土壤中砷的形態(tài)及其連續(xù)提取方法研究進(jìn)展

劉冠男，陳 明*，李悟慶，鞏文雯

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，自然資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；2.湖南省地調(diào)院測(cè)試中心，長(zhǎng)沙 410116；3.北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究中心，北京 100097）

砷（As）位于元素周期表的VA族第四周期，性質(zhì)介于典型金屬和典型非金屬之間，歸為類(lèi)金屬；在環(huán)境污染中也常將其歸為重金屬。砷可對(duì)消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和血液系統(tǒng)等產(chǎn)生危害，易被人體消化道吸收進(jìn)入血液，造成皮膚壞死等皮膚病，也可使染色體畸變、染色體互換錯(cuò)位，進(jìn)而導(dǎo)致癌癥[1]。除了一些富砷的地區(qū)外，土壤中砷背景含量一般不會(huì)超過(guò)15 mg·kg-1。污染土壤中的砷主要來(lái)源于人為活動(dòng)，如：礦山開(kāi)采[2]、有色金屬冶煉[3]、化石燃料的燃燒[4]和含砷農(nóng)藥的使用[5]等。土壤中過(guò)量的砷一方面可以被農(nóng)作物吸收，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體；另一方面，可以在一定條件下向深層土壤遷移，污染地下水，進(jìn)而對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。國(guó)內(nèi)外均有土壤砷污染的相關(guān)報(bào)道，由此導(dǎo)致的砷中毒事件屢見(jiàn)不鮮[6-8]。2014年環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》表明我國(guó)土壤砷污染點(diǎn)位超標(biāo)率為2.7%；在國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的八種重金屬中僅次于鎘和鎳，排在第三位?？梢?jiàn)我國(guó)土壤砷污染狀況不容樂(lè)觀。土壤砷所產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與其存在形態(tài)密切相關(guān)[9-10]，土壤砷的總量不足以評(píng)估其所產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此，土壤中砷形態(tài)的分析對(duì)于土壤砷環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要的意義。

連續(xù)提取法（SEP）是根據(jù)重金屬等元素與土壤組分的結(jié)合方式及所形成化合物的化學(xué)性質(zhì)將土壤中的重金屬等元素劃分為不同形態(tài)的樣品前處理方法。連續(xù)提取法被廣泛用于土壤重金屬的形態(tài)分級(jí)，是研究土壤重金屬毒性、遷移能力等環(huán)境行為的重要手段。Tessier法和BCR法是土壤重金屬形態(tài)分級(jí)提取中最常用的方法，并得到了大多數(shù)科研工作者的認(rèn)可[9，11-14]。砷的性質(zhì)與大多數(shù)重金屬不同，其在土壤中多以含氧陰離子形式存在，因此針對(duì)土壤中不同形態(tài)重金屬的連續(xù)提取方法并不完全適用于土壤砷的提取[15]。盡管當(dāng)前有一些針對(duì)土壤中不同形態(tài)砷的連續(xù)提取方法，但提取方法并未統(tǒng)一，這給土壤中砷毒性和遷移能力相關(guān)研究間的對(duì)比造成了一定的困擾。本文綜述了土壤中砷的形態(tài)及其連續(xù)提取方法，為今后土壤砷形態(tài)的分級(jí)提取提供一定參考。

1 土壤中的砷

自然環(huán)境中砷是很多礦物的重要組成部分，比如雄黃（As4S4）、雌黃（As2S3）、毒砂（FeAsS）、砷華（As2O3）、臭蔥石（FeAsO4·2H2O）等[16]。這些含砷礦物在人為活動(dòng)中會(huì)發(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)，最終導(dǎo)致砷以次生礦物等形式進(jìn)入土壤。自然條件下土壤中砷為-Ⅲ、0、+Ⅲ和+Ⅴ價(jià)，并以各種含砷化合物的形式存在。無(wú)機(jī)砷為土壤中砷的主要存在形態(tài)，其中，無(wú)機(jī)砷又以As（Ⅴ）為主，只有在氧化還原電位較低的地下環(huán)境中As（Ⅲ）才會(huì)大量存在[17]；As（0）和As（-Ⅲ）在自然環(huán)境中一般存在較少。在土壤微生物的作用下，土壤中的無(wú)機(jī)砷可以轉(zhuǎn)化成有機(jī)砷，比如：一甲基砷[MMA（Ⅴ）]、二甲基亞砷[DMA（Ⅴ）]、三甲基亞砷[TMA（Ⅲ）]及三甲基次胂酸（TMAO）等甲基砷化合物[18]。一般來(lái)說(shuō)無(wú)機(jī)砷的毒性較有機(jī)砷高，且砷（Ⅲ）的毒性較砷（Ⅴ）高60倍[19-20]；也有研究表明，在有機(jī)砷代謝過(guò)程中產(chǎn)生的中間體一甲基砷[MMA（Ⅲ）]、二甲基亞砷[DMA（Ⅲ）]可以破壞生物DNA，也表現(xiàn)出極高的毒性[21]。

