根系分泌物是植物与土壤进行物质、能量与信息交流的重要载体物质，其分泌的低分子量有机酸（草酸、柠檬酸等）与土壤砷之间的相互作用影响着土壤中砷的化学行为，使砷在土壤-水-植物系统中的迁移、转化规律发生重大改变，从而影响到砷在土壤中的形态及其生物有效性^[1-3]。此外，腐植酸作为土壤中活性较强的有机酸，其在土壤甚至根际的活动和行为，也对土壤中元素的形态、化学行为等产生十分深刻的影响。近年来，关于有机酸对其他类型的重金属研究报道较多：范洪黎等^[4]研究了添加有机酸对土壤镉形态转化的影响，结果表明添加苹果酸、柠檬酸处理显著降低土壤专性吸附态镉含量，却显著增加了交换态镉、碳酸盐结合态镉和有机结合态镉含量。赖彩秀等^[5]研究了添加天然小分子有机酸对土壤镉、锌形态转化的影响，结果显示添加苹果酸、草酸处理，土壤中酸提取态镉、锌含量比对照分别增加0.13%~1.30%、4.25%~13.4%，有机酸对土壤中镉和锌有一定的活化作用。覃蔡清^[6]分析了根系分泌物的主要成分（三种低分子量有机酸，包括柠檬酸、草酸、酒石酸）在不同试验条件下（有机酸浓度、培养时间）对三峡库区土壤汞活化的影响，低分子量有机酸能够促进三峡库区土壤汞的解吸。但施用有机酸对土壤砷的影响相关研究非常有限。基于此，本研究选择了乙酸、草酸、柠檬酸及腐植酸，探究上述3种有机酸和腐殖质对As（Ⅴ）在第四纪红壤中老化的影响，研究结果将有助于明晰土壤中砷的释放及其迁移转化行为，进而为砷污染土壤的调控、修复及安全利用提供参考。

1 材料与方法 1.1 供试土壤

供试土壤采自湖南衡阳（26°15′~26°37′N、111°35′~111°45′E）第四纪红土母质发育红壤的0~20 cm耕土层，采集的土壤经自然风干后均匀混合，除去较大的植物残体和土壤中的砂石、砖块等杂物，过2 mm尼龙筛后备用。供试土壤的基本理化性质如表 1。

1.2 试验方法

有机酸与重金属之间的相互作用跟有机酸分子大小与结构、官能团的种类与数量以及土壤矿物结合程度等有关，从而导致不同类型有机酸对砷在土壤中老化过程的影响也不同。因此，本实验选取了一元有机酸（乙酸）、二元有机酸（草酸）、三元有机酸（柠檬酸）及腐植酸四种类型的有机酸，每个处理设置4个添加量水平（0、50、100、200 mg·kg^-1），每个水平三次重复。分别向土壤中加入相应浓度的有机酸，混合均匀，平衡一个星期后，加入Na₃AsO₄·12H₂O，使土壤中外源添加As（Ⅴ）的量为100 mg·kg^-1（不考虑土壤本底砷浓度），混合均匀后并使其含水量保持在田间持水量的70%左右，分别取200 g土壤置于100 mL烧杯中并盖上半透膜，随机放入恒温恒湿箱中并保持温度（25±1）℃、含水量70%，每两天用称量法补充水分、使土壤含水量保持相对稳定。培养至1、15、30、60、90、120 d时分别采集土样，经风干、过筛后，利用HG-AFS法测定土壤各结合态砷和有效态砷含量。

1.3 测定方法

土壤有效态砷的测定：采用NaHCO₃提取法^[7-8]，该方法对土壤pH的敏感性较低且与土壤砷浓度的相关性良好。称取过2 mm筛的风干土样5 g于100 mL离心管中，加入50 mL 0.5 mol·L^-1的NaHCO₃溶液，振荡2 h，离心过滤，用SA-10型氢化物发生-原子荧光仪测定待测液中的砷。

