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將LIBS技術應用于檢測土壤污染并探究土壤污染對植物元素的影響。本研究的目標是：證明LIBS對生物樣品的高通量能力，無需樣品制備即可快速檢測植物和土壤成分；驗證用LIBS技術探求植物組織元素類型與土壤重金屬污染間相關性的可能性。

一、引言

植物的性能，包括生長和脅迫反應能力是由不同營養元素的水平和分布決定的。常量營養元素N、P、K、Ca、S、Mg、C、O、H和微量營養元素如Si、Fe、B、Cl、Mn、Zn、Cu、Mo、Ni等，這些元素對植物的生長和生存有著重要作用。植物的營養狀況及其組織的元素組成是植物遺傳、環境變化以及兩者在根際間動態相互作用的一個結果。

對于土生植物而言，環境的影響主要來自于土壤。植物用來吸收土壤中重金屬的主要器官是植物的根系。植物對重金屬的吸收效果與離子在介質中的游離活度密切相關，植物對重金屬的吸收形態以非復合的自由離子為主。根際土壤中的離子首先向根系表皮遷移，通過質外體或共質體途徑進入了根皮層，再通過共質體進入內皮層和中柱鞘，隨后進入根系導管。研究表明，土壤中礦物質含量和重金屬含量與植物中的礦物質含量和重金屬含量是成正相關的。根系對重金屬離子的吸收通常包括以下3個步驟：

（1）根際土壤中的離子向根表遷移；

（2）根表的離子進入細胞內部；

（3）細胞內部的離子進入導管。

目前，雖然已經有許多學者針對重金屬脅迫下的植物信息變化展開研究，但大都采用化學分析方法，不能實現原位快速檢測。激光誘導擊穿光譜(LIBS)是一種非常適合于快速測量多種元素組成的光譜技術。LIBS已被證明可以檢測存在于任何樣品基質中的元素，如固體、液體、氣體和氣溶膠。LIBS在生物和環境樣品中元素檢測中的應用已在過去20年得到證實。因此，本工作將LIBS技術應用于檢測土壤污染并探究土壤污染對植物元素的影響。

本研究的目標是：

（1）證明LIBS對生物樣品的高通量能力，無需樣品制備即可快速檢測植物和土壤成分；

（2）驗證用LIBS技術探求植物組織元素類型與土壤重金屬污染間相關性的可能性。

二、實驗樣品植被

為了縮短實驗周期，本工作選擇生長周期較短且十分常見的蒜苗為研究對象。該實驗對蒜苗的根系、莖稈以及其生長的土壤進行檢測，研究在Pb元素脅迫下蒜的根莖和土壤信息快速檢測方法。所選用的蒜產自山東菏澤市，品種為白蒜；選用的土壤樣品為上篇土壤樣品SX，取自安徽泗縣的一個農田。

為了研究被重金屬污染的土壤對植物生長特性及植物組織內元素的影響，實驗中的蒜苗采用土培方式進行培育。培育過程中，篩選優質蒜瓣，按照固定間距種植在土壤樣品里。根據中華人民共和國生態環境部意見，Pb元素屬于重點防控的重金屬污染物。因此，為了分析不同濃度的Pb對蒜苗生長的影響，配備了兩種溶液，每種溶液都含有不同數量的(CH3COO)2Pb·3H2O，濃度分別為30%、10%。然后，用滴管分別吸取5mL不同濃度的溶液均勻滴入土壤和蒜的根部。蒜苗整個生長周期為20天，在生長過程中，每隔3天澆一次水，每隔5天加入5mL含Pb溶液，以模擬土壤持續被污染的情景。蒜苗種植和生長圖片如圖1所示。

圖1蒜苗種植和生長情況

待蒜苗高度生長至約15cm時,實驗樣品制備完成。此時，取出不同污染程度的土壤，并取出整顆蒜用水進行清洗；然后，將蒜分割成為蒜根和蒜莖，連同土壤樣品一起放入干燥箱進行烘干處理，樣品種類如表1所示，這樣做的目的是降低植物組織和土壤內的水分，以此降低背景噪聲，提高信噪比，提高微量元素的檢測準確度。莖稈是用來輸送養分和重金屬的器官，直接影響了植物地上部分的重金屬積累，因此實驗過程中對莖稈元素的檢測十分必要。

表1樣品種類名稱

三、土壤和蒜苗的光譜檢測

未經污染的土壤樣品和蒜苗樣品直接在空氣中進行LIBS檢測，采集的等離子體信號由光纖探測器采集并耦合到光譜儀。土壤和蒜苗樣品的光譜數據范圍覆蓋為210-890nm，譜線強度進行歸一化處理。實驗采用的光譜儀存在一定的譜線漂移情況，因此要根據NIST數據庫進行多種元素的比對參照，進行光譜校準。標定譜線后，土壤中的主要元素為Si、Fe、Mn、Mg、Na、Ca、Al、Ba、Li、N、K、O，光譜圖如2~8所示；蒜苗根部的主要元素特征譜線如表2所示，元素主要為C、H、O、N、K、Ca、Mg、Na、Al、Sr。

