土壤中砷元素的形態變化及其檢測方法研究進展

王曦婕，邢 云，李 秋，韓麗萍

（陜西省地質礦產實驗研究所有限公司，陜西西安 710054）

砷是土壤中具有較強毒性和致癌作用的類金屬元素，被稱為土壤五大污染元素之一。據統計，全球每年向土壤中輸入的砷約0.94×105t[1]，導致我國受砷、鎘、鉛等污染耕地近2.0×107hm2，占耕地總面積的1/5以上[2-4]，其中尤以云南、山西、廣東、內蒙古、湖南等地砷污染最嚴重，土壤砷含量最高達7 610mg/kg[5]。人們非常關注土壤中砷污染的遷移轉化和生物有效性。本文就土壤中砷污染的來源和主要形態、土壤砷污染對土壤微生物學性質影響、土壤砷形態轉化影響因素及土壤砷提取技術等進行綜述。

1 土壤砷主要來源及形態

土壤中砷的來源主要為自然來源和人為來源。土壤中砷背景含量主要來源于成土母質，其濃度大小和分布由成土過程的環境因素所決定。砷在地殼中的平均含量大約為3mg/kg，我國土壤砷的背景平均含量為9.2mg/kg[6]。造成土壤砷污染的主要原因是人為來源，包括礦產開采（如雄黃，雌黃，砷礦）、化石燃料燃燒及農業、林業上農藥、殺蟲劑及肥料使用。特別是農業上農藥、化肥的使用，是重要的農田砷污染輸入途徑。無機砷化物被用作廣譜的土壤殺菌劑和除草劑，由于難降解和毒性，現已被有機As除草劑如甲基胂酸取代，雖然它們對哺乳動物毒性較少，但能在土壤中持久存在并且可為植物所利用[7-8]。

土壤中的砷通常集中在表土層0~10cm，砷進入土壤后通過溶解、沉淀、吸附等各種反應與土壤作用，形成不同化學形態，也可以被淋溶至較深土層。土壤砷的生物有效性和毒性都依賴于砷的形態。研究發現，土壤中砷的形態復雜多樣，但一般以無機態和有機態存在，且無機態毒性大于有機態。土壤中無機態砷主要以三價砷和五價砷存在，且三價砷的毒性是五價砷的60~100倍，是甲基砷（如一甲基砷酸和二甲基砷酸）毒性的70倍[9]。而砷甜菜堿（AsB）和砷膽堿（AsC）則被認為毒性很小或基本無毒性[10]。土壤中的砷可以轉移進入植物并通過食物鏈進入動物及人體。砷對作物產量和農產品質量的影響正逐步成為世界關注的問題。由于砷的價態與其毒性大小密切相關，而土壤中三價砷和五價砷可以相互轉化，并對土壤環境和生態效應產生顯著影響。因此，研究砷在土壤中價態轉化的影響因素及其對土壤微生物活性的影響在理論和實踐上均具有十分重要的意義。

2 土壤砷形態轉化的影響因素

土壤中砷的形態轉化主要受土壤氧化還原狀況及土壤微生物的影響。在一定的條件下，受氧化-還原條件變化的影響，土壤中三價砷和五價砷可以相互轉化。受土壤氧化還原狀況影響，土壤中易溶性和難溶性砷化合物之間也相互轉化，間接影響土壤中不同價態砷含量。土壤微生物，如細菌，也是影響砷不同形態之間轉化的重要因素。

2.1 土壤pH

土壤的酸堿度和氧化-還原狀況對土壤中的砷的濃度、價態和毒性都有非常明顯的影響。吸附態砷向溶解態砷轉化主要與土壤pH、pe有關。升高pH或者降低pe都將增大可溶態砷的濃度。土壤砷的價態轉化中常伴隨著H+的吸收或釋放，因此通常用pe+pH來定量研究土壤中三價和五價砷的含量。蔣成愛等[11]認為在氧化性土壤（pe+pH＞10）中，五價砷為主要形態；而三價砷是還原條件下（pe+pH ＜8）的主要形態。在酸性條件下，亞砷酸不像砷酸那樣容易被土壤吸附固定，同時，酸性條件還可使砷酸鈣的溶解度極大高。李小平等[12]研究認為砷酸鐵在酸性土壤和還原條件下，Fe3+容易還原為Fe2+，同時使As（Ⅴ）還原為As（Ⅲ），從而提高砷的溶解性和對水稻的毒性。Onken等[13]等發現被洪水淹沒的土壤中As（Ⅲ）的濃度會增加，并解釋為淹水后，隨著土壤pH改變，對As（Ⅴ）有很強親和力的3價鐵氧化物被還原為溶解度較大的2價鐵氧化物，釋放出所吸附的砷。

