土壤重金属全量监测方法研究进展
收稿日期：
20101009基金项目：国家然科学基金项目（4063502840801066）中国博士科学基金项目（200801017）
作者简介：吴健生（1965）男副教授研究方景观生态学土利Email wujs@szpku edu cn
吴健生 1 2宋 静 1 2郑茂坤 2谢 婧 1李俊杰 1 2黄秀兰 1
（ 1 北京学深圳研究生院城市规划设计学院城市居环境科学技术重点实验室广东 深圳 518055
2 北京学城市环境学院表程分析模拟教育部重点实验室 北京 100871 ）
摘 ：着国工业化城市化进程断加快土壤环境问题特工业区土壤重金属污染已逐渐成
环境科学界研究热点文章总结国外常土壤重金属全量监测方法原理基础化学分析法仪
器分析法等异位监测方法基理信息系统（
GIS
）遥感（
RS
）全球定位系统（
GPS
）高光谱分析技术环境磁
学技术生物技术等原位监测方法进行综合较分析结果表明土壤重金属全量监测方法中异位监测测
量精度历
mg·L
1
μg·L
1
ng·L
1发展历程着微电子技术计算机科学技术媒体技术
机友交互虚拟现实模糊控制工神网络等新技术巨进步势必会着动化低成更高
精度方发展原位监测中环境磁学技术针某类土壤中某种重金属达
ppm
测量精度高光谱技术
生物技术旧处面积估产实验室模拟阶段关键问题推广性差满足研究需求该法势必着高
普适性高推广性方发展
关键词：土壤重金属测定方法方法较
中图分类号：
S157

X833
文献标志码：
A
文章编号：
10059369
（
2011
）
05013307
Review of methods for monitoring soil heavy metal concentrationsWU Ji
ansheng1 2 SONG Jing1 2 ZHENG Maokun2 Xie Jing1 LI Junjie1 2 HUANG Xiulan1(1 Key Laborato
ry for Urban Habitat Environmental Science and Technology School of Urban Planning and De
sign Shenzhen Graduate School of Peking University Shenzhen Guangdong 518055 China 2
Key Laboratory for Earth Surface Processes Ministry of Education College of Urban and Environ
mental Sciences Peking University Beijing 100871 China)
Abstract With the rapid industrialization and urbanization in China soil pollution especially
heavy metal contamination in industrial areas has attracted much attention in the field of environmental
sciences Methods for total heavy metal contents determination in soils at home and abroad were
reviewed Based on comprehensive comparisons of the insitu determination such as chemical analysis
and instrumental methods and exsitu determination such as hyperspectrum analysis method
supported by GISRS and GPS environmental magnetism method and biotechnology it was
demonstrated that among all the methods the precision of exsitu measurements experienced a
development from mg·L1 to μg·L1 and then to ng·L1 and the exsitu measurements would be improved
