不同pH条件下腐植酸对土壤中砷形态转化的影响

刘利军，洪坚平，闫双堆，党晋华

(1山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801;2山西省环境科学研究院，山西太原030027)

随着现代工农业的发展，砷对环境的污染日趋严重，砷污染已经成为引人注目的环境问题。矿山开发、污水灌溉、农药使用等均可造成土壤砷污染［1］。过量的砷会阻滞植物的正常生长发育或使砷在可食部分累积，这种植物效应取决于砷在土壤中的蓄积量及其迁移、转化行为。

腐植酸是天然的土壤改良剂，能有效吸附、络合土壤中重金属物质，起到修复重金属污染土壤的作用［2－8］。泥炭、褐煤和风化煤中都含有丰富的腐植酸［9－10］。它是影响环境生态平衡的重要因素，也是潜在的、可大力开发和综合利用的有机资源［11］。腐植酸是一种复杂的无定形高分子化合物的混合物，具有疏松的“海绵体”结构和多种官能团，从而具有了特殊的理化性能如酸性、亲水性、阳离子交换性能、络(螯)合能力吸附性能、高分子胶体性能和生物活性。具有强烈的吸附和络合能力，能与各种无机和有机物作用，从而对元素的迁移、聚合产生多方面的影响［12－13］。

土壤酸碱度是土壤重要的化学性质之一。土壤pH值的高低直接影响土壤中大量、微量元素的离子形态以及重金属离子的有效性［14］。砷主要呈阴离子态存在，在较低 pH 范围内，H2AsO4－、HAsO2－等能被带正电荷的氢氧化铁等吸附剂迅速吸附;随着pH值的增加，吸附剂表面负电荷增高，促使含砷阴离子向溶液中解吸。在通常的pH环境内，三价态砷和五价态砷的溶解度均随pH增加而增高;当土壤由酸性转为中性乃至碱性时，三价砷的迁移能力更强，毒性比五价砷高许多倍。因此，土壤pH的变化也可导致土壤各形态砷的相互转化，从而增加砷的环境风险［15－16］。

近年来有关砷形态的研究受到越来越广泛的重视。国内外开展了土壤中不同形态砷的分析方法、土壤砷的生物有效性、土壤环境条件对砷形态转化的影响、不同形态砷的毒性及迁移能力的差异以及不同形态砷在土壤矿物中的吸附和阳离子共沉淀机制等方面的研究工作［17－18］。然而，关于土壤 pH及腐植酸对土壤砷形态的影响研究较少。本文主要研究了腐殖酸在不同pH的土壤环境中对As各种形态的影响，对反映区域土壤中砷元素的存在形式和各种形态的分布规律以及合理利用砷污染土壤有重要意义。

1 材料方法

1.1 供试材料

供试土壤为石灰性褐土，取自山西省太谷县。土壤基本理化性状为:pH 7.6，有机质含量13.6 g/kg，全盐量 0.852 g/kg，CEC 11.82 cmol(+)/kg，＜0.01mm粘粒含量21.2%，土壤全砷含量18.91 mg/kg，水溶态、可交换态和碳酸盐结合态砷(AEAs)2.76 mg/kg，铁/锰氧化物结合态砷(Fe，Mn-As)1.01 mg/kg，有机物及硫化物结合态砷(O，SAs)4.36 mg/kg，残渣态砷(Res-As)10.48 mg/kg。

供试腐植酸的原料为山西省灵石风化煤，经碱溶酸析法提纯后待用，其基本性状为pH 6.4，CEC 11.82 cmol(+)/kg，E4/E6 7.3，全砷含量4.61 mg/kg。

供试油菜品种为上海青，外源砷为亚砷酸。

1.2 试验设计及实施

盆栽试验，采用2因素完全随机区组设计，土壤pH设5.5、7.6、9.5 3个水平，分别用 A1、A2、A3表示;腐植酸用量设4个水平，为0、5、10、20 g/kg土，分别用 H1、H2、H3、H4 表示，共 12 个处理，每个处理4次重复。每盆装土5 kg，同时施入基础肥料尿素2 g/盆，磷酸二氢钾1 g/盆。

试验于2011年3月6日开始到2011年6月4日结束，试验实施周期为90 d。2011年3月6日，按设计剂量混合装盆，砷施入量为50 mg/kg土壤。A1组(包括 A1H1，A1H2，A1H3，A1H4处理，pH=5.5)，盆栽土壤每天浇不同浓度的HCl溶液;A2组(A2H1，A2H2，A2H3，A2H4 处理，pH=7.6)，盆栽土壤每天浇自来水;A3组(A3H1，A3H2，A3H3，A3H4处理，pH=9.5)，盆栽土壤每天浇不同浓度的NaOH溶液。处理开始后每天测定1次土壤pH值，稳定后(稳定即指连续3 d测定的土壤pH值都在设置的范围内)，每隔2 d测定1次土壤pH值，稳定后即可正常浇水，若pH值不在设置范围内时，及时用NaOH或HCl溶液调节。整个实验过程共取样3次，每个处理4个重复，3月21日第一次采样，4月5日播种，4月20日定苗为10株/盆，同时进行第二次采样，6月4日收获时进行第三次采样。