土壤中亞砷酸的解離常數(shù)較高，因此H3AsO3[As（OH）3]和 H2AsO3-為土壤中 As（Ⅲ）的主要存在形態(tài)[22-23]：

土壤中砷的形態(tài)還與pH值和Eh/pe值有關(guān)。通過(guò)熱力學(xué)數(shù)據(jù)及離子濃度，模擬砷在簡(jiǎn)單環(huán)境下的不同形態(tài)，可知在氧化條件下，As（V）為主要的存在形態(tài)；在中等氧化還原條件下，砷在較寬的pH值范圍內(nèi)均以不帶電荷的As（OH）3存在（圖1）。而在真實(shí)的土壤環(huán)境中，由于鐵、鋁、鈣和鎂等元素的存在，砷多與土壤中的這些元素生成難溶的含砷化合物、無(wú)定型鐵鋁等沉淀[10]。當(dāng)土壤中Eh值較低，且硫和砷含量較高時(shí)，還可能生成穩(wěn)定的硫砷化合物，比如毒砂（Ar?senopyrite）、雌黃（Orpiment）、雄黃（Realgar）等[17]。

2 基于化學(xué)提取定義的土壤砷形態(tài)

2.1 化學(xué)連續(xù)提取法及砷的形態(tài)

土壤中的砷主要與鐵/錳/鋁氧化物、有機(jī)質(zhì)、硅鋁酸鹽等不同土壤組分結(jié)合，以不同的化合物或礦物存在；其生物可利用性、遷移能力等受到氧化/還原、沉淀/溶解、吸附/解吸及甲基化等過(guò)程控制[22，24]。直接區(qū)分土壤中化合物的類(lèi)型相當(dāng)困難，通常用基于化學(xué)提取定義的土壤砷形態(tài)來(lái)研究土壤中砷的毒性和遷移能力；此處定義的土壤砷形態(tài)為操作定義（Oper?ational definition）上的形態(tài)[10]。

圖1 As-O-H體系pe-pH圖Figure 1 pe-pH diagram for the As-O-H system

化學(xué)連續(xù)提取法是研究土壤中微量元素形態(tài)的重要手段。當(dāng)前針對(duì)不同形態(tài)土壤重金屬的連續(xù)提取方法較多，也相對(duì)成熟。常用的土壤重金屬連續(xù)提取方法有Tessier法[25]和BCR法[11]，并得到了廣泛認(rèn)可。這些提取方法一般將土壤中的重金屬分為離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。但是砷為類(lèi)金屬，在土壤中多以砷酸根（AsO3-4）和亞砷酸根（AsO3-3）等含氧陰離子形式存在，表現(xiàn)出不同的環(huán)境行為。研究表明pH值對(duì)土壤吸附砷和其他重金屬的影響不同。在堿性條件下，大部分礦物吸附砷的能力很弱，而吸附其他重金屬的能力很強(qiáng)[26]。另外，土壤吸附砷酸根（AsO3-4）和亞砷酸根（AsO3-3）的能力也不同[27-28]。由于砷與磷同為VA族，在自然環(huán)境中均以帶電含氧負(fù)離子形態(tài)存在，因此大多數(shù)土壤中不同形態(tài)砷的連續(xù)提取法均參考了土壤磷的連續(xù)提取法[29-31]。也有部分研究用改進(jìn)的土壤重金屬的連續(xù)提取法對(duì)土壤中的砷的形態(tài)進(jìn)行分級(jí)提取[9，32-33]。