towards automation low cost and high precision for the considerable progress got in fields of
microelectronics computer techniques multimedia technology humanmachine interaction techniques
fuzzy control and artificial neural networks as to the insitu measurements environmental magnetism
could achieve ppm precision only for particular heavy metals in certain soils while hyperspectrum
analysis method and biotechnology still in the state of large scale yield estimation and laboratory
simulation were difficult for promotion and to conclude the insitu measurements would be improved to
meet higher precision and applicability
Key words soil heavy metal determination comparison of methods
第42卷 第5期 东 北 农 业 学 学 报 42(5) 133~139
2011年5月 Journal of Northeast Agricultural University May 2011着工业化城市化飞速发展土壤环境问
题越越受重视土壤重金属污染特工业
区土壤重金属污染已逐渐成环境科学界研究
热点[12]土壤污染中重金属指汞镉铅铬
类金属砷等生物毒性显著重金属指具
定毒性般重金属锌铜钴镍锡等
目前引起关注重金属汞镉铅等重
金属土壤污染短期逆程土壤植
物系统中重金属污染通食物链进入农产品影
响农产品质量安全危害类健康土壤重
金属污染监测必 20 世纪 50 年代开始
发达国家相继发生化学污染引起严重公害事
件重金属分析技术应运生迅速发展起
美国早开展限监测国家早20世纪
70年代中期开始测重研究重金属含量否超标
接苏联卫生部1975年达害重金属物
质允许浓度欧洲济体中国环境优
先监测研究先提出重金属污染测定方法限制
污染浓度国外传统土壤环境监测常采取现场
取样实验室化学仪器分析方法进行测定
分析结果土利项目行性研究污染控
制环境预警等方面起积极指导作发展
起高光谱学（基3S技术）环境磁学生物学
等发展起土壤环境监测方法国外土壤环境
检测研究提供新研究方法手段文章总结
20年国外土壤重金属全量监测方法
较分析基化学分析法仪器分析法异位监测
方法高光谱学（基3S技术）生物数学计算
机科学原位监测方法优缺点发展趋势
土壤重金属全量监测研究工作提供相关参考
1 土壤重金属全量监测方法介绍
11 异位监测方法
土壤重金属异位监测方法较传统监测方
法监测时间相较长精度较高般步
骤样品田间采样然进行实验室分析数处
理实验室分析方法分化学分析法仪器分析法
两种方法
111
化学分析方法
化学分析方法特定化学反应基础分
析方法土壤重金属全量分析中常运化学分
析方法滴定法（容量法）[34]该法操作简便迅
速结果准确费低选择性较差样品前处
理繁琐灵敏度低仅适样品中常量组分分
析常见早期土壤重金属含量微量元素研究
112
仪器分析方法
化学分析方法精准定量痕量重金属
精密仪器引入化学分析目前测定土壤
重金属浓度仪器分光学类仪器电化学类
仪器联仪器
光学类仪器分析法包括分光光度法（SP）
原子吸收光谱法（AAS）原子发射光谱法（AES）荧
光光谱法（FS）等德忠等运紫外分光光度法测
量土壤微量元素精度达mg·L
1[5]Kashem 等
运原子吸收光谱法测定土壤重金属含量精度
达mmol·L
1（mg·L
1）较紫外分光光度法测素
范围更广[6]Little等研究土壤重金属空间分异特
征时采原子发射光谱法测定土壤重金属含量
精度达 mmol·L
1（mg·L
1）μg·L
1实现
时测定种元素[7]刘江斌等运χ射线荧光光谱
法（XRF）时测定土壤样品中 36 种组分检
