2018, Vol. 37
2. 湖南省地调院测试中心, 长沙 410116;
3. 北京农业质量标准与检测技术研究中心, 北京 100097
2. Test Center, Hunan Institute of Geological Survey, Changsha 410116, China;
3. Beijing Research Center for Agriculture Standards and Testing, Beijing 100097, China
砷（As）位于元素周期表的VA族第四周期，性质介于典型金属和典型非金属之间，归为类金属；在环境污染中也常将其归为重金属。砷可对消化系统、神经系统和血液系统等产生危害，易被人体消化道吸收进入血液，造成皮肤坏死等皮肤病，也可使染色体畸变、染色体互换错位，进而导致癌症[1]。除了一些富砷的地区外，土壤中砷背景含量一般不会超过15 mg· kg-1。污染土壤中的砷主要来源于人为活动，如：矿山开采[2]、有色金属冶炼[3]、化石燃料的燃烧[4]和含砷农药的使用[5]等。土壤中过量的砷一方面可以被农作物吸收，通过食物链进入人体；另一方面，可以在一定条件下向深层土壤迁移，污染地下水，进而对人体健康产生威胁。国内外均有土壤砷污染的相关报道，由此导致的砷中毒事件屡见不鲜[6-8]。2014年环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》表明我国土壤砷污染点位超标率为2.7%；在国家土壤质量标准规定的八种重金属中仅次于镉和镍，排在第三位。可见我国土壤砷污染状况不容乐观。土壤砷所产生的环境风险与其存在形态密切相关[9-10]，土壤砷的总量不足以评估其所产生的环境风险。因此，土壤中砷形态的分析对于土壤砷环境风险评估具有重要的意义。
连续提取法（SEP）是根据重金属等元素与土壤组分的结合方式及所形成化合物的化学性质将土壤中的重金属等元素划分为不同形态的样品前处理方法。连续提取法被广泛用于土壤重金属的形态分级，是研究土壤重金属毒性、迁移能力等环境行为的重要手段。Tessier法和BCR法是土壤重金属形态分级提取中最常用的方法，并得到了大多数科研工作者的认可[9, 11-14]。砷的性质与大多数重金属不同，其在土壤中多以含氧阴离子形式存在，因此针对土壤中不同形态重金属的连续提取方法并不完全适用于土壤砷的提取[15]。尽管当前有一些针对土壤中不同形态砷的连续提取方法，但提取方法并未统一，这给土壤中砷毒性和迁移能力相关研究间的对比造成了一定的困扰。本文综述了土壤中砷的形态及其连续提取方法，为今后土壤砷形态的分级提取提供一定参考。
1 土壤中的砷自然环境中砷是很多矿物的重要组成部分，比如雄黄（As4S4）、雌黄（As2S3）、毒砂（FeAsS）、砷华（As2O3）、臭葱石（FeAsO4·2H2O）等[16]。这些含砷矿物在人为活动中会发生一系列的氧化还原反应，最终导致砷以次生矿物等形式进入土壤。自然条件下土壤中砷为-Ⅲ、0、+Ⅲ和+Ⅴ价，并以各种含砷化合物的形式存在。无机砷为土壤中砷的主要存在形态，其中，无机砷又以As（Ⅴ）为主，只有在氧化还原电位较低的地下环境中As（Ⅲ）才会大量存在[17]；As（0）和As（-Ⅲ）在自然环境中一般存在较少。在土壤微生物的作用下，土壤中的无机砷可以转化成有机砷，比如：一甲基砷[MMA（Ⅴ）]、二甲基亚砷[DMA（Ⅴ）]、三甲基亚砷[TMA（Ⅲ）]及三甲基次胂酸（TMAO）等甲基砷化合物[18]。一般来说无机砷的毒性较有机砷高，且砷（Ⅲ）的毒性较砷（Ⅴ）高60倍[19-20]；也有研究表明，在有机砷代谢过程中产生的中间体一甲基砷[MMA（Ⅲ）]、二甲基亚砷[DMA（Ⅲ）]可以破坏生物DNA，也表现出极高的毒性[21]。
土壤中亚砷酸的解离常数较高，因此H3AsO3[As（OH）3]和H2AsO3-为土壤中As（Ⅲ）的主要存在形态[22-23]：
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而砷酸的酸性较亚砷酸强，土壤中As（Ⅴ）主要以H2AsO4-和HAsO42-为主。
