青睞。該方法一般通過(guò)以下兩方面來(lái)研究重金屬的有效性：一是植物的受害癥狀，包括植物根、莖、葉在色澤、形狀等方面的變化，植物葉片葉色素含量、氮素含量的變化等；二是植物體內(nèi)污染物的含量。
通過(guò)植物的受害癥狀來(lái)判斷土壤重金屬的有效性是一種快速、簡(jiǎn)便且不會(huì)對(duì)植物和土壤造成損傷的方法。張紀(jì)伍等研究表明，復(fù)合污染會(huì)使水稻的植株高度減小、分蘗數(shù)減少、莖葉及稻谷產(chǎn)量降低。蔣先軍等研究發(fā)現(xiàn)，印度芥菜（Brassica juncea）在含Cd 200 mg·kg-1 的土壤上會(huì)導(dǎo)致葉片失綠出現(xiàn)黃化癥狀。但該方法不能定量檢測(cè)土壤重金屬有效態(tài)，并且因重金屬污染具有隱蔽性，植物受重金屬脅迫后往往用肉眼很難識(shí)別。如匡少平等研究發(fā)現(xiàn)，即使在高鉛含量（>4000 mg·kg-1）的土壤中，作物對(duì)鉛發(fā)生強(qiáng)烈吸收后也沒(méi)有導(dǎo)致植株出現(xiàn)宏觀病癥。因此，該方法需要借助先進(jìn)的儀器設(shè)備與分析技術(shù)才能得以實(shí)現(xiàn)定量分析。
與光譜直接檢測(cè)一樣，高光譜遙感在間接檢測(cè)土壤重金屬污染方面也有廣泛的應(yīng)用前景，該方法間接檢測(cè)土壤重金屬污染情況的基本原理為：植物葉片的反射光譜與葉子形態(tài)學(xué)和生理學(xué)上的特征有關(guān)，當(dāng)植物受到某種物質(zhì)污染或脅迫后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、葉綠素和水分含量就會(huì)發(fā)生不同程度的變化，光譜反射特征也隨之變化，一般情況下，污染或脅迫越嚴(yán)重，這種變化就越大。但由于光譜易受環(huán)境因素影響，且該技術(shù)還沒(méi)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和分析方法，定量估測(cè)精度還有待提高，目前該方法僅適應(yīng)重度重金屬污染土壤監(jiān)測(cè)，一般輕微、輕度和中度重金屬污染土壤難以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)需求，其監(jiān)測(cè)值僅可作為參考，不能夠作為農(nóng)田重金屬污染普查、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬污染監(jiān)測(cè)等依據(jù)。如，關(guān)麗等系統(tǒng)分析了受鎘污染的水稻葉片中葉綠素含量變化及其與高光譜遙感數(shù)據(jù)的響應(yīng)關(guān)系，并探討了水稻冠層的葉綠素遙感監(jiān)測(cè)參數(shù)對(duì)鎘污染程度的響應(yīng)模型，響應(yīng)系數(shù)為0.59。
通過(guò)植物體內(nèi)污染物含量來(lái)判斷土壤中重金屬的有效性早已有相關(guān)報(bào)道：薛澄澤等利用黑麥（Secale cereale）幼苗法測(cè)定了全國(guó)污灌區(qū)12個(gè)土樣中Cd 元素的生物有效性、陜西紫陽(yáng)縣富硒區(qū)土壤中Se 的有效性及西安污水廠污水污泥中重金屬的生物有效性，結(jié)果表明，黑麥幼苗法可以應(yīng)用于土壤污染化學(xué)的研究。孟昭福等采用室內(nèi)培養(yǎng)的方法，研究了小麥替代黑麥測(cè)定土壤中重金屬生物有效性的植物，結(jié)果表明，小麥?zhǔn)呛邴湹妮^佳替代植物。楊維等將土壤重金屬的生物可利用態(tài)含量與植物中重金屬的含量結(jié)合起來(lái)，研究受污染土壤對(duì)植被的作用，表明植物吸收的重金屬不僅包括可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)，還包括在一定條件下釋放出來(lái)的鐵錳氧化物態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)。Meers 等利用菜豆（Phaseolus vulgaris）對(duì)重金屬的富集，研究了土壤中重金屬的植物有效性。該方法考慮到了土壤和植物之間的相互關(guān)系，可以很好地反映特定重金屬對(duì)特定植物的生物有效性，但該方法與化學(xué)檢測(cè)方法一樣，需要進(jìn)行采樣分析，且受植物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)的限制，只能作為輔助檢測(cè)方法。
2.2.2 微生物檢測(cè)法