土壤结合态砷的测定：各结合态砷的提取采用Wenzel等^[9]的方法，然后用SA-10型氢化物发生-原子荧光仪测定待测液中的砷。

土壤相关理化性质的测定：用0.5 mol·L^-1 NaOH进行分散后，用激光粒度分析仪测定土壤粒径组成^[10]；用水浸-电位法（水土比2.5:1）测定土壤pH^[10]；按Sparks等^[11]的方法测定土壤阳离子交换量，重铬酸钾氧化法测定土壤有机碳^[10]，碳酸氢钠提取法测定土壤有效磷^[12]，H₂SO₄-HClO₄消化法测定土壤总磷^[10]，草酸铵提取法测定土壤中无定形铁、铝、锰氧化物含量^[10]，连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠提取法（DCB）测定土壤中游离铁、铝、锰含量^[10]，王水消解^[13]HG-AFS法测定土壤总砷。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2013处理，并表示为平均值（Mean）±标准误（SD），用SPSS 13.0软件进行方差分析、Duncan新复极差法进行多重比较（P < 0.05）。

2 结果与分析 2.1 不同类型有机酸对As（Ⅴ）在土壤中老化的影响 2.1.1 对土壤有效态砷含量的影响

不同类型的有机酸对土壤有效态砷的百分含量的影响如表 2所示。对于添加相同量（100 mg·kg^-1）的乙酸、草酸、柠檬酸和腐植酸而言，随着有机酸的添加，土壤有效态砷含量大幅度降低，且随老化时间推延，土壤有效态砷含量亦逐渐下降。在培养1 d后，加入四种有机酸处理下土壤有效态砷的浓度即下降到添加浓度的12.09%~13.08%，显著低于土壤中加入砷的含量；而培养到120 d时，土壤中有效态砷含量仅为添加浓度的2.05%~3.08%。导致该结果的原因可能是As（Ⅴ）进入土壤后，很快与土壤胶体发生表面吸附、络合及沉淀等过程，砷先被吸附在土壤胶体的表层，然后逐渐转移到土壤胶体内部，且部分被土壤胶体固定。在老化过程中，随着时间的推移，土壤有效态砷含量逐渐降低，且逐渐转化成稳定的结合态砷。

对于乙酸处理而言，培养第1、30、60、90、120 d时土壤有效态的砷含量都相互达到显著性差异水平，在老化过程中，有效态砷含量减少10.04%，下降比率为83.04%。而对于草酸、柠檬酸、腐植酸处理而言，土壤有效态砷含量的变化结果一致，三种处理下，除了第60、90 d土壤有效态砷含量未达到显著差异以外，其他老化时间下，土壤有效态砷含量均达到显著性差异水平。

进一步分析表 2的结果可知，在土壤老化过程中，草酸、柠檬酸、腐植酸三种类型的有机酸对土壤有效态砷含量的影响一致，即随着老化时间延长含量逐渐减少，但第60 d与第90 d差异不显著。对于乙酸而言，随着老化时间延长土壤中有效态砷逐渐降低，且各处理均达到显著性差异水平。造成此结果的主要原因是乙酸属于一元酸，而草酸、柠檬酸、腐植酸属于多元酸，乙酸的解离常数大于其他三种酸。而且一般来说，分子量越大的酸酸性越弱。有机酸显酸性是因为有羧基的存在，如果酸的原子量越大，与羧基相连的碳与羧基中氧的碳氧键就越弱，相应的氧氢键就越强，所以氢就越不容易游离出来。乙酸能比多元酸解离出更多的氢离子与土壤中砷发生相互作用。

