氯是一种在自然界中广泛存在的元素，以无机氯和有机氯两种种态参与复杂的生物地球化学循环过程^[1]. 1954年，氯被确定为植物必需的微量营养元素，对植物的生长具有重要作用，例如可参与植物的光合作用^[2]、 对植物体内其它养分离子的吸收利用产生影响等^[3]. 主要从土壤中以离子的形式被植物吸收，因此土壤中氯离子含量过高或过低时可造成植物发生氯毒或缺氯症状，对作物的生长发育、 产量品质产生很大的影响. 另外，有机氯化合物被广泛应用于医药、 农业、 化工等行业，可通过工业三废排放、 农药使用等多种途径进入环境. 绝大多数有机氯化合物均具有环境持久性、 生物累积性，高毒性等特性. 首批被《斯德哥尔摩公约》列入全球控制的12种持久性有机污染物皆为氯代有机化合物，其中8种为有机氯农药，都具有突出的“三致”(致癌、 致畸、 致突变)作用. 土壤是持久性有机污染物的主要储库. 土壤中的有机氯化合物可以通过植物-土壤系统，经由食物链而富集在人体中，对人体造成危害. 因此，测定耕地土壤中氯元素的种态及含量对于作物的生长发育、 生态环境以及人体健康具有重要意义.

目前对土壤样品中氯元素种态及含量的测定方法主要有：①AgNO₃滴定法、 IC法来测定氯离子含量； ②色谱质谱联用等技术来测定一种或多种特定有机氯化合物的含量. 这些传统的分析方法需要对样品进行化学提取和分离纯化，会造成目标元素的损失甚至使元素形态发生改变，且不能够同时鉴别多种氯元素的种态及含量，相关研究表明在环境及生物样品中可测定的已知结构的有机氯低于可萃取有机氯总含量的50%^[4]. 因此，传统的分析手段所得到的数据已不能真实、 全面地反映土壤样品中氯元素种态及含量的分布情况. 近年发现，X 射线吸收近边结构谱(X-ray absorption near edge structure,XANES)是一种研究环境中痕量元素种态及含量的独特方法^{[5, 6, 7]}. 不同元素有不同的吸收边能量，元素间的干扰一般很小. 该方法在测定时只需要少量样品，且不需要对样品进行分离提纯^[5]，对样品做到无损分析^[8]，从而保持样品原有特征和元素的自然种态，得到的信息更加真实可靠. XANES法已经广泛应用于土壤中多种元素形态和价态的研究，如：磷^[6,9]、 镉^[9]、 砷^{[10, 11, 12]}硫^[13]、 铅^[14]等，主要是利用模型化合物的光谱通过最小二乘法拟合样品光谱来进行定性及半定量分析，只有文献^{[5, 6, 7]}采用XANES法对土壤中目标元素进行了定量分析. 研究表明，XANES光谱对于氯元素的所有形态均具有特异性和灵敏性，可以直接测定复杂的化学混合物中的氯元素^[17,18]. 目前只有文献^[5,7,18]采用该方法研究了森林土壤以及废物燃烧点处表面土壤中氯元素的种态及其分布情况. Leri等^[5]和Myneni^[18]研究发现无机氯、 脂肪氯以及芳香氯这3种物质的XANES谱图具有明显差异，这是因为谱图中吸收峰的位置以及形状完全取决于Cl的键合状态，其中高度有序的无机氯化合物的吸收峰位于能量较高处，峰形较扁平且具有一个宽大的峰宽. 有机氯的吸收峰位于能量较低处，其峰形较尖锐，峰高较高，脂肪氯的峰位略低于芳香氯(0.6 eV). 目前应用XANES法进行耕地土壤中氯素的相关研究国内外还未有报道.

东北地区耕地面积占全国耕地面积的16.8%，是我国三大商品粮生产基地之一，是我国未来30年内最主要的粮食生产后备基地. 其中沼泽土、 黑土和暗棕壤为东北地区生产潜力较大的3种典型农耕土壤，其土壤质量将影响该地区的粮食产量和经济发展. 因此本研究以东北地区3种典型农耕土壤为对象，采用XANES法测定其氯元素不同种态的含量及分布情况，以期为将来研究本地区的氯素地球化学循环提供基础数据. 1 材料与方法 1.1 仪器与试剂

北京同步辐射4B7A中能站； AT201微量天平(瑞士METTLER公司)； Milli-Q Plus超纯水系统(美国Millipore公司)； Alpha 1-2 LD plus实验室型冻干机(德国Christ)； 普通圆柱型模具(天津科器高新技术公司)； 压片机(天津科学器材公司仪器实验厂)； TG16-WS台式高速离心机(湘仪离心机仪器有限公司)； 8411型电动振筛机(浙江省上虞市学琴纱筛厂)； TTF-100型土壤团聚体分析仪(浙江省上虞市分析仪器厂)； 直径20 cm套筛； 直径10 cm套筛.

