近年来，国内外发生的土壤污染事件已经屡见不鲜，随着城市化的推进和工农业的进一步发展，土壤重金属污染问题更是层出不穷。铜是动植物维持生命活动所必需的微量元素之一^[1]，但过量的铜会导致作物减产，威胁人类健康^[2-3]。重金属在土壤中的累积、迁移转化等行为是影响重金属离子在土壤中的环境容量大小和自净能力高低的重要因素^[4-5]。铜在土壤中的吸附-解吸特性主要受土壤组成成分、矿物特性以及pH等影响^[6]。茶树根系分泌的低分子量有机酸作为重金属元素的配基能够与重金属离子络合，参与重金属在植物根系中的吸收及体内运输、积累等过程，低分子量有机酸对铜产生络合作用，影响铜在土壤中的迁移转化能力，对降低重金属的毒性起着重要作用^[7]。大量研究表明，不同种类、不同浓度的低分子量有机酸对土壤吸附重金属的影响不同，吸附量随着有机酸的加入量而有所变化^[8-9]。土壤团聚体是土壤的重要组成部分，是反映土壤聚集程度和粘土特性的一个指标^[10]，有研究指出，通过土壤团聚体来研究重金属在土壤中的活动更接近于田间的实际情况^[11]，而目前国内外更多的是将土壤作为一个整体来研究土壤重金属的吸附解吸特性，专门针对低分子量有机酸在不同粒径土壤团聚体中对铜的吸附解吸研究较少。在茶园土壤中，有机质和游离氧化铁是重金属离子专性吸附的主要载体，其含量的多少影响着土壤对金属离子的固持能力，从而影响金属离子的活性及茶树从土壤中吸收活性金属离子的含量。通过对土壤表层铜离子吸附特性的研究，了解其迁移转化规律，增强表层土壤对铜的固持能力，从而降低铜的活性，降低其下移量，减少下部根系对铜的吸收，进而减少茶叶中铜的含量。

本文选取蒙山茶场新植茶园土壤，研究茶园土壤原土及不同粒径土壤团聚体在三种低分子量有机酸（柠檬酸、苹果酸、草酸）作用下对铜的吸附-解吸特性的影响，以期为查明茶园土壤中铜的环境化学行为提供科学依据。

蒙顶山是世界茶文化的发源地，也是我国历史上有文字记载人工种植茶叶最早的地方。蒙山茶园主要分布于山体的阳坡面，是典型的亚热带中低山茶园，其土壤类型主要为黄壤和酸性紫色土。土样于2015年7月采集于已种植茶树3年的茶园区，每个取样点按“S”形采集0~20 cm表层土壤，将采集到的土样带回实验室混合均匀，以四分法取出适量，风干磨碎过2 mm筛，作为原土备用。供试重金属离子为Cu²⁺，用Cu（NO₃）₂·3H₂O配制而成。

采取超声波分散法、沉降-虹吸法等提取不同粒径的土壤团聚体^[12]，将土壤分为2~0.25、0.25~0.053、0.053~0.002、 < 0.002 mm四个粒径组，其分离方法为：称200 g风干土样于塑料袋中，加去离子水1 L，混匀浸泡过夜后超声30 min，用湿筛法分离出>2 mm和2~0.25 mm的组分，剩下的浊液用沉降-虹吸法分离，通过Stokes定律计算沉降时间，用虹吸-沉降法反复提取出粒径 < 0.002、0.053~0.002、0.25~0.053 mm的土粒，直至悬液接近澄清。以上步骤重复多次，直至样品达到试验分析所需要的数量，将所有的样品冷冻干燥后，磨细过0.15 mm筛备用。

土壤pH值采用电位计法，水土比为2.5:1^[13]；有机质采用重铬酸钾外加热法^[13]；游离氧化铁采用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠提取法（DCB法）提取，邻啡罗啉比色法测定^[13]；阳离子交换量（CEC）采用醋酸铵交换法（pH=7.0）^[13]。供试土壤pH呈强酸性（表 1），本次土壤样品采集于蒙山茶园，随着化学肥料等的大量施入，茶园土壤的酸化趋势严重^[14]，茶树根部分泌出的部分有机酸会对土壤的酸碱度产生影响。蒙山茶园土壤原土及不同粒径土壤团聚体的有机质、游离氧化铁和CEC的分布一致，依次为：0.25~0.053 mm粒径组 < 2~0.25 mm粒径组 < 原土 < 0.053~0.002 mm粒径组 < （ < 0.002 mm）粒径组。

