有機(jī)酸對As（Ⅴ）在土壤中老化的影響

高雪，曾希柏，白玲玉，尼瑪扎西，蘇世鳴，王亞男，吳翠霞

（1.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，拉薩 850000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

有機(jī)酸對As（Ⅴ）在土壤中老化的影響

高雪1，2，曾希柏2*，白玲玉2，尼瑪扎西1，蘇世鳴2，王亞男2，吳翠霞2

（1.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，拉薩 850000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

為了明確不同類型有機(jī)酸對土壤中砷釋放及遷移轉(zhuǎn)化等行為的影響，應(yīng)用模擬試驗(yàn)方法，研究了添加乙酸、草酸、檸檬酸和腐植酸對砷在第四紀(jì)紅壤中老化的影響。研究結(jié)果表明，在溫度為25℃、濕度為最大田間持水量70%條件下，有機(jī)酸類型對砷在第四紀(jì)紅壤中老化過程的影響不顯著，但有機(jī)酸添加量對培養(yǎng)期間土壤有效態(tài)和結(jié)合態(tài)砷的含量具有顯著影響。當(dāng)乙酸的添加量為50、100 mg·kg-1時，對As（Ⅴ）在土壤中的老化均有抑制作用；添加量達(dá)到200 mg·kg-1時，對As（Ⅴ）的老化具有促進(jìn)作用。而草酸和檸檬酸的添加量為50 mg·kg-1時，對As（Ⅴ）的老化具有促進(jìn)作用；添加量為100、200 mg·kg-1時均抑制As（Ⅴ）的老化。腐植酸對外源砷在土壤中的老化具有抑制作用，且其對砷老化的影響遠(yuǎn)大于其他類型有機(jī)酸。當(dāng)添加量在50～200 mg·kg-1時，乙酸和草酸對土壤中專性吸附態(tài)砷含量有顯著影響；添加量為50、100 mg·kg-1時，檸檬酸和腐植酸對弱結(jié)晶水合鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷均有顯著影響；添加量為200 mg·kg-1時，乙酸、檸檬酸和腐植酸對結(jié)晶水合鐵鋁氧化物態(tài)砷影響顯著。綜上，在本試驗(yàn)條件下，As（Ⅴ）在第四紀(jì)紅壤上老化不受有機(jī)酸類型的影響，而受有機(jī)酸添加量的影響。

As（Ⅴ）；土壤老化；有機(jī)酸；有效態(tài)砷；結(jié)合態(tài)砷

根系分泌物是植物與土壤進(jìn)行物質(zhì)、能量與信息交流的重要載體物質(zhì)，其分泌的低分子量有機(jī)酸（草酸、檸檬酸等）與土壤砷之間的相互作用影響著土壤中砷的化學(xué)行為，使砷在土壤-水-植物系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律發(fā)生重大改變，從而影響到砷在土壤中的形態(tài)及其生物有效性[1-3]。此外，腐植酸作為土壤中活性較強(qiáng)的有機(jī)酸，其在土壤甚至根際的活動和行為，也對土壤中元素的形態(tài)、化學(xué)行為等產(chǎn)生十分深刻的影響。近年來，關(guān)于有機(jī)酸對其他類型的重金屬研究報(bào)道較多：范洪黎等[4]研究了添加有機(jī)酸對土壤鎘形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響，結(jié)果表明添加蘋果酸、檸檬酸處理顯著降低土壤專性吸附態(tài)鎘含量，卻顯著增加了交換態(tài)鎘、碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘和有機(jī)結(jié)合態(tài)鎘含量。賴彩秀等[5]研究了添加天然小分子有機(jī)酸對土壤鎘、鋅形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響，結(jié)果顯示添加蘋果酸、草酸處理，土壤中酸提取態(tài)鎘、鋅含量比對照分別增加0.13%～1.30%、4.25%～13.4%，有機(jī)酸對土壤中鎘和鋅有一定的活化作用。覃蔡清[6]分析了根系分泌物的主要成分（三種低分子量有機(jī)酸，包括檸檬酸、草酸、酒石酸）在不同試驗(yàn)條件下（有機(jī)酸濃度、培養(yǎng)時間）對三峽庫區(qū)土壤汞活化的影響，低分子量有機(jī)酸能夠促進(jìn)三峽庫區(qū)土壤汞的解吸。但施用有機(jī)酸對土壤砷的影響相關(guān)研究非常有限?；诖耍狙芯窟x擇了乙酸、草酸、檸檬酸及腐植酸，探究上述3種有機(jī)酸和腐殖質(zhì)對As（Ⅴ）在第四紀(jì)紅壤中老化的影響，研究結(jié)果將有助于明晰土壤中砷的釋放及其遷移轉(zhuǎn)化行為，進(jìn)而為砷污染土壤的調(diào)控、修復(fù)及安全利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自湖南衡陽（26°15′～26°37′N、111° 35′～111°45′E）第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育紅壤的0～20 cm耕土層，采集的土壤經(jīng)自然風(fēng)干后均勻混合，除去較大的植物殘?bào)w和土壤中的砂石、磚塊等雜物，過2 mm尼龍篩后備用。供試土壤的基本理化性質(zhì)如表1。

