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高氯酸盐化学性质稳定，水溶性高，吸附性低，广泛存在于环境介质中。由于高氯酸盐具有与碘离子相似的离子半径和相同的电荷数，可以与碘离子竞争钠/碘同向转运体（NIS）的结合位点，从而抑制碘的吸收，干扰甲状腺激素的合成，引起机体代谢的紊乱[1-2]。欧洲食品安全局（EFSA）评估人体暴露高氯酸盐的风险，结果表明长期摄入高氯酸存在潜在风险，尤其是孕妇、胚胎、婴儿及碘缺乏的年轻群体最容易受到危害[3]。
我国是世界上最大的茶叶种植国，也是第二大茶叶出口国。2016年初中国出口欧盟的茶叶中频繁检出高含量的高氯酸盐，对中国茶叶出口产生极大负面影响。此前，美国环保局（US EPA）将高氯酸的参考剂量设定为0.0007 mg·(kg ·d)−1[4]，欧盟建议成员国的干茶中
ClO−4 的参考限量暂定为0.75 mg·kg−1，欧洲食品安全局建议人体每日容许ClO−4 摄入量(tolerable daily intake，TDI)为0.0003 mg·(kg·d)−1[3,5]。现阶段，关于高氯酸盐的检测方法主要有离子色谱法、离子色谱串联质谱法（IC-MS/MS）、液相色谱串联质谱法（LC-MS/MS）等[6-9]，所涉及的基质主要集中在水、土壤、底泥等环境样品和少量食品如奶粉、牛奶中[10-13]。针对茶叶样品中高氯酸盐分析的方法研究相对较少，并且多为LC-MS/MS方法[14]，然而常见的C18色谱柱对高氯酸盐选择性差，高氯酸盐在其中保留较差或无保留，同时茶叶比较复杂的基质可能干扰高氯酸盐的准确测定，此时改善色谱分离和样品处理方法，提高高氯酸盐的提取率并且降低共存离子的干扰，就成为分析成败的关键。对于LC-MS/MS方法，多选择修饰离子交换基团的液相色谱柱来增强高氯酸盐的保留，以此改善高氯酸盐和基质的分离，前处理方法选择含乙酸溶液提取以防止在去除基质时高氯酸盐的损失[15-16]。相比之下，在各种环境基质高氯酸盐分析中具有广泛应用的IC-MS/MS法则具有更强的选择性，该方法通过电导检测的色谱图可以实时监测复杂基体样本中高氯酸盐与杂质离子的分离情况，减少在质谱检测时共淋洗物质对高氯酸盐信号的抑制，进而提高方法的抗干扰能力。在茶叶样品前处理方面，由于高氯酸盐属于无机阴离子，在水中溶解度高，因此选用高纯水提取茶叶中高氯酸盐。茶叶基质复杂，往往含有多种有机化合物和无机矿物元素，高纯水在提取高氯酸盐时也导致许多水溶性物质溶解在提取液中。因此，为了防止其它共存物质干扰检测结果，本研究首先用OnGuard Ⅱ RP柱处理，去除提取液中有机物，以达到离子色谱的进样要求，减少样品对色谱柱耐受的影响。然后选用对高氯酸盐专属性较好的离子色谱柱进行分离，良好的色谱分离极大减少了共存离子的干扰，提高了测定准确度。另外，用纯水直接对高氯酸盐进行提取亦可很好地模拟泡茶的过程，更能体现人体通过饮用茶水摄入高氯酸盐的真实水平。通过实验条件优化，建立了快速准确的茶叶样品中高氯酸盐的离子色谱-串联质谱分析方法，为茶叶检测分析提供方法学参考。
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ICS2000型离子色谱仪(美国，Thermo Fisher)，免化学试剂淋洗液自动发生器(美国，Thermo Fisher)，AS自动进样器(美国，Thermo Fisher)；IonPacAS19型阴离子分析柱(250 mm×2 mm)(美国，Thermo Fisher)，IonPacAG19型保护柱(50 mm× 2mm)(美国，Thermo Fisher)；IonPacAS20型阴离子分析柱(250 mm×2mm)(美国，Thermo Fisher)，IonPacAG20型保护柱(50 mm×2 mm)(美国，Thermo Fisher)；ASRS 3000 2 mm阴离子抑制器(美国，Thermo Fisher)。API 32000三重四极杆LC-MS/MS 系统(美国，Applied Biosystems)。METTLER TOLEDO 电子天平(美国，METTLER TOLEDO )，A11基本型研磨机（德国，IKA），KS4000 i control 温控摇床（德国，IKA），3-18k高速冷冻离心机（德国，Sigma），QL-901旋涡混合器(中国，其林贝尔）。
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0.45 μm尼龙针头过滤器（中国，卅克），一次性无菌注射器(5 mL，江苏治宇医疗器械有限公司)，OnGuard Ⅱ RP-1cc前处理柱(美国，Thermo Fisher)。超纯水为Milli-Q Advantage A10系统(美国，Millipore)于电阻率为18.2 MΩ·cm下提供，1000 mg·L−1的高氯酸盐标准品溶液(美国，Sigma，色谱纯)，500 μg·L−1的18O4—高氯酸盐内标储备液（美国，Cambridge Isotope Laboratories，4 ℃冰箱保存），甲醇（美国，Thermo Fisher Scientific，色谱级）。