根據(jù)當(dāng)前土壤砷的連續(xù)提取法，一般將土壤中的砷分為：水溶態(tài)砷、弱吸附態(tài)砷（可交換態(tài)砷/非專(zhuān)性吸附態(tài)砷）、強(qiáng)吸附態(tài)砷（專(zhuān)性吸附態(tài)砷）、無(wú)定型鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷、晶質(zhì)鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷、鈣結(jié)合態(tài)砷和難以提取的殘?jiān)鼞B(tài)砷等多種形態(tài)[29，34-35]。還有提取方法將鐵結(jié)合態(tài)砷、鋁結(jié)合態(tài)砷、硅酸鹽結(jié)合態(tài)砷、砷氧化物中的砷、黃鐵礦結(jié)合態(tài)砷和無(wú)定型As2S3中的砷進(jìn)行了分級(jí)提取[36-38]。

水溶態(tài)砷（Water soluble As）主要以AsO3-4和AsO3-3形態(tài)存在，一般存在于土壤溶液中。弱吸附態(tài)砷也被稱(chēng)為非專(zhuān)性吸附態(tài)砷（Non-specifically adsorbed As），主要為吸附在土壤顆粒表面的砷，其可通過(guò)離子交換進(jìn)入土壤溶液中。這兩部分砷在土壤中所占比例一般較?。ǎ?%），但生物可利用性和遷移能力較強(qiáng)[39]。研究表明污染土壤中水溶態(tài)砷與弱吸附態(tài)砷的含量與植物中砷的含量呈現(xiàn)很好的相關(guān)性，大部分水溶態(tài)和弱吸附態(tài)砷可以被植物吸收[9]。

土壤中強(qiáng)吸附態(tài)砷又稱(chēng)專(zhuān)性吸附態(tài)砷（Specifi?cally adsorbed As），主要吸附在土壤顆粒中的鐵錳氧化物表面，形成內(nèi)層吸附，且不能通過(guò)離子交換而發(fā)生解吸[40]。通過(guò)近邊X射線(xiàn)吸收光譜（XANES）和擴(kuò)展X射線(xiàn)吸收光譜（EXAFS）研究發(fā)現(xiàn)土壤中的該部分砷與土壤中鐵/錳/鋁的氧化物和氫氧化物形成內(nèi)層單核或雙核的單齒或雙齒的絡(luò)合物，被強(qiáng)烈吸附[41]。強(qiáng)吸附態(tài)砷的生物可利用性和遷移能力較水溶態(tài)砷和弱吸附態(tài)砷弱。

鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷是土壤中砷存在的重要形態(tài)。由于其可以被NH2OH·HCl等還原劑提取，在土壤重金屬形態(tài)提取中也被稱(chēng)為可還原態(tài)[25，42]。鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷又可根據(jù)鐵鋁氧化物的存在形態(tài)分為無(wú)定型鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷和晶質(zhì)鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷。因?yàn)殍F鋁氧化物能夠強(qiáng)烈吸附砷[27，41]，所以鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷在很多土壤中含量較高，可占到土壤中砷總量的50%～60%[37]。但當(dāng)土壤的氧化還原條件改變時(shí)，土壤中的Fe（Ⅲ）可被還原為Fe（Ⅱ），發(fā)生溶解，與之結(jié)合的砷也會(huì)隨之進(jìn)入土壤溶液，因此該部分砷也具有一定的生物可利用性和遷移能力[43]。該部分砷還可分為鐵結(jié)合態(tài)砷和鋁結(jié)合態(tài)砷。鐵結(jié)合態(tài)砷較鋁結(jié)合態(tài)砷更加穩(wěn)定，且一般土壤中鐵結(jié)合態(tài)砷較鋁結(jié)合態(tài)砷含量高。