1.2 試驗(yàn)方法

有機(jī)酸與重金屬之間的相互作用跟有機(jī)酸分子大小與結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)的種類與數(shù)量以及土壤礦物結(jié)合程度等有關(guān)，從而導(dǎo)致不同類型有機(jī)酸對砷在土壤中老化過程的影響也不同。因此，本實(shí)驗(yàn)選取了一元有機(jī)酸（乙酸）、二元有機(jī)酸（草酸）、三元有機(jī)酸（檸檬酸）及腐植酸四種類型的有機(jī)酸，每個處理設(shè)置4個添加量水平（0、50、100、200 mg·kg-1），每個水平三次重復(fù)。分別向土壤中加入相應(yīng)濃度的有機(jī)酸，混合均勻，平衡一個星期后，加入Na3AsO4·12H2O，使土壤中外源添加As（Ⅴ）的量為100 mg·kg-1（不考慮土壤本底砷濃度），混合均勻后并使其含水量保持在田間持水量的70%左右，分別取200 g土壤置于100 mL燒杯中并蓋上半透膜，隨機(jī)放入恒溫恒濕箱中并保持溫度（25±1）℃、含水量70%，每兩天用稱量法補(bǔ)充水分、使土壤含水量保持相對穩(wěn)定。培養(yǎng)至1、15、30、60、90、120 d時分別采集土樣，經(jīng)風(fēng)干、過篩后，利用HGAFS法測定土壤各結(jié)合態(tài)砷和有效態(tài)砷含量。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of experimental soils

1.3 測定方法

土壤有效態(tài)砷的測定：采用NaHCO3提取法[7-8]，該方法對土壤pH的敏感性較低且與土壤砷濃度的相關(guān)性良好。稱取過2 mm篩的風(fēng)干土樣5 g于100 mL離心管中，加入50 mL 0.5 mol·L-1的NaHCO3溶液，振蕩2 h，離心過濾，用SA-10型氫化物發(fā)生-原子熒光儀測定待測液中的砷。

土壤結(jié)合態(tài)砷的測定：各結(jié)合態(tài)砷的提取采用Wenzel等[9]的方法，然后用SA-10型氫化物發(fā)生-原子熒光儀測定待測液中的砷。

土壤相關(guān)理化性質(zhì)的測定：用0.5 mol·L-1NaOH進(jìn)行分散后，用激光粒度分析儀測定土壤粒徑組成[10]；用水浸-電位法（水土比2.5∶1）測定土壤pH[10]；按Sparks等[11]的方法測定土壤陽離子交換量，重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機(jī)碳[10]，碳酸氫鈉提取法測定土壤有效磷[12]，H2SO4-HClO4消化法測定土壤總磷[10]，草酸銨提取法測定土壤中無定形鐵、鋁、錳氧化物含量[10]，連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉提取法（DCB）測定土壤中游離鐵、鋁、錳含量[10]，王水消解[13]HG-AFS法測定土壤總砷。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013處理，并表示為平均值（Mean）±標(biāo)準(zhǔn)誤（SD），用SPSS 13.0軟件進(jìn)行方差分析、Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型有機(jī)酸對As（Ⅴ）在土壤中老化的影響