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土壤中砷的形态还与pH值和Eh/pe值有关。通过热力学数据及离子浓度，模拟砷在简单环境下的不同形态，可知在氧化条件下，As（Ⅴ）为主要的存在形态；在中等氧化还原条件下，砷在较宽的pH值范围内均以不带电荷的As（OH）3存在（图 1）。而在真实的土壤环境中，由于铁、铝、钙和镁等元素的存在，砷多与土壤中的这些元素生成难溶的含砷化合物、无定型铁铝等沉淀[10]。当土壤中Eh值较低，且硫和砷含量较高时，还可能生成稳定的硫砷化合物，比如毒砂（Arsenopyrite）、雌黄（Orpiment）、雄黄（Realgar）等[17]。
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总砷为0.1 mmol·L-1；（c）为结晶态；（g）为气态；虚线表示在H2（g）和O2（g）存在的自然环境中氧化还原电位的极限[17] Total As=0.1 mmol·L-1; (c)=crystalline; (g)=gas; dashed lines indicate environmental redox limits imposed by the dissociation of water to H2(g) and O2(g)[17] 图 1 As-O-H体系pe-pH图 Figure 1 pe-pH diagram for the As-O-H system |
土壤中的砷主要与铁/锰/铝氧化物、有机质、硅铝酸盐等不同土壤组分结合，以不同的化合物或矿物存在；其生物可利用性、迁移能力等受到氧化/还原、沉淀/溶解、吸附/解吸及甲基化等过程控制[22, 24]。直接区分土壤中化合物的类型相当困难，通常用基于化学提取定义的土壤砷形态来研究土壤中砷的毒性和迁移能力；此处定义的土壤砷形态为操作定义（Operational definition）上的形态[10]。
化学连续提取法是研究土壤中微量元素形态的重要手段。当前针对不同形态土壤重金属的连续提取方法较多，也相对成熟。常用的土壤重金属连续提取方法有Tessier法[25]和BCR法[11]，并得到了广泛认可。这些提取方法一般将土壤中的重金属分为离子交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机态和残渣态。但是砷为类金属，在土壤中多以砷酸根（AsO43-）和亚砷酸根（AsO33-）等含氧阴离子形式存在，表现出不同的环境行为。研究表明pH值对土壤吸附砷和其他重金属的影响不同。在碱性条件下，大部分矿物吸附砷的能力很弱，而吸附其他重金属的能力很强[26]。另外，土壤吸附砷酸根（AsO43-）和亚砷酸根（AsO33-）的能力也不同[27-28]。由于砷与磷同为VA族，在自然环境中均以带电含氧负离子形态存在，因此大多数土壤中不同形态砷的连续提取法均参考了土壤磷的连续提取法[29-31]。也有部分研究用改进的土壤重金属的连续提取法对土壤中的砷的形态进行分级提取[9, 32-33]。
根据当前土壤砷的连续提取法，一般将土壤中的砷分为：水溶态砷、弱吸附态砷（可交换态砷/非专性吸附态砷）、强吸附态砷（专性吸附态砷）、无定型铁铝氧化物结合态砷、晶质铁铝氧化物结合态砷、钙结合态砷和难以提取的残渣态砷等多种形态[29, 34-35]。还有提取方法将铁结合态砷、铝结合态砷、硅酸盐结合态砷、砷氧化物中的砷、黄铁矿结合态砷和无定型As2S3中的砷进行了分级提取[36-38]。
水溶态砷（Water soluble As）主要以AsO43-和AsO33-形态存在，一般存在于土壤溶液中。弱吸附态砷也被称为非专性吸附态砷（Non-specifically adsorbed As），主要为吸附在土壤颗粒表面的砷，其可通过离子交换进入土壤溶液中。这两部分砷在土壤中所占比例一般较小（< 3%），但生物可利用性和迁移能力较强[39]。研究表明污染土壤中水溶态砷与弱吸附态砷的含量与植物中砷的含量呈现很好的相关性，大部分水溶态和弱吸附态砷可以被植物吸收[9]。