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色谱系统：进样量为100 μL，流速为0.25 mL·min−1，采用EGC淋洗液（KOH）自动发生器控制淋洗液梯度，抑制器采用外接水模式，抑制电流25 mA。AS19和AS20色谱柱采用不同淋洗程序，柱温均为30 ℃。
AS19梯度淋洗程序：0—15 min，10 mmol·L−1；15—25 min，10—40 mmol·L−1；25—30 min，40 mmol·L−1；30.1—38 min，10 mmol·L−1。
AS20等度淋洗程序：0—22 min，35 mmol·L−1。
质谱条件：离子源为ESI源，在负离子模式下以MRM模式进行监测。气帘气（curtain gas）：20 psi；碰撞气（collision gas）：5 psi；离子喷雾电压（IonSpray Voltage）：−4500 V。离子源温度（Temperature)：500 ℃；雾化气（Gas 1）：55 psi；加热气（Gas 2）：55 psi。
检测的离子对及其对应质谱参数见表1。
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高氯酸盐储备液：将高氯酸盐标准品溶液1000 mg·L−1用超纯水稀释至500 μg·L−1储存于4 ℃冰箱中保存备用。
高氯酸盐标准溶液的配制：用高氯酸盐储备液与18O4标记的高氯酸盐内标储备液配制高氯酸盐标准溶液，将高氯酸盐储备液用高纯水稀释至0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、50 μg·L−1获得高氯酸盐标准溶液，其中18O4标记的高氯酸盐内标浓度均为5 μg·L−1。
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首先将茶叶放入研磨机进行研磨，得到均匀粉末状的茶叶样品。称量0.5 g茶叶样品放入50 mL离心管中，加入超纯水浸泡茶叶数次，以萃取样品中的高氯酸盐。每次浸泡使用超纯水20 mL，浸泡一定时间后，以10000 r·min−1的速度离心5 min，取出上清液，最后将3次浸泡得到的上清液合并，得到高氯酸盐萃取液。取5 mL萃取液用0.45 μm尼龙滤膜过滤，再用OnGuard Ⅱ RP-1cc进行有机物的去除，弃掉前3—4 mL萃取液，收集1 mL萃取液为上机测试样品。OnGuard Ⅱ RP-1cc柱在使用前须用4 mL甲醇和10 mL超纯水进行活化。
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准备28份茶叶样品，以每组7份平行样品分为4组，分别为原茶叶样品及低、中、高加标茶叶样品，其中低、中、高加标茶叶样品加入的高氯酸盐浓度为100、300、600 μg·kg−1。将4组样品同时进行上述“1.5”节前处理后进样分析，计算回收率。
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高氯酸盐在水中稳定且溶解度高，同时考虑到饮茶的实际情况，因此选用高纯水浸泡茶叶以提取其中高氯酸盐。高纯水提取茶叶中的高氯酸盐也成功避免了溶剂峰对分析结果的干扰。本研究对不同浸泡条件（包括浸泡次数、浸泡时间、水的温度及是否振荡浸泡）进行优化，确定茶叶中高氯酸盐最佳萃取条件。
首先对茶叶浸泡次数和时间进行优化，将茶叶样品按上述“1.5节”方法进行前处理，每次使用20 mL高纯水，浸泡时间分为15、30、60、90 min，共浸泡3次，将每次浸泡的上清液进行处理后检测，根据3次提取量之和计算每次提取的效率。如图1所示，随着浸泡次数的增加，高氯酸盐的浸出量不断减少，第1次最高，浸出量占总浸出量的88%—89%，第3次浸泡提取时高氯酸盐浸出量仅为总浸出量的2.3%—3.0%，因此可认为茶叶经3次浸提后高氯酸盐浸出接近完全。不同浸泡时间下的高氯酸盐浸出量如图2（a）所示，这4组茶叶的高氯酸盐总浸出量范围为283—304 μg·kg−1，相对标准偏差为4.3%。上述结果表明浸泡时间对茶叶中高氯酸盐的萃取效率影响较小，最终选取15 min为提取时间。
最后考察水温和振荡浸泡对茶叶中高氯酸盐浸出量的影响，设置4组茶叶反复浸泡3次，4组茶叶分别选取室温振荡浸泡、室温静置浸泡、65 ℃振荡浸泡及65 ℃静置浸泡的方式，得到各自提取量结果，如图2（b）所示。由图2可知，静置条件下水温对高氯酸盐的浸出量有较大影响。振荡条件下，室温和65 ℃浸出的高氯酸盐量相差不大，但均优于静置提取的效率。因此，本研究最终选择在室温下振荡提取高氯酸盐。