2.1.1 對土壤有效態(tài)砷含量的影響

不同類型的有機(jī)酸對土壤有效態(tài)砷的百分含量的影響如表2所示。對于添加相同量（100 mg·kg-1）的乙酸、草酸、檸檬酸和腐植酸而言，隨著有機(jī)酸的添加，土壤有效態(tài)砷含量大幅度降低，且隨老化時間推延，土壤有效態(tài)砷含量亦逐漸下降。在培養(yǎng)1 d后，加入四種有機(jī)酸處理下土壤有效態(tài)砷的濃度即下降到添加濃度的12.09%～13.08%，顯著低于土壤中加入砷的含量；而培養(yǎng)到120 d時，土壤中有效態(tài)砷含量僅為添加濃度的2.05%～3.08%。導(dǎo)致該結(jié)果的原因可能是As（Ⅴ）進(jìn)入土壤后，很快與土壤膠體發(fā)生表面吸附、絡(luò)合及沉淀等過程，砷先被吸附在土壤膠體的表層，然后逐漸轉(zhuǎn)移到土壤膠體內(nèi)部，且部分被土壤膠體固定。在老化過程中，隨著時間的推移，土壤有效態(tài)砷含量逐漸降低，且逐漸轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的結(jié)合態(tài)砷。

表2 添加不同類型有機(jī)酸后土壤中有效態(tài)砷占總砷比例隨老化時間的變化Table 2 The variance of the percentage of available As in total arsenic with aging time in soils added with different types of organic acids

對于乙酸處理而言，培養(yǎng)第1、30、60、90、120 d時土壤有效態(tài)的砷含量都相互達(dá)到顯著性差異水平，在老化過程中，有效態(tài)砷含量減少10.04%，下降比率為83.04%。而對于草酸、檸檬酸、腐植酸處理而言，土壤有效態(tài)砷含量的變化結(jié)果一致，三種處理下，除了第60、90 d土壤有效態(tài)砷含量未達(dá)到顯著差異以外，其他老化時間下，土壤有效態(tài)砷含量均達(dá)到顯著性差異水平。

進(jìn)一步分析表2的結(jié)果可知，在土壤老化過程中，草酸、檸檬酸、腐植酸三種類型的有機(jī)酸對土壤有效態(tài)砷含量的影響一致，即隨著老化時間延長含量逐漸減少，但第60 d與第90 d差異不顯著。對于乙酸而言，隨著老化時間延長土壤中有效態(tài)砷逐漸降低，且各處理均達(dá)到顯著性差異水平。造成此結(jié)果的主要原因是乙酸屬于一元酸，而草酸、檸檬酸、腐植酸屬于多元酸，乙酸的解離常數(shù)大于其他三種酸。而且一般來說，分子量越大的酸酸性越弱。有機(jī)酸顯酸性是因?yàn)橛恤然拇嬖冢绻岬脑恿吭酱?，與羧基相連的碳與羧基中氧的碳氧鍵就越弱，相應(yīng)的氧氫鍵就越強(qiáng)，所以氫就越不容易游離出來。乙酸能比多元酸解離出更多的氫離子與土壤中砷發(fā)生相互作用。

2.1.2 對土壤中各結(jié)合態(tài)砷含量的影響

本研究中，測定了添加同一含量不同類型的有機(jī)酸（乙酸、草酸、檸檬酸、腐植酸）后不同老化時間的土壤結(jié)合態(tài)砷含量的變化，其結(jié)果如表3所示。對于F1（非專性吸附態(tài)砷）而言，添加乙酸、檸檬酸處理中非專性吸附態(tài)砷變化趨勢一致，在第1～30 d內(nèi)F1含量顯著降低（P＜0.05），降低率分別是64.54%和68.87%：添加草酸處理中第1～60 d內(nèi)含量顯著降低（P＜0.05），降低率為55.10%；而添加腐植酸的處理在第1～120 d內(nèi)其含量變化差異顯著。對于F2（專性吸附態(tài)砷）而言，添加乙酸和腐植酸處理中專性吸附態(tài)砷含量變化趨勢一致，除了第60、90 d無顯著差異，在第1～120 d內(nèi)F2含量都達(dá)到顯著性差異水平。添加草酸和檸檬酸的處理，F(xiàn)2含量在第1～60 d內(nèi)顯著下降，處理間達(dá)到顯著性差異，隨后緩慢下降。F3（弱結(jié)晶水合鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷）是一種中間過渡形態(tài)，其含量變化不顯著。對于F4（結(jié)晶水合鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷）而言，其含量在添加有機(jī)酸的四種處理中第1～60 d內(nèi)顯著增加，達(dá)到顯著性差異水平。對于F5（殘?jiān)鼞B(tài)砷）而言，四種有機(jī)酸處理中，其含量在第1～30 d內(nèi)達(dá)到顯著差異水平，在第30～90 d內(nèi)差異不顯著，在第90～120 d內(nèi)殘?jiān)鼞B(tài)含量差異顯著。

