土壤重金属检测与电阻率特征分析

Soil Heavy Metal Detection and Resistivity Analysis

摘要: 土壤重金属污染已成为我国的突出环境问题之一，而环境地球物理学已逐渐在土壤重金属环境污染调查与监测方面扮演越来越重要的角色，其中电阻率法为环境地球物理学常用方法之一，本文针对同一点位的土壤样品进行重金属检测与电阻率测试，通过试验进一步证明：土壤重金属含量与电阻率呈负相关性，即土壤中重金属含量多、电阻率值相对小，重金属含量少、电阻率值相对大，两者具有很好的对应关系，这为采用电阻率法应用于重金属污染土壤调查与监测提供参考。

Abstract: Soil heavy metal pollution has become one of the prominent environmental problems in China, and environmental area physics has gradually played an increasingly important role in environmental investigation and monitoring, among which resistivity method is one of the common methods of environmental geophysics. This paper conducted heavy metal detection and resistivity test for the same soil sample, and further proved through experiments: The heavy metal content in soil is negatively correlated with the resistivity, that is, the heavy metal content in soil is high and the resistivity value is relatively small, while the heavy metal content is low and the resistivity value is relatively large. The two have a good corresponding relationship, which provides a reference for the application of resistivity method in the investigation and monitoring of heavy metal contaminated soil.

1. 引言

环境问题是人类最关注的热点问题之一，并不断进行调查、研究以寻求改善途径与方法；近年来，工业化与城镇化快速发展，大量矿山的开采、生产及加工等造成重金属污染问题日益突出。土壤资源作为人类赖以生存和可持续发展的重要资源，其受重金属污染的形势也越来越严峻；据统计，全国受重金属污染的耕地面积已达3亿亩，占全国总耕地面积的1/6；据环保部监测数据显示，对30万公顷基本农田保护区土壤进行抽样监测，发现有3.6万公顷土壤重金属超标，超标率达12.1%；据农业部调查数据显示，在全国约140万公顷的污灌区中，受重金属污染的土地面积约占污灌区面积的64.8%；当前这种现状还有不断加剧的趋势[1] [2]。

环境地球物理学作为环境科学与地球物理学相融合而发展起来的一门交叉学科，已逐渐在环境调查与监测方面扮演越来越重要的角色[3] [4]，而电阻率法为环境地球物理学常用方法之一，它具有信息量大、快速高效的优势；因此，本文针对同一点位土壤样品进行重金属检测与电阻率测试，分析两者特征关系，为采用电阻率法应用于重金属污染土壤调查与监测提供参考。

2. 取样与测试

2.1. 现场取样

在某重金属污染场地土壤为第四系粉质黏土、成土母岩为泥质粉砂岩，根据变异系数与相对偏差相关条件计算布点数量，计算公式如下[5]：

$N=\frac{t^2\times C{v}^2}{m^2}$ (1)

上式中t为选定置信水平(土壤环境监测一般选定为95%)一定自由度下的值，Cv (%)为变异系数，m (%)为可接受的相对偏差(土壤环境监测一般选定为20%~30%)。

结合经验，本次取置信水平为95%，自由度为12，根据《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166-2004)查表可知t为2.179，变异系数Cv取0.4，可接受相对偏差m取0.25；按上式公式计算可得N ≈ 12；因此，现场布点数量为12个。将场地按网格状分成面积相等的12部分，采用系统随机布点法进行布点，在每个网格内布置1个取样点。

本次采取样品为表层样(0~20 cm)：先对土壤表层杂物(石块、根系等)进行清除，然后采用铁铲挖土，使土坑中间保留一个立方体土壤柱，接着用木铲在土壤柱的四周及表层刮去与铁铲接触的部分，最后用聚氯乙烯管和聚乙烯袋收取样品，再采用塑料袋密封后放置于运输箱，每份样品重量大于2 kg。