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高氯酸根为疏水性强易极化的阴离子，本研究对AS19色谱柱和AS20色谱柱分离茶叶中高氯酸盐的效果进行比较，其中AS20色谱柱的亲水性较强，AS19色谱柱亲水性适中。图3为离子色谱电导检测时的色谱图，可以看出茶叶基质复杂，干扰较多。AS19分离时，高氯酸出峰的位置（30.78 min）有明显的干扰峰，而在AS20色谱柱中高氯酸盐（保留时间：15.08 min）和干扰离子却能实现很好的分离。另外，在AS20色谱柱中高氯酸盐的保留时间（15.08 min）是AS19色谱柱（30.78 min）的一半，意味着AS20对高氯酸盐的分离效率更高。从质谱检测的色谱图可知（图4），茶叶经AS19色谱柱分离的高氯酸盐响应（2.2×104 cps）明显低于AS20色谱柱（3.7×104 cps），进一步说明AS19色谱柱在分离茶叶样品时与高氯酸盐共淋洗的物质使质谱检测产生较明显的基体抑制效应。而AS20作为分离柱时，茶叶中与高氯酸盐共存的基质阴离子均可与高氯酸盐实现较好的分离，质谱的基质效应较小，高氯酸盐在质谱检测中响应较高。因此考虑到相较于AS19色谱柱，AS20色谱柱具有对高氯酸盐的分离效果更好，用时更短，效率更高的优点，最终选用AS20作为高氯酸盐的色谱分离柱。
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将配制的一系列浓度（0.05—50 μg·L−1）高氯酸盐标准溶液进样分析后，以高氯酸盐的浓度为X轴，对应的高氯酸盐（98.8/82.8）与同位素标记的高氯酸盐（106.9/88.8）峰面积的比值为Y轴，绘制标准曲线为Y=0.0223X+0.000513，所得线性相关系数为R2=0.9998。以3倍和10倍信噪比确定仪器的检出限和定量限分别为0.014 μg·L−1和0.05 μg·L−1，转化成实际样品中高氯酸盐的检出限和定量限分别为1.7 µg·kg−1和6 µg·kg−1。
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根据上述方法进行回收率实验，结果如表2所示。其中未加标茶叶样品中高氯酸盐浓度的相对标准偏差（RSD）为1.7%。3个加标水平的高氯酸盐回收率分别在94.6%—133%、101%—118%和101%—109%之间，说明该方法可用于茶叶中高氯酸盐的准确测定。
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在超市随机选购16个品牌的茶叶样品，包括蒲公英茶（1种）、铁观音（4种）、绿茶（4种）、大红袍（1种）、普洱茶（1种）、肉桂茶（1种）。经上述前处理过程和检测后，发现所有样品中均检出高氯酸盐，浓度范围为97.0—2.71×103 μg·kg−1，如图5所示，其中4个样品浓度>500 μg·kg−1，2个样品浓度在300—500 μg·kg−1，10个茶叶样品高氯酸盐浓度<300 μg·kg−1。本研究购买的茶叶中，蒲公英茶所含高氯酸盐浓度最高，为2.71×103 μg·kg−1，其次为铁观音1样品，其中高氯酸盐浓度为1.38×103 μg·kg−1，这2个样品中高氯酸浓度超过了欧盟建议的干茶中
ClO−4 的参考限值750 μg·kg−1。根据《中国人群暴露参数手册》[17]，人体中高氯酸盐的日均暴露量计算公式ADD=C×IR×EF×ED/（BW×AT），各参数意义及取值见表3。高氯酸盐是非致癌物质，用危害商（HQ）评价其健康风险。危害商的公式为HQ=ADD/RfD，其中RfD为高氯酸盐参考剂量。由于目前中国还没有与人体健康相关的高氯酸盐剂量的政策出台，本研究选取欧洲食品安全局（EFSA）建议的人体每日容许
ClO−4 摄入量0.0003 mg·(kg·d)−1作为参考剂量RfD。通过计算，人体通过饮茶摄入高氯酸盐的日均暴露量结果及危害商如表4所示。在检测的16个茶叶样品中，蒲公英茶1与铁观音1的危害商值大于1，其余茶叶样品均小于1。说明蒲公英茶1与铁观音1中高氯酸盐对人体可能产生一定的健康风险，其余健康风险较小。 -
本研究考察了不同浸提条件对茶叶中高氯酸盐的提取效率的影响，最终建立了去离子水振荡提取结合离子色谱-串联质谱联用分析茶叶中高氯酸盐的方法。对于茶叶中高氯酸盐的提取，最终选择以纯水在室温下振荡提取3次，每次浸泡15 min达到最佳提取效率。并且选用AS20色谱柱用于茶叶中高氯酸盐的分离。本研究建立的分析方法，操作简单、灵敏度高，可准确地测定茶叶中高氯酸盐的含量。方法应用于实际样品中高氯酸盐的分析得到了良好的结果，在分析的16个品牌茶叶样品中均检出了高氯酸盐的存在，并且发现长期饮用某些茶叶可能对人体健康存在一定的风险。
茶叶中高氯酸盐的离子色谱串联质谱分析
The determination of perchlorate in tea using IC-MS/MS
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摘要: 本研究建立了茶叶中高氯酸盐的离子色谱串联质谱分析方法。对样品前处理方法进行了优化，结果表明用20 mL高纯水振荡提取15 min，重复3次，第3次高氯酸盐浸出量仅为总浸出量的2.3%—3.0%，因此可认为茶叶经3次浸提后高氯酸盐浸出接近完全。样品萃取液选用AS20色谱柱进行分离和电喷雾串联质谱（ESI-MS/MS）检测，样品在加标100、300、600 μg·kg−1的情况下，高氯酸盐回收率分别在94.6%—133%、101%—118%和101%—109%之间。方法在0.05—50 μg·L−1之间具有良好的线性关系，定量限为6 μg·kg−1。