将LIBS技术应用于检测土壤污染并探究土壤污染对植物元素的影响。本研究的目标是：证明LIBS对生物样品的高通量能力，无需样品制备即可快速检测植物和土壤成分；验证用LIBS技术探求植物组织元素类型与土壤重金属污染间相关性的可能性。
一、引言
植物的性能，包括生长和胁迫反应能力是由不同营养元素的水平和分布决定的。常量营养元素N、P、K、Ca、S、Mg、C、O、H和微量营养元素如Si、Fe、B、Cl、Mn、Zn、Cu、Mo、Ni等，这些元素对植物的生长和生存有着重要作用。植物的营养状况及其组织的元素组成是植物遗传、环境变化以及两者在根际间动态相互作用的一个结果。
对于土生植物而言，环境的影响主要来自于土壤。植物用来吸收土壤中重金属的主要器官是植物的根系。植物对重金属的吸收效果与离子在介质中的游离活度密切相关，植物对重金属的吸收形态以非复合的自由离子为主。根际土壤中的离子首先向根系表皮迁移，通过质外体或共质体途径进入了根皮层，再通过共质体进入内皮层和中柱鞘，随后进入根系导管。研究表明，土壤中矿物质含量和重金属含量与植物中的矿物质含量和重金属含量是成正相关的。根系对重金属离子的吸收通常包括以下3个步骤：
（1）根际土壤中的离子向根表迁移；
（2）根表的离子进入细胞内部；
（3）细胞内部的离子进入导管。
目前，虽然已经有许多学者针对重金属胁迫下的植物信息变化展开研究，但大都采用化学分析方法，不能实现原位快速检测。激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种非常适合于快速测量多种元素组成的光谱技术。LIBS已被证明可以检测存在于任何样品基质中的元素，如固体、液体、气体和气溶胶。LIBS在生物和环境样品中元素检测中的应用已在过去20年得到证实。因此，本工作将LIBS技术应用于检测土壤污染并探究土壤污染对植物元素的影响。
本研究的目标是：
（1）证明LIBS对生物样品的高通量能力，无需样品制备即可快速检测植物和土壤成分；
（2）验证用LIBS技术探求植物组织元素类型与土壤重金属污染间相关性的可能性。
二、实验样品植被
为了缩短实验周期，本工作选择生长周期较短且十分常见的蒜苗为研究对象。该实验对蒜苗的根系、茎秆以及其生长的土壤进行检测，研究在Pb元素胁迫下蒜的根茎和土壤信息快速检测方法。所选用的蒜产自山东菏泽市，品种为白蒜；选用的土壤样品为上篇土壤样品SX，取自安徽泗县的一个农田。
为了研究被重金属污染的土壤对植物生长特性及植物组织内元素的影响，实验中的蒜苗采用土培方式进行培育。培育过程中，筛选优质蒜瓣，按照固定间距种植在土壤样品里。根据中华人民共和国生态环境部意见，Pb元素属于重点防控的重金属污染物。因此，为了分析不同浓度的Pb对蒜苗生长的影响，配备了两种溶液，每种溶液都含有不同数量的(CH3COO)2Pb·3H2O，浓度分别为30%、10%。然后，用滴管分别吸取5mL不同浓度的溶液均匀滴入土壤和蒜的根部。蒜苗整个生长周期为20天，在生长过程中，每隔3天浇一次水，每隔5天加入5mL含Pb溶液，以模拟土壤持续被污染的情景。蒜苗种植和生长图片如图1所示。
图1蒜苗种植和生长情况
待蒜苗高度生长至约15cm时,实验样品制备完成。此时，取出不同污染程度的土壤，并取出整颗蒜用水进行清洗；然后，将蒜分割成为蒜根和蒜茎，连同土壤样品一起放入干燥箱进行烘干处理，样品种类如表1所示，这样做的目的是降低植物组织和土壤内的水分，以此降低背景噪声，提高信噪比，提高微量元素的检测准确度。茎秆是用来输送养分和重金属的器官，直接影响了植物地上部分的重金属积累，因此实验过程中对茎秆元素的检测十分必要。
表1样品种类名称
三、土壤和蒜苗的光谱检测
未经污染的土壤样品和蒜苗样品直接在空气中进行LIBS检测，采集的等离子体信号由光纤探测器采集并耦合到光谱仪。土壤和蒜苗样品的光谱数据范围覆盖为210-890nm，谱线强度进行归一化处理。实验采用的光谱仪存在一定的谱线漂移情况，因此要根据NIST数据库进行多种元素的比对参照，进行光谱校准。标定谱线后，土壤中的主要元素为Si、Fe、Mn、Mg、Na、Ca、Al、Ba、Li、N、K、O，光谱图如2~8所示；蒜苗根部的主要元素特征谱线如表2所示，元素主要为C、H、O、N、K、Ca、Mg、Na、Al、Sr。
表2无污染蒜苗根部的元素特征谱线
四、土壤和蒜苗中的铅元素的分析