2.2. 重金属检测

将土壤样品运输至实验室，进行标签核对、信息登记及实验室内部编号等，完成样品交接后，开展土壤制样工作[6] [7]，首先将土壤样品进行自然风干，大约一周时间后，除去样品中的根系、明显的砂砾石等杂物，然后进行粗磨，粗磨后用2 mm筛子进行筛选，筛选出大于2 mm的土团应重新研磨，研磨至不大于2 mm后与前期筛选出的不大于2 mm的土颗粒进行混匀、称重，最后进行细磨，细磨至100目即可等待检测；制样流程如下图(图1)：

Figure 1. Sample preparation flow chart

图1. 制样流程图

制样完成后即可进行样品检测，检测项目为土壤污染风险筛选8个重金属基本项：镉、汞、砷、铅、铜、锌、镍、铬。样品检测工作的主要内容为消解和上机，首先对样品进行消解，为确保消解充分与均匀，依据检测特征，本次样品采用微波消解法分两批次进行消解，其中一批用于检测汞、砷，另一批用于检测镉、铅、铜、锌、镍、铬；然后进行上机检测，其中镉、砷、铅、铜、锌、镍、铬含量检测采用电感耦合等离子质谱仪，汞含量检测采用原子荧光仪；检测过程中采用了平行双样、实验室空白及标准样品等质控措施，确保数据准确、可靠。具体检测方法与检出限如下表(表1)。

2.3. 电阻率测试

土壤芯样的电阻率测试参考岩芯样品的电阻率两极测试法开展，通过测量施加一定电压下的芯样电流，按下式计算电阻率[8]：

$\rho =R\frac{S}{L}=\frac{\Delta U}{\Delta I}\cdot \frac{\text{π}{D}^2}{4L}$ (2)

上式中ΔU和ΔI分别为测量的芯样电压和电流，D和L分别为芯样的直径和长度。

测试前，首先对采用聚氯乙烯管取回的圆柱体芯样进行制作处理，将芯样两端削平整、磨光滑，并使芯样长为6~10 cm，直径不大于5 cm；然后在芯样两端安装测试电极，电极与芯样的接触介质采用饱和硫酸铜溶液与面粉和成的面团，这样可减小接触介质的电阻干扰；最后将芯样固定在测试支架上进行

Table 1. Methods for detection of heavy metals in soil

表1. 土壤重金属检测方法

序号	检测项目	检测方法	检出限
1	镉	《土壤和沉积物19种金属元素的测定电感耦合等离子体质谱法》HJ 1315-2023	0.03 mg/kg
2	汞	《土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定微波消解/原子荧光法》HJ 680-2013	0.002 mg/kg
3	砷	《土壤和沉积物19种金属元素的测定电感耦合等离子体质谱法》HJ 1315-2023	0.2 mg/kg
4	铅	《土壤和沉积物19种金属元素的测定电感耦合等离子体质谱法》HJ 1315-2023	1 mg/kg
5	铜	《土壤和沉积物19种金属元素的测定电感耦合等离子体质谱法》HJ 1315-2023	0.7 mg/kg
6	锌	《土壤和沉积物19种金属元素的测定电感耦合等离子体质谱法》HJ 1315-2023	5 mg/kg
7	镍	《土壤和沉积物19种金属元素的测定电感耦合等离子体质谱法》HJ 1315-2023	2 mg/kg
8	铬	《土壤和沉积物19种金属元素的测定电感耦合等离子体质谱法》HJ 1315-2023	2 mg/kg

测试。

测试时，先正向供电测量芯样两端电压与电流，再反向供电测量芯样两端电压与电流，取两次供电的电压、电流平均值按上式计算电阻率值。

3. 特征分析

完成上述检测与测试后，将重金属总含量和电阻率数据进行统计分析，结果如下表(表2)：

Table 2. Statistical analysis table

表2. 统计分析表

指标	平均值	中间值	标准偏差	变异系数	正态分布K-S值
重金属总含量(mg/kg)	1651.4	1643.9	521..2	0.3156	0.115
电阻率(Ω∙m)	92.3	89.0	20.7	0.2245	0.141