鈣結(jié)合態(tài)砷只有在堿性且氧化還原電位較高的土壤中才能穩(wěn)定存在，且鈣結(jié)合態(tài)砷穩(wěn)定性較鐵結(jié)合態(tài)砷和鋁結(jié)合態(tài)砷差[10，36]。因此，對(duì)于pH值較高的石灰性土壤，鈣結(jié)合態(tài)砷可能是砷的重要組成形態(tài)。武斌等[39]針對(duì)石灰性土壤的特點(diǎn)，對(duì)鈣結(jié)合態(tài)砷進(jìn)行了提取，結(jié)果表明該部分砷在石灰性土壤中占比較高（14%～28%）。但是Wenzel等[29]在優(yōu)化土壤砷提取方法的研究中，用1 mol·L-1的NaAc-HAc緩沖溶液對(duì)多種不同鈣含量和pH值的土壤/沉積物中的鈣結(jié)合態(tài)砷進(jìn)行了提取，發(fā)現(xiàn)土壤樣品中鈣結(jié)合態(tài)砷含量均較低；其結(jié)果與Javed等[37]的研究結(jié)果相同。不同研究中鈣結(jié)合態(tài)砷含量的差異可能與所用提取劑和提取條件不同有關(guān)。

此外，還有部分提取方法將土壤中的砷分為硅酸鹽結(jié)合態(tài)砷、黃鐵礦結(jié)合態(tài)砷和無(wú)定型As2S3[37-38]。硅鋁酸鹽礦物結(jié)合態(tài)砷、砷氧化物態(tài)砷和無(wú)定型As2S3中的砷含量一般較低，且其生物可利用性及遷移能力弱，大多數(shù)提取方法將它們劃分到殘?jiān)鼞B(tài)，不再進(jìn)一步提取[38]。

2.2 土壤砷形態(tài)連續(xù)提取法中的提取劑

不同化學(xué)試劑對(duì)土壤中砷的提取能力不同。連續(xù)提取法中需要先選用化學(xué)性質(zhì)溫和的試劑提取活性較高的砷，隨后提取劑的提取能力逐步提高，最終達(dá)到區(qū)分不同形態(tài)砷的目的。因此根據(jù)土壤中不同形態(tài)砷的化學(xué)性質(zhì)，選擇合適的提取劑對(duì)土壤中目標(biāo)形態(tài)砷進(jìn)行提取是連續(xù)提取法成功與否的關(guān)鍵。通常，提取劑與提取順序的選擇應(yīng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件：①對(duì)提取的目標(biāo)土壤組分具有較高的選擇性，而對(duì)其他組分的提取干擾較??；②溶出的目標(biāo)微量元素盡可能不產(chǎn)生次生沉淀或強(qiáng)烈的再吸附；③操作簡(jiǎn)單方便[44-45]。針對(duì)土壤中不同形態(tài)砷的提取，已有大量的研究報(bào)道。Johnston等[46]比較研究了14種提取劑對(duì)土壤中砷的提取能力，其提取能力大小為：水≈1 mol·L-1NH4Cl≈0.5 mol·L-1NH4Ac≈0.5 mol·L-1NH4NO3≤0.5 mol·L-1（NH4）2SO4＜0.5 mol·L-1NH4F≈0.5 mol·L-1NaHCO3＜0.5 mol· L-1（NH4）2CO3≤（0.05 mol·L-1HCl+0.025 mol· L-1H2SO4）≤0.5 mol· L-1HCl＜0.5 mol· L-1Na2CO3＜0.5 mol·L-1KH2PO4＜0.5 mol· L-1H2SO4≈0.1 mol·L-1NaOH。不同連續(xù)提取方法中常用的提取劑如表1所示。

NH4Cl、（NH4）2SO4、KCl、MgCl2、NaAc 和 NH4NO3溶液等是提取土壤中弱吸附態(tài)砷的常用提取劑。提取劑中的 Cl-、SO2-4、CH3COO-、等陰離子可與吸附在土壤顆粒表面的砷發(fā)生離子交換，進(jìn)而使弱吸附態(tài)砷解吸。研究表明當(dāng)提取劑中有Cl-存在，且用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）對(duì)提取劑中的砷進(jìn)行測(cè)定時(shí)，Cl-可以和Ar原子反應(yīng)，形成與75As質(zhì)荷比相同的多原子離子（40Ar35Cl），對(duì)ICP-MS測(cè)定砷造成一定的干擾[37]。在相同離子強(qiáng)度下，（NH4）2SO4提取弱吸附態(tài)砷的能力較NH4NO3強(qiáng)[46]。