最后将方法用于不同类茶叶中高氯酸盐的分析，均检出不同浓度高氯酸盐的存在，浓度在97.0—2.71×103 μg·kg−1之间，通过茶叶摄入高氯酸盐对人体造成的暴露需引起人们的关注。Abstract: A method was established for the determination of perchlorate in tea using ion chromatography coupled with tandem mass spectrometry. The result showed that the amount of perchlorate after the third extraction process accounts only 2.3%—3.0% of the total amount of perchlorate by shaking extraction with 20 mL high purity water for 15 min and repeating for three times. Therefore, the perchlorate in tea was considered to be completely extracted after three times extraction. After extraction, the sample was separated using an AS20 column with the detection using electrospray tandem mass spectrometry (ESI-MS/MS). The recoveries of perchlorate were within the ranges of 94.6%—133%, 101%—118% and 101%—109% when the sample was spiked with the concentrations of 100, 300 and 600 μg·kg−1, respectively. The method showed a good linear range between 0.05—50 μg·L−1 with the limit of quantification at 6 μg·kg−1. Finally, the proposed method was successfully applied to determine perchlorate in different types of tea. The result showed that perchlorate could be detected in all samples with the concentrations between 97.0 μg·kg−1 and 2.71×103 μg·kg−1. The human exposure risks of perchlorate through tea intake needs to be concerned.
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Key words:
- perchlorate /
- pretreatment /
- ion chromatography tandem mass spectrometry /
- tea
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在矿区开采和冶炼过程中，大量重金属伴随矿渣、冶炼废水和废气通过雨水淋溶、污水灌溉、大气降尘等方式进入土壤，造成矿区农田污染[1]。矿区农田重金属污染土壤修复可从两方面开展工作。一是从土壤的角度选用合适的调理剂对原生土壤进行调理；二是从作物的角度筛选合适的经济作物种植。无机试剂能与合适价态的重金属离子发生氧化、还原、沉淀等反应，从而改变重金属的迁移量。天然有机肥能够增加土壤肥力，改善土壤微生态环境，同时有机肥中的有机物能够与重金属发生络合，降低土壤中重金属向植物的转移量[2]。因此，无机-有机混合调理剂是一类重要的调理试剂。不同的植物对不同重金属的吸收量具有较大差异。重金属具有多种形态，其中有效态迁移性最强，最容易被植物吸收富集，是评价可迁移重金属数量的重要指标[3]。筛选适合不同重金属污染土壤种植的作物也是土壤修复的重要内容。油葵、孔雀草和香茅草是华南地区主要的油料作物。桑树是普遍种植的经济作物，具有较强的重金属耐受性。
单纯对污染农田进行修复已不能满足污染农田地区居民对土壤经济价值的追求。边修复边生产是满足当地居民、政府和环保企业、等各方需求的主要发展方式。蚕沙是新鲜桑叶被蚕食后排出的代谢产物，主要成分是黄酮类化合物，一定程度上可改变土壤细菌群落的结构和优势种群，并作为天然有机肥使用[4, 5]。田间实验表明施加蚕沙能够增加土壤中的有机碳，降低温室气体排放[6]。含铁物质反应活性高、表面具有多羟基位点，可广泛用于重金属的调理[7-8]。
本研究基于前期重金属污染农田的调理剂筛选结果，采用蚕沙-铁基复合调理剂进行异位调理，并开展4种经济作物的两季盆栽实验，探究调理剂与植物栽培对污染土壤中多种重金属有效态的影响，以期为多金属污染矿区农田土壤进行经济作物种植提供参考。