土壤中强吸附态砷又称专性吸附态砷（Specifically adsorbed As），主要吸附在土壤颗粒中的铁锰氧化物表面，形成内层吸附，且不能通过离子交换而发生解吸[40]。通过近边X射线吸收光谱（XANES）和扩展X射线吸收光谱（EXAFS）研究发现土壤中的该部分砷与土壤中铁/锰/铝的氧化物和氢氧化物形成内层单核或双核的单齿或双齿的络合物，被强烈吸附[41]。强吸附态砷的生物可利用性和迁移能力较水溶态砷和弱吸附态砷弱。
铁铝氧化物结合态砷是土壤中砷存在的重要形态。由于其可以被NH2OH·HCl等还原剂提取，在土壤重金属形态提取中也被称为可还原态[25, 42]。铁铝氧化物结合态砷又可根据铁铝氧化物的存在形态分为无定型铁铝氧化物结合态砷和晶质铁铝氧化物结合态砷。因为铁铝氧化物能够强烈吸附砷[27, 41]，所以铁铝氧化物结合态砷在很多土壤中含量较高，可占到土壤中砷总量的50%~60%[37]。但当土壤的氧化还原条件改变时，土壤中的Fe（Ⅲ）可被还原为Fe（Ⅱ），发生溶解，与之结合的砷也会随之进入土壤溶液，因此该部分砷也具有一定的生物可利用性和迁移能力[43]。该部分砷还可分为铁结合态砷和铝结合态砷。铁结合态砷较铝结合态砷更加稳定，且一般土壤中铁结合态砷较铝结合态砷含量高。
钙结合态砷只有在碱性且氧化还原电位较高的土壤中才能稳定存在，且钙结合态砷稳定性较铁结合态砷和铝结合态砷差[10, 36]。因此，对于pH值较高的石灰性土壤，钙结合态砷可能是砷的重要组成形态。武斌等[39]针对石灰性土壤的特点，对钙结合态砷进行了提取，结果表明该部分砷在石灰性土壤中占比较高（14%~28%）。但是Wenzel等[29]在优化土壤砷提取方法的研究中，用1 mol·L-1的NaAc-HAc缓冲溶液对多种不同钙含量和pH值的土壤/沉积物中的钙结合态砷进行了提取，发现土壤样品中钙结合态砷含量均较低；其结果与Javed等[37]的研究结果相同。不同研究中钙结合态砷含量的差异可能与所用提取剂和提取条件不同有关。
此外，还有部分提取方法将土壤中的砷分为硅酸盐结合态砷、黄铁矿结合态砷和无定型As2S3[37-38]。硅铝酸盐矿物结合态砷、砷氧化物态砷和无定型As2S3中的砷含量一般较低，且其生物可利用性及迁移能力弱，大多数提取方法将它们划分到残渣态，不再进一步提取[38]。
2.2 土壤砷形态连续提取法中的提取剂不同化学试剂对土壤中砷的提取能力不同。连续提取法中需要先选用化学性质温和的试剂提取活性较高的砷，随后提取剂的提取能力逐步提高，最终达到区分不同形态砷的目的。因此根据土壤中不同形态砷的化学性质，选择合适的提取剂对土壤中目标形态砷进行提取是连续提取法成功与否的关键。通常，提取剂与提取顺序的选择应满足以下几个条件：①对提取的目标土壤组分具有较高的选择性，而对其他组分的提取干扰较小；②溶出的目标微量元素尽可能不产生次生沉淀或强烈的再吸附；③操作简单方便[44-45]。针对土壤中不同形态砷的提取，已有大量的研究报道。Johnston等[46]比较研究了14种提取剂对土壤中砷的提取能力，其提取能力大小为：水≈1 mol·L-1 NH4Cl≈0.5 mol · L-1 NH4Ac≈0.5 mol · L-1 NH4NO3≤ 0.5 mol·L-1（NH4）2SO4 < 0.5 mol·L-1 NH4F≈0.5 mol·L-1 NaHCO3 < 0.5 mol·L-1（NH4）2CO3≤（0.05 mol·L-1 HCl+ 0.025 mol · L-1 H2SO4）≤0.5 mol · L-1 HCl < 0.5 mol · L-1 Na2CO3 < 0.5 mol·L-1 KH2PO4 < 0.5 mol · L-1 H2SO4≈0.1 mol·L-1 NaOH。不同连续提取方法中常用的提取剂如表 1所示。