表 1 原土和不同粒径团聚体的基本性质 Table 1 Basic properties of bulk soil and particle-size fractions

表选项

在50 mL的离心管中加入处理后的蒙山茶园土壤原土及不同粒径土壤团聚体各0.20 g，随后加入浓度分别为0、40、80、120、160 mg·L^-1的Cu²⁺溶液5 mL，以0.01 mol·L^-1 NaNO₃为支持电解质，用体积比为1:1的HCl和5 mol·L^-1的NaOH将混合溶液调至所需pH值；分别加入4 mL有机酸（柠檬酸、苹果酸、草酸），有机酸浓度设置为0、0.1、0.5、1、5、10 mmol·L^-1，恒温（25±1）℃在大容量冷冻恒温振荡机上以180 r·min^-1振荡22 h，随后将样品取出，在（25±1）℃环境中静置2 h，再放入低速离心机中离心（转速为4000 r·min^-1）10 min，取上清液上机测定。吸附量用差减法求得，实验设三次重复。

选用Langmuir、Freundlich和Temkin三个方程对实验进行拟合，选出拟合效果最优的方程。方程式为：

(1)

(2)

(3)

式中：X为吸附量，mg·kg^-1；X_m为最大吸附量，mg·kg^-1；K_L为吸附能量有关的常数；C为平衡液浓度，mg·L^-1；K_F为与温度、吸附剂比表面积等因素有关的常数；n为与温度有关的常数；A、B为方程参数。

将所测得的数据用SPSS进行相关统计分析，用Microsoft Excel等软件进行热力学方程拟合。

由图 1可知，Cu²⁺在茶园土壤原土及其不同粒径土壤团聚体中的吸附量随其初始浓度的升高有所增加，吸附增长趋势总体表现为先快后慢。其中最小粒径（ < 0.002 mm）的最大吸附量为2 237.84 mg·kg^-1，0.25~0.053 mm粒径的最大吸附量仅有1 604.20 mg·kg^-1，茶园土壤原土及各粒径土壤团聚体的吸附量大小顺序为（ < 0.002 mm）粒径组>0.053~0.002 mm粒径组>原土>2~0.25 mm粒径组>0.25~0.053 mm粒径组。从表 1数据可以得知，土壤各粒径中的有机质、阳离子交换量和游离氧化铁的含量大小顺序为0.25~0.053 mm粒径组 < 2~0.25 mm粒径组 < 原土 < 0.053~0.002 mm粒径组 < （ < 0.002 mm）粒径组，与各粒径土壤对Cu²⁺的吸附量大小顺序一致。由此可知，受有机质、游离氧化铁和阳离子交换量影响，其含量越高，Cu²⁺的吸附量越大。缪鑫等^[4]以及乔冬梅等^[7]的研究表明，有机质和游离氧化铁促进了Cu²⁺在土壤中的吸附，与本研究的结果一致，有机质中的羧基、酚羟基和Cu²⁺通过螯合作用形成稳定的专性吸附，使其固定在土壤表面不易移动。当Cu²⁺进入土壤中时，迅速占据亲和力较高的吸附点位，导致吸附量快速增长，随着初始Cu²⁺浓度的升高，因吸附趋于饱和而增速放缓。商冉等^[15]研究了低分子有机酸对棕壤吸附铜的影响，结果表明随着Cu²⁺浓度增加，土壤对Cu²⁺的吸附增幅变缓，亦与本研究一致。由图 1可知， < 0.002 mm粒径的土壤团聚体颗粒对Cu²⁺的吸附量最大，其吸附量始终高于其他各粒径。这与小粒径具有较大的比表面积有关，姜强等^[16]的研究同样表明土壤团聚体对砷的吸附量向最小粒径富集，与本研究结果相似。

图 1 原土及不同粒径团聚体对Cu2+的吸附曲线 Figure 1 Adsorption curves of Cu2+ by raw soil and particle-sized soil micro-aggregates