1. 材料与方法
1.1 实验材料
油葵和孔雀草的种子均采购于南宁蔬菜种子公司。香茅草和桑树苗购于南宁市西乡塘区苹果枣苗木经营部。蚕沙购于河池市桂恒旺科技有限责任公司。还原铁粉、伊蒙土购于南宁雄润化学试剂有限公司。供试土壤采自广西某硫化矿区重金属污染农田，pH为6.4，为弱酸性土壤。该土壤中主要污染物为镉、砷、铅、锌、铜，其质量分数分别为74、1848、2014、272、254 mg·kg−1，相应的有效态分别为4.8、21.2、170.1、24.8、48.4 mg·kg−1，有机质为22.2 mg·kg−1。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准 (试行) 》 (GB15618-2018) ，供试土壤镉、砷、铅、锌、铜分别是风险筛选值的245倍、20倍、2倍、9倍、4倍，其中镉、砷均超过风险管控值。
1.2 盆栽实验方法
盆栽实验常温进行，分为对照组和实验组，对照组为不添加调理剂+植物，实验组为添加调理剂+植物。盆栽植物为油葵(Helianthus annuus Linn.)、孔雀草(Tagetes patula L.)、香茅草(Cymbopogon citratus.)、桑树(Morus alba L.)4种植物，每种植物均设置 3 个处理。1) CK (空白对照) ；2) S1Fe2 (蚕沙：还原铁粉=1:2) ；3) S1Y1Fe2 (蚕沙：伊蒙土：还原铁粉=1:1:2) 。总共 12 个处理，每个处理设置重复3次。具体如表1所示。
表 1 实验处理Table 1. Treatments in experiment对照组 添加还原铁粉实验组 添加伊蒙土和还原铁粉实验组 CK S1Fe2 S1Y1Fe2 桑树Morus alba L. S1Fe2+桑树 S1Y1Fe2+桑树 油葵Helianthus annuus Linn. S1Fe2+油葵 S1Y1Fe2+油葵 孔雀草Tagetes patula L. S1Fe2+孔雀草 S1Y1Fe2+孔雀草 香茅草Cymbopogon citratus. S1Fe2+香茅草 S1Y1Fe2+香茅草 | Show Table
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盆栽在23 cm×14 cm塑料花盆中进行，共含供试土壤1 800 g，按质量分数3%添加调理剂。在花盆中加入基肥 (N:P:K=17:8:26) ，将调理剂与土壤混匀后加入盆中，加入去离子水保持土壤含水量为田间最大持水量的60%~70%[9]。平衡20 d后，分别将油葵、孔雀草种子均匀洒入塑料花盆中并覆盖少量土，再将1株香茅草和桑树移栽入盆中，喷洒适量去离子水。待油葵、孔雀草出苗7 d后根据幼苗长势定苗至3株，生长期保持含水量为田间最大持水量的 60%~70%。60 d后，采集土壤样品进行重金属有效态含量的测定。之后，播种第2批油葵、孔雀草，并移栽1株香茅草，油葵和孔雀草出苗7 d后分别定苗至6株和4株。60 d后，采集第二季土样。将土样风干混匀，过20目筛，测定土壤的pH、有机质及有效态重金属含量。
1.3 测定项目和方法
土壤中有效态镉和锌采用二乙三胺五乙酸提取—电感耦合等离子体发射光谱法 (HJ 804—2016) 测定；有效态砷采用盐酸提取—原子荧光法测定；有效态铜按照二乙三胺五乙酸—原子吸收分光光度法 (NY/T 890—2004) 测定；有效态铅按照二乙三胺五乙酸提取—原子吸收分光光度法 (GB/T 23739—2009) 测定。土壤pH按照电位法 (NY/T 1377—2007) 测定。有机质按照重铬酸钾—硫酸定量法 (NY/T 9834—1988) 测定。
1.4 数据处理
用Excel2010进行基础计算，SPSS软件进行同作物的不同处理间单因素方差分析，最后用origin8.5软件作柱状图。
2. 结果与讨论
2.1 不同处理中土壤pH值的变化
在重金属污染土壤中施加复合调理剂后，两季作物生长后土壤的pH变化如图1所示。第一季施加S1Fe2后，土壤pH提高了0.68~1.08，施加S1Y1Fe2后土壤pH提高了0.26~0.78。第二季施加S1Fe2后，土壤pH提高了0.61~1.03，施加S1Y1Fe2后土壤pH提高了0.36~0.76。2种调理材料对土壤pH值的影响差异不显著。植物根系分泌的低分子有机酸使pH降低，且降低程度因作物品种不同而不同[10]。第一季种植孔雀草后土壤pH降低最显著，比原土pH值低0.57。而香茅草和桑树两季种植后的土壤pH都是略低于原土pH。两季相比，pH增幅有一定差别。S1Fe2-孔雀草组合，两季的pH分别增加1.08和1.03，增幅最大。S1Fe2-桑树组合，两季的pH分别增加0.69和0.61，增幅最小。蚕沙pH为9.6，呈碱性，可与土壤中的H+发生中和反应，提高pH。此外，伊蒙土中的SiO42-可释放与土壤中的OH−发生交换而增加pH[11]。
2.2 不同处理中土壤有机质含量的变化