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表 1 土壤中不同形态砷连续提取所用的提取剂 Table 1 Extractants of SEPs for the geochemical fractions of arsenic in soils |
NH4Cl、（NH4）2SO4、KCl、MgCl2、NaAc和NH4NO3溶液等是提取土壤中弱吸附态砷的常用提取剂。提取剂中的Cl-、SO42-、CH3COO-、NO3-等阴离子可与吸附在土壤颗粒表面的砷发生离子交换，进而使弱吸附态砷解吸。研究表明当提取剂中有Cl-存在，且用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）对提取剂中的砷进行测定时，Cl-可以和Ar原子反应，形成与75As质荷比相同的多原子离子（40Ar35Cl），对ICP-MS测定砷造成一定的干扰[37]。在相同离子强度下，（NH4）2SO4提取弱吸附态砷的能力较NH4NO3强[46]。
磷酸盐溶液常用来提取土壤中强吸附态砷，NH4H2PO4和NaH2PO4溶液是常用的提取剂。磷与砷的电子排布相似，且均形成三元酸，但磷酸根半径较砷酸根和亚砷酸根小，具有更强的电荷密度，因此磷酸根易将吸附在土壤颗粒表面的砷进行替换[29]。但是有研究表明1 mol·L-1 NaH2PO4（pH=5）溶液还可以溶解约50%的白云石[CaMg（CO3）2]，造成强吸附态砷过量提取[37]；因此用低浓度的NaH2PO4溶液提取强吸附态砷更为合适。Wenzel法[29]和Drahota法[35]中用低浓度的NH4H2PO4溶液替换了NaH2PO4溶液来提取强吸附态砷，取得了良好的效果。NaHCO3溶液也是常用的强吸附态砷提取剂。NaHCO3溶液最早被Hedley等[47]用来提取土壤中不同形态的磷，后来McLaren等[30]用其提取土壤强吸附态砷。而Shiowatana等[34]改进McLaren法后，NaHCO3溶液被用来提取吸附态砷（弱吸附态砷+强吸附态砷）。但有研究表明用提取土壤中磷的提取剂直接提取土壤中的砷可能使目标形态砷提取不充分，且易导致提取的砷再吸附[15, 48]。
McLaren等[30]用提取土壤中不同形态磷的方法（Hedley法）来提取土壤中的砷，该方法用NaOH溶液提取强烈吸附在铁铝氧化物表面的砷；NaOH溶液超声30 min来提取土壤颗粒内部铁铝氧化物结合态砷。Shiowatana法和Manful法等提取方法也用NaOH溶液提取土壤中铁/铝结合态砷[34, 36, 39-50]。由McLaren法可知，NaOH溶液一般振荡条件下所提取的砷为铁氧化物/氢氧化物表面吸附态砷。而土壤中部分砷易与铁共沉淀生成臭葱石等次生矿物[53]，因此，在简单振荡条件下NaOH溶液不能将土壤中铁铝氧化物结合态砷提取完全[49]。除此之外，NaOH溶液还可将部分有机质提取态砷溶解，造成目标砷形态过量提取[36, 49]。Tessier法和BCR法中用NH2OH·HCl溶液（还原剂）来提取土壤中铁锰氧化物结合态重金属，其效果得到了普遍认可，因此NH2OH·HCl溶液也被用于土壤中铁铝氧化物结合态砷的提取[42]。但有研究表明NH2OH· HCl溶液仅能溶解水铁矿和纤铁矿，不能将土壤中铁铝氧化物结合态砷提取完全[54]。Gruebel等[15]研究也发现用NH2OH·HCl溶液可以将土壤中无定型铁氢氧化物结合态砷或硒提取完全，而对于吸附在晶质铁氧化物中的砷和硒并不能完全提取。这就表明，无定型铁溶解而释放的砷或硒，可能再次吸附到晶质铁氧化物表面，进而降低NH2OH·HCl溶液的提取效率[55]。其他一些研究也发现了类似结果[9, 49]。Wenzel法根据土壤中铁铝氧化物的形态，进一步将铁铝氧化物结合态砷划分成无定形态铁铝氧化物结合态和晶质铁铝氧化物结合态[29]。草酸铵缓冲溶液（Tamm试剂）与铁有很强的络和能力，且具有较低的还原能力（E0=-0.38 V），可溶解土壤中铁氧化物，并形成Fe-C2O42-的络合物[44]。因此，草酸铵缓冲溶液常用来提取土壤中的无定型铁铝氧化物[56]，并被用于提取无定型铁铝氧化物结合态砷[29, 35, 37-38]。在无定型铁铝氧化物结合态砷提取完毕后，草酸铵缓冲液（水浴80~95 ℃）或Ti（Ⅲ）-柠檬酸钠-EDTA-碳酸氢钠混合溶液可用来提取晶质铁铝氧化物结合态砷[29, 37-38]。此外，还有一些提取方法对铝结合态砷进行了单独提取，所用的提取剂主要是NH4F溶液（0.5 mol·L-1）[36, 39, 50]。