出限达001 mmol·L
1（mg·L
1）[8]范宝磊等运
原子吸收原子荧光光谱法测定土壤中微量元
素检出限达001 mmol·L
1（mg·L
1）[9]魏显
等断续流动线分离富集蒸气发生原子荧光
光谱法测定痕量Cd检出限极低灵敏度高
达ng·L
1[10]
电化学类仪器极谱仪秉承光学
仪器适范围广精度高测定组分含量范围
宽优点具选择性实现连续测定特
点尤液体样品测定时勿需消化处理
直接机测定铅镉离子测定常较
结果[11]周杰郛等运极谱法快速检测球化学勘
查样品中钨钼[12]丁建文等示波极谱法精确
测定铅镉精度均达01 μg·L
1[13]
微量元素监测研究中满足更高精度操作
简便等求时两种种光学电化学仪器联
合发挥仪器优势联仪器分析法
土壤重金属含量监测中常联仪器分析法电
感耦合等离子体发射光谱法（ICPAES）电感耦合等
离子质谱法（ICPMS）联仪器提高元素检
出限部分重金属元素测ng·L
1某元素甚
接ng·L
1测元素更样品检测重复
性更检测模式灵活样进行定性半定
·134· 东 北 农 业 学 学 报 第42卷量定量分析[1416]Zhou等运电感耦合等离子体
发射光谱仪（ICPOES） 确定中国南部恒世河流域
土壤重金属含量 [17]Wei 等运 ICPAESICP
OESICPMS 测中国城市土壤重金属道路灰
尘重金属含量检出限均达μg·L
1[18]目前欧
美许国家采高精度PEAA800原子吸收光谱仪
ICP结合种微量金属元素进行定量分析
测定 PbCdCuAlBaMoVNiAs
SeSnkNaCaMgLiSrFeMn Zn
等元素精度接ng·L
1
12 原位监测方法
原位监测影响测物状态周围环
境前提目标物含量进行实时线踪测
定土壤重金属原位监测中土壤遥感（电磁
感应）（传播见距离中红外线分光镜）
全球定位空气传播卫星遥感光学侦测修
正（LIDAR）理信息系统数库理系统处
理维环境数计算力量先进元统计
理统计方法等学科整合逐步实现连续高
密度监测[19]方便土壤特性时间空间分布
准确映射思路利全球定位系统定位
测区域原位分析技术结合遥感技术获取
光谱信息通光谱信息整合计算获测物
含量进理信息系统技术确定重金属
空间分异特征目前支持原位分析法技术
三类高光谱分析技术环境磁学技术
生物量间接测定技术
高光谱分析技术（Hyperspectral remote sensing
technology）运遥感（RS）高光谱数高光谱
分辨率连续光谱波段预测土壤重金属含
量实现面积非破坏性非接触快速测
样避免采样等复杂步骤国外利高光谱
技术监测土壤重金属含量研究报导
原土壤中重金属达污染程度
土壤组分成分现光谱仪器
难探测重金属身光谱特征研究表
明基土壤机质铁锰氧化物等重金属
吸附规律通光谱特征物质光谱特
征物质间相关性实现监测光谱特征土壤
组分Kooistra 等发现莱茵河流域河漫滩土壤中
CdZn含量土壤机质矿物含量间存正相
关关系发现 7001 0501 4001 8502 150
2 2802 4002 470 nm 附光谱种土壤
组分含量密切关系基种关系反射光
谱预测CdZn污染[20]Kemper等利反射光
谱成功预测矿区土壤AsFeHgPb含量[21]
国吴昀昭利实验室反射光谱模拟 Hymap
AsterTM光谱快速预测南京土壤Hg污染发
现预测Hg佳波段土壤Fe吸收波段致
相关分析表明Hg土壤反射率成负相关关系[22]李
巨宝等发现滏阳河两岸农田土壤样品室反射
光谱土壤中 FeZnSe 元素存较相关
性时指出验方法预测没光谱特征
成分时光谱分辨率必条件[23]王
玉等研究发现见光光谱成济区土壤污染
污染程度定指示性紫光蓝光光谱根系
土壤Cd含量成正相关黄光橙光红光波段光谱
根系土壤Cd含量成负相关[24]Ren等研究发现农
中反射光谱 As Cu 定指示性[25]
贺军亮等通昆山市水稻土研究运统计学相
关分析方法总结分析土壤机质重金属元
素吸附规律尝试利遥感光谱法实现土壤重
金属含量模型估算[26]结果表明研究区土壤机
质重金属吸附强度排序：Cu>
Pb>As>Zn>Cd>Ni>Cr>Hg机质CuPb吸附
固持强度较相关性显著总体说运高光
谱技术估算土壤中重金属含量模型拟合总体精
度达75~80均相误差30~40验
证精度6070误差分析结果该方法
估算精度高原重金属进入土
壤通吸附解析等化学作机态碳酸盐结
合态铁锰氧化物结合态残渣态等种形态存
研究工作中针种形态进行建模果
研究中综合考虑吸附重金属土壤