總體而言，不同類型的有機(jī)酸對土壤各結(jié)合態(tài)的砷的含量變化趨勢一致，在土壤老化第1～120 d內(nèi)，F(xiàn)1和F2含量逐漸減少，F(xiàn)4和F5含量逐漸增大，而F3作為一種中間形態(tài)，其變化趨勢不一致。因此，不同類型的有機(jī)酸對土壤中各結(jié)合態(tài)砷的影響不顯著。

表3 添加不同類型有機(jī)酸后土壤結(jié)合態(tài)砷占總砷比例隨老化時間的變化Table 3 The variance of the percentage of each As fraction in total arsenic with aging time in soils added with different types of organic acids

2.2 有機(jī)酸添加量對As（Ⅴ）老化中土壤砷含量變化的影響

2.2.1 對土壤有效態(tài)砷含量的影響

據(jù)相關(guān)研究表明，有機(jī)酸的種類、濃度、重金屬含量、形態(tài)及重金屬-有機(jī)酸絡(luò)合物的穩(wěn)定常數(shù)等會影響重金屬的活性及有效性[14]。向第四紀(jì)紅壤中添加有機(jī)酸后，土壤老化前后有效態(tài)砷含量的變化如表4所示。

以老化至120 d時土壤有效態(tài)砷含量減去第1 d的有效態(tài)砷含量作為砷的變化量，其值為負(fù)代表砷在老化過程中被土壤吸附或固定，絕對值越大，表明被土壤吸附或固定的砷越多，土壤對砷的吸附或固定容量越大。對于添加乙酸的處理而言，與CK相比，除添加200 mg·kg-1乙酸促進(jìn)土壤中As（Ⅴ）的老化外，其他添加量的乙酸均抑制土壤中As（Ⅴ）的老化。在50、100 mg·kg-1的添加量時，乙酸對As（Ⅴ）的固定量隨添加量增加而減小，添加量增加至200 mg·kg-1時，As（Ⅴ）的固定量逐漸增加，即200 mg·kg-1時As（Ⅴ）的固定量最大，為6.14%。因此，與CK相比，乙酸添加量為50、100 mg·kg-1時抑制As（Ⅴ）的老化，200 mg· kg-1時促進(jìn)As（Ⅴ）的老化。對于添加草酸和檸檬酸的處理而言，除添加量為50 mg·kg-1促進(jìn)土壤中As（Ⅴ）的老化，其他添加量的草酸和檸檬酸均抑制土壤中As（Ⅴ）的老化。草酸和檸檬酸添加量為50 mg·kg-1時，As（Ⅴ）的固定量大于CK；在50～200 mg·kg-1范圍內(nèi)，隨草酸和檸檬酸添加量的升高，As（Ⅴ）的固定量逐漸減小。可見在50 mg·kg-1時，草酸和檸檬酸的As（Ⅴ）固定量最大，分別為6.76%和6.40%。因此，草酸和檸檬酸在50 mg·kg-1時，促進(jìn)As（Ⅴ）在第四紀(jì)紅壤上的老化；添加量在100 mg·kg-1和200 mg·kg-1時，抑制As（Ⅴ）的老化。與前三種有機(jī)酸不同的是，添加腐植酸的處理，砷的固定量沒有出現(xiàn)波浪式變化，而是隨著腐植酸添加量的增加而逐漸升高，表明腐植酸促進(jìn)As（Ⅴ）的老化。腐植酸添加量為200 mg·kg-1時，砷的固定量最大，含量為6.91%，比CK高出1.35%。腐植酸對第四紀(jì)紅壤在土壤中老化的影響遠(yuǎn)比其他類型的有機(jī)酸大。

表4 不同有機(jī)酸添加量對土壤老化前后土壤有效態(tài)砷變化量的影響Table 4 Effects of variation of organic acids on the available As contents during the aging period

2.2.2 對土壤中各結(jié)合態(tài)砷的影響

外源砷在土壤中的老化是一個自然、緩慢的過程，也是砷進(jìn)入土壤后與土壤膠體作用并達(dá)到新的平衡的過程。在該過程中，外源砷與土壤膠體之間持續(xù)發(fā)生著變化，使其鍵合的具體機(jī)制也隨之發(fā)生改變，進(jìn)而影響土壤中砷的毒性。本研究向第四紀(jì)紅壤中分別添加乙酸、草酸、檸檬酸和腐植酸后，研究有機(jī)酸對As（Ⅴ）老化過程中土壤各結(jié)合態(tài)的變化，結(jié)果見表5至表8。