如图2所示，种植第一季作物后实验组土壤有机质相对空白组的变化为+0.43%~+6.05%，第二季为−1.11%~8.15%。第一季种植油葵后，添加S1Fe2有机质的含量增加最大为6.05%。第二季种植孔雀草后，施加两种调理剂有机质含量的增加量最大分别是8.15%和5.13%。第二季种植桑树后，施加两种调理剂有机质含量分别降低−0.56%和−1.11%。添加S1Fe2对有机质含量的增加幅度略高于S1Y1Fe2，蚕沙属于碱性有机材料，伊蒙土及铁粉为中性无机材料，蚕沙与其复配后，随着蚕沙占比量的增加，土壤有机质增加。蚕沙富含蛋白、脂肪等有机物，不仅供给植物生长需要的养分，同时能够提高土壤的有机质含量、改善微生物的生长环境、促进微生物的生长、提高土壤的保水保肥等综合能力[12]。
2.3 不同处理中土壤重金属有效态含量的变化
2.3.1 有效态镉的变化
两季植物种植后土壤的有效态镉变化如图3。在种植第一季植物后，添加S1Fe2处理与空白相比能显著降低土壤中有效态Cd的含量，降低5.7%~30.3%。种植孔雀草与香茅草的处理中有效态Cd降低最显著，分别降低30.3%和29.3%，种植油葵的土壤中有效态Cd仅降低5.7%。添加S1Y1Fe2处理后，除油葵外，种植孔雀草、香茅草和桑树的土壤中有效态Cd分别降低19.3%、19.1%和19.3%。S1Fe2的调理效果略优于S1Y1Fe2。种植第二季植物后，除种植桑树的处理无调理效果外，其余有效态镉均有降低。与空白相比，施加S1Fe2处理效果最佳的为香茅草，其次为孔雀草，有效态镉含量分别降低26.0%和13.6%，种植油葵降低不显著。施加S1Y1Fe2调理效果最显著的为油葵，有效态镉降低15.0%，其他3种植物与空白无显著差异。综合来看S1Fe2联合香茅草的种植模式对有效态镉的降低效果最佳。蚕沙含有络合镉的多种有机物结构，而铁粉具有较强的还原性能够使高价态的重金属离子发生形态转化，从而降低有效态镉[13]。
2.3.2 有效态砷的变化
两季植物种植后土壤有效态砷变化如图4。种植第一季作物后两种调理材料均能显著降低土壤中有效态As含量。添加S1Fe2种植油葵、孔雀草、香茅草和桑树的处理中有效态As分别降低了34.4%、36.1%、49.5%和36.6%，添加S1Y1Fe2后对应的百分比分别是31.3%、31.8%、47.3%和19.0%。4种作物处理中，种植桑树的处理中添加S1Fe2对土壤As的调理效果优于S1Y1Fe2，其余处理调理效果差异不显著。第二季添加S1Fe2后油葵、孔雀草、香茅草和桑树的有效态As分别降低46.4%、55.9%、54.6%和56.6%，添加S1Y1Fe2后有效态As分别降低43.4%、29.1%、57.8%和44.6%。孔雀草添加S1Fe2对有效态砷的调理效果显著优于S1Y1Fe2。第二季作物种植后有效态的降低率比第一季更高，可能是铁粉的反应存在一定的缓释型，随着反应时间的延长，铁粉逐渐被氧化形成铁氧化物，铁粉氧化过程中与土壤中砷发生氧化还原反应，且砷在铁氧化表面发生专性吸附，从而降低土壤砷的有效性[14-15]。
2.3.3 有效态铅的变化
两季植物种植后土壤有效态铅变化如由图5。种植第一季作物后，与空白相比，添加S1Fe2种植油葵、孔雀草、香茅草和桑树后有效态铅分别降低7.6%、33.6%、23.5%和31.3%；添加S1Y1Fe2除油葵的增加外，孔雀草、香茅草和桑树的有效态铅分别降低19.6%、8.0%和29.8%，S1Fe2调理效果优于S1Y1Fe2。种植第二季作物后除香茅草的处理添加S1Fe2和S1Y1Fe2使有效态铅分别降低27.8%和26.3%外，其余3种作物添加两种调理材料均增加了有效态铅含量。S1Fe2组实验的调理效果更好。这说明从重金属的有效态来看伊蒙土的协同作用不强，其原因可能是伊蒙土属于蒙脱石和伊利石的过渡性产物，属于片层状硅酸盐，层间有可交换的阳离子，而交换释放的钠离子、镁离子等可能对植物生长有利，故对重金属离子交换吸附数量有限，对不同重金属的吸附量也存在差异[16]。
2.3.4 有效态锌的变化
两季植物种植后土壤有效态锌变化见图6。种植第一季作物两种调理材料均能显著降低土壤中有效态锌含量，添加S1Fe2后油葵、孔雀草、香茅草和桑树的处理中有效态锌分别降低31.8%、50.5%、50.5%和52.1%；添加S1Y1Fe2后对应有效态锌分别降低6.5%、40.2%、40.6%和44.3%。S1Fe2对有效态Zn的调理效率显著优于S1Y1Fe2。种植第二季作物后，添加调理材料后有效态锌含量有所下降，添加S1Fe2种植油葵、孔雀草、香茅草和桑树的处理中有效态锌分别降低38.9%、36.7%、47.5%和20.2%；添加S1Y1Fe24种作物的有效态锌分别降低35.9%、28.7%、31.9%和20.7%。上述结果可能原因有：一是蚕沙提高土壤pH后，增加了土壤表面的可变负电荷，促进了胶体对锌的吸附；二是氢离子的减少使得有机质与锌结合的更加牢固，从而降低了有效态[17]。
2.3.5 有效态铜的变化
