土壤中砷元素的形态变化及其检测方法研究进展

王曦婕，邢 云，李 秋，韩丽萍

（陕西省地质矿产实验研究所有限公司，陕西西安 710054）

砷是土壤中具有较强毒性和致癌作用的类金属元素，被称为土壤五大污染元素之一。据统计，全球每年向土壤中输入的砷约0.94×105t[1]，导致我国受砷、镉、铅等污染耕地近2.0×107hm2，占耕地总面积的1/5以上[2-4]，其中尤以云南、山西、广东、内蒙古、湖南等地砷污染最严重，土壤砷含量最高达7 610mg/kg[5]。人们非常关注土壤中砷污染的迁移转化和生物有效性。本文就土壤中砷污染的来源和主要形态、土壤砷污染对土壤微生物学性质影响、土壤砷形态转化影响因素及土壤砷提取技术等进行综述。

1 土壤砷主要来源及形态

土壤中砷的来源主要为自然来源和人为来源。土壤中砷背景含量主要来源于成土母质，其浓度大小和分布由成土过程的环境因素所决定。砷在地壳中的平均含量大约为3mg/kg，我国土壤砷的背景平均含量为9.2mg/kg[6]。造成土壤砷污染的主要原因是人为来源，包括矿产开采（如雄黄，雌黄，砷矿）、化石燃料燃烧及农业、林业上农药、杀虫剂及肥料使用。特别是农业上农药、化肥的使用，是重要的农田砷污染输入途径。无机砷化物被用作广谱的土壤杀菌剂和除草剂，由于难降解和毒性，现已被有机As除草剂如甲基胂酸取代，虽然它们对哺乳动物毒性较少，但能在土壤中持久存在并且可为植物所利用[7-8]。

土壤中的砷通常集中在表土层0~10cm，砷进入土壤后通过溶解、沉淀、吸附等各种反应与土壤作用，形成不同化学形态，也可以被淋溶至较深土层。土壤砷的生物有效性和毒性都依赖于砷的形态。研究发现，土壤中砷的形态复杂多样，但一般以无机态和有机态存在，且无机态毒性大于有机态。土壤中无机态砷主要以三价砷和五价砷存在，且三价砷的毒性是五价砷的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]。而砷甜菜碱（AsB）和砷胆碱（AsC）则被认为毒性很小或基本无毒性[10]。土壤中的砷可以转移进入植物并通过食物链进入动物及人体。砷对作物产量和农产品质量的影响正逐步成为世界关注的问题。由于砷的价态与其毒性大小密切相关，而土壤中三价砷和五价砷可以相互转化，并对土壤环境和生态效应产生显著影响。因此，研究砷在土壤中价态转化的影响因素及其对土壤微生物活性的影响在理论和实践上均具有十分重要的意义。

2 土壤砷形态转化的影响因素

土壤中砷的形态转化主要受土壤氧化还原状况及土壤微生物的影响。在一定的条件下，受氧化-还原条件变化的影响，土壤中三价砷和五价砷可以相互转化。受土壤氧化还原状况影响，土壤中易溶性和难溶性砷化合物之间也相互转化，间接影响土壤中不同价态砷含量。土壤微生物，如细菌，也是影响砷不同形态之间转化的重要因素。

2.1 土壤pH

土壤的酸碱度和氧化-还原状况对土壤中的砷的浓度、价态和毒性都有非常明显的影响。吸附态砷向溶解态砷转化主要与土壤pH、pe有关。升高pH或者降低pe都将增大可溶态砷的浓度。土壤砷的价态转化中常伴随着H+的吸收或释放，因此通常用pe+pH来定量研究土壤中三价和五价砷的含量。蒋成爱等[11]认为在氧化性土壤（pe+pH＞10）中，五价砷为主要形态；而三价砷是还原条件下（pe+pH ＜8）的主要形态。在酸性条件下，亚砷酸不像砷酸那样容易被土壤吸附固定，同时，酸性条件还可使砷酸钙的溶解度极大高。李小平等[12]研究认为砷酸铁在酸性土壤和还原条件下，Fe3+容易还原为Fe2+，同时使As（Ⅴ）还原为As（Ⅲ），从而提高砷的溶解性和对水稻的毒性。Onken等[13]等发现被洪水淹没的土壤中As（Ⅲ）的浓度会增加，并解释为淹水后，随着土壤pH改变，对As（Ⅴ）有很强亲和力的3价铁氧化物被还原为溶解度较大的2价铁氧化物，释放出所吸附的砷。