H2SO4和HCl等稀酸溶液能够溶解土壤中的碳酸盐矿物，是提取土壤中钙结合态砷最常用的试剂[30, 34, 39]。但也有研究表明，HCl溶液提取钙结合态砷时，提取液中也检测出与砷同样数量级浓度的铁和铝，说明在钙结合态砷的提取过程中部分铁铝氧化物结合态砷也发生了溶解[34]。这可能是因为Cl-与部分铁形成络合物，使部分无定形态铁结合态砷发生了溶解[38]。还有研究表明，HCl溶液在提取钙结合态砷过程中可溶解部分含砷硫化物[38]。NaAc-HAc缓冲溶液（pH=5）也常用于提取土壤中钙结合态砷[25, 37]。Javed等[37]研究表明NaAc-HAc缓冲液（pH=5）可溶解土壤中约94%的方解石，是选择性较好的提取剂。
硅酸盐结合态砷、黄铁矿结合态砷、有机结合态砷和无定型雌黄中的砷可以分别用HF、浓HNO3和30% H2O2 + 1 mol·L-1 NH4OAc（V/V=1:2）等溶液来提取[37-38]。由于它们在土壤中的活性和迁移能力较弱，针对它们的分级提取较少。
除此之外，KH2PO4、NaOH、H3PO4等溶液也常用来提取土壤中不同形态的砷[57-59]，并与相关仪器分析方法如原子荧光光谱法（AFS）、高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法（HPLC-ICP-MS）、高效液相色谱-原子荧光联用（HPLC-AFS）、毛细管电泳（CE）等进行联用，进而测定提取剂中不同形态砷[As（Ⅲ）、As（Ⅴ）、MMA、DMA等][60]。这就需要所选的提取剂能够将土壤中的砷提取出来，且在提取过程中不引起砷的形态变化。
3 土壤砷形态连续提取方法土壤中不同形态砷的连续提取法大多是根据土壤中磷或者重金属的连续提取方法改进而来，也有部分方法参考了矿山废弃物中微量元素的连续提取方法（图 2）[35, 61]。当前一些重要的土壤砷的连续提取方法有Wenzel法[29]、Shiowatanan法[34]、Keon法[38]、Drahota法[35]等，还有一些在此基础上改进的土壤砷连续提取方法。几种常用的土壤砷连续提取方法具体操作如表 2所示。
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Zenien-Brummer法[52]；Change-Jascon法[62]；Wenzel法[29]；Hedley法[47]；McLaren法[30]；Shiowatanan法[34]；Tessier法[25]；Sondag法[65]；Dold法[64]；Kreidie法[61]；Javed法[37]；Gatehouse法[66]；Lord法[67]；Huerta-Diaz法[63]；Keon法[38]；Drahota法[35]） Zenien-Brummer method[52]; Change-Jascon method[62]; Wenzel method[29]; Hedley method[47]; McLaren method[30]; Shiowatanan method[34]; Tessier method[25]; Sondag method[65]; Dold method[64]; Kreidie method[61]; Javed method[37]; Gatehouse method[66]; Lord method[67]; Huerta-Diaz method[63]; Keon method[38]; Drahota method[35]) 图 2 土壤砷形态连续提取方法改进示意图 Figure 2 Diagram of SPE development of arsenic geochemical fractions in soils |