2.1.2 对土壤中各结合态砷含量的影响

本研究中，测定了添加同一含量不同类型的有机酸（乙酸、草酸、柠檬酸、腐植酸）后不同老化时间的土壤结合态砷含量的变化，其结果如表 3所示。对于F1（非专性吸附态砷）而言，添加乙酸、柠檬酸处理中非专性吸附态砷变化趋势一致，在第1~30 d内F1含量显著降低（P < 0.05），降低率分别是64.54%和68.87%：添加草酸处理中第1~60 d内含量显著降低（P < 0.05），降低率为55.10%；而添加腐植酸的处理在第1~120 d内其含量变化差异显著。对于F2（专性吸附态砷）而言，添加乙酸和腐植酸处理中专性吸附态砷含量变化趋势一致，除了第60、90 d无显著差异，在第1~120 d内F2含量都达到显著性差异水平。添加草酸和柠檬酸的处理，F2含量在第1~60 d内显著下降，处理间达到显著性差异，随后缓慢下降。F3（弱结晶水合铁铝氧化物结合态砷）是一种中间过渡形态，其含量变化不显著。对于F4（结晶水合铁铝氧化物结合态砷）而言，其含量在添加有机酸的四种处理中第1~60 d内显著增加，达到显著性差异水平。对于F5（残渣态砷）而言，四种有机酸处理中，其含量在第1~30 d内达到显著差异水平，在第30~90 d内差异不显著，在第90~120 d内残渣态含量差异显著。

总体而言，不同类型的有机酸对土壤各结合态的砷的含量变化趋势一致，在土壤老化第1~120 d内，F1和F2含量逐渐减少，F4和F5含量逐渐增大，而F3作为一种中间形态，其变化趋势不一致。因此，不同类型的有机酸对土壤中各结合态砷的影响不显著。

2.2 有机酸添加量对As（Ⅴ）老化中土壤砷含量变化的影响 2.2.1 对土壤有效态砷含量的影响

据相关研究表明，有机酸的种类、浓度、重金属含量、形态及重金属-有机酸络合物的稳定常数等会影响重金属的活性及有效性^[14]。向第四纪红壤中添加有机酸后，土壤老化前后有效态砷含量的变化如表 4所示。

以老化至120 d时土壤有效态砷含量减去第1 d的有效态砷含量作为砷的变化量，其值为负代表砷在老化过程中被土壤吸附或固定，绝对值越大，表明被土壤吸附或固定的砷越多，土壤对砷的吸附或固定容量越大。对于添加乙酸的处理而言，与CK相比，除添加200 mg·kg^-1乙酸促进土壤中As（Ⅴ）的老化外，其他添加量的乙酸均抑制土壤中As（Ⅴ）的老化。在50、100 mg·kg^-1的添加量时，乙酸对As（Ⅴ）的固定量随添加量增加而减小，添加量增加至200 mg·kg^-1时，As（Ⅴ）的固定量逐渐增加，即200 mg·kg^-1时As（Ⅴ）的固定量最大，为6.14%。因此，与CK相比，乙酸添加量为50、100 mg·kg^-1时抑制As（Ⅴ）的老化，200 mg·kg^-1时促进As（Ⅴ）的老化。对于添加草酸和柠檬酸的处理而言，除添加量为50 mg·kg^-1促进土壤中As（Ⅴ）的老化，其他添加量的草酸和柠檬酸均抑制土壤中As（Ⅴ）的老化。草酸和柠檬酸添加量为50 mg·kg^-1时，As（Ⅴ）的固定量大于CK；在50~200 mg·kg^-1范围内，随草酸和柠檬酸添加量的升高，As（Ⅴ）的固定量逐渐减小。可见在50 mg·kg^-1时，草酸和柠檬酸的As（Ⅴ）固定量最大，分别为6.76%和6.40%。因此，草酸和柠檬酸在50 mg·kg^-1时，促进As（Ⅴ）在第四纪红壤上的老化；添加量在100 mg·kg^-1和200 mg·kg^-1时，抑制As（Ⅴ）的老化。与前三种有机酸不同的是，添加腐植酸的处理，砷的固定量没有出现波浪式变化，而是随着腐植酸添加量的增加而逐渐升高，表明腐植酸促进As（Ⅴ）的老化。腐植酸添加量为200 mg·kg^-1时，砷的固定量最大，含量为6.91%，比CK高出1.35%。腐植酸对第四纪红壤在土壤中老化的影响远比其他类型的有机酸大。