组分铁锰氧化物等光谱特性定程度
实现利土壤光谱土壤重金属环境容量值进
行监测估算目该研究思路鉴实
性需验证[27]环境磁学（Environmental magne
tism）物质具某种磁性质根物质外
加磁场效应应特征电流定量物质根
某磁参数值定量土壤重金属[28]
传统化学方法相磁学方法监测土
壤污染具快速（野外测点需秒钟）
灵敏（检测出相化学分析中 mg·L
1精度
吴健生等：土壤重金属全量监测方法研究进展第5期 ·135·铁磁性矿物磁性）济（昂贵化学分析相
成低）破坏性（磁学测试样品
球化学生物学研究）信息量（包括
磁性矿物含量粒度种类等）显著优点[29]
传统量耗费力物力时间污
染分析技术（化学）前预研究[30]磁测方法
济便捷提供量数利磁
参数空间分布进行统计图处理进污
染状况做出全面系统解释欧洲MAGPROX
工作组研制出野外袖珍式磁化率仪（SM30）野
外土壤剖面磁化率仪（SM40）新仪器
提高野外工作效率磁学高分辨
率污染研究成磁学监测方法诸
优点环境污染研究提供项非常实
效方法关磁学方法土壤污染研
究中应越越受国外环境工作者关
注[3132]磁性监测手段成功应城市土壤环境
监测例子越越[33]：Bermea等磁学手段测
城市表层土壤重金属污染情况[34]Yang等研究发
现磁学信息确定出碳酸盐沉积物中污染状况判
断污染源污染程度分布规律监测土壤
重金属污染提供效手段重[35]
生物量间接测定技术（Indirect determination of
biomass technology）利生物基表达发光等特
性运遥感技术接收光谱特征进确定土壤
重金属含量国外已量关采发光细
菌法土壤中重金属污染状况研究报道
国国关方面研究较少需
深入研究[3637]外土壤生态系统复杂
性土壤中重金属毒性土壤理化性质生物
学性质密切相关发光细菌应固相样品土
壤污泥沉积物等样品时需考虑固相颗
粒固相样品理化性质提取方法发光细菌毒
性测定中影响该方法定弊端国
顾宗濂等早采发光细菌法研究土壤重会属污
染[38]茆婷等通实验室模拟利细菌发光特性实现
土壤重金属污染监测[39]然目前该法仅仅处
实验室模拟研究阶段国外没相关野外原
位线研究报道作种支持原位监测
技术建立种遗传稳定检测灵敏功
样适合高通量筛选种生物系统中表达
报告基技术新光电子技术（光纤技术传感
器技术）相结合实现快速便捷原位线监测
面挑战[39]
2 两种监测方法较
更认识两种监测方法必
进行较表1出两种方法优缺点
·136· 东 北 农 业 学 学 报 第42卷
表 1 土壤中金属全量异位原位监测方法较
Table 1 Comparison on different methods in the monitoring
项目
Items
优点
Advantage
缺点
Inferior
试样影响
Influence
项目
Items
优点
Advantage
缺点
Inferior
试样影响
Influence
异位监测法Malposition
化学分析法 光学分析法 极谱法 仪器联
操作简便结果准确
选择性较差样品前
处理繁琐灵敏度低
破坏性分析
原位监测法In situ test method
高光谱分析技术 环境磁学 生物量间接测定技术
操作简便快速时面积获
取污染信息扰动测土壤
济须购置化学仪器药品
针某类土壤开展推广性
高样品前处理繁琐估算精度
高达75左右
非破坏性分析
灵敏度高准确度高适范围
广检出限逐渐降低操作方便
快速
准确度相化学方法低
仪器价格较贵
破坏非破坏性分析
快速灵敏济破坏信息量须
量力物力时间便空间分析图
处理
准确度相较低时出现反结现象
土壤重金属具备磁性应范围较
低土壤选择性较高
非破坏性分析
适范围广泛精度高测
定组分含量范围宽选择性
实现连续测定
易造成汞污染操作简便
破坏性分析
灵敏度高信性强价格优廉
精度低土壤选择性高仅实验室
模拟实现未室外推广
非破坏性分析
检出限达ng·L
1级检测重复
性更检测模式灵活样
进行定性半定量定量分
析
仪器价格昂贵需专业技
术
破坏性分析
Chemistry analysis Optic analysis method Polarogeam method Instrument
High specteal analysis technology Biology quantity indirct mensurationEnvironmental magnetism异位监测包括传统室化学分析法