2.2 土壤水分

一般而言，土壤在長時間淹水條件下，隨著還原性的增強，五價的無機砷可逐步轉化為三價砷，從而使土壤中三價砷的含量相應增加并逐步成為土壤溶液中主要的存在形 態[14-15]。沈東升等[16]研究認為五價砷進入土壤后，在65%的最大田間持水量條件下，部分五價砷被還原為三價砷，且外源添加五價砷濃度越大，還原為三價砷的量越高，但還原率越小，且一般情況下，還原的三價砷在3d內可重新氧化為五價或被固定。

2.3 土壤礦物

土壤礦物主要通過氧化三價砷或吸附固定三價和五價砷進而影響土壤中兩種價態砷的量。王永等[17]研究認為在酸性條件下，土壤中的氧化鐵、氧化鋁、碳酸鈣、高嶺石等均不能氧化三價砷，土壤中氧化三價砷的主要是氧化錳，故可測定Mn2+的釋放量表征三價砷的氧化量。王強等[18]發現赤鐵礦對砷的氧化是隨著加入三價砷濃度增大，氧化量增大，但氧化率卻降低；升高溫度（25~35℃）有利于赤鐵礦對砷離子的氧化作用；溶液pH＜6.0時，隨著pH的增加三價砷的氧化量、氧化率逐漸增大；而當pH＞6.0，隨著pH增加三價砷的氧化量反而降低。氧化鋁，碳酸鈣等礦物主要通過吸附、解吸來影響三價和五價砷在土壤中的含量。

2.4 土壤有機質

土壤有機質是土壤中可變電荷的重要來源。土壤有機質具有大量不同的功能團、較高的陽離子交換量和較大的表面積，它們能通過表面絡合、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[19]，同時可能對價態砷進行氧化或還原。翁煥新等[20]認為土壤中砷含量與有機質之間存在負相關關系，吸附實驗也得到相同的結論，即有機質的存在導致土壤對砷陰離子的吸附較弱，砷的移動性增強。同時發現，當有機質存在時，土壤對As（III）和As（V）吸附量明顯減少，但這種現象多存在于As（III）中，故推斷有機質對As（III）的移動性有很大影響，即增加了As（III）的移動性。肖虹濱等[21]研究了膠州灣水體中As（V）的還原作用，結果表明水體中As（III）的含量與沉積物中有機質有很好的相關性，說明水體中的As（III）有相當的一部分來自沉積物中有機質的還原作用。

2.5 土壤微生物

在微生物的作用下，土壤砷通過甲基化或脫甲基化作用實現砷的價態轉化。在五價砷向三價砷轉化的過程中，受土壤氧化-還原條件的影響，細菌、真菌和藍藻菌的種群和數量均發生了相應的變化，并在砷形態轉化中發揮著十分重要的作用，這些微生物在一定的條件下具有將土壤中的砷最終還原成AsH3的能力[22]。但是，由于砷在土壤中存在生物的和非生物的轉化過程，因此，土壤中微生物活動對砷形態轉化和遷移的量化研究是十分困難的[23]。也有研究者認為土壤中現有形態砷（包括三價砷和五價砷）的轉化主要是由微生物的數量和代謝活動所控制的[24]。

3 土壤砷的提取及分析技術

土壤中無機砷的價態一般包括三價和五價，在提取過程中，如何使各種土壤原始價態砷能很好地提取出來而不發生價態轉化，是砷價態研究的第一步、也是最為關鍵的一步。由于在提取過程中三價的無機態砷很容易轉化成五價砷，因此，研究能有效防止該過程發生的提取方法，已成為土壤砷價態研究的前提。從已有的研究看，砷化合物在提取過程中按照使用輔助儀器的不同，可以分為溶劑萃取、振蕩提取、超聲波提取、離心提取和微波輔助提取等；按照提取劑種類，可分為水提取、酸提取及堿提取等。根據實驗目的選擇合適的提取劑及提取方式至關重要。