两季植物种植后土壤有效态铜变化见图7。种植第一季作物后与空白相比，添加S1Fe2后种植油葵、孔雀草、香茅草和桑树的处理中有效态铜分别降低14.1%、45.7%、42.0%和41.8%；添加S1Y1Fe2后除种植油葵有效态铜增加外，孔雀草、香茅草和桑树的处理中有效态铜分别降低36.3%、29.9%和35.4%，且S1Fe2的调理效果显著优于S1Y1Fe2。种植第二季作物后添加调理材料能一定程度上降低土壤中有效态铜含量。除种植油葵外，其余3种植物处理中有效态铜的调理效率降低。添加S1Fe2后种植油葵、孔雀草、香茅草和桑树的处理中有效态铜分别降低17.3%、16.7%、26.9%和8.1%，添加S1Y1Fe2后对应的有效态铜分别降低了20.7%、8.1%、17.5%和13.4%。2种调理剂和4中植物不同组合条件下，有效态铜均有所下降。这表明碱性的蚕沙作用下，土壤中的负电荷胶体数量增加，与胶体络合的铜数量增加，被植物吸收的铜减少[18]。
2.3.6 修复方法的对比
对近几年报道的典型重金属污染土壤的修复方法进行汇总如表2。现有修复方法呈现以下特点：调理剂与植物栽培协同修复单一重金属污染土壤，比如文献[17-23]；2种以上重金属污染的单季协同修复，比如文献[24-28]；作物品种以水稻、小麦等传统作物为主；结论集中在植物达到食品安全国家标准、植物重金属含量的降幅和土壤中重金属有效态的降幅3个方面。事实上，农田污染的重金属是多种共存的，重金属污染土壤的治理也以同时降低多种重金属含量为目标，因此，多种金属同时治理在场地实施方面更具参考价值。在作物的选择上，重金属污染地区的农民更热衷于经济作物的种植以摆脱污染造成的经济困扰。作物安全的长期性是污染区农民考虑的重要因素，同一作物连续两季种植时的钝化效果需要评估。此外，受市场经济调控的影响，长期种植单一的经济作物也不符合实际，需要根据市场行情进行灵活调整，故经济作物的筛选很有必要。作物达标是修复目的，但影响因素很多。降低土壤中重金属的有效态含量是首要条件。本研究以西南某硫化矿矿区旱地土壤为对象，开展镉、砷、铅、锌、铜污染土壤的多种经济作物盆栽小试，发现添加蚕沙-铁粉调理剂时4种经济作物能同时降低5种重金属的有效态，香茅草连续两季种植能同时降低5种重金属有效态，可为相关场地修复的实施提供参考。
表 2 修复方法的对比Table 2. Comparison of amendment methods序号 污染种类 调理剂 作物品种 时长 主要结论 参考文献 1 镉 凹凸棒粘土 水稻、小麦 三季 水稻达标；小麦降低 [19] 2 镉 钙镁磷肥 水稻 单季 降低53.3%~75.6% [20] 3 镉 生物炭 棉花 单季 最大降低57.3% [21] 4 镉 石灰、腐殖酸 水稻 单季 达标 [22] 5 镉 硅钙镁肥、腐殖酸 小麦 单季 最大下降81.77% [23] 6 铜 生物炭 甜菜 单季 有效态最大降低24.8% [24] 7 铜 生石灰 油菜、水稻 三季 有效态最大降低38.9% [18] 8 镉、锌 ND 玉米 单季 雅玉98为低积累品种 [25] 9 镉、铅 石灰、海泡石、铁锰矿粉 小白菜 单季 降低有效态、降低镉铅含量 [26] 10 铅、锌、锌、铜 ND 芦苇、芒萁、笔管草、乌蕨、 乌毛蕨、藿香蓟和毛蕨 单季 芒萁对Cd、Pb、Cu具有较强吸收能力 [27] 11 镉、砷、锌 蚕沙、铁粉 ND 单季 有效态分别降低42.5%、75.0%、48.6% [28] 12 铅、砷、镉、锌、铜 海泡石、鸡粪 油菜 单季 达标 [29] 13 镉、砷、铅、锌、铜 蚕沙、铁粉 油葵、孔雀草、香茅草、桑树 两季 单季有效态分别降低30.3%、49.5%、33.6%、52.1%、45.7%；香茅草两季同时降低5种重金属有效态 本文 | Show TableDownLoad:
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3. 结论
1) 2种调理剂和4种经济作物共同作用下，两季种植过程中土壤的pH均增大。土壤的有机质在第一季均增加。
2) 添加蚕沙-铁粉调理剂油葵、孔雀草、香茅草和桑树单季种植时能同时降低镉、砷、铅、锌、铜有效态的含量，香茅草两季种植时能同时降低以上5种重金属有效态含量，具有潜在应用价值。2种调理剂对不同重金属有效态的调理能力不同，调理剂对重金属有效态的调理能力不一定具有双季延续性。因此，具有广泛普适性和延续性的调理剂仍有待研究。
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图 1 室温下浸泡次数对高氯酸盐浸出率的影响
Figure 1. The influence of extraction times at room temperature on the extraction rate of perchlorate
图 2 不同浸泡时间（a）和浸泡温度及方式（b）对高氯酸盐的浸出量的影响
Figure 2. The influence of different extraction time, water temperature (a) and methods (b) on the extraction amount of perchlorate
图 3 同一茶叶样品经AS19（a）、AS20（b）进行分离的高氯酸盐色谱图（电导检测）
Figure 3. The chromatogram of perchlorate in the extracts from tea sample on AS19 (a) and AS20 (b) columns (conductivity detection)