2.2 土壤水分

一般而言，土壤在长时间淹水条件下，随着还原性的增强，五价的无机砷可逐步转化为三价砷，从而使土壤中三价砷的含量相应增加并逐步成为土壤溶液中主要的存在形 态[14-15]。沈东升等[16]研究认为五价砷进入土壤后，在65%的最大田间持水量条件下，部分五价砷被还原为三价砷，且外源添加五价砷浓度越大，还原为三价砷的量越高，但还原率越小，且一般情况下，还原的三价砷在3d内可重新氧化为五价或被固定。

2.3 土壤矿物

土壤矿物主要通过氧化三价砷或吸附固定三价和五价砷进而影响土壤中两种价态砷的量。王永等[17]研究认为在酸性条件下，土壤中的氧化铁、氧化铝、碳酸钙、高岭石等均不能氧化三价砷，土壤中氧化三价砷的主要是氧化锰，故可测定Mn2+的释放量表征三价砷的氧化量。王强等[18]发现赤铁矿对砷的氧化是随着加入三价砷浓度增大，氧化量增大，但氧化率却降低；升高温度（25~35℃）有利于赤铁矿对砷离子的氧化作用；溶液pH＜6.0时，随着pH的增加三价砷的氧化量、氧化率逐渐增大；而当pH＞6.0，随着pH增加三价砷的氧化量反而降低。氧化铝，碳酸钙等矿物主要通过吸附、解吸来影响三价和五价砷在土壤中的含量。

2.4 土壤有机质

土壤有机质是土壤中可变电荷的重要来源。土壤有机质具有大量不同的功能团、较高的阳离子交换量和较大的表面积，它们能通过表面络合、离子交换和表面沉淀三种方式增加土壤对重金属的吸附能力[19]，同时可能对价态砷进行氧化或还原。翁焕新等[20]认为土壤中砷含量与有机质之间存在负相关关系，吸附实验也得到相同的结论，即有机质的存在导致土壤对砷阴离子的吸附较弱，砷的移动性增强。同时发现，当有机质存在时，土壤对As（III）和As（V）吸附量明显减少，但这种现象多存在于As（III）中，故推断有机质对As（III）的移动性有很大影响，即增加了As（III）的移动性。肖虹滨等[21]研究了胶州湾水体中As（V）的还原作用，结果表明水体中As（III）的含量与沉积物中有机质有很好的相关性，说明水体中的As（III）有相当的一部分来自沉积物中有机质的还原作用。

2.5 土壤微生物

在微生物的作用下，土壤砷通过甲基化或脱甲基化作用实现砷的价态转化。在五价砷向三价砷转化的过程中，受土壤氧化-还原条件的影响，细菌、真菌和蓝藻菌的种群和数量均发生了相应的变化，并在砷形态转化中发挥着十分重要的作用，这些微生物在一定的条件下具有将土壤中的砷最终还原成AsH3的能力[22]。但是，由于砷在土壤中存在生物的和非生物的转化过程，因此，土壤中微生物活动对砷形态转化和迁移的量化研究是十分困难的[23]。也有研究者认为土壤中现有形态砷（包括三价砷和五价砷）的转化主要是由微生物的数量和代谢活动所控制的[24]。

3 土壤砷的提取及分析技术

土壤中无机砷的价态一般包括三价和五价，在提取过程中，如何使各种土壤原始价态砷能很好地提取出来而不发生价态转化，是砷价态研究的第一步、也是最为关键的一步。由于在提取过程中三价的无机态砷很容易转化成五价砷，因此，研究能有效防止该过程发生的提取方法，已成为土壤砷价态研究的前提。从已有的研究看，砷化合物在提取过程中按照使用辅助仪器的不同，可以分为溶剂萃取、振荡提取、超声波提取、离心提取和微波辅助提取等；按照提取剂种类，可分为水提取、酸提取及碱提取等。根据实验目的选择合适的提取剂及提取方式至关重要。