微生物與土壤微環(huán)境親密接觸，在許多情況下，其質(zhì)量與活性都可以作為土壤污染的理想檢測(cè)指標(biāo)。微生物檢測(cè)即用微生物的一些特性指標(biāo)，如微生物的生物量、群落結(jié)構(gòu)、代謝熵等的變化來(lái)反映土壤重金屬污染的一種檢測(cè)方法。馬小凡等研究了長(zhǎng)春市土壤微生物的生化作用強(qiáng)度與多種重金屬化學(xué)形態(tài)的關(guān)系，結(jié)果表明，長(zhǎng)春城區(qū)土壤中不同重金屬的各種化學(xué)形態(tài)對(duì)微生物生化作用強(qiáng)度的影響明顯不同，交換態(tài)Pb 抑制纖維素分解作用強(qiáng)度、促進(jìn)呼吸作用強(qiáng)度，而有機(jī)結(jié)合態(tài)Ni抑制固氮作用。土壤微生物對(duì)土壤變化高度敏感，是目前可用的最敏感的生物標(biāo)記之一，因?yàn)橥寥乐械奈⑿∽儎?dòng)均會(huì)引起其多樣性的變化，但目前應(yīng)用土壤微生物指標(biāo)的主要障礙是：缺乏對(duì)一般土壤過(guò)程與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)或特性間關(guān)系的了解，對(duì)具體指標(biāo)好與壞的基線與閾值也并不十分清楚。
2.2.3 動(dòng)物檢測(cè)法
與植物檢測(cè)法和微生物檢測(cè)法相比，動(dòng)物檢測(cè)法檢測(cè)的多為重金屬的毒性生物有效性，已有的研究多是以土壤重金屬全量作為其有效態(tài)。如孫賢斌等研究了淮南煤礦和發(fā)電廠灰場(chǎng)周圍土壤中重金屬對(duì)土壤動(dòng)物的影響，結(jié)果表明，土壤動(dòng)物群落的個(gè)體和類群數(shù)隨著距灰場(chǎng)水平距離的縮小和污染的加重而減少，隨著重金屬污染的加重，土壤動(dòng)物群落多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)、密度-類群指數(shù)均趨于減小。白義等調(diào)查了臺(tái)州市路橋區(qū)土壤重金屬污染對(duì)土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，重金屬污染能對(duì)土壤動(dòng)物多樣性構(gòu)成嚴(yán)重影響，土壤動(dòng)物群落的類群和個(gè)體數(shù)量隨污染程度的加重而減少。從目前研究來(lái)看，動(dòng)物檢測(cè)一般只用于對(duì)土壤污染程度的定性研究。
3 土壤重金屬有效態(tài)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)
3.1 土壤重金屬有效態(tài)檢測(cè)的問(wèn)題
直接檢測(cè)方法可以獲取土壤在某一時(shí)間、某一剖面上的瞬間污染信息，可以確定污染物種類、污染深度及污染程度，且檢測(cè)精度高，但由于建立在對(duì)污染對(duì)象的物理、化學(xué)采樣及分析基礎(chǔ)上而造成對(duì)污染對(duì)象的破壞，且傳統(tǒng)的直接檢測(cè)方法具有“滯后”性，在測(cè)出土壤受到污染的同時(shí)或之前，污染物已經(jīng)對(duì)污染對(duì)象造成了影響，土壤-植物系統(tǒng)重金屬中毒已到一定程度。同時(shí)，直接檢測(cè)方法對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境信息的綜合分析能力較弱，難以發(fā)展成為高效簡(jiǎn)便且時(shí)效性強(qiáng)的土壤重金屬污染檢測(cè)技術(shù)。間接檢測(cè)法考慮到了土壤和生物之間的相互關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中更具有價(jià)值，但有周期長(zhǎng)、檢測(cè)精度相對(duì)低、不能直接確定污染物種類等缺點(diǎn)。
因此，在提取和檢測(cè)土壤重金屬有效性的方法中，無(wú)論是傳統(tǒng)的檢測(cè)方法還是借助先進(jìn)分析儀器的現(xiàn)代檢測(cè)方法都有其適用范圍和局限性，在選擇檢測(cè)與監(jiān)測(cè)方法時(shí)應(yīng)根據(jù)具體評(píng)價(jià)要求的精確度、評(píng)價(jià)時(shí)間的限定、評(píng)價(jià)條件等各方面因素加以選擇，由于目前還沒(méi)有統(tǒng)一的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)方法，可以將上述方法聯(lián)合使用，以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
3.2 土壤重金屬有效態(tài)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)