磷酸鹽溶液常用來(lái)提取土壤中強(qiáng)吸附態(tài)砷，NH4H2PO4和NaH2PO4溶液是常用的提取劑。磷與砷的電子排布相似，且均形成三元酸，但磷酸根半徑較砷酸根和亞砷酸根小，具有更強(qiáng)的電荷密度，因此磷酸根易將吸附在土壤顆粒表面的砷進(jìn)行替換[29]。但是有研究表明1 mol·L-1NaH2PO4（pH=5）溶液還可以溶解約50%的白云石[CaMg（CO3）2]，造成強(qiáng)吸附態(tài)砷過(guò)量提取[37]；因此用低濃度的NaH2PO4溶液提取強(qiáng)吸附態(tài)砷更為合適。Wenzel法[29]和Drahota法[35]中用低濃度的NH4H2PO4溶液替換了NaH2PO4溶液來(lái)提取強(qiáng)吸附態(tài)砷，取得了良好的效果。NaHCO3溶液也是常用的強(qiáng)吸附態(tài)砷提取劑。NaHCO3溶液最早被Hedley等[47]用來(lái)提取土壤中不同形態(tài)的磷，后來(lái)McLaren等[30]用其提取土壤強(qiáng)吸附態(tài)砷。而Shiowatana等[34]改進(jìn)McLaren法后，NaHCO3溶液被用來(lái)提取吸附態(tài)砷（弱吸附態(tài)砷+強(qiáng)吸附態(tài)砷）。但有研究表明用提取土壤中磷的提取劑直接提取土壤中的砷可能使目標(biāo)形態(tài)砷提取不充分，且易導(dǎo)致提取的砷再吸附[15，48]。

McLaren等[30]用提取土壤中不同形態(tài)磷的方法（Hedley法）來(lái)提取土壤中的砷，該方法用NaOH溶液提取強(qiáng)烈吸附在鐵鋁氧化物表面的砷；NaOH溶液超聲30 min來(lái)提取土壤顆粒內(nèi)部鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷。Shiowatana法和Manful法等提取方法也用NaOH溶液提取土壤中鐵/鋁結(jié)合態(tài)砷[34，36，39-50]。由 McLaren 法可知，NaOH溶液一般振蕩條件下所提取的砷為鐵氧化物/氫氧化物表面吸附態(tài)砷。而土壤中部分砷易與鐵共沉淀生成臭蔥石等次生礦物[53]，因此，在簡(jiǎn)單振蕩條件下NaOH溶液不能將土壤中鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷提取完全[49]。除此之外，NaOH溶液還可將部分有機(jī)質(zhì)提取態(tài)砷溶解，造成目標(biāo)砷形態(tài)過(guò)量提取[36，49]。Tessier法和BCR法中用NH2OH·HCl溶液（還原劑）來(lái)提取土壤中鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)重金屬，其效果得到了普遍認(rèn)可，因此NH2OH·HCl溶液也被用于土壤中鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷的提取[42]。但有研究表明NH2OH·HCl溶液僅能溶解水鐵礦和纖鐵礦，不能將土壤中鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷提取完全[54]。Gruebel等[15]研究也發(fā)現(xiàn)用NH2OH·HCl溶液可以將土壤中無(wú)定型鐵氫氧化物結(jié)合態(tài)砷或硒提取完全，而對(duì)于吸附在晶質(zhì)鐵氧化物中的砷和硒并不能完全提取。這就表明，無(wú)定型鐵溶解而釋放的砷或硒，可能再次吸附到晶質(zhì)鐵氧化物表面，進(jìn)而降低NH2OH·HCl溶液的提取效率[55]。其他一些研究也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似結(jié)果[9，49]。Wenzel法根據(jù)土壤中鐵鋁氧化物的形態(tài)，進(jìn)一步將鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷劃分成無(wú)定形態(tài)鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)和晶質(zhì)鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)[29]。草酸銨緩沖溶液（Tamm試劑）與鐵有很強(qiáng)的絡(luò)和能力，且具有較低的還原能力（E0=-0.38 V），可溶解土壤中鐵氧化物，并形成Fe-C2O2-4的絡(luò)合物[44]。因此，草酸銨緩沖溶液常用來(lái)提取土壤中的無(wú)定型鐵鋁氧化物[56]，并被用于提取無(wú)定型鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷[29，35，37-38]。在無(wú)定型鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷提取完畢后，草酸銨緩沖液（水浴80～95℃）或Ti（Ⅲ）-檸檬酸鈉-EDTA-碳酸氫鈉混合溶液可用來(lái)提取晶質(zhì)鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷[29，37-38]。此外，還有一些提取方法對(duì)鋁結(jié)合態(tài)砷進(jìn)行了單獨(dú)提取，所用的提取劑主要是NH4F溶液（0.5 mol·L-1）[36，39，50]。