從表5的結(jié)果看，在第1～120 d內(nèi)F1含量都逐漸降低，特別是在第1～60 d內(nèi)四個添加量水平下F1顯著下降（P＜0.05）；隨后在第60～120 d內(nèi)F1含量緩慢下降，沒有達(dá)到顯著差異水平；F2是砷的主要形態(tài)，該形態(tài)砷變化較復(fù)雜，不同乙酸添加量對F2的影響不同，但F2含量隨著老化過程的變化與F1類似，均逐漸降低。對于CK處理，第1～30 d內(nèi)F2含量顯著下降，下降率為83.81%，而在第30～120 d內(nèi)緩慢下降，差異不顯著，在90 d內(nèi)下降率僅為16.19%。對于50、100、200 mg·kg-1的處理而言，不但第1～30 d 的F2含量差異顯著，而且第30～120 d也都達(dá)到顯著性差異，說明乙酸對專性吸附態(tài)砷有顯著影響。F3代表低生物有效性砷。在四種添加量水平下，第1～120 d 內(nèi)F3含量逐漸升高，其中第1 d與第120 d達(dá)到顯著差異，最大增加量為7.99%；F4代表土壤內(nèi)部結(jié)合態(tài)砷形態(tài)，與F3變化規(guī)律類似，在第1～120 d內(nèi)含量逐漸升高，但對于0、50 mg·kg-1的處理而言，第1 d與第120 d未達(dá)到顯著差異，而100、200 mg·kg-1的處理達(dá)到顯著差異水平，意味著當(dāng)乙酸添加量高于100 mg· kg-1，對F4含量影響顯著。F5是固定于土壤顆粒晶體結(jié)構(gòu)或包蔽于其他金屬難溶鹽沉淀中的砷，其移動性較差、但危害性也相對較低。對于四種處理而言，F(xiàn)5含量均顯著增加，增加幅度為7.39%～13.62%。

從表6的結(jié)果看，在第1～120 d內(nèi)F1和F2含量逐漸降低，F(xiàn)3、F4和F5含量逐漸升高。對于F1而言，

雖然草酸的添加量不同，但四種處理中，F(xiàn)1含量在第1～60 d內(nèi)顯著降低，降低幅度為0.75%～1.40%，減少率達(dá)到90%以上；在第60～120 d內(nèi)減少量未達(dá)到顯著性差異。對于F2而言，在1、30、60、90、120 d變化量均達(dá)到顯著性差異水平，說明草酸對其影響很大。對于F3而言，所有處理在第1～90 d內(nèi)含量增加顯著，增加量為6.74%～8.87%；而在第90～120 d內(nèi)，含量逐漸下降但仍高于第1 d時。F3屬于5種結(jié)合態(tài)砷中的一種過渡形態(tài)，其性質(zhì)不穩(wěn)定，容易向其他形態(tài)轉(zhuǎn)化。對于F4而言，在老化過程中所有處理含量逐漸升高，但未達(dá)到顯著性差異。對于F5而言，在第1～120 d老化過程中，含量逐漸增加，均達(dá)到顯著性差異水平，增加量為6.61%～12.23%。

表5 添加乙酸后土壤各結(jié)合態(tài)砷占總砷比例隨老化時間的變化Table 5 The variance of the percentage of each As fraction in total arsenic with aging time in soils added with acetic acid

表6 添加草酸后土壤各結(jié)合態(tài)砷占總砷比例隨老化時間的變化Table 6 The variance of the percentage of each As fraction in total arsenic with aging time in soils added with oxalic acid

從表7的結(jié)果看，在第1～30 d內(nèi)50、100、200 mg·kg-1的處理，F(xiàn)1含量顯著降低，減少量為1.18%～1.46%（下降率為82.81%～88.50%），在第30～120 d內(nèi)其減少量未達(dá)到顯著水平。對于F2而言，50、100 mg· kg-1的處理中，在第1～120 d內(nèi)F2含量的減少量達(dá)到顯著差異，在200 mg·kg-1的處理中，在第1～30 d內(nèi)，F(xiàn)2減少量為1.36%，達(dá)到顯著差異水平，而在第30～ 90 d內(nèi)，F(xiàn)2減少量為0.18%，差異不顯著。對于F3而言，含量變化較復(fù)雜，在50、100 mg·kg-1的處理下，F(xiàn)3增加量達(dá)到顯著差異水平；而200 mg·kg-1處理未達(dá)到顯著性差異水平。與CK相比，當(dāng)檸檬酸的添加量在50～100 mg·kg-1內(nèi)，檸檬酸對F3含量影響顯著。對于F4而言，隨著老化過程，含量逐漸升高。與CK相比，在50、100 mg·kg-1的處理下，結(jié)晶F4含量差異不顯著，但200 mg·kg-1處理，F(xiàn)4增加量達(dá)到顯著差異水平。這表明，當(dāng)檸檬酸的添加量高達(dá)200 mg·kg-1時，檸檬酸對F4含量影響才顯著。對于F5而言，與添加草酸、乙酸的結(jié)果一致，在第1～120 d老化過程中，含量逐漸增加，均達(dá)到顯著性差異水平。