土壤-植物系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)單元，也是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)的樞紐及環(huán)境要素的重要組成部分，土壤中重金屬的積累，特別是耕地土壤重金屬污染，一方面對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅；另一方面，重金屬以各種農(nóng)作物為中轉(zhuǎn)站，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，引發(fā)各種疾病，最終危害人體健康。因此，對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，并制定修復(fù)方案，以保障糧食安全和人類身體健康是目前迫切需要解決的問(wèn)題。
目前還沒(méi)有統(tǒng)一的方法來(lái)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)土壤有效態(tài)重金屬含量，今后應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面的研究：
（1）原位檢測(cè)與監(jiān)測(cè)
前文所介紹的方法，大都屬于異位檢測(cè)方法，該過(guò)程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢，且在采集土壤的過(guò)程中，會(huì)對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)造成破壞，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，并不是一種經(jīng)濟(jì)可行的辦法。而原位檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)則克服了上述缺點(diǎn)，并且原位檢測(cè)與監(jiān)測(cè)反映的是生物體在土壤中生長(zhǎng)的實(shí)際情況，更具有現(xiàn)實(shí)意義，而現(xiàn)有的原位分析技術(shù)不能現(xiàn)場(chǎng)對(duì)污染物的種類進(jìn)行很好的識(shí)別，因此，對(duì)受污染土壤進(jìn)行原位檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，對(duì)不同種類重金屬進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別，將是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
（2）重金屬對(duì)植物的脅迫機(jī)理及形態(tài)學(xué)影響的研究
植物從土壤中吸收重金屬并將其轉(zhuǎn)移和積累到地上部分，使植物從形態(tài)學(xué)上表現(xiàn)出脅迫癥狀，要經(jīng)過(guò)一系列的生理生化過(guò)程，了解這一過(guò)程及產(chǎn)生脅迫癥狀的機(jī)理，有助于挑選或?qū)ふ液线m的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)方法，精確檢測(cè)土壤有效態(tài)重金屬含量。雖然，現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使人們從分子水平上闡明植物對(duì)金屬離子的吸收、積累及脅迫機(jī)理成為可能，但仍然處于探索階段，未來(lái)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。
（3）將土壤-植物-人作為系統(tǒng)進(jìn)行研究
重金屬的生物有效性是土壤、重金屬、植物、人相互作用的綜合效應(yīng)，一種重金屬生物有效性不僅與土壤的組成及性質(zhì)有關(guān)，而且和元素在植物及人體內(nèi)的遷移過(guò)程和機(jī)理有關(guān)，并且隨著時(shí)間的變化遷移過(guò)程也是變化的。因此，將土壤-作物-人系統(tǒng)作為一個(gè)整體，研究重金屬在土壤-植物-人系統(tǒng)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，揭示影響重金屬有效性的關(guān)鍵因子，對(duì)合理評(píng)估土壤重金屬的污染程度及提出治理方案有重要意義。
（4）重金屬污染的大面積立體監(jiān)測(cè)