表2無污染蒜苗根部的元素特征譜線

四、土壤和蒜苗中的鉛元素的分析

實驗中，在不同濃度Pb溶液的脅迫下，土壤的光譜圖呈現差異。根據NIST數據庫中的Pb元素的發射譜線，再結合實驗所得光譜數據，選出Pb I 363.96nm、Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm這三條譜線強度較高的譜線作為研究對象。由于光譜數據存在不穩定性，數據分析過程中為了方便不同光譜進行強度比較，這里對特征譜線強度進行歸一化處理。如圖2所示，在相同激光能量下，在濃度為30%的Pb溶液脅迫下，樣品土30中可以同時觀測到Pb I 363.96nm、Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm這三根譜線，且譜線強度較高；在樣品土10的光譜中，也能檢測到Pb I 363.96nm、Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm，但譜線強度明顯低于前者；在無含Pb溶液污染的樣品土0中則沒有檢測到Pb元素的譜線，這里用作對比參照。

圖2不同濃度下土壤樣品的Pb元素光譜分析

如圖3（a）所示，在相同激光能量下，在濃度為30%的Pb溶液脅迫下，樣品根30中可以同時觀測到Pb I 363.96nm、Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm這三根譜線，且譜線強度較高；而在樣品根10的光譜中，只能檢測到Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm這兩根譜線，且譜線強度較弱。

如圖3（b）所示，在相同激光能量下，在濃度為30%的Pb溶液脅迫下，樣品莖30中可以同時觀測到Pb I 363.96nm、Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm這三根譜線，且譜線強度較高；而在樣品莖10的光譜中，只能檢測到Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm這兩根譜線，且譜線強度較弱。由此可以得出結論，隨著濃度的上升，重金屬元素Pb的譜線強度增大，這為定量分析提供了可能。

圖3不同濃度下蒜苗中Pb元素的光譜分析（a）不同濃度下蒜根的光譜（b）不同濃度下蒜莖的光譜

植物對于重金屬的抗性可以通過避性來實現。即通過植物根系吸附固定或者改變離子通道等方法，來限制重金屬吸收、阻止植物地上部分轉運等，從而達到限制植物體內重金屬累積的目標。因此，在植物組織內部，重金屬元素的含量是由根部向頂端遞減的。如圖4所示，在濃度為30%和10%的含Pb溶液的脅迫下，蒜苗根部中的Pb元素譜線強度都要高于蒜苗莖部。因此，這為LIBS技術用于研究植物對重金屬的吸收與轉運提供了可能。

圖4相同濃度下蒜苗中根部Pb元素和莖部Pb元素的光譜分析（a）30%濃度下的對比（b）10%濃度下的對比

五、土壤重金屬對植物礦質元素的影響

除了碳、氫、氧這三種元素，植物還會從土壤中吸取礦質元素，這些元素是植物生長不可或缺的。礦質元素對植物組織內部的物質組成以及生理代謝具有重要作用。礦質元素可以分為大量元素、微量元素以及有益元素。

圖5 30%和10%濃度下蒜苗根部的360nm-410nm波段光譜圖

重金屬元素和礦質元素之間存在復雜的交互作用，互相影響。所以，實現快速檢測重金屬脅迫下的礦質元素，對于及時有效監測植物生長具有重要意義。如圖5所示，在不同濃度Pb的脅迫下，激光能量相同時，樣品根30中的Pb元素譜線強度高于根10中的。隨著Pb元素譜線強度的增大，Ca元素的譜線（Ca II 393.37nm、Ca II 396.85nm）強度反而降低；相反，隨著Pb元素譜線強度的增大，Al元素的譜線(Al I 394.40nm、Al I 396.15nm)強度也增大。可見，Pb元素會抑制蒜苗根部的Ca元素，而隨著Pb濃度的升高，Al元素的相對強度也增大。

六、總結

本文工作建立了的模型，將LIBS技術和該模型相結合，驗證了LIBS技術在土壤檢測和識別方面的可實施性，為后文進一步探究土壤污染對植物組織內部元素的影響奠定了基礎。

本章工作以被重金屬Pb污染的土壤和蒜苗作為研究對象，探究了被污染的土壤對植物組織內元素的影響。通過光譜分析，在不同濃度Pb脅迫下，土壤、蒜苗根部和蒜苗莖部的Pb元素譜線強度隨著濃度的升高而增大；在相同濃度Pb脅迫下，從蒜苗的根部到莖部，Pb元素譜線強度逐漸降低。這符合植物對內部重金屬的轉運規律，驗證了LIBS用于快速檢測土壤和植物內重金屬的可能性。此外，通過對比分析重金屬Pb元素的譜線和其他礦質元素的譜線，可發現重金屬Pb會抑制蒜苗根部的Ca元素的轉運，但隨著Pb濃度的升高，Al元素的譜線強度反而增大，驗證了重金屬元素會對植物組內內的礦質元素的濃度造成影響。這為快速檢測重金屬脅迫下的礦質元素提供了新思路。

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