1.3 分析项目及方法

BCR法是由欧共体标准物质局(European Communities Bureau of Reference)提出的测定重金属的方法简化为三步提取法(简称BCR法)。刘甜田等用改进的BCR法对城市污水处理厂活性污泥中重金属的化学形态进行了研究，优化了原始的BCR提取程序的条件，并通过标准参考物质对实验的精确度进行控制［19－20］。本文采用的是改进的BCR方法对土壤样品中的砷进行四步分级提取，具体步骤如下:

1)AE-As水溶态、可交换态和碳酸盐结合态，用0.1 mol/L HOAc提取;

2)Fe，Mn-As铁/锰氧化物结合态，用 pH 2.0的0.1 mol/L NH2OH－HCl提取;

3)O，S-As有机物及硫化物结合态，先用 pH 2.0的 8.8 mol/L H2O2提取，再用 1.0 mol/L NH4OAc提取。

4)Res-As残渣态，用王水消化。

上述浸提液中的As含量均用原子荧光检测仪进行测定［16，21］。

1.4 数据分析

采用Excel 2007软件进行数据处理与分析，SAS软件进行多重比较。

2 结果分析

2.1 腐植酸对土壤AE-As的影响

如表1所示，在试验处理的土壤条件下，外源水溶态砷加入土壤后均迅速向相对稳定的形态转化，并且主要发生在加入后的15 d内，以后速率变慢，这与苗金燕［22］等的研究结果基本一致。15 d时A3H1和A3H4的AE-As含量分别为13.40 mg/kg、9.23 mg/kg，转化率分别为78.7%、82.51%。pH对外源水溶态砷转化影响显著，且与土壤pH呈负相关［23］。在土壤pH相同的处理间，AE-As含量随腐植酸施入量的增加而降低，在中性和碱性土壤条件下处理间差异达显著水平。

表1 土壤中AE-As含量的时间变化规律Table 1 Variation of soil AE-As content

2.2 腐植酸对土壤中砷形态转化的影响

随着试验时间的延长，在不同腐植酸施用量的处理中均表现出AE-As、Fe，Mn-As含量逐渐减少，O，S-As、Res-As含量逐渐增加的趋势，但在低腐植酸用量的处理中主要表现为Res-As含量的逐渐增高，而在高腐植酸用量的处理中主要表现为O，S-As含量的增加;在不同时间段，处理间AE-As含量差异达到显著水平;处理A2H1在从15 d到90 d时间内，土壤 AE-As、Fe，Mn-As、O，S-As、Res-As 的变化率分别为－7.2%、－26.2%、5.1%、10.7%，处理A2H4的变化率分别为－28.0%、－76.7%、24.9%、4.5%;说明腐植酸更有利于土壤中AE-As、Fe，Mn-As向其他的形态转化，主要体现在O，S-As的增加，而且与腐植酸的施用量呈正相关(表2)。

表2 中性土壤条件下不同腐植酸用量对土壤砷形态的影响(mg/kg)Table 2 Effects of different humic acid consumption on the contents of different As forms under the neutral soil situation

2.3 不同pH条件下腐植酸对砷形态转化的影响

由表3可以看出，腐植酸对不同pH土壤中砷的形态均有影响，可以降低土壤中AE-As、Fe，Mn-As含量，增加 O，S-As、Res-As含量，但对较高 pH土壤的影响更为明显，其影响程度与腐植酸用量呈正相关。

在90 d时，处理A3H4的AE-As、Fe，Mn-As含量分别为6.28 mg/kg、1.23 mg/kg，仅为处理 A3H1的53.9%和10.7%;O，S-As、Res-As含量分别为20.24 mg/kg、41.21 mg/kg，是处理 A3H1 的 165%和127%;而且差异均达到显著水平。说明腐植酸对碱性土壤中砷向较稳定形态转化的促进作用更加显著。处理A3H4的AE-As含量分别是处理A1H4和A2H4的101.8%、98.4%，差异均不显著;而处理A3H1的AE-As含量分别是处理A1H1和A2H1的138.97%、106.78%;在未施入腐植酸的处理中，高pH土壤的AE-As含量显著高于中性和酸性土壤。说明腐植酸可以显著降低碱性土壤中砷溶解性增加的作用。

2.4 腐植酸对油菜生物量及油菜砷含量的影响

如图1所示，在每一个腐植酸用量水平下，生物量都随pH的升高而降低，但只有在腐植酸零水平下处理间差异达到显著水平，说明外源砷在碱性条件下对植物的毒害更大，同时，随腐植酸施入量的增加，植物生物量随之增加，有利于减轻砷对植物的毒害，腐植酸用量在10 g/kg土时就可以有效降低砷的毒害，施用量继续增加后效果不再明显。腐植酸对生长的促进作用已经从大量试验中得到证实。Adani等［24］报道指出腐植酸使番茄根的鲜重和干重分别增加16%和18%。