目前土壤中砷價態提取的方法主要有：

1）磷酸+抗壞血酸浸提-微波提取法。Roser等研究了磷酸提取、磷酸+抗壞血酸提取土壤價態砷，表明單獨磷酸提取會在提取過程及提取液中氧化三價砷，磷酸+抗壞血酸提取則保證了三價砷和五價砷的穩定性。Gerald等比較了HCl振蕩提取、磷酸水浴提取、磷酸鹽加NaDDC振蕩提取及磷酸加抗壞血酸微波提取四種方式對土壤總砷和價態砷的提取效率，研究表明1mol/L磷酸加0.5mol/L抗壞血酸為提取劑，60W微波提取10min是提取土壤價態砷最為合適的方式。

2）磷酸重復提取法。Pizarro等研究了土壤中不同形態砷的提取方法和時間及其對砷形態穩定性影響，結果表明，用1mol/L的磷酸浸提的提取率明顯高于用超純水、甲醇-水（1∶1、9∶1 和 1∶1-9∶1）的提取率，經過3次重復提取后，土壤中三價砷、五價砷、一甲基砷（MMA）及二甲基砷（DMA）的提取率可高達98%左右。

3）HCl和NaHCO3提取。Woolson等認為，在pH＜5 的土壤上，用0.05mol/L HCl作為浸提劑較好，而在pH較高的土壤上則以0.5mol/L NaHCO3為佳。涂從等在比較了0.5mol/L NaHCO3（pH=8.5），1.0mol/L NH4Cl，0.1mol/L HCl 對紫色土和黃壤有效砷的提取效果后認為3種提取劑都可以作為土壤有效砷的浸提劑，但以0.5mol/L NaHCO3為佳。

土壤價態砷的測定有多種方法。國內常用氫化物發生-原子熒光光譜法進行價態砷測定，國外常采用儀器聯用技術測定。由于NaBH4具有較強的還原性和較高的選擇性，各種形態的砷化合物都可在不同酸度下被選擇性地還原為砷氫化物，再通過原子熒光光譜儀測定不同價態砷的熒光強度來測定價態砷的含量。因此氫化物發生法（HG）也成為迄今為止對砷的富集和形態分離中應用最多的方法。陳錦鳳[32]等研究了控制酸度差減法不分離價態砷而直接測定的方法；彭玨[33]等研究了利用標準回歸方程法直接測定土壤中的價態砷的方法；Patricia等則利用調節HCl和NaBH4濃度方法建立回歸方程測定了魚類、土壤中As（III）、As（V）、MMA、DMA的含量。但這些方法都是采用了不分離價態砷而直接進行測定，因此對樣品的保存與及時測定要求很高，且測試精度有待 商榷。

儀器聯用技術與單一的砷形態分析技術比較，聯用技術一般集中了幾種方法的優點，因而其選擇性、靈敏度都比較高。對于土壤砷的測定，常用的聯用技術包括HPLC-ICP-MS、HPLC-HG-AFS聯用，特別是將LC與AFS的聯用，已經成為檢測A s、Se、Sb、Sn等元素不同化學形態的最靈敏手段之一，其檢測能力甚至已經接近或超過了價格昂貴的HPLCICP-MS[35]。張靜[36]等選取磷酸作為提取劑，研究了超聲和水浴兩種方法提取土壤中不同形態的砷，離子色譜一氫化物發生原子熒光光譜聯用法（IC-HG-AFS）測定砷的4種形態，測定結果良好。

4 結論及研究展望

1）作為一種重要的污染元素，土壤中砷的環境行為已進行了大量的研究，得出了豐碩的研究成果。總結已有研究成果，主要為：①土壤砷的形態轉化受土壤類型、pH、水分、有機質、微生物等因素影響，微生物對土壤砷形態轉化研究有待深入研究；②根據研究目的不同，土壤砷提取可選用不同提取劑；砷的測定較好方法為儀器聯用技術，可以解決砷的價態測定問題。

2）關于土壤砷污染問題，以下幾方面研究仍然不足，亟須開展：①被土壤膠體吸附砷的解吸過程和動力學及其產生的環境危害等方面的研究；②環境因素作用（pH，水分，耕作等）下砷對土壤微生物活性的影響及其機理研究；③探索土壤砷污染的長期高效可行的微生物和植物修復技術，也是目前研究重點及熱點問題。