從表8的結(jié)果看，對于F1而言，50、100、200 mg· kg-1的處理在160 d內(nèi)，含量顯著降低，減少量為1.33%～1.79%（下降率為90.70%～94.08%），在60～120 d內(nèi)F1含量的減少量未達(dá)到顯著水平，其結(jié)果與添加草酸結(jié)果一致。與CK相比，腐植酸對F1影響不顯著。對于F2而言，四個添加量處理在1～120 d內(nèi)其減少量均達(dá)到顯著差異，減少量為14.74%～18.16%。對于F3而言，在50、100、200 mg·kg-1處理下，F(xiàn)3的增加量均達(dá)到顯著差異水平。與CK相比，當(dāng)添加量在50、100 mg·kg-1時，腐植酸對F3含量影響顯著。對于F4而言，在50、100 mg·kg-1處理下，在老化過程中F3含量均未達(dá)到顯著差異水平；而200 mg·kg-1處理達(dá)到了顯著性水平。因此，當(dāng)添加量達(dá)到200 mg·kg-1時，腐植酸對F4含量影響才顯著。對于F5而言，與添加檸檬酸、草酸、乙酸的結(jié)果一致，在1～120 d老化過程中，F(xiàn)5含量逐漸增加，均達(dá)到顯著性水平，增加量為8.35%～9.39%。

表7 添加檸檬酸后土壤各結(jié)合態(tài)砷占總砷比例隨老化時間的變化Table 7 The variance of the percentage of each As fraction in total arsenic with aging time in soils added with citric acid

表8 添加腐植酸后土壤各結(jié)合態(tài)砷占總砷比例隨老化時間的變化Table 8 The variance of the percentage of each As fraction in total arsenic with aging time in soils added with humic acid

將以上兩部分的結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，腐植酸對As（Ⅴ）老化中土壤有效態(tài)砷含量和各結(jié)合態(tài)砷含量的影響遠(yuǎn)比其他類型的有機(jī)酸大。乙酸對F2、F4態(tài)砷有顯著影響；草酸對F2態(tài)砷有顯著影響，而對其他四種結(jié)合態(tài)影響不顯著。檸檬酸和腐植酸對F3、F4態(tài)砷影響顯著。

3 討論

3.1 有機(jī)酸類型對As（Ⅴ）在土壤中老化過程的影響

有機(jī)酸是土壤中普遍存在的一類有機(jī)配位體，土壤有機(jī)酸具有大量不同的官能團(tuán)、較高的陽離子交換量和較大的表面積，能通過表面絡(luò)合、離子交換和表面沉淀三種方式增加土壤對重金屬的吸附能力，使重金屬在土壤-水-植物系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律發(fā)生重大改變，從而影響重金屬在土壤中的形態(tài)及其生物有效性[14-15]。