图 4 同一茶叶样品经AS19（a）、AS20（b）色谱柱进行分离的高氯酸盐色谱图（质谱检测）
Figure 4. The chromatogram of perchlorate in the extracts from tea sample on AS19 (a) and AS20 (b) columns（mass detection）
图 5 所购买的不同茶叶样品（n=16）中高氯酸盐含量及分布
Figure 5. Perchlorate content and distribution in different tea samples purchased (n=16)
表 1 质谱检测条件
Table 1. Experimental conditions of electrospray tandem mass spectrometry
化合物Compound 离子对Q1/Q3 Q1/ Q3 解簇电压/V DP 入口电压/V EP 碰撞入口电压/V CE 碰撞出口电压/V CXP ClO4− 98.8/82.8* −45 −8.8 −35 −9 100.8/84.9 −45 −8.5 −35 −9 Cl18O4− 106.9/88.8* −50 −10 −35 −5 注：*定量离子对.*quantitative ion pair
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表 2 精密度与回收率实验结果
Table 2. Experimental results of precision and recovery
序号 Number 未加标茶叶中高氯酸盐浓度 /（μg·kg−1） Perchlorate concentration in unspiked tea 回收率/% Recovery 加标浓度100 μg·kg−1 Spiked concentration at 100 μg·kg−1 加标浓度300 μg·kg−1 Spiked concentration at 300 μg·kg−1 加标浓度600 μg·kg−1 Spiked concentration at 600 μg·kg−1 1 285 96.8 101 101 2 276 133 118 103 3 287 100 103 108 4 280 95.9 107 104 5 273 95.7 102 107 6 283 94.6 101 109 7 282 97.9 102 103 平均 281 102 104 105 RSD 1.7% 14% 5.7% 2.9%
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表 3 日均暴露量相关参数的意义及取值
Table 3. Meaning and values of related parameters of average daily dose
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表 4 购买的16种茶叶中高氯酸盐对人体的日均暴露量（ADD）及危害商（HQ）
Table 4. The average daily dose (ADD) and hazard quotient (HQ) of perchlorate in 16 kinds of tea purchased
样品名称Samples name 茶叶中高氯酸盐浓度/（mg·kg−1） Perchlorate concentration in tea 日均暴露量/（mg·(kg·d)−1）Average daily dose (ADD) 危害商Hazard quotient (HQ) 蒲公英茶1 2.71 6.71×10−4 2.24 铁观音1 1.38 3.41×10−4 1.14 铁观音2 0.590 1.46×10−4 0.487 铁观音3 0.257 6.35×10−5 0.212 铁观音4 0.405 1.00×10−4 0.334 绿茶1 0.728 1.80×10−4 0.600 绿茶2 0.217 5.37×10−5 0.179 绿茶3 0.290 7.19×10−5 0.240 绿茶4 0.420 1.04×10−4 0.346 红茶1 0.210 5.20×10−5 0.173 红茶2 0.265 6.56×10−5 0.219 红茶3 0.970 2.40×10−5 0.0800 红茶4 0.115 2.85×10−5 0.0951 大红袍1 0.207 5.13×10−5 0.171 普洱茶1 0.169 4.19×10−5 0.140 肉桂茶1 0.200 4.96×10−5 0.165
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1. 黄旭敏. 膜生物反应技术在环境工程污水处理中的应用. 造纸装备及材料. 2024(01): 125-127 . 
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