目前土壤中砷价态提取的方法主要有：

1）磷酸+抗坏血酸浸提-微波提取法。Roser等研究了磷酸提取、磷酸+抗坏血酸提取土壤价态砷，表明单独磷酸提取会在提取过程及提取液中氧化三价砷，磷酸+抗坏血酸提取则保证了三价砷和五价砷的稳定性。Gerald等比较了HCl振荡提取、磷酸水浴提取、磷酸盐加NaDDC振荡提取及磷酸加抗坏血酸微波提取四种方式对土壤总砷和价态砷的提取效率，研究表明1mol/L磷酸加0.5mol/L抗坏血酸为提取剂，60W微波提取10min是提取土壤价态砷最为合适的方式。

2）磷酸重复提取法。Pizarro等研究了土壤中不同形态砷的提取方法和时间及其对砷形态稳定性影响，结果表明，用1mol/L的磷酸浸提的提取率明显高于用超纯水、甲醇-水（1∶1、9∶1 和 1∶1-9∶1）的提取率，经过3次重复提取后，土壤中三价砷、五价砷、一甲基砷（MMA）及二甲基砷（DMA）的提取率可高达98%左右。

3）HCl和NaHCO3提取。Woolson等认为，在pH＜5 的土壤上，用0.05mol/L HCl作为浸提剂较好，而在pH较高的土壤上则以0.5mol/L NaHCO3为佳。涂从等在比较了0.5mol/L NaHCO3（pH=8.5），1.0mol/L NH4Cl，0.1mol/L HCl 对紫色土和黄壤有效砷的提取效果后认为3种提取剂都可以作为土壤有效砷的浸提剂，但以0.5mol/L NaHCO3为佳。

土壤价态砷的测定有多种方法。国内常用氢化物发生-原子荧光光谱法进行价态砷测定，国外常采用仪器联用技术测定。由于NaBH4具有较强的还原性和较高的选择性，各种形态的砷化合物都可在不同酸度下被选择性地还原为砷氢化物，再通过原子荧光光谱仪测定不同价态砷的荧光强度来测定价态砷的含量。因此氢化物发生法（HG）也成为迄今为止对砷的富集和形态分离中应用最多的方法。陈锦凤[32]等研究了控制酸度差减法不分离价态砷而直接测定的方法；彭珏[33]等研究了利用标准回归方程法直接测定土壤中的价态砷的方法；Patricia等则利用调节HCl和NaBH4浓度方法建立回归方程测定了鱼类、土壤中As（III）、As（V）、MMA、DMA的含量。但这些方法都是采用了不分离价态砷而直接进行测定，因此对样品的保存与及时测定要求很高，且测试精度有待 商榷。

仪器联用技术与单一的砷形态分析技术比较，联用技术一般集中了几种方法的优点，因而其选择性、灵敏度都比较高。对于土壤砷的测定，常用的联用技术包括HPLC-ICP-MS、HPLC-HG-AFS联用，特别是将LC与AFS的联用，已经成为检测A s、Se、Sb、Sn等元素不同化学形态的最灵敏手段之一，其检测能力甚至已经接近或超过了价格昂贵的HPLCICP-MS[35]。张静[36]等选取磷酸作为提取剂，研究了超声和水浴两种方法提取土壤中不同形态的砷，离子色谱一氢化物发生原子荧光光谱联用法（IC-HG-AFS）测定砷的4种形态，测定结果良好。

4 结论及研究展望

1）作为一种重要的污染元素，土壤中砷的环境行为已进行了大量的研究，得出了丰硕的研究成果。总结已有研究成果，主要为：①土壤砷的形态转化受土壤类型、pH、水分、有机质、微生物等因素影响，微生物对土壤砷形态转化研究有待深入研究；②根据研究目的不同，土壤砷提取可选用不同提取剂；砷的测定较好方法为仪器联用技术，可以解决砷的价态测定问题。

2）关于土壤砷污染问题，以下几方面研究仍然不足，亟须开展：①被土壤胶体吸附砷的解吸过程和动力学及其产生的环境危害等方面的研究；②环境因素作用（pH，水分，耕作等）下砷对土壤微生物活性的影响及其机理研究；③探索土壤砷污染的长期高效可行的微生物和植物修复技术，也是目前研究重点及热点问题。