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表 2 Wenzel法、Shiowatana法、Keon法和Drahota法提取步骤 Table 2 SPEs of Wenzel, Shiowatana, Keon and Drahota methods |
Wenzel法是当前土壤中砷形态提取最常用的方法之一。其主要是通过将土壤重金属形态提取方法（Zenien - Brummer法[52]）和土壤磷形态提取方法（Change-Jascon法[62]）进行联合和优化得到。Wenzel等[29]比较了不同提取剂对目标形态砷的选择性和提取效率。最终确定用（NH4）2SO4（0.05 mol · L-1）、NH4H2PO4（0.05 mol·L-1）、草酸铵缓冲液（0.2 mol·L-1，pH=3）、草酸铵缓冲液（0.2 mol·L-1）+抗坏血酸（0.2 mol·L-1）（pH=3，96 ℃）几种溶液分别提取土壤中的弱吸附态砷、强吸附态砷、无定型铁铝氧化物结合态砷、晶质铁铝氧化物结合态砷。结果表明，该方法回收率和重复性均较好。但是该方法未将钙结合态砷进行分级，是否适用于pH值较高的石灰性土壤有待进一步验证。
Shiowatanan法[34]是在McLaren法[30]基础上进行改进的提取方法。这两种提取方法均以土壤中磷形态提取法为基础（Hedley法[47]）。Shiowatanan法将土壤中的砷分为了水溶态砷、表层吸附态砷、铁铝结合态砷和钙结合态砷。Wan等[9]比较了Shiowatanan法、Tessier法和BCR法对土壤中砷的提取效率，结果表明砷的回收率在83.3%~114%，大多数土壤样品变异系数低于5%，且Shiowatanan法提取的生物可利用砷（水溶态砷+表层吸附态砷）与植物中砷的含量呈现更好的相关性。但Shiowatana法用NaOH溶液提取铁铝结合态砷，可能使土壤中的铁铝氧化物结合态砷提取不完全[36, 49]。
Huerta-Diaz法[63]用1 mol·L-1 HCl、10 mol·L-1 HF和浓HNO3分别提取沉积物中活性态微量金属元素、硅铝酸盐结合态微量金属元素和黄铁矿结合态微量元素。Keon法[38]在Huerta-Diaz法的基础上使用更多的提取剂，根据土壤中砷固相组分的化学性质进一步将土壤砷划分成了弱吸附态砷、强吸附态砷、无定型铁铝结合态砷、晶质铁铝结合态砷和晶质硫化砷。
矿山废弃物中含有大量含砷矿物，且矿山废弃物中pH值、Eh值等性质及Fe、Al和S等元素的含量变化较大，导致矿山废弃物中砷形态提取具有一定的特殊性。Drahota法[35]针对矿山废弃物的特点，对Wenzel法[29]和Dold法[64]进行了优化，使其操作更加简便，且适用于矿山废弃物中砷的提取。Drahota法对模式矿物和矿山废弃物砷形态的分级提取结果表明，该提取法对目标砷提取效率较高（>85%），砷的回收率为89%~112%[35]。Drahota法对土壤中砷形态的分级提取也具有重要的参考意义。
Javed法[37]是在Kreidie法[61]的基础上进行改进的提取方法，可将土壤中>90%的砷提取出来。该方法将大多数提取方法中划分到残渣态的砷进行进一步提取，划分为氧化物砷及硅酸盐矿物结合态砷（As associated with As oxides and silicate clays）、黄铁矿和无定型雄黄共沉淀砷（Pyrite and amorphous orpiment coprecipitated As）、有机态和次生硫化物结合态砷（Organic matter- and secondary sulfide-bound As）和残渣态砷（Residual As）。而Kreidie法[61]是硫化铜尾矿中次生矿物提取法（Dold法[64]）的改进方法。Dold法源自于土壤重金属形态提取方法Tessier法[25]和Sondag法[65]。