光学电学等仪器分析法化学分析方法然测量
精度高准确性强工作步骤繁琐成高
化学反应求严格法精确定量土壤中含
痕量重金属仪器分析法分析金属类金属物
手段灵敏度特异性准确度俱佳
相关仪器购置运行成高操作者专业
知识技较高求具备实时监测功
等利条件困扰限制着研究员研
究
原位监测法避免实时监测监测
区范围狭等异位监测弊端原位监测实
现高时效性时做面积连续高密度获
取数避免采样土样前处理系列繁琐环
节会破坏测物组分保证周边环境
扰动影响余工作者研究工作外
保证济(昂贵化学分析相成低)
获取信息量等优势传统量耗费
力物力时间污染分析技术(化学)前预研
究然弊端忽略该类方法精度较仪
器分析法化学法相差甚远应范
围重金属含量估测非精准测量原位分析法
处试验阶段土壤类型定求
磁学监测方法身理方法
断完善应前景尤城市土壤环境
研究中应前景乐观
总实际工作中根重金属特
征工作条件选分析方法土壤重金
属进行更进步研究分析
3 土壤重金属全量监测方法发展趋势
31 异位监测智化
异位监测包括化学实验分析法仪器分
析法前土壤重金属相关研究结果
没研究者化学分析法研究土壤重金属
研究者均选择精度高操作简单时测
样仪器分析法科学技术发展已现代
仪器提出越越高求仅求测量仪器
时精密获取关物质组分含量时
求操作简单量避免量力逐渐追求
仪器智化操作简单化操作员求降低
化
32 异位监测精准化
分光光度法原子吸光光度法原子发射
光谱法荧光光谱法极谱法仪器联痕
量土壤重金属检出限逐渐降低精准化程度提
高测素范围更广研究者逐渐倾
仪器联法 50 年代初仪器仪表发展取突
破60 年代测试技术提高计算机引入 70 年
代计算机算法深入 8090 年代网络面积兴
起 21 世纪微电子技术计算机科学技术
媒体技术机友交互虚拟现实模糊控
制工神网络等新技术巨进步实现
仪器监测精度 mg·L
1 μg·L
1 ng·L
1
精准测量领域展开场新推动力革命
33 原位监测准确化
原位监测技术土壤重金属全量研究发展
带新活力优势实现快速非破
坏面积监测土壤重金属全量兼具直接性
真实性实性该方法较容易重复验证
缩短实验周期异位监测拟
目前研究热点集中高光谱遥感探测生物发
光技术进行原位监测观点具定创新
性定理意义技术处
试验测试阶段研究思路鉴面积
推广应需验证土壤重金属全量监
测方法总体原位监测技术高光谱遥感技
术环境磁学技术基技术方发展技
术身发展趋势言精度更高微观探
索技术节约时间成中观甚宏观监测技术
发展
目前遥感全球定位系统科学手段
做仅仅面积快速估算土壤重金属含
量非准确值原位监测进步精准化
学者研究热点目前研究较选择合
适波段[3940]信息确定土壤重金属含量时
通改进高光谱遥感技术进步提高测量精
度现75左右精度85甚更高精度
发展原位监测必全球定位系统信息采集系
统遥感监测系统理信息系统专家系统
智化系统环境监测系统系统集成网络化
理系统培训系统合核心建立完
善原位监测系统土壤重金属原位精准监测
研究带入数字信息时代 21 世纪农业重
吴健生等：土壤重金属全量监测方法研究进展第5期 ·137·发展方
34 监测技术综合化
土壤重金属监测中逐渐实现土壤遥感（电
磁感应）（传播见距离中红外线分光
镜）全球定位空气传播卫星遥感光学侦测
修正（LIDAR）理信息系统数库理系
统处理维环境数计算力量先进元
统计理统计方法等学科整合逐步实现连
续高密度监测异位监测中运 GPS 技术定位
监测象测实验数通常运 GIS 技术
数库理系统先进元统计理统计方
法[4142]进行处理获取空间分异表达情况实现土
壤重金属污染视化便进步治理修复研
究原位监测中仅遥感技术土壤重
金属监测进行实定位观测时期
幅影响进行影叠加准确观测
土壤质量变化情况时土壤重金属含
量通红外热红外接收遥感影光学
侦测修正（LIDAR）探测进计算
4 结
针研究需求采研究方法
较合理方法选择目前研究现状
言流土壤重金属全量监测方法异位监测
法着重金属测试物理机理认
识断深必然引起测试手段断改进
完善土壤重金属测量技术必着准
确快速安全原位连续非破坏动
化低成宽量程少标定易操作原位监
测法方发展终会形成套完备监测方法
土壤重金属定量监测方法作研究土壤重
金属污染基础工具必须关重
面科技日新月异断发展化学反
应高精度高智仪器基础异位监测
超痕量超精准方发展 3S高光谱技
术环境磁学生物技术基础原位监测
着高适宜性高精度方断发展
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