趙小燕，呂家瓏，代允超，張瑞龍

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

砷是一種極其有毒的元素，世界衛(wèi)生組織將砷化物列為優(yōu)先控制的污染物[1]。一般土壤砷含量約為6 μg/g，我國(guó)部分土壤平均砷含量為10 μg/g左右[2]。土壤中砷污染主要來源于化學(xué)工業(yè)、礦山開采、冶煉工業(yè)、電子工業(yè)等排放的含砷的酸性廢水、廢棄物及含砷農(nóng)藥和化肥，由于人類活動(dòng)而釋放到土壤中的砷全球已達(dá) 52 000～112 000 t/年[3]。砷一旦進(jìn)入土壤,就極易被吸附在土壤中積累起來[4-5]，農(nóng)田土壤中的砷含量變化主要與沉降、灌溉、城鎮(zhèn)污泥和畜禽養(yǎng)殖廢棄物的不合理處置以及農(nóng)藥化肥的大量施用有關(guān)[6-8]，土壤中的砷經(jīng)植物吸收進(jìn)入農(nóng)作物體內(nèi)，直接參與食物鏈循環(huán)，進(jìn)而影響人類的健康[9]。

重金屬在土壤中的濃度、活性、生物有效性和毒性，主要取決于其在土壤中的積累、遷移、轉(zhuǎn)化等行為，這些行為主要與其所在土壤固液界面上的吸附、解吸等過程密切相關(guān)，而重金屬在土壤固液界面上的吸附行為主要決定于土壤固相中有機(jī)、無機(jī)組分對(duì)重金屬離子的吸附、解吸特性[10-11]。此外，土壤類型、理化性質(zhì)以及重金屬本身的化學(xué)特性與土壤中重金屬的吸附、解吸動(dòng)態(tài)密切相關(guān)，并直接影響到土壤中重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)砷在不同類型土壤中的吸附、解吸行為及其影響因素進(jìn)行了大量研究,普遍認(rèn)為鐵鋁氧化物含量及黏土礦物類型是影響砷吸附、解吸的主要因素,同時(shí)黏粒含量、陽離子交換量(CEC)、pH值、共存離子(如磷等)等也顯著影響土壤對(duì)砷的吸附[12-13]。鑒于我國(guó)許多研究是單獨(dú)研究酸性土壤或石灰性土壤對(duì)砷的吸附能力，關(guān)于不同土壤對(duì)砷吸附能力的對(duì)比研究還較少。因此，本試驗(yàn)選擇性質(zhì)差異明顯的我國(guó)18種典型的農(nóng)田土壤作為研究材料，分析不同土壤對(duì)砷的吸附能力，為砷在不同類型土壤上的有效性、生態(tài)效應(yīng)分析及砷污染土壤修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為我國(guó)18種典型農(nóng)田土壤，分別為：A.黃棕壤，采自安徽合肥；B.棕壤，采自遼寧沈陽；C.黑土，采自黑龍江海倫；D.潮土，采自山東德州；E.潮土，采自天津；F.褐土，采自山西谷倉；G.黃棕壤，采自江蘇常熟；H.栗鈣土，采自內(nèi)蒙古呼和浩特；I.灰漠土，采自新疆烏魯木齊；J.赤紅壤，采自云南昆明；K.紅壤，采自湖南祁陽；L.土婁土，采自陜西楊凌；M.黑土，采自吉林；N.紅壤，采自江西鷹潭；O.潮土，采自河北廊坊；P.紫色土，采自重慶北碚；Q.灌淤土，采自甘肅；R.潮土，采自河南。采樣土層深度為0～20 cm，將土樣風(fēng)干后分別過孔徑0.147和0.833 mm尼龍篩，用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)及砷含量。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定與分析[14]供試土壤的有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；陽離子交換量(CEC)采用乙酸鈉-火焰光度法測(cè)定；全磷含量采用H2SO4-HClO4消解，硫酸鉬銻抗比色法測(cè)定；pH值用電位法(m(土)∶m(水)=1∶1)測(cè)定；速效磷含量用Olsen法測(cè)定；黏粒含量采用吸管法測(cè)定。

1.2.2 不同類型土壤對(duì)砷的吸附試驗(yàn) 稱取過孔徑0.147 mm尼龍篩的風(fēng)干土樣1.000 0 g于50 mL離心管中，加入用NaOH或HCl溶液調(diào)pH至5.0的10 mg/L Na3AsO4(As(Ⅴ))溶液20 mL，在室溫下振蕩24 h后取出，離心并過濾，分離出上清液，測(cè)定上清液中砷的質(zhì)量濃度，計(jì)算土壤中砷含量，同時(shí)做空白試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

S=(C0-Ce)×V/m，

式中：S為吸附量(mg/g)，V為加入溶液的體積(mL)，C0為吸附試驗(yàn)初始加入溶液的砷質(zhì)量濃度(mg/L)，Ce為最終平衡后溶液中砷質(zhì)量濃度(mg/L)，m為稱取土壤的質(zhì)量(g)，λ是吸附率(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型土壤的主要理化性質(zhì)

我國(guó)18種典型農(nóng)田土壤的理化性質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表 1 我國(guó)18種典型農(nóng)田土壤的主要理化性質(zhì)