表1 土壤中不同形態(tài)砷連續(xù)提取所用的提取劑Table 1 Extractants of SEPs for the geochemical fractions of arsenic in soils

H2SO4和HCl等稀酸溶液能夠溶解土壤中的碳酸鹽礦物，是提取土壤中鈣結(jié)合態(tài)砷最常用的試劑[30，34，39]。但也有研究表明，HCl溶液提取鈣結(jié)合態(tài)砷時(shí)，提取液中也檢測(cè)出與砷同樣數(shù)量級(jí)濃度的鐵和鋁，說(shuō)明在鈣結(jié)合態(tài)砷的提取過(guò)程中部分鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷也發(fā)生了溶解[34]。這可能是因?yàn)镃l-與部分鐵形成絡(luò)合物，使部分無(wú)定形態(tài)鐵結(jié)合態(tài)砷發(fā)生了溶解[38]。還有研究表明，HCl溶液在提取鈣結(jié)合態(tài)砷過(guò)程中可溶解部分含砷硫化物[38]。NaAc-HAc緩沖溶液（pH=5）也常用于提取土壤中鈣結(jié)合態(tài)砷[25，37]。Ja?ved等[37]研究表明NaAc-HAc緩沖液（pH=5）可溶解土壤中約94%的方解石，是選擇性較好的提取劑。

硅酸鹽結(jié)合態(tài)砷、黃鐵礦結(jié)合態(tài)砷、有機(jī)結(jié)合態(tài)砷和無(wú)定型雌黃中的砷可以分別用HF、濃HNO3和30%H2O2+1 mol·L-1NH4OAc（V/V=1∶2）等溶液來(lái)提取[37-38]。由于它們?cè)谕寥乐械幕钚院瓦w移能力較弱，針對(duì)它們的分級(jí)提取較少。

除此之外，KH2PO4、NaOH、H3PO4等溶液也常用來(lái)提取土壤中不同形態(tài)的砷[57-59]，并與相關(guān)儀器分析方法如原子熒光光譜法（AFS）、高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法（HPLC-ICP-MS）、高效液相色譜-原子熒光聯(lián)用（HPLC-AFS）、毛細(xì)管電泳（CE）等進(jìn)行聯(lián)用，進(jìn)而測(cè)定提取劑中不同形態(tài)砷[As（Ⅲ）、As（Ⅴ）、MMA、DMA等][60]。這就需要所選的提取劑能夠?qū)⑼寥乐械纳樘崛〕鰜?lái)，且在提取過(guò)程中不引起砷的形態(tài)變化。

3 土壤砷形態(tài)連續(xù)提取方法

土壤中不同形態(tài)砷的連續(xù)提取法大多是根據(jù)土壤中磷或者重金屬的連續(xù)提取方法改進(jìn)而來(lái)，也有部分方法參考了礦山廢棄物中微量元素的連續(xù)提取方法（圖2）[35，61]。當(dāng)前一些重要的土壤砷的連續(xù)提取方法有Wenzel法[29]、Shiowatanan法[34]、Keon法[38]、Drahota法[35]等，還有一些在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的土壤砷連續(xù)提取方法。幾種常用的土壤砷連續(xù)提取方法具體操作如表2所示。