实验中，在不同浓度Pb溶液的胁迫下，土壤的光谱图呈现差异。根据NIST数据库中的Pb元素的发射谱线，再结合实验所得光谱数据，选出Pb I 363.96nm、Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm这三条谱线强度较高的谱线作为研究对象。由于光谱数据存在不稳定性，数据分析过程中为了方便不同光谱进行强度比较，这里对特征谱线强度进行归一化处理。如图2所示，在相同激光能量下，在浓度为30%的Pb溶液胁迫下，样品土30中可以同时观测到Pb I 363.96nm、Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm这三根谱线，且谱线强度较高；在样品土10的光谱中，也能检测到Pb I 363.96nm、Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm，但谱线强度明显低于前者；在无含Pb溶液污染的样品土0中则没有检测到Pb元素的谱线，这里用作对比参照。
图2不同浓度下土壤样品的Pb元素光谱分析
如图3（a）所示，在相同激光能量下，在浓度为30%的Pb溶液胁迫下，样品根30中可以同时观测到Pb I 363.96nm、Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm这三根谱线，且谱线强度较高；而在样品根10的光谱中，只能检测到Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm这两根谱线，且谱线强度较弱。
如图3（b）所示，在相同激光能量下，在浓度为30%的Pb溶液胁迫下，样品茎30中可以同时观测到Pb I 363.96nm、Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm这三根谱线，且谱线强度较高；而在样品茎10的光谱中，只能检测到Pb I 368.35nm和Pb I 405.78nm这两根谱线，且谱线强度较弱。由此可以得出结论，随着浓度的上升，重金属元素Pb的谱线强度增大，这为定量分析提供了可能。
图3不同浓度下蒜苗中Pb元素的光谱分析（a）不同浓度下蒜根的光谱（b）不同浓度下蒜茎的光谱
植物对于重金属的抗性可以通过避性来实现。即通过植物根系吸附固定或者改变离子通道等方法，来限制重金属吸收、阻止植物地上部分转运等，从而达到限制植物体内重金属累积的目标。因此，在植物组织内部，重金属元素的含量是由根部向顶端递减的。如图4所示，在浓度为30%和10%的含Pb溶液的胁迫下，蒜苗根部中的Pb元素谱线强度都要高于蒜苗茎部。因此，这为LIBS技术用于研究植物对重金属的吸收与转运提供了可能。
图4相同浓度下蒜苗中根部Pb元素和茎部Pb元素的光谱分析（a）30%浓度下的对比（b）10%浓度下的对比
五、土壤重金属对植物矿质元素的影响
除了碳、氢、氧这三种元素，植物还会从土壤中吸取矿质元素，这些元素是植物生长不可或缺的。矿质元素对植物组织内部的物质组成以及生理代谢具有重要作用。矿质元素可以分为大量元素、微量元素以及有益元素。
图5 30%和10%浓度下蒜苗根部的360nm-410nm波段光谱图
重金属元素和矿质元素之间存在复杂的交互作用，互相影响。所以，实现快速检测重金属胁迫下的矿质元素，对于及时有效监测植物生长具有重要意义。如图5所示，在不同浓度Pb的胁迫下，激光能量相同时，样品根30中的Pb元素谱线强度高于根10中的。随着Pb元素谱线强度的增大，Ca元素的谱线（Ca II 393.37nm、Ca II 396.85nm）强度反而降低；相反，随着Pb元素谱线强度的增大，Al元素的谱线(Al I 394.40nm、Al I 396.15nm)强度也增大。可见，Pb元素会抑制蒜苗根部的Ca元素，而随着Pb浓度的升高，Al元素的相对强度也增大。
六、总结
本文工作建立了的模型，将LIBS技术和该模型相结合，验证了LIBS技术在土壤检测和识别方面的可实施性，为后文进一步探究土壤污染对植物组织内部元素的影响奠定了基础。
本章工作以被重金属Pb污染的土壤和蒜苗作为研究对象，探究了被污染的土壤对植物组织内元素的影响。通过光谱分析，在不同浓度Pb胁迫下，土壤、蒜苗根部和蒜苗茎部的Pb元素谱线强度随着浓度的升高而增大；在相同浓度Pb胁迫下，从蒜苗的根部到茎部，Pb元素谱线强度逐渐降低。这符合植物对内部重金属的转运规律，验证了LIBS用于快速检测土壤和植物内重金属的可能性。此外，通过对比分析重金属Pb元素的谱线和其他矿质元素的谱线，可发现重金属Pb会抑制蒜苗根部的Ca元素的转运，但随着Pb浓度的升高，Al元素的谱线强度反而增大，验证了重金属元素会对植物组内内的矿质元素的浓度造成影响。这为快速检测重金属胁迫下的矿质元素提供了新思路。
