一、引言
當(dāng)前我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量總體不容樂(lè)觀，部分地區(qū)土壤污染較重，造成土壤污染的主要污染物以無(wú)機(jī)型為主，有機(jī)型次之。改善土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，降低土壤污染的風(fēng)險(xiǎn)，則需對(duì)土壤中高濃度的污染物進(jìn)行有效控制和治理，而利用科學(xué)的源解析手段來(lái)獲取土壤中污染物的主要來(lái)源及其貢獻(xiàn)是控制和治理的關(guān)鍵。這就會(huì)涉及到土壤污染物源解析的相關(guān)研究。
凡是影響土壤正常功能，降低農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，影響人體健康的物質(zhì)，都可以稱為土壤污染物。其中生物和放射性污染物具有特定的污染途徑，其來(lái)源較單一，易識(shí)別。而重金屬和部分有機(jī)污染物來(lái)源復(fù)雜多樣，且具有毒性強(qiáng)、難降解、殘留時(shí)間長(zhǎng)、在環(huán)境中分布廣等特性，一旦在土壤中積累，會(huì)持續(xù)威脅生態(tài)環(huán)境安全和人體健康，因此目前土壤污染源解析主要針對(duì)重金屬和有機(jī)污染物的研究。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，目前土壤污染物源解析研究中涉及的重金屬或類金屬元素的種類達(dá)到40種之多，包括鉛、鎘、鋅、銅、鉻、砷、鎳、汞、錳、鈷、鐵、鋁、釩、鉀、鈣、鎂、銻、鍶、鈦、鋇、鈉、錫、硒、鋰、鉬、銀、鉍、鎵、鈾、鈹、鈰、銫、鍺、鈮、鉑、銣、鈧、鉭、釷、釔等元素。因此，開展土壤污染物源解析研究將成為今后我國(guó)土壤污染防治工作的重要內(nèi)容之一。
中藥材的品種和品質(zhì)決定療效。中藥材種類多，來(lái)源雜，且市場(chǎng)上的中藥材多數(shù)經(jīng)過(guò)各種方式的炮制加工，性狀和質(zhì)量各不相同，加上市場(chǎng)上很多假冒藥材的存在，更容易出現(xiàn)相互混淆的情況，所以中藥材溯源的鑒定具有重要的意義。傳統(tǒng)的中藥材鑒定常常通過(guò)產(chǎn)地，器官的形態(tài)特征，顯微觀察和化學(xué)成分的鑒別?，F(xiàn)在我們還可以利用主成分分析法快速和準(zhǔn)確的鑒別不同種類的中藥材。
二、觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 目標(biāo)
目前比較有效的土壤污染物源解析方法有主成分分析法和同位素法。
主成分分析法先是通過(guò)主成分分析或因子分析對(duì)受體數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，分析多個(gè)變量之間的關(guān)系，提取出較少的有代表性的因子，即污染因子，之后把這些因子對(duì)受體的元素進(jìn)行多元線性回歸，獲得多元線性回歸方程的回歸系數(shù)，即可反映這些因子對(duì)受體的貢獻(xiàn)值?？捎糜谕寥乐亟饘僭唇馕龅难芯?。同位素法是基于同位素的質(zhì)量守恒原理，通過(guò)測(cè)定受體樣品中穩(wěn)定同位素或放射性同位素來(lái)區(qū)分污染物的來(lái)源。目前應(yīng)用較多的是利用鉛同位素技術(shù)來(lái)識(shí)別或解析土壤中重金屬污染來(lái)源。鉛在環(huán)境中有4種主要穩(wěn)定同位素：208Pb、207Pb、206Pb、204Pb，前三種為放射性成因同位素。鉛穩(wěn)定同位素組成特征因在遷移過(guò)程中基本不受物理化學(xué)變化過(guò)程的影響，可作為一種“指紋”識(shí)別區(qū)分鉛的不同來(lái)源。
本觀測(cè)系統(tǒng)主要基于以上方法研究土壤污染物源解析以及中藥材的源解析。選擇受污染地區(qū)的土壤樣品，經(jīng)處理后壓片送入測(cè)量室，對(duì)樣品的污染元素進(jìn)行快速的檢測(cè)。從而完成污染元素的快速溯源。該系統(tǒng)同時(shí)和ICP-MS進(jìn)行聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)污染元素更高精度（ppb級(jí)）的同步分析。
2.2 分析內(nèi)容
土壤污染物源解析
中藥材溯源源解析
2.3 分析系統(tǒng)組成與特性
EleMap元素源解析分析系統(tǒng)能夠通過(guò)定性和定量得到“污染源元素成分譜”和“受體元素成分譜”，制作自己的受體模型，繪制出元素遷移路徑圖像，能夠定性定量解析出區(qū)域內(nèi)的污染源貢獻(xiàn)值和承擔(dān)率，完成污染物源解析。
? EleMap元素源解析分析系統(tǒng)源自美國(guó)加州勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室多年科學(xué)研究成果，推出了激光誘導(dǎo)擊穿光
譜技術(shù)LIBS（Laser Induced Breakdown Spectroscopy）。在高頻激光的作用下，樣品表面形成等離子體，然
后由光譜檢測(cè)單元對(duì)等離子體的發(fā)射光譜進(jìn)行分析，進(jìn)而得到樣品的元素組分、含量以及指紋光譜信息等。隨著
等離子的冷卻，凝結(jié)的樣品顆粒還可輸送到ICP-MS（質(zhì)譜聯(lián)用），可以測(cè)量樣品中的微量、痕量元素或同位素，