一般研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)酸與重金屬離子之間的相互作用與有機(jī)酸分子大小和結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)的種類和數(shù)量以及土壤礦物結(jié)合程度等有關(guān)，因此有機(jī)酸對土壤老化過程的影響也不同[16]。檸檬酸帶有3個羧基，草酸帶2個羧基，乙酸僅含有1個羧基，檸檬酸和草酸與鐵、鋁原子形成穩(wěn)定的五元環(huán)或六元環(huán)的螯合物，乙酸與鐵、鋁形成的是單齒絡(luò)合物，而且檸檬酸與土壤鐵、鋁氧化物形成的絡(luò)合物的穩(wěn)定常數(shù)均高于草酸[17]。因此，三種酸絡(luò)合砷離子能力由大到小依次為乙酸＞草酸＞檸檬酸。腐植酸分子是一類復(fù)雜的高分子化合物，具有特殊的化學(xué)性能以及較強(qiáng)的絡(luò)合和螯合能力，使土壤中的砷向相對穩(wěn)定的形態(tài)轉(zhuǎn)化。一般而言，腐植酸比乙酸、草酸、檸檬酸對土壤中砷的吸附解吸過程影響更大。但更多的研究指出，有機(jī)酸與砷氧酸根有相似的電荷類型，兩者間存在相互抑制作用，促進(jìn)砷在土壤中的釋放。Luo等[18]和Warwick等[19]對砷在紅壤中的吸附研究表明草酸根、胡敏酸可以通過競爭吸附位點(diǎn)，減少吸附位點(diǎn)抑制紅壤對砷的吸附。Jiang等[20]認(rèn)為土壤中的有機(jī)酸還能夠與礦物質(zhì)結(jié)合，或與砷直接反應(yīng)生成結(jié)合較弱的配合物，從而減少吸附位點(diǎn)，使得砷吸附減少。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同有機(jī)酸類型對As（Ⅴ）在第四紀(jì)紅壤上老化過程的影響不明顯。這可能是由于：第一，乙酸、草酸、檸檬酸、腐植酸都是弱酸，在環(huán)境中，經(jīng)過一段時間后被土壤分解，不能繼續(xù)與土壤中的砷發(fā)生反應(yīng)，因此隨著老化時間的延長，有機(jī)酸對砷的老化不再有顯著影響。第二，本試驗(yàn)的供試土壤為第四紀(jì)紅壤，pH為4.94，屬于酸性土壤，當(dāng)乙酸、草酸、檸檬酸、腐植酸中的羧酸根離子與土壤砷結(jié)合時，生成的絡(luò)合物不穩(wěn)定，在此環(huán)境下較易分解。第三，在本試驗(yàn)條件下，腐植酸是大分子化合物，其水溶性較差，不利于釋放活性基團(tuán)中的有效官能團(tuán)，對土壤中砷的影響相對較弱等。因此，有機(jī)酸的類型對土壤中有效態(tài)砷含量和土壤結(jié)合態(tài)砷含量影響不明顯，這也進(jìn)一步說明了無論向農(nóng)田中加入哪種類型的有機(jī)酸，其對土壤砷的作用差異不顯著。

3.2 有機(jī)酸添加量對As（Ⅴ）在土壤中老化過程的影響及可能機(jī)制

本研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)酸的添加量對As（Ⅴ）在第四紀(jì)紅壤上老化過程的影響很大。有機(jī)酸能通過調(diào)節(jié)土壤的pH值、與土壤中相關(guān)物質(zhì)螯合、沉淀、穩(wěn)定等途徑影響土壤中砷的物理化學(xué)行為[21-22]。

許多研究表明，砷通常以砷氧陰離子的形式被土壤吸附。當(dāng)土壤pH下降時，土壤膠體上正電荷增加，土壤吸附砷的能力變強(qiáng)；反之，則土壤膠體表面負(fù)電荷增加，土壤吸附砷的能力變?nèi)鮗23]。添加有機(jī)酸可以改變土壤的pH，主要是由于其增加了土壤中H+的濃度，降低了pH值，則土壤吸附砷的能力增強(qiáng)。也有研究表明，當(dāng)有機(jī)酸添加到一定量時，低分子有機(jī)酸對重金屬吸附-解吸的影響呈雙峰曲線變化[24]。本研究中，乙酸添加量在50、100 mg·kg-1時抑制As（Ⅴ）的老化，200 mg·kg-1時促進(jìn)As（Ⅴ）的老化；而對于草酸和檸檬酸而言，在50 mg·kg-1時抑制As（Ⅴ）在第四紀(jì)紅壤上的老化，在100、200 mg·kg-1時促進(jìn)As（Ⅴ）的老化。

土壤中的砷主要是與鐵，鋁等離子結(jié)合形成的難溶性砷酸鹽[25-28]。研究表明，有機(jī)酸之所以能促進(jìn)土壤中的砷釋放主要是由于有機(jī)酸含有大量配位基團(tuán)，能與土壤中的鐵鋁氧化物發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，可以與砷競爭在鐵鋁氧化物表面的吸附位點(diǎn)，從而抑制鐵鋁氧化物對砷的吸附，促進(jìn)As（Ⅴ）的釋放[29-31]。本研究中，四種有機(jī)酸主要是對專性吸附態(tài)砷和結(jié)晶水合鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷有顯著影響，與陶玉強(qiáng)等[32]研究結(jié)果一致。隨著添加量的增加，有機(jī)酸對土壤砷老化的影響逐漸增大。這說明，土壤中的有機(jī)酸添加量是決定砷的物理化學(xué)行為的重要因素。