2.2.2 对土壤中各结合态砷的影响

外源砷在土壤中的老化是一个自然、缓慢的过程，也是砷进入土壤后与土壤胶体作用并达到新的平衡的过程。在该过程中，外源砷与土壤胶体之间持续发生着变化，使其键合的具体机制也随之发生改变，进而影响土壤中砷的毒性。本研究向第四纪红壤中分别添加乙酸、草酸、柠檬酸和腐植酸后，研究有机酸对As（Ⅴ）老化过程中土壤各结合态的变化，结果见表 5至表 8。

从表 5的结果看，在第1~120 d内F1含量都逐渐降低，特别是在第1~60 d内四个添加量水平下F1显著下降（P < 0.05）；随后在第60~120 d内F1含量缓慢下降，没有达到显著差异水平；F2是砷的主要形态，该形态砷变化较复杂，不同乙酸添加量对F2的影响不同，但F2含量随着老化过程的变化与F1类似，均逐渐降低。对于CK处理，第1~30 d内F2含量显著下降，下降率为83.81%，而在第30~120 d内缓慢下降，差异不显著，在90 d内下降率仅为16.19%。对于50、100、200 mg·kg^-1的处理而言，不但第1~30 d的F2含量差异显著，而且第30~120 d也都达到显著性差异，说明乙酸对专性吸附态砷有显著影响。F3代表低生物有效性砷。在四种添加量水平下，第1~120 d内F3含量逐渐升高，其中第1 d与第120 d达到显著差异，最大增加量为7.99%；F4代表土壤内部结合态砷形态，与F3变化规律类似，在第1~120 d内含量逐渐升高，但对于0、50 mg·kg^-1的处理而言，第1 d与第120 d未达到显著差异，而100、200 mg·kg^-1的处理达到显著差异水平，意味着当乙酸添加量高于100 mg·kg^-1，对F4含量影响显著。F5是固定于土壤颗粒晶体结构或包蔽于其他金属难溶盐沉淀中的砷，其移动性较差、但危害性也相对较低。对于四种处理而言，F5含量均显著增加，增加幅度为7.39%~13.62%。

从表 6的结果看，在第1~120 d内F1和F2含量逐渐降低，F3、F4和F5含量逐渐升高。对于F1而言，虽然草酸的添加量不同，但四种处理中，F1含量在第1~60 d内显著降低，降低幅度为0.75%~1.40%，减少率达到90%以上；在第60~120 d内减少量未达到显著性差异。对于F2而言，在1、30、60、90、120 d变化量均达到显著性差异水平，说明草酸对其影响很大。对于F3而言，所有处理在第1~90 d内含量增加显著，增加量为6.74%~8.87%；而在第90~120 d内，含量逐渐下降但仍高于第1 d时。F3属于5种结合态砷中的一种过渡形态，其性质不稳定，容易向其他形态转化。对于F4而言，在老化过程中所有处理含量逐渐升高，但未达到显著性差异。对于F5而言，在第1~120 d老化过程中，含量逐渐增加，均达到显著性差异水平，增加量为6.61%~12.23%。

从表 7的结果看，在第1~30 d内50、100、200 mg·kg^-1的处理，F1含量显著降低，减少量为1.18%~1.46%（下降率为82.81%~88.50%），在第30~120 d内其减少量未达到显著水平。对于F2而言，50、100 mg·kg^-1的处理中，在第1~120 d内F2含量的减少量达到显著差异，在200 mg·kg^-1的处理中，在第1~30 d内，F2减少量为1.36%，达到显著差异水平，而在第30~90 d内，F2减少量为0.18%，差异不显著。对于F3而言，含量变化较复杂，在50、100 mg·kg^-1的处理下，F3增加量达到显著差异水平；而200 mg·kg^-1处理未达到显著性差异水平。与CK相比，当柠檬酸的添加量在50~100 mg·kg^-1内，柠檬酸对F3含量影响显著。对于F4而言，随着老化过程，含量逐渐升高。与CK相比，在50、100 mg·kg^-1的处理下，结晶F4含量差异不显著，但200 mg·kg^-1处理，F4增加量达到显著差异水平。这表明，当柠檬酸的添加量高达200 mg·kg^-1时，柠檬酸对F4含量影响才显著。对于F5而言，与添加草酸、乙酸的结果一致，在第1~120 d老化过程中，含量逐渐增加，均达到显著性差异水平。