图选项

加入三种低分子量有机酸后，茶园土壤原土及各粒径团聚体对Cu²⁺的吸附量依旧随着Cu²⁺浓度的升高而上升，各粒径土壤团聚体对Cu²⁺的吸附趋势一致，表现为先增加后降低，吸附大小顺序依次为：（ < 0.002 mm）粒径组>0.053~0.002 mm粒径组>原土>2~0.25 mm粒径组>0.25~0.053 mm粒径组（图 2）。加入0.1~1 mmol·L^-1浓度的柠檬酸或苹果酸后，Cu²⁺的吸附量有所上升，且在0.5 mmol·L^-1时达到最大后开始下降。以Cu²⁺浓度为160 mg·L^-1的吸附量为例，加入0.1 mmol·L^-1的柠檬酸后，粒径 < 0.002 mm的土壤团聚体吸附量达到2 734.10 mg·kg^-1，相对于添加柠檬酸之前增加了496.26 mg·kg^-1，提高了22.18%；加入0.5 mmol·L^-1的柠檬酸后，粒径 < 0.002 mm的土壤团聚体吸附量达到2 868.33 mg·kg^-1，相比未加酸时提高了23.06%。加入0.1 mmol·L^-1的苹果酸后，吸附量上升为2 592.90 mg·kg^-1，相比未加酸时增加了15.87%；加入0.5 mmol·L^-1的苹果酸后，吸附量更是增加了19.98%。加入0.1 mmol·L^-1的草酸后，各粒径土壤团聚体在不同Cu²⁺浓度条件下的吸附量达到最大值，160 mg·L^-1的Cu²⁺浓度下粒径 < 0.002 mm的土壤团聚体吸附量为2 416.73 mg·kg^-1，提高了7.99%。这是因为低浓度有机酸作用时，溶液中仅存在少量的有机酸根离子，这些离子被土壤吸附增加了土壤表面的负电荷量，所以Cu²⁺大量被吸附，导致吸附量上升。

图 2 有机酸加入量对各粒级土壤吸附Cu2+（160 mg· L-1）的影响 Figure 2 Effects of organic acid application rate on the adsorption of particle-sizes soil (Cu2+ 160 mg· L-1)

图选项

随着有机酸浓度的增加，重金属元素的配基增多，有机官能团对Cu²⁺的螯合作用加强，进而与土壤团聚体形成竞争吸附，土壤对Cu²⁺的吸附能力远不及有机酸中有机官能团对Cu²⁺的络合能力，致使Cu²⁺不得不留在溶液中而无法被土壤吸附。当柠檬酸或苹果酸浓度>1 mmol·L^-1、草酸浓度>0.1 mmol·L^-1时，Cu²⁺的吸附量减少至未加酸时的吸附量之下。粒径 < 0.002 mm的土壤团聚体在160 mg·L^-1的Cu²⁺浓度下加入5 mmol·L^-1的柠檬酸后，吸附量降为2 189.28 mg·kg^-1，相比未加酸时降低了2.17%；而加入5 mmol·L^-1的苹果酸后，吸附量降为1 943.95 mg·kg^-1，相比未加酸时的吸附量降低了13.13%；加入5 mmol·L^-1的草酸后，吸附量降为1 923.53 mg·kg^-1，相比未加酸时降低了14.05%。随着有机酸的进一步加入，甚至可以夺回部分已经被吸附在土壤表面的Cu²⁺。本试验在加入10 mmol·L^-1的柠檬酸、苹果酸和草酸后，粒径 < 0.002 mm的土壤团聚体在160 mg·L^-1的Cu²⁺浓度下吸附量分别降低了5.71%、15.81%和23.39%。

土壤中的低分子有机酸能够利用其本身的作用改变土壤表面电荷性质，进而影响土壤对重金属离子的吸附^[17]。因此，本研究选取三个不同浓度的有机酸，以期能够探讨出不同类型、不同浓度的低分子量有机酸对铜在土壤团聚体中的吸附特性的影响。苹果酸和柠檬酸属于三元酸，相比于二元酸的草酸能够提供更多的配位基团，导致三种低分子量有机酸对土壤吸附Cu²⁺的促进或抑制作用出现在不同的浓度上。苹果酸、柠檬酸在低浓度（0~1 mmol·L^-1）时对Cu²⁺的吸附具有促进作用，而随着浓度的增加，有机酸自身的基团会和土壤形成竞争，土壤表面的吸附点位被基团大量占据，使得土壤中的重金属离子无法被土壤吸附，导致吸附量下降^[18]。因此，随着浓度的增加，柠檬酸或苹果酸对Cu²⁺的吸附又产生了抑制作用，且苹果酸大于柠檬酸。与前两种低分子量有机酸不同，草酸在浓度为0.1 mmol·L^-1时吸附量就达到了最大，当草酸浓度>0.1 mmol·L^-1时，Cu²⁺的吸附量便开始逐渐下降。由此可知，草酸浓度在0~0.1 mmol·L^-1时，对Cu²⁺的吸附起到促进作用，浓度>0.1 mmol·L^-1的草酸对Cu²⁺的吸附有抑制作用。