有機(jī)酸的添加量越大，對砷的老化影響越明顯。因此，施用有機(jī)肥時，一定要注意其用量，控制有機(jī)肥中有機(jī)酸對土壤中砷的遷移能力的影響，從而減少生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

（1）在本試驗(yàn)條件下，As（Ⅴ）在第四紀(jì)紅壤上老化不受有機(jī)酸類型的影響，而受有機(jī)酸添加量的影響。

（2）有機(jī)酸的添加量對土壤有效態(tài)砷含量影響差異顯著。在50、100 mg·kg-1時，乙酸抑制As（Ⅴ）的老化；在200 mg·kg-1時，促進(jìn)As（Ⅴ）的老化。在50 mg· kg-1時，草酸和檸檬酸促進(jìn)As（Ⅴ）在第四紀(jì)紅壤上的老化；在50～200 mg·kg-1時，抑制As（Ⅴ）的老化。添加腐植酸的處理，隨著腐植酸添加量的增加，As（Ⅴ）的老化作用越強(qiáng)，腐植酸對第四紀(jì)紅壤在土壤中老化的影響遠(yuǎn)比其他類型的有機(jī)酸大。

（3）有機(jī)酸的添加量對土壤結(jié)合態(tài)砷含量影響差異顯著。在50～200 mg·kg-1時，乙酸和草酸對土壤中專性吸附態(tài)砷有顯著影響；在50～100 mg·kg-1時，檸檬酸、腐植酸對弱結(jié)晶水合鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷影響顯著；在100～200 mg·kg-1時，乙酸對結(jié)晶水合鐵鋁氧化物態(tài)砷影響顯著；當(dāng)添加量高達(dá)200 mg·kg-1時，檸檬酸和腐植酸對結(jié)晶水合鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷影響顯著。

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Influence of organic acids on As（V）aging in soils

GAO Xue1,2,ZENG Xi-bai2*,BAI Ling-yu2,Nyima Tashi1,SU Shi-ming2,WANG Ya-nan2,WU Cui-xia2
（1.Institute of Agricultural Resources and Environment,Tibet Academy of Agricultural and Animal Husbandry Science,Lhasa 850000,China;2.Ministry of Agriculture Key Laboratory of Agro-Environment,Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China）

Incubation experiments were conducted to study the influence of different organic acids（acetic acid,oxalic acid,citric acid,and humic acid）on the aging process of arsenic（As aging）in quaternary red clay.The results indicated that the influence was not significant at 25℃and at the maximum field moisture capacity of 70%,while the organic acid amounts significantly affected available As and combined As in soils.Acetic acid added at 50 and 100 mg·kg-1inhibited As aging in soils,while acetic acid added at 200 mg·kg-1promoted As aging. However,oxalic acid and citric acid added at 50 mg·kg-1promoted As aging and the inhibition was observed at 100 and 200 mg·kg-1.Arsenic aging in soils was significantly inhibited after adding humic acid and comparatively,less significant effects were detected with other organic acids.Acetic acid and oxalic acid addition at 50～200 mg·kg-1significantly decreased the specifically sorbed As.Citric acid and humic acid added at 50～100 mg·kg-1significantly increased the amorphous and poorly-crystalline hydrous Fe/Al oxides associated with As. Acetic acid,citric acid,and humic acid addition at 200 mg·kg-1significantly increased the well-crystalline hydrous Fe/Al oxides associated with As.These observations will not only provide an understanding of the effects of different types of organic acids on the release,migration, and transformation of As in soil,but also will be the reference for the regulation and safe use of As-contaminated soils.

arsenate;soil aging;organic acids;available As;combined As

X131.3

A

1672-2043（2017）08-1526-11

10.11654/jaes.2017-0189

2017-02-20

高雪（1989—），女，山東濟(jì)寧人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，從事土壤環(huán)境修復(fù)研究。E-mail：gaoxue365@163.com

*通信作者：曾希柏E-mail：zengxibai@caas.cn

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（41401280）“外源砷脅迫下土壤中氨氧化細(xì)菌和古菌群落的響應(yīng)機(jī)理”

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（41401280）"Response mechanisms of ammonia oxidizing bacteria and ammonia oxidizing archaea to exogenous arsenic stress in soil"

高雪，曾希柏，白玲玉，等.有機(jī)酸對As（Ⅴ）在土壤中老化的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（8）：1526-1536.

GAO Xue,ZENG Xi-bai,BAI Ling-yu,et al.Influence of organic acids on As（Ⅴ）aging in soils[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（8）：1526-1536.