从表 8的结果看，对于F1而言，50、100、200 mg·kg^-1的处理在160 d内，含量显著降低，减少量为1.33%~1.79%（下降率为90.70%~94.08%），在60~120 d内F1含量的减少量未达到显著水平，其结果与添加草酸结果一致。与CK相比，腐植酸对F1影响不显著。对于F2而言，四个添加量处理在1~120 d内其减少量均达到显著差异，减少量为14.74%~18.16%。对于F3而言，在50、100、200 mg·kg^-1处理下，F3的增加量均达到显著差异水平。与CK相比，当添加量在50、100 mg·kg^-1时，腐植酸对F3含量影响显著。对于F4而言，在50、100 mg·kg^-1处理下，在老化过程中F3含量均未达到显著差异水平；而200 mg·kg^-1处理达到了显著性水平。因此，当添加量达到200 mg·kg^-1时，腐植酸对F4含量影响才显著。对于F5而言，与添加柠檬酸、草酸、乙酸的结果一致，在1~120 d老化过程中，F5含量逐渐增加，均达到显著性水平，增加量为8.35%~9.39%。

将以上两部分的结果进行比较发现，腐植酸对As（Ⅴ）老化中土壤有效态砷含量和各结合态砷含量的影响远比其他类型的有机酸大。乙酸对F2、F4态砷有显著影响；草酸对F2态砷有显著影响，而对其他四种结合态影响不显著。柠檬酸和腐植酸对F3、F4态砷影响显著。

3 讨论 3.1 有机酸类型对As（Ⅴ）在土壤中老化过程的影响

有机酸是土壤中普遍存在的一类有机配位体，土壤有机酸具有大量不同的官能团、较高的阳离子交换量和较大的表面积，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，使重金属在土壤-水-植物系统中的迁移、转化规律发生重大改变，从而影响重金属在土壤中的形态及其生物有效性^[14-15]。

一般研究发现，有机酸与重金属离子之间的相互作用与有机酸分子大小和结构、官能团的种类和数量以及土壤矿物结合程度等有关，因此有机酸对土壤老化过程的影响也不同^[16]。柠檬酸带有3个羧基，草酸带2个羧基，乙酸仅含有1个羧基，柠檬酸和草酸与铁、铝原子形成稳定的五元环或六元环的螯合物，乙酸与铁、铝形成的是单齿络合物，而且柠檬酸与土壤铁、铝氧化物形成的络合物的稳定常数均高于草酸^[17]。因此，三种酸络合砷离子能力由大到小依次为乙酸>草酸>柠檬酸。腐植酸分子是一类复杂的高分子化合物，具有特殊的化学性能以及较强的络合和螯合能力，使土壤中的砷向相对稳定的形态转化。一般而言，腐植酸比乙酸、草酸、柠檬酸对土壤中砷的吸附解吸过程影响更大。但更多的研究指出，有机酸与砷氧酸根有相似的电荷类型，两者间存在相互抑制作用，促进砷在土壤中的释放。Luo等^[18]和Warwick等^[19]对砷在红壤中的吸附研究表明草酸根、胡敏酸可以通过竞争吸附位点，减少吸附位点抑制红壤对砷的吸附。Jiang等^[20]认为土壤中的有机酸还能够与矿物质结合，或与砷直接反应生成结合较弱的配合物，从而减少吸附位点，使得砷吸附减少。

本研究发现，不同有机酸类型对As（Ⅴ）在第四纪红壤上老化过程的影响不明显。这可能是由于：第一，乙酸、草酸、柠檬酸、腐植酸都是弱酸，在环境中，经过一段时间后被土壤分解，不能继续与土壤中的砷发生反应，因此随着老化时间的延长，有机酸对砷的老化不再有显著影响。第二，本试验的供试土壤为第四纪红壤，pH为4.94，属于酸性土壤，当乙酸、草酸、柠檬酸、腐植酸中的羧酸根离子与土壤砷结合时，生成的络合物不稳定，在此环境下较易分解。第三，在本试验条件下，腐植酸是大分子化合物，其水溶性较差，不利于释放活性基团中的有效官能团，对土壤中砷的影响相对较弱等。因此，有机酸的类型对土壤中有效态砷含量和土壤结合态砷含量影响不明显，这也进一步说明了无论向农田中加入哪种类型的有机酸，其对土壤砷的作用差异不显著。