聚丙烯酸(Polyacrylic acid,PAA)、 3-氯丙酸(3-Chloropropionic acid)、 氯酚红(Chlorophenol red)均购自西格玛奥德里奇(上海)公司； 氯化钠(NaCl)为优级纯，购自国药集团化学试剂有限公司. 实验用水均由 Milli-Q Plus 超纯水系统制得(18.2 MΩ ·cm). 1.2 样品采集与制备

在东北地区分别采集黑龙江沼泽土、 黑土以及吉林暗棕壤作为供试样品. 采用网格化采样方式，每个采样点随机采集0～20 cm表层土壤数个，混合成一个复合样品. 本土用样品盒带回实验室后，沿土壤自然结构小心掰成小土块，拣去作物残根和石砾，平摊在通风透气处自然风干. 采用干筛法和湿筛法相结合将土壤样品分为>2 000 μm、 2 000～1 000 μm、 1 000～250 μm、 250～53 μm、 53～20 μm以及<20 μm共6个团聚体颗粒组. 收集离心沉降过后的各粒径土样并进行冷冻干燥，称重后计算各粒径的分配比例，各级样品均密封于聚乙烯袋中保存.

参照Leri等^[5]的方法以PAA为分散介质来制备标准样品. 这是因为晶体基质会在Cl的K边XANES谱处产生衍射峰，使谱图分析复杂化. 而PAA为非晶体并且可以提供与天然有机质非常相似的有机基质，可用来模拟土壤组分. 此外，它是一种高度可溶的聚合物，可以通过其水溶液与标准溶液的混合来获取分布均匀的标准样品. PAA还具有热稳定性和低挥发性的特点.

分别配制3×10^-1 mg ·mL^-1的氯化钠、 3-氯丙酸以及氯酚红标准溶液. 准确称取300 mg PAA样品于50 mL聚乙烯离心管中，加入3 mL去离子水进行溶解. 待其充分溶解后，分别移取10、 30、 60、 80、 100、 200、 500、 1 000 μL的 3×10^-1 mg ·mL^-1的NaCl溶液至PAA溶液中并混合均匀，以此来获取一系列的NaCl标准溶液. 此外，将3种标准溶液按照不同比例(见表 1)加至PAA溶液中得到一系列混合参考样品，均匀混合后，将其和NaCl标准溶液进行冷冻干燥. 将去离子水溶解后的300 mg PAA样品冷冻干燥后作为标准空白样品.

表 1(Table 1)

表 1 混合标准样品中氯元素种态及含量Table 1 Chlorine speciation and concentration in mixed standard samples 样品 总 Cl含量/mg·kg-1 无机氯 脂肪氯 芳香氯 百分比/% 含量/mg·kg-1 百分比/% 含量/mg·kg-1 百分比/% 含量/mg·kg-1 1 30 33.3 10 33.3 10 33.3 10 2 160 37.5 60 25.0 40 37.5 60 3 300 33.3 100 33.3 100 33.3 100 4 800 37.5 300 25.0 200 37.5 300

表 1 混合标准样品中氯元素种态及含量Table 1 Chlorine speciation and concentration in mixed standard samples

使用玛瑙研钵将冷冻干燥好的标准样品与土壤样品研磨至粉末状. 按照土壤中粒径的分配比例配制全土. 分别称取85 mg标准样品、 160 mg土壤样品，使用直径为10 mm的模具在压片机上以5 MPa的压力压制7 min，得到片状样品. 将样品密封于聚乙烯袋中保存，待测. 1.3 XANES谱测定

实验于2013年10月在北京同步辐射装置(BSRF)的4B7B中能站进行. 储存环电子能量为2.5 GeV，流强为150~250 mA，能量范围为1 750~6 000 eV，能量分辨率优于5000@3206 eV，光通量约5×10¹⁰photo ·s^-1，光斑尺寸：3 mm(H)×2 mm(V). 采用Si (111)平面双晶单色器选择X光子能量. 使用双面碳导电胶带将样品固定于样品架上，与入射光呈45°角. 由于氯在土壤中的含量比较低，所以采用更适合于低含量的荧光探测法来进行测定. 在同步光2 800~2 870 eV能量范围内，待测样品所产生的荧光使用SDD荧光检测器记录数据. 吸收边附近光能量的步长为0.3 eV，边前边后为0.6~1 eV.