檢測(cè)限可達(dá)ppb級(jí)。真正實(shí)現(xiàn)了一次剝蝕，全元素及同位素同時(shí)分析。 ? 系統(tǒng)無(wú)需樣品制備，數(shù)秒內(nèi)可得結(jié)果?？煽焖贆z測(cè)土壤、植物、藥材等多種樣品中70多種元素的分布及含量。 ? 系統(tǒng)內(nèi)置中國(guó)生態(tài)樣品AZ-EC標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)據(jù)庫(kù)，含我國(guó)常見土壤和植物體的標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)曲線。 ? 該單元配置的系統(tǒng)軟件，可讓用戶任意選取光譜線及背景，自動(dòng)去除背景噪聲、自動(dòng)計(jì)算元素積分面積，提供譜
線的“凈”強(qiáng)度；還可優(yōu)化選擇原子/離子發(fā)射譜線作不同的分析，在光譜標(biāo)樣基礎(chǔ)上制作定量分析標(biāo)定曲線，并
提供了PCA、PLS、多參數(shù)線性回歸、化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析等數(shù)據(jù)分析工具，方便將隨機(jī)樣品的譜線與數(shù)據(jù)庫(kù)中的譜線
比較，得到復(fù)雜的、多組分樣品的定量分析結(jié)果。2.4 分析系統(tǒng)性能指標(biāo)
? 基本配置：高頻納秒激光器、光譜檢測(cè)單元、三維運(yùn)動(dòng)控制單元、高精密工作臺(tái)、多路氣體控制單元，操控主
機(jī)，水循環(huán)冷卻系統(tǒng)等 ? 測(cè)量參數(shù)：土壤中地球化學(xué)組成元素種類、含量及其特征指紋光譜 ? 操作系統(tǒng)：硬件控制，預(yù)選或自制激光剝蝕采樣模式，元素分布、深度分析、定量計(jì)算、物質(zhì)分類、溯源等功能 ? 光譜數(shù)據(jù)庫(kù)：全光譜，TrueLIBS 發(fā)射光譜數(shù)據(jù)庫(kù) ? 采樣方法：多種采樣方式，微區(qū)分析，深度分布，元素分布分析 ? 分析工具：多種算法去除背景噪聲，內(nèi)置PCA、PLS、多參數(shù)線性回歸、化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算等模型 ? 光譜范圍：190-1040nm三、數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)應(yīng)用3.1 土壤污染物源解析 通過(guò)土壤污染物源解析的研究，其中我國(guó)開展的相關(guān)研究多，主要集中在我國(guó)東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省市，例如，遼寧省、江蘇省、上海市、浙江省、福建省、廣東省等?？梢钥闯?，我國(guó)研究人員非常關(guān)注和重視人類活動(dòng)頻繁地區(qū)的土壤污染源解析研究工作?？梢远ㄐ缘嘏卸ㄍ寥乐形廴疚飦?lái)源的類型。源解析方法主要參考大氣污染源解析方法中的受體模型法，通過(guò)分析土壤樣品中有指示意義的示蹤物來(lái)實(shí)現(xiàn)土壤污染物來(lái)源的定性識(shí)別和定量解析。
國(guó)內(nèi)外土壤污染物源解析涉及的區(qū)域概況
土壤中主要污染物的來(lái)源
幾種不同土壤主成分分析PCA圖譜，快速進(jìn)行土壤分類溯源
利用Pb同位素技術(shù)去辨別被污染的城市土壤中Pb的來(lái)源，結(jié)果顯示，有36%～95%的鉛污染來(lái)源于人為源，5%～64%的鉛來(lái)自于當(dāng)?shù)刈匀汇U源。安徽銅陵新橋礦區(qū)土壤Pb的富集特征，由Pb同位素特征值識(shí)別出土壤中Pb具有二端元特征，并通過(guò)二元模型分別計(jì)算出人為開采礦石源和自然巖石源的相對(duì)貢獻(xiàn)率。Li等分析了上海14個(gè)公園土壤中Pb的來(lái)源，結(jié)果顯示，主要有三種污染源：煤燃燒源(47%)、含Pb汽油排放源(12%)、自然源(41%)。Luo等利用Pb同位素技術(shù)構(gòu)建三元混合模型定量解析出廈門城市公園土壤中Pb的主要來(lái)源，其中自然源的貢獻(xiàn)率大，為49%，其次是煤燃燒源，源貢獻(xiàn)率為45%，交通源占比小，為6%。
3.2 中藥材溯源源解析
取7種相似樣品山西北芪，安徽丹參，四川紅丹參，安徽丹參，甘肅北芪，內(nèi)蒙北芪和四川紫丹參進(jìn)行主成分分析。
以四川紅丹參為例分析其主要元素組成。
得到7種樣品的快速分類：
每個(gè)樣本有25個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過(guò)主成分分析，能夠正確識(shí)別所有七個(gè)樣本。
土壤在形成過(guò)程中受到氣候、母巖、地形、植被和動(dòng)物等多方面的影響，也由于土壤本身的形態(tài)決定了土壤中的污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律不同于其他環(huán)境介質(zhì)，具有高度的空間異質(zhì)性和復(fù)雜性。因此激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)及質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)在源解析的探索和應(yīng)用方面將會(huì)是未來(lái)土壤研究的一個(gè)重要發(fā)展方向。
四、參考文獻(xiàn)
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