茶园土壤原土及各粒径的土壤团聚体，在加入三种低分子量有机酸后，吸附量大小顺序与各粒径土壤团聚体中有机质、游离氧化铁和阳离子交换量的含量分布一致。这是因为Cu²⁺的吸附受有机质、游离氧化铁等的影响较大，土壤中的有机质是决定土壤对重金属吸附的关键因素，其对Cu²⁺有较强的亲和力，可与Cu²⁺进行配位反应，将Cu²⁺吸附在土壤中^[19]。而氧化铁表面存在的水合基（-OH₂）、配位羟基（-OH）能对Cu²⁺产生强烈的专性吸附和非专性吸附，其含量越高，吸附能力越强^[20]。同种有机酸对5个粒径的土壤团聚体吸附Cu²⁺的影响一致，其吸附变化趋势相同，吸附量均为先增加后减少的“锋形”趋势。

原土及各粒径土壤团聚体的Langmuir方程（表 2）、Freundlich方程、Temkin方程的拟合参数（R²）在加入不同浓度的柠檬酸后，分别为0.972 4~0.999 8、0.853 1~0.991 2、0.935 5~0.998 9，加入不同浓度的苹果酸后，依次为0.982 5~0.999 6、0.816 5~0.987 9、0.873 3~0.995 7，加入不同浓度的草酸后，分别为0.967 3~0.999 3、0.858 8~0.991 6、0.906 2~0.997 0，三个方程均能较好地拟合等温吸附数据，其中均以Langmuir方程拟合效果最佳。由此可知，茶园土壤原土及各粒级团聚体对铜的吸附以单层吸附为主。

表 2 加入有机酸后原土及各粒径土壤团聚体对Cu²⁺的等温吸附参数 Table 2 The parameters of isothermal adsorption of Cu²⁺ by raw soil and particle-sized soil micro-aggregates with organic acid

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有研究表明，在Freundlich方程中，K值是观察土壤对重金属吸附能力大小的一个重要参数，K值越大则吸附能力越强^[21]。本试验结果中，Freundlich方程的K值最大值均出现在粒径 < 0.002 mm中，这是因为最小粒径具有较大的比表面积，且其有机质、游离氧化铁以及CEC含量高于其他所有粒径，有利于Cu²⁺在土壤中的专性吸附，故吸附能力最强，与江承香等^[22]的研究结果一致。以加入0.5 mmol·L^-1柠檬酸的拟合结果为例，K值最大为0.20，出现在 < 0.002 mm粒径，其吸附能力最大，0.25~0.053 mm粒径K值最小为0.04，其吸附能力最弱。在不同有机酸酸浓度中，Freundlich方程中K值大小均为（ < 0.002 mm）粒径组>0.053~0.002 mm粒径组>原土>2~0.25 mm粒径组>0.25~0.053 mm粒径组。该结论与本次实验中茶园土壤原土和各粒径土壤团聚体对Cu²⁺的吸附能力结果表述一致。

（1）加入低分子量有机酸后的茶园土壤原土及各粒径土壤团聚体对Cu²⁺的吸附量随着Cu²⁺浓度的增加而增加，吸附速度先快后慢，吸附量大小顺序依次为（ < 0.002）mm粒径组>0.053~0.002 mm粒径组>原土>2~0.25 mm粒径组>0.25~0.053 mm粒径组，与各粒径土壤中的有机质、游离氧化铁以及CEC含量大小顺序一致。

（2）三种低分子量有机酸对土壤团聚体吸附Cu²⁺的影响随其加入量的增加表现为先促进后抑制，该影响在各粒径土壤团聚体中表现一致，柠檬酸、苹果酸和草酸在低浓度时对土壤团聚体吸附Cu²⁺有促进作用，高浓度时起抑制作用。

（3）加入低分子量有机酸后的茶园土壤原土及各粒径土壤团聚体对铜的吸附以单层吸附为主，并以Langmuir方程的拟合效果最佳。