以往土壤重金屬有效性研究側(cè)重于野外采樣，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)檢測(cè)階段，其研究結(jié)果局限于點(diǎn)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，時(shí)空代表性受到一定限制。針對(duì)我國(guó)農(nóng)田土壤污染較突出的現(xiàn)狀，應(yīng)綜合利用便攜式高光譜儀、航空遙感、航天遙感等現(xiàn)代化檢測(cè)技術(shù)。今后研究的重點(diǎn)應(yīng)放在研發(fā)面源重金屬污染快速精準(zhǔn)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)和裝備，開(kāi)展由點(diǎn)到面，立體動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。基于遙感、地理信息系統(tǒng)和GPS 的高光譜遙感技術(shù)在檢測(cè)與監(jiān)測(cè)土壤重金屬全量方面已有諸多報(bào)道，將是土壤重金屬有效態(tài)含量的快速、大面積立體監(jiān)測(cè)的重要研究方向。
（5）高光譜遙感技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展
成像光譜儀的出現(xiàn)已使從便攜式成像光譜儀到飛機(jī)到衛(wèi)星平臺(tái)獲取高光譜分辨率圖像數(shù)據(jù)成為可能，現(xiàn)在高光譜數(shù)據(jù)處理技術(shù)也越來(lái)越多，如應(yīng)用于反射光譜的連續(xù)統(tǒng)去除（continuum removal）、倒數(shù)對(duì)數(shù)、微分、小波變換等光譜預(yù)處理技術(shù)及應(yīng)用于高光譜圖像的光譜匹配、混合像元分解等技術(shù)。通過(guò)植被的光譜特征來(lái)監(jiān)測(cè)土壤重金屬污染的主要方法，就是通過(guò)分析光譜數(shù)據(jù)或光譜圖像，找出對(duì)脅迫變化敏感的光譜參數(shù)及光譜指數(shù)，利用單因素回歸、主成分分析、偏最小二乘回歸、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分析方法，找出光譜參數(shù)及光譜指數(shù)與土壤重金屬含量的相關(guān)關(guān)系，并構(gòu)建模型來(lái)間接反映土壤重金屬污染狀況。但由于不同植物對(duì)同種重金屬的吸收不同，甚至同種作物對(duì)不同種金屬的吸收也存在顯著差異，目前利用高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)土壤重金屬污染研究還處于探索階段，研究模型沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如何提取最優(yōu)光譜參數(shù)及如何構(gòu)建光譜指數(shù)等沒(méi)有指導(dǎo)性的方法，如現(xiàn)有的光譜指數(shù)大多是基于有限物種的小的獨(dú)立數(shù)據(jù)集來(lái)構(gòu)建，甚至在不同的研究中，相同的重金屬用不同的指數(shù)來(lái)估測(cè)，這使模型的選擇和應(yīng)用上沒(méi)有一致性，因此設(shè)計(jì)一個(gè)規(guī)范的高光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理方法也是今后重要研究方向之一。
此外，光譜指數(shù)的應(yīng)用還受尺度的影響，即直接將葉片光譜指數(shù)應(yīng)用于冠層尺度或區(qū)域尺度通常不可行，因?yàn)檫b感數(shù)據(jù)會(huì)受大氣環(huán)境、光照強(qiáng)度、景觀異質(zhì)性等因素的影響；同時(shí)，這些因素的存在，也會(huì)影響遙感估測(cè)的精度，如何進(jìn)一步提高遙感技術(shù)估測(cè)精度和其實(shí)際應(yīng)用能力，還要依賴于遙感科學(xué)和其他相關(guān)研究人員的共同努力。
來(lái)源：《中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)報(bào)》2017年第4期
作者：周衛(wèi)紅 張靜靜 鄒萌萌 杜小龍 張穎 楊悅 李建龍
單位：南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院
中國(guó)鄉(xiāng)村發(fā)現(xiàn)網(wǎng)轉(zhuǎn)自：微信號(hào) 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)
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