由表1可知，本研究所采集的全國(guó)大部分農(nóng)田土壤的理化性質(zhì)存在明顯差異。其中江蘇常熟黃棕壤有機(jī)質(zhì)含量最高，其次為東北黑土和云南赤紅壤。山東和天津潮土、山西褐土以及陜西楊凌土婁土的全磷含量明顯高于其他農(nóng)田土壤。

2.2 不同類型土壤對(duì)外源砷的吸附能力比較

我國(guó)主要農(nóng)田土壤對(duì)As(Ⅴ)的吸附量和吸附率見表2。

表 2 我國(guó)18種典型農(nóng)田土壤對(duì)As(Ⅴ)的吸附量和吸附率

土壤對(duì)砷的吸附包括靜電吸附和專性吸附2種，其中靜電吸附與表面電荷有關(guān)，當(dāng)土壤性質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，被土壤吸附的砷會(huì)重新釋放到土壤溶液中；而專性吸附則具有高度的專一性，土壤吸附砷之后不可逆[15-17]。由表2可見，云南赤紅壤對(duì)As(Ⅴ)的吸附能力最強(qiáng)，吸附量達(dá)到了1.64 mg/g，吸附率為6.83%；山西褐土對(duì)As(Ⅴ)的吸附能力最弱，吸附量?jī)H為0.15 mg/g，吸附率為0.62%。在pH≤6.25的土壤中，土壤對(duì)As(Ⅴ)的吸附量為0.26～1.64 mg/g，平均吸附量為0.97 mg/g，吸附率在0.74%～6.83%，平均吸附率為3.98%；在6.27≤pH≤6.93的土壤中，土壤對(duì)As(Ⅴ)的吸附量為0.19 ～0.36 mg/g，平均吸附量為0.26 mg/g，對(duì)As(Ⅴ)的吸附率在0.64%～1.50%，平均吸附率為1.04%；在pH≥7.90的土壤中，土壤對(duì)As(Ⅴ)的吸附量為0.15～0.19 mg/g，平均吸附量為0.17 mg/g，對(duì)As(Ⅴ)的吸附率在0.29%～0.89%，平均吸附率為0.66%。 表明酸性土壤對(duì)As(Ⅴ)的吸附量大于堿性土壤。已有研究表明，不同土壤對(duì)砷的吸附量由小到大依次為黃土<黑土<黃棕壤<磚紅壤<紅壤[18]，而本研究結(jié)果卻與之不一致，這可能與采集的土壤來源地不同有關(guān)。本研究結(jié)果顯示，酸性土壤對(duì)As(Ⅴ)的吸附量大于堿性土壤，其主要原因是酸性土壤溶液中OH-離子很少，不與同為陰離子的砷酸根離子競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，砷酸根離子可以大量吸附到土壤顆粒表面，所以在酸性土壤中外源砷容易被吸附；而在堿性土壤溶液本身存在大量的OH-離子，會(huì)與砷酸根離子競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，因此堿性土壤對(duì)外源砷的吸附量要少于酸性土壤。吳萍萍等[16]研究發(fā)現(xiàn)，酸性土壤較堿性土壤更容易吸附外源砷，這與本研究結(jié)果一致。

2.3 土壤對(duì)外源砷的吸附量與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系

分析土壤對(duì)As(Ⅴ)吸附量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性，結(jié)果見表3。由表3可見，不同土壤的理化性質(zhì)決定著土壤對(duì)As(Ⅴ)吸附能力的差異。在所有的土壤理化性質(zhì)中，以土壤pH對(duì)砷吸附能力影響最大。土壤對(duì)As(Ⅴ)的吸附量與pH以及全磷、速效磷、CaCO3含量和CEC均呈負(fù)相關(guān)，其中與pH之間呈極顯著相關(guān)。建立土壤對(duì)As(Ⅴ)的吸附量與pH的回歸方程為：吸附量=-0.274 pH+2.419，R2=0.388。土壤對(duì)As(Ⅴ)吸附量與有機(jī)質(zhì)和黏粒含量呈正相關(guān)，說明有機(jī)質(zhì)和黏粒含量對(duì)土壤吸附砷有正的貢獻(xiàn)。從以上相關(guān)性分析可以看出，土壤對(duì)重金屬砷的吸附是一個(gè)很復(fù)雜的過程，這個(gè)過程受諸多因素的綜合影響，而這些因素之間又相互影響，從而導(dǎo)致單一理化性質(zhì)與重金屬砷吸附量之間的相關(guān)性較低。

表 3 土壤對(duì)As(Ⅴ)吸附量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié) 論

在所有供試土壤中，以云南赤紅壤對(duì)As(Ⅴ)的吸附能力最強(qiáng)，山西褐土對(duì)As(Ⅴ)的吸附能力最弱；酸性土壤對(duì)As(Ⅴ)的吸附能力大于堿性土壤。土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤吸附外源砷有明顯的影響，其中，土壤pH值對(duì)土壤吸附外源砷的影響尤為突出。pH、全磷、速效磷、CEC、CaCO3對(duì)土壤吸附外源砷有負(fù)貢獻(xiàn)，而土壤黏粒和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)這一過程有正的貢獻(xiàn)。

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