3.2 有机酸添加量对As（Ⅴ）在土壤中老化过程的影响及可能机制

本研究发现，有机酸的添加量对As（Ⅴ）在第四纪红壤上老化过程的影响很大。有机酸能通过调节土壤的pH值、与土壤中相关物质螯合、沉淀、稳定等途径影响土壤中砷的物理化学行为^[21-22]。

许多研究表明，砷通常以砷氧阴离子的形式被土壤吸附。当土壤pH下降时，土壤胶体上正电荷增加，土壤吸附砷的能力变强；反之，则土壤胶体表面负电荷增加，土壤吸附砷的能力变弱^[23]。添加有机酸可以改变土壤的pH，主要是由于其增加了土壤中H+的浓度，降低了pH值，则土壤吸附砷的能力增强。也有研究表明，当有机酸添加到一定量时，低分子有机酸对重金属吸附-解吸的影响呈双峰曲线变化^[24]。本研究中，乙酸添加量在50、100 mg·kg^-1时抑制As（Ⅴ）的老化，200 mg·kg^-1时促进As（Ⅴ）的老化；而对于草酸和柠檬酸而言，在50 mg·kg^-1时抑制As（Ⅴ）在第四纪红壤上的老化，在100、200 mg·kg^-1时促进As（Ⅴ）的老化。

土壤中的砷主要是与铁，铝等离子结合形成的难溶性砷酸盐^[25-28]。研究表明，有机酸之所以能促进土壤中的砷释放主要是由于有机酸含有大量配位基团，能与土壤中的铁铝氧化物发生络合反应，可以与砷竞争在铁铝氧化物表面的吸附位点，从而抑制铁铝氧化物对砷的吸附，促进As（Ⅴ）的释放^[29-31]。本研究中，四种有机酸主要是对专性吸附态砷和结晶水合铁铝氧化物结合态砷有显著影响，与陶玉强等^[32]研究结果一致。随着添加量的增加，有机酸对土壤砷老化的影响逐渐增大。这说明，土壤中的有机酸添加量是决定砷的物理化学行为的重要因素。

有机酸的添加量越大，对砷的老化影响越明显。因此，施用有机肥时，一定要注意其用量，控制有机肥中有机酸对土壤中砷的迁移能力的影响，从而减少生态风险。

4 结论

（1）在本试验条件下，As（Ⅴ）在第四纪红壤上老化不受有机酸类型的影响，而受有机酸添加量的影响。

（2）有机酸的添加量对土壤有效态砷含量影响差异显著。在50、100 mg·kg^-1时，乙酸抑制As（Ⅴ）的老化；在200 mg·kg^-1时，促进As（Ⅴ）的老化。在50 mg·kg^-1时，草酸和柠檬酸促进As（Ⅴ）在第四纪红壤上的老化；在50~200 mg·kg^-1时，抑制As（Ⅴ）的老化。添加腐植酸的处理，随着腐植酸添加量的增加，As（Ⅴ）的老化作用越强，腐植酸对第四纪红壤在土壤中老化的影响远比其他类型的有机酸大。

（3）有机酸的添加量对土壤结合态砷含量影响差异显著。在50~200 mg·kg^-1时，乙酸和草酸对土壤中专性吸附态砷有显著影响；在50~100 mg·kg^-1时，柠檬酸、腐植酸对弱结晶水合铁铝氧化物结合态砷影响显著；在100~200 mg·kg^-1时，乙酸对结晶水合铁铝氧化物态砷影响显著；当添加量高达200 mg·kg^-1时，柠檬酸和腐植酸对结晶水合铁铝氧化物结合态砷影响显著。