Wenzel法是當(dāng)前土壤中砷形態(tài)提取最常用的方法之一。其主要是通過(guò)將土壤重金屬形態(tài)提取方法（Zenien-Brummer法[52]）和土壤磷形態(tài)提取方法（Change-Jascon法[62]）進(jìn)行聯(lián)合和優(yōu)化得到。Wenzel等[29]比較了不同提取劑對(duì)目標(biāo)形態(tài)砷的選擇性和提取效率。最終確定用（NH4）2SO4（0.05 mol·L-1）、NH4H2PO4（0.05 mol·L-1）、草酸銨緩沖液（0.2 mol·L-1，pH=3）、草酸銨緩沖液（0.2 mol·L-1）+抗壞血酸（0.2 mol·L-1）（pH=3，96 ℃）幾種溶液分別提取土壤中的弱吸附態(tài)砷、強(qiáng)吸附態(tài)砷、無(wú)定型鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷、晶質(zhì)鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷。結(jié)果表明，該方法回收率和重復(fù)性均較好。但是該方法未將鈣結(jié)合態(tài)砷進(jìn)行分級(jí)，是否適用于pH值較高的石灰性土壤有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

Shiowatanan法[34]是在McLaren法[30]基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的提取方法。這兩種提取方法均以土壤中磷形態(tài)提取法為基礎(chǔ)（Hedley法[47]）。Shiowatanan法將土壤中的砷分為了水溶態(tài)砷、表層吸附態(tài)砷、鐵鋁結(jié)合態(tài)砷和鈣結(jié)合態(tài)砷。Wan等[9]比較了Shiowatanan法、Tessier法和BCR法對(duì)土壤中砷的提取效率，結(jié)果表明砷的回收率在83.3%～114%，大多數(shù)土壤樣品變異系數(shù)低于5%，且Shiowatanan法提取的生物可利用砷（水溶態(tài)砷+表層吸附態(tài)砷）與植物中砷的含量呈現(xiàn)更好的相關(guān)性。但Shiowatana法用NaOH溶液提取鐵鋁結(jié)合態(tài)砷，可能使土壤中的鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷提取不完全[36，49]。

圖2 土壤砷形態(tài)連續(xù)提取方法改進(jìn)示意圖Figure 2 Diagram of SPE development of arsenic geochemical fractions in soils

Huerta-Diaz法[63]用 1 mol·L-1HCl、10 mol·L-1HF和濃HNO3分別提取沉積物中活性態(tài)微量金屬元素、硅鋁酸鹽結(jié)合態(tài)微量金屬元素和黃鐵礦結(jié)合態(tài)微量元素。Keon法[38]在Huerta-Diaz法的基礎(chǔ)上使用更多的提取劑，根據(jù)土壤中砷固相組分的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步將土壤砷劃分成了弱吸附態(tài)砷、強(qiáng)吸附態(tài)砷、無(wú)定型鐵鋁結(jié)合態(tài)砷、晶質(zhì)鐵鋁結(jié)合態(tài)砷和晶質(zhì)硫化砷。

礦山廢棄物中含有大量含砷礦物，且礦山廢棄物中pH值、Eh值等性質(zhì)及Fe、Al和S等元素的含量變化較大，導(dǎo)致礦山廢棄物中砷形態(tài)提取具有一定的特殊性。Drahota法[35]針對(duì)礦山廢棄物的特點(diǎn)，對(duì)Wen?zel法[29]和Dold法[64]進(jìn)行了優(yōu)化，使其操作更加簡(jiǎn)便，且適用于礦山廢棄物中砷的提取。Drahota法對(duì)模式礦物和礦山廢棄物砷形態(tài)的分級(jí)提取結(jié)果表明，該提取法對(duì)目標(biāo)砷提取效率較高（＞85%），砷的回收率為89%～112%[35]。Drahota法對(duì)土壤中砷形態(tài)的分級(jí)提取也具有重要的參考意義。

Javed法[37]是在Kreidie法[61]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的提取方法，可將土壤中＞90%的砷提取出來(lái)。該方法將大多數(shù)提取方法中劃分到殘?jiān)鼞B(tài)的砷進(jìn)行進(jìn)一步提取，劃分為氧化物砷及硅酸鹽礦物結(jié)合態(tài)砷（As as?sociated with As oxides and silicate clays）、黃鐵礦和無(wú)定型雄黃共沉淀砷（Pyrite and amorphous orpiment co?precipitated As）、有機(jī)態(tài)和次生硫化物結(jié)合態(tài)砷（Or?ganic matter-and secondary sulfide-bound As）和殘?jiān)鼞B(tài)砷（Residual As）。而Kreidie法[61]是硫化銅尾礦中次生礦物提取法（Dold法[64]）的改進(jìn)方法。Dold法源自于土壤重金屬形態(tài)提取方法Tessier法[25]和Sondag法[65]。