从图2可知，在相同土壤pH条件下，油菜地上部分、地下部分的砷含量均随腐植酸的施用量的增加而减少，进一步说明腐植酸的施入可以减轻砷对植物的毒害作用。相同腐植酸用量下，土壤pH对植株砷含量有一定影响，但未达到差异显著水平。

表3 90 d时土壤中各形态砷含量(mg/kg)Table 3 The contents of different As forms in soil on the 90thday

图1 不同腐殖酸用量下不同pH对油菜干重的影响Fig．1 Effects of different capitals acid consumption on rape dry weight under the different soil pH

3 讨论

一些研究者对污灌土壤中重金属的研究结果认为，腐植酸可以改变土壤对重金属离子各形态的吸持能力，使具有直接毒性的重金属可溶态急剧减少，同时使重金属氧化物结合态、碳酸盐结合态及有机结合态增加，降低重金属在土壤中的流动性、活性和生物可利用性［25］。但也有一些学者发现，随着土壤中有机酸特别是胡敏酸(HA)含量增加，As的毒性不仅没有减少，反而呈增强趋势［23］。本文研究结果表明，外源砷加入土壤后迅速被土壤胶体吸附，或者与金属离子结合发生共沉淀作用，还可以与土壤中腐殖质发生络合和螯合作用，向相对稳定的形态转化，因此，腐植酸对土壤中的砷有一定的吸附作用。

此外，砷的形态转化还与土壤环境密切相关。一般认为土壤pH值较高时，较多的砷被还原为溶解性较强的亚砷酸［26］，而使得土壤中AE-As含量较高，生物毒性较强。有研究发现，水溶态砷和铁锰氧化物结合态砷与土壤pH值之间存在明显的正相关关系，这是由于随着pH值的升高，土壤胶体上正电荷减少，对砷的吸附能力降低，因此水溶态砷的含量增高;同时土壤中的铁锰氧化物也会不断增多，铁锰氧化物比表面积大，可吸附或共沉淀阴离子，是土壤矿质胶体中吸附阴离子的重要部分，其吸附能力得到加强，故铁锰氧化物结合态砷随pH的增高而增多［27］。

图2 不同腐殖酸用量下不同pH对油菜As含量的影响Fig．2 Effects of different humic acid consumption on rape As contents under different soil pH

另外，在酸性土壤条件下，腐植酸的溶解性差，也不利于腐植酸分子的活性基团的离解，腐植酸对土壤中砷的影响主要靠其分子较强的吸附作用，影响相对较弱。在碱性条件下，腐植酸的溶解性也增大，活性基团的离解程度增加，其化学活性大大增强，使得腐植酸对砷的吸附量增大;同时由于砷在碱性条件下的水解作用增强，也使砷与腐植酸的质子化作用增加，砷易于以较为稳定的腐植酸盐或络合物的形式存在，生物毒性较小。腐植酸更有利于土壤中AE-As向其他的相对稳定的形态转化，主要体现在O，S-As的增加，腐植酸对碱性土壤中砷向较稳定形态转化的促进作用更加显著，而且与腐植酸的施用量呈正相关。外源砷在碱性条件下对植物的毒害更大，腐植酸用量在10 g/kg土时就可以有效降低砷的毒害。

腐植酸对植物生长有明显的促进作用，其影响机理有多方面，例如:腐植酸可通过部分抑制NADH氧化酶的活性，影响细胞壁内的代谢过程，减少氨基酸转化，从而促进植物生长。另外，腐植酸能促进植物生长，还与腐植酸能促进营养吸收以及腐植酸的降解产物能掺入到植物的蛋白质和DNA中有关［28－29］。本研究中，土壤腐植酸对油菜生物量的增加有促进作用，其影响机理还有待进一步研究。

4 结论

1)腐植酸对土壤AE-As含量的影响显示，在试验处理的土壤条件下的15 d内，外源水溶态砷加入土壤后均迅速向相对稳定的形态转化，15 d时A3H1和 A3H4处理组的转化率分别为78.7%、82.51%。此外，pH对外源水溶态砷转化影响显著。当土壤pH相同时，AE-As含量随腐植酸施入量的增加而降低，在中性和碱性土壤条件下处理间差异达到显著水平。

2)在中性土壤条件下，随腐植酸施用量的增加，土壤中 AE-As、Fe，Mn-As含量呈现逐渐减少、O，S-As、Res-As含量逐渐增加的趋势。腐植酸的增加更有利于土壤中AE-As、Fe，Mn-As向其他形态砷的转化。

3)pH相同时，随腐植酸含量的增加，土壤中AE-As、Fe，Mn-As含量降低，O，S-As、Res-As含量增加。碱性土壤条件下，其影响程度更为明显。此外，在高pH土壤条件下，腐植酸可以显著降低溶解性砷的含量。

4)相同腐植酸用量下，油菜生物量都随pH的升高而降低，但油菜中砷含量的变化没有显著性，表明土壤碱性条件会对植物的生长有一定影响。在相同土壤pH条件下，腐植酸的施入会增加植物的生物量同时减少植物对砷的吸收量，因此腐植酸的施入可以减轻砷对植物的毒害作用。

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