根据现场取样平面相对位置，将重金属总含量和电阻率数据采用克里金法分别进行插值，然后绘制立体分布图(图2、图3)。

图2中X、Y的值表示平面相对位置，其中Y轴对应南北方向，X轴对应东西方向；Z轴表示重金属的总含量，Z值越大、含量越高；图中采用不同颜色对含量进行区分，其中红色、粉红色代表含量最高，黄色代表含量较高，绿色、蓝色代表含量较低。

根据重金属总含量分布图可知(图2)：场地的西北、中部及南边局部重金属含量最多(红色、粉红色)、最大值约2400 mg/kg；西南、中部及北东局部重金属含量较多(黄色)、东南边及北边局部重金属含量相对少(绿色、蓝色)、最小值约1000 mg/kg。

图3中X、Y的值表示平面相对位置，其中Y轴对应南北方向，X轴对应东西方向，Z轴表示电阻率的值，Z值越大、电阻率越高，且采用了不同颜色对电阻率进行区分，其中红色、粉红色代表电阻率值最高，黄色代表电阻率值较高，绿色、蓝色代表电阻率值较低。

根据电阻率值分布图可知(图3)：场地的西北、中部及南边局部电阻率最低(蓝色、绿色)、最小值约65 Ω∙m；西南、中部及北东局部电阻率较低(黄色)，东南边及北边局部电阻率较高(粉红色、红色)、最大值约120 Ω∙m。

因此，电阻率值的大小反映了土壤中重金属含量的相对多少，它们呈负相关性。为了方便对比，将

Figure 2. Heavy metal content distribution map

图2. 重金属含量分布图

Figure 3. Resistivity distribution map

图3. 电阻率分布图

电阻率值变为负值，其绝对值不变，采用上述同样方法绘制负电阻率立体分布图(图4)。图4中X、Y的值表示平面相对位置，其中Y轴对应南北方向，X轴对应东西方向；Z轴表示电阻率值 × (−1)，Z值越大、负电阻率值越大(即电阻率值越小)，采用不同颜色对负电阻率值进行区分，其中红色、粉红色代表负电阻率值最大，黄色代表负电阻率值较大，绿色、蓝色代表负电阻率值较小。

将图2与图4进行对比可知：两者形态相似，颜色分区相近，其中红色、粉红色区域均分布在场地西北、中部及南边局部，黄色区域均分布在场地西南、中部及北东局部，蓝色、绿色区域分布在场地东南边及北边局部；上述表明重金属含量与电阻率负相关性强：土壤中重金属含量增多、而重金属会增加土壤中导电离子的浓度，从而降低土壤的电阻率，即负电阻率值大(电阻率值小)；反之，重金属含量减少、土壤中导电离子的浓度相应减少，从而负电阻率值减小(电阻率值增大)，这为电阻率探测法应用于重金属污染土壤调查与监测提供了可靠的前提条件。

Figure 4. Negative resistivity distribution map

图4. 负电阻率分布图

4. 结语

在土壤同一点位取样进行重金属检测与电阻率测试，其中重金属检测采用电感耦合等离子体质谱法与原子荧光光谱分析法，而电阻率测试采用两极测试法，测试数据准确、可靠；将测试数据进行克里金法插值并绘制立体分布图，能很好地反映场地内土壤的重金属含量与电阻值的分布情况，效果明显。

土壤重金属含量与电阻率呈负相关性，即土壤中重金属含量多、电阻率值相对小，重金属含量少、电阻率值相对大，两者具有很好的对应关系，这为采用电阻率法应用于重金属污染土壤调查与监测提供良好的基础。

环境地球物理特征包含重力、磁力、电性等方面，其中电性特征又包含电阻率、极化率等，后续需进一步研究重金属污染土壤的其他物性特征，为重金属污染调查与防治采用无损、高效的地球物理方法提供基础[9]-[11]。

基金项目

湖南省生态环境厅(HBKYXM-2023032)、湖南省生态地质调查监测所(2024SKY-003)科研基金项目资助。