所采集的谱图使用Athena软件和Origin 8.0通过背景扣除、 归一化及最小二乘法拟合来进行处理和解析. 2 结果与讨论 2.1 Cl的定量和定性

Leri等^[5]和Kruse等^[6]的研究发现，样品中目标元素的总含量与该元素的绝对荧光强度之间具有很好的线性关系，线性相关系数分别为0.996和0.920. 因此笔者在进行定量分析时，首先测定未归一化处理的NaCl标准样品中Cl元素的K边XANES谱图的绝对荧光强度(图 1),绝对荧光强度值由边前和边后区域在2 854.80 eV处的距离来进行估算. 在该能量处，吸收边的振荡减弱，谱线趋于平滑，荧光强度达到平衡，吸收强度与元素种态无关，与元素含量呈正比^[5,6]. 图 2表明NaCl标准中氯元素的含量和其绝对荧光强度之间具有很好的线性关系，线性相关系数R²=0.999，线性回归方程为y=5.15×10^-5x+1.78×10^-4.

图 1

Fig. 1

图 1 基于PAA基质的NaCl标准中氯的未归一化的1s XANES谱Fig. 1 Unnormalized Cl 1s XANES spectrum of NaCl standard in PAA matrix 氯元素含量为10 000 mg ·kg-1

图 2

Fig. 2

图 2 基于PAA基质的不同含量NaCl标准中氯元素的含量和绝对荧光强度之间的线性曲线Fig. 2 Linear correlation between Cl concentration in PAA-based NaCl standards and the absolute Cl fluorescence intensity over different concentration ranges

利用若干已知种态的模型化合物的标准谱，通过最小二乘法拟合样品光谱后，可以获得待测样品中目标元素的化学种态和相对含量. 无机氯、 脂肪氯以及芳香氯三者之间的光谱特征具有明显差异^{[5, 7, 17, 18, 19]}. 鉴于氯化钠、 3-氯丙酸、 氯酚红良好的溶解性、 稳定性及其谱图较高的代表性^[5,19](图 3)，本研究以其分别代表无机氯、 脂肪氯和芳香氯这3种氯元素的化学种态. 按照1.2节所示方法，分别配制氯元素含量为10 000 mg ·kg^-1 的3种标准样品，所得谱图经归一化处理后作为模型化合物的标准谱.

图 3

Fig. 3

图 3 无机氯和有机氯模型化合物中氯元素归一化的1s XANES谱图Fig. 3 Normalized Cl 1s XANES spectra of organic and inorganic Cl model compounds

在选定的测量条件下连续测定11次标准空白样品，由绝对荧光强度计算其相对标准偏差，得S_b=3×10^-5，根据IUPAC定义c_L=ks_b/m求得总氯含量的检出限为2 mg ·kg^-1，该值略低于Leri等^[5]检出限为5~10 mg ·kg^-1的研究结果.

将配制的4种不同含量的混合参考样品分别测定5次. 测定后，先利用样品未归一化处理的谱图在2 854.8 eV处的绝对荧光强度估算出总氯含量，再将样品归一化处理后的谱图与模型化合物的标准谱通过最小二乘法进行拟合，得到不同种态的相对含量. 最后通过总氯含量和不同种态的相对含量得到每一种氯种态的含量. 测定结果如图 4所示.

图 4

Fig. 4

图 4 用标准样品的光谱通过最小二乘法拟合混合样品光谱来估算氯元素的含量 Fig. 4 Estimated Cl concentrations from least-squares fits of mixed-standard spectra with pure standard spectra

计算得知，4种混合标准样品总氯及不同种态氯含量测定结果的相对标准偏差(RSD)范围为0%~5%(n=5)，回收率范围为：77%~133%. 由此可知该方法具有较好的精密度、 准确度以及非常低的检测限，可以用来直接测定土壤样品中目标元素的种态和含量.

图 5

Fig. 5

图 5 土壤样品中氯元素归一化的1s XANES谱图Fig. 5 Normalized Cl 1s XANES spectra of soil samples a.暗棕壤； b.暗棕壤； c.黑土； d.黑土； e.沼泽土； f.沼泽土

在选定的测量条件下，测定东北地区3种典型农耕土壤全土样品，样品所得谱图见图 5，谱图解析结果如表 2所示.