除此之外，還有一些針對(duì)性比較強(qiáng)的土壤砷形態(tài)提取方法。比如Huang等[42]提出了一種能夠區(qū)分土壤中砷（Ⅲ）和砷（V）的連續(xù)提取方法，該方法能夠提供更多土壤中砷形態(tài)的信息。

土壤砷的連續(xù)提取方法不同，提取的目標(biāo)形態(tài)砷也不同。在土壤砷形態(tài)分析中還需要根據(jù)土壤性質(zhì)和研究目的，選擇合適的土壤砷形態(tài)連續(xù)提取方法。比如Wenzel法適用于大多數(shù)土壤中砷形態(tài)的分級(jí)提取，但是該方法并未提取鈣結(jié)合態(tài)砷；Shiowatana法盡管對(duì)鈣結(jié)合態(tài)砷進(jìn)行了提取，但是該方法中提取鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷的試劑為NaOH溶液，這又造成了部分有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)砷的溶解和鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷的不完全提取。相較于上述兩種方法，Javed法和Ke?on法將土壤中的砷劃分成了更多的形態(tài)，這對(duì)于研究土壤中砷形態(tài)賦存具有一定的意義。連續(xù)提取方法還可和儀器分析手段聯(lián)合使用，將基于化學(xué)提取的土壤砷形態(tài)與土壤本身的化學(xué)形態(tài)結(jié)合起來(lái)。這可以提高連續(xù)提取方法分級(jí)的依據(jù)，有助于連續(xù)提取方法的驗(yàn)證，有助于提取劑種類(lèi)、提取條件的優(yōu)化篩選，有助于土壤砷形態(tài)信息的進(jìn)一步提取。X射線(xiàn)衍射技術(shù)（XRD）、掃描電鏡-電子能譜（SEM-EDX）、X射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜（XAFS）、X射線(xiàn)吸收近邊結(jié)構(gòu)光譜（XANES）等儀器分析手段與土壤重金屬（含砷）形態(tài)連續(xù)提取方法聯(lián)合分析已被用于部分研究，并取得了一定的成果[37，49，68-73]。

4 結(jié)論

目前，土壤砷的連續(xù)提取方法眾多，暫未形成統(tǒng)一的提取方法，造成不同土壤砷形態(tài)研究結(jié)果間的對(duì)比困難。本文通過(guò)綜述土壤砷化學(xué)形態(tài)、追蹤土壤砷形態(tài)連續(xù)提取方法發(fā)展過(guò)程、比較不同土壤砷形態(tài)連續(xù)提取方法的差異，得到以下結(jié)論和建議：

（1）土壤中的砷一般被劃分為水溶態(tài)砷、弱吸附態(tài)砷（可交換態(tài)砷/非專(zhuān)性吸附態(tài)砷）、強(qiáng)吸附態(tài)砷（專(zhuān)性吸附態(tài)砷）、無(wú)定型鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷、晶質(zhì)鐵鋁氧化物結(jié)合態(tài)砷、鈣結(jié)合態(tài)砷和難以提取的殘?jiān)鼞B(tài)砷等多種形態(tài)。常用土壤砷形態(tài)連續(xù)提取方法有Wen?zel法、Shiowatana法、Keon法和Drahota法等。

（2）當(dāng)前土壤砷形態(tài)連續(xù)提取方法主要源于土壤重金屬和磷的提取方法、礦山廢棄物中微量元素的提取方法。

（3）不同方法所使用的提取劑不同、提取強(qiáng)度、提取條件等也不同，使提取結(jié)果有一定差異。土壤成分復(fù)雜，土壤砷污染情況各異，因此在土壤砷形態(tài)分析中還需要根據(jù)土壤性質(zhì)和研究目的，選擇合適的土壤砷形態(tài)連續(xù)提取方法。在土壤砷形態(tài)連續(xù)提取的過(guò)程中還可與XRD、XAFS、XANES等儀器分析手段聯(lián)合使用，可獲得到更多的土壤砷形態(tài)的相關(guān)信息。