由表 2可以看出，同种土壤类型总氯含量处于同一水平，这是因为同种类型土壤的成土条件和土壤特性基本相同. 东北地区土壤中总氯含量均值为19 mg ·kg^-1，低于我国耕地土壤氯素均值24.5 mg ·kg^{-1 [20]}. 但本研究中总氯含量变幅12~24 mg ·kg^-1符合我国耕层土壤中氯素变幅(痕迹~579.9 mg ·kg^-1)^[20]. 黑龙江地区总氯含量均值为18 mg ·kg^-1，变幅为12~24 mg ·kg^-1，此结果与文献^[20]测定的黑龙江地区土壤含氯量均值为16.75 mg ·kg^-1，变幅8.24~24.6 mg ·kg^-1基本相同. 但吉林地区总氯含量均值为20 mg ·kg^-1，变幅为18~22 mg ·kg^-1，高于文献^[20]报道吉林地区土壤含氯量均值9.22 mg ·kg^-1，变幅7.45~11.3 mg ·kg^-1的测量结果.

表 2(Table 2)

表 2 东北耕地土壤中氯元素种态及含量Table 2 Chlorine speciation and concentration in cultivated soil in Northeastern China 样品 总Cl含量/mg·kg-1 无机氯 脂肪氯 芳香氯 百分比/% 含量/mg·kg-1 百分比/% 含量/mg·kg-1 百分比/% 含量/mg·kg-1 a.暗棕壤 22 36 8 55 12 9 2 b.暗棕壤 18 37 7 60 11 3 1 c.黑土 14 40 6 56 8 4 1 d.黑土 12 46 6 54 6 0 0 e.沼泽土 23 46 11 54 12 0 0 f.沼泽土 24 30 7 55 13 15 4

表 2 东北耕地土壤中氯元素种态及含量Table 2 Chlorine speciation and concentration in cultivated soil in Northeastern China

如表 2所示：总氯、 无机氯、 有机氯含量的分布趋势皆为：沼泽土＞暗棕壤＞黑土. 其中有机氯为土壤中氯元素的主要种态，平均相对含量高达61%，其含量为无机氯含量的1~2倍. Johansson等^[21]和berg等^[22]在研究表层土壤中氯元素所得到有机氯含量为无机氯含量的2倍和3~10倍的研究结果与本研究类似.

Redon等^[23]在研究森林土壤中氯元素时也发现了同样的规律，并且还发现土壤中有机氯含量取决于土壤中有机质含量，有机质含量越高，有机氯含量也越高^[1,24,25]. 这是因为绝大多数有机氯化合物具有较低的水溶解性和高的正辛烷-水分配系数，所以其主要被分配在土壤有机质中. 由于本研究采集的土壤为东北地区0~20 cm的表层土，其有机质含量较高，因此有机氯为其主要组分. 董桂军^[26]在研究不同类型耕地土壤肥力情况时发现沼泽土、 暗棕壤、 黑土这3种土壤类型中有机质含量分别为5.9%、 5.5%、 5.2%，龚仓等^[27]研究也发现了相同的分布规律，而相关研究还证明无机氯含量与有机氯含量呈正相关关系(r=0.49,P＜0.001)^[24]. 因此造成总氯、 无机氯、 有机氯含量的分布趋势为：沼泽土＞暗棕壤＞黑土.

据Fixeg^[28]的研究，土壤中Cl^-含量在5~10 mg ·kg^-1时，属中等含量，使用含氯肥料后小麦增产31%. 而所测定东北地区土壤中无机氯含量变化范围为6~11 mg ·kg^-1，因此可以对该地区适当地使用含氯肥料(如 NH₄Cl、 KCl)，为作物生长补充氯素，以便提高作物产量. 由表 1可知，东北地区脂肪氯为有机氯的主要组分，其含量范围为6~13 mg ·kg^-1，而芳香氯的范围为0~4 mg ·kg^-1. 耕地土壤中有机氯的绝大多数来源为有机氯农药的使用，脂肪氯含量较高说明该地区使用以环戊二烯为原料所生产的有机氯农药较多，如氯丹、 七氯、 硫丹、 艾氏剂、 狄氏剂等. 该地区土壤中有机氯含量高于环保部土壤环境质量评价中对于有机氯含量要求的标准值，说明污染情况比较严重，需对其进行必要的污染治理. 3 结论

(1)建立了耕地土壤中氯元素种态及含量的测定方法，该方法具有较高的准确度、 精密度以及低检出限，并且无需对样品进行预处理，避免了预处理过程对目标元素种态及含量所造成的影响.

(2)3种典型农耕土壤中同种类型土壤的总氯含量处于同一水平，有机氯为氯元素中的主要组分. 无机氯含量较低，可适当进行补充.

(3)总氯、 无机氯、 有机氯含量的分布趋势皆为：沼泽土＞暗棕壤＞黑土.

(4)本研究为进一步研究本区域的氯素地球化学循环提供了基础数据.

致谢： 感谢中国地质科学院地球物理与地球化学勘查研究所在样采集过程中提供的大力帮助.