除此之外，还有一些针对性比较强的土壤砷形态提取方法。比如Huang等[42]提出了一种能够区分土壤中砷（Ⅲ）和砷（Ⅴ）的连续提取方法，该方法能够提供更多土壤中砷形态的信息。
土壤砷的连续提取方法不同，提取的目标形态砷也不同。在土壤砷形态分析中还需要根据土壤性质和研究目的，选择合适的土壤砷形态连续提取方法。比如Wenzel法适用于大多数土壤中砷形态的分级提取，但是该方法并未提取钙结合态砷；Shiowatana法尽管对钙结合态砷进行了提取，但是该方法中提取铁铝氧化物结合态砷的试剂为NaOH溶液，这又造成了部分有机质结合态砷的溶解和铁铝氧化物结合态砷的不完全提取。相较于上述两种方法，Javed法和Keon法将土壤中的砷划分成了更多的形态，这对于研究土壤中砷形态赋存具有一定的意义。连续提取方法还可和仪器分析手段联合使用，将基于化学提取的土壤砷形态与土壤本身的化学形态结合起来。这可以提高连续提取方法分级的依据，有助于连续提取方法的验证，有助于提取剂种类、提取条件的优化筛选，有助于土壤砷形态信息的进一步提取。X射线衍射技术（XRD）、扫描电镜-电子能谱（SEM-EDX）、X射线吸收精细结构光谱（XAFS）、X射线吸收近边结构光谱（XANES）等仪器分析手段与土壤重金属（含砷）形态连续提取方法联合分析已被用于部分研究，并取得了一定的成果[37, 49, 68-73]。
4 结论目前，土壤砷的连续提取方法众多，暂未形成统一的提取方法，造成不同土壤砷形态研究结果间的对比困难。本文通过综述土壤砷化学形态、追踪土壤砷形态连续提取方法发展过程、比较不同土壤砷形态连续提取方法的差异，得到以下结论和建议：
（1）土壤中的砷一般被划分为水溶态砷、弱吸附态砷（可交换态砷/非专性吸附态砷）、强吸附态砷（专性吸附态砷）、无定型铁铝氧化物结合态砷、晶质铁铝氧化物结合态砷、钙结合态砷和难以提取的残渣态砷等多种形态。常用土壤砷形态连续提取方法有Wenzel法、Shiowatana法、Keon法和Drahota法等。
（2）当前土壤砷形态连续提取方法主要源于土壤重金属和磷的提取方法、矿山废弃物中微量元素的提取方法。
（3）不同方法所使用的提取剂不同、提取强度、提取条件等也不同，使提取结果有一定差异。土壤成分复杂，土壤砷污染情况各异，因此在土壤砷形态分析中还需要根据土壤性质和研究目的，选择合适的土壤砷形态连续提取方法。在土壤砷形态连续提取的过程中还可与XRD、XAFS、XANES等仪器分析手段联合使用，可获得到更多的土壤砷形态的相关信息。
| [1] |
Anawar H M, Akai J, Mostofa K M G, et al. Arsenic poisoning in groundwater:Health risk and geochemical sources in Bangladesh[J]. Environment International, 2002, 27(7): 597-604. DOI:10.1016/S0160-4120(01)00116-7 |
| [2] |
Serrano S, Gomez-Gonzalez M A, O'Day P A, et al. Arsenic speciation in the dispersible colloidal fraction of soils from a mine-impacted creek[J]. Journal of Hazardous Materials, 2015, 286: 30-40. DOI:10.1016/j.jhazmat.2014.12.025 |
| [3] |
Slowey A J, Johnson S B, Newville M, et al. Speciation and colloid transport of arsenic from mine tailings[J]. Applied Geochemistry, 2007, 22(9): 1884-1898. DOI:10.1016/j.apgeochem.2007.03.053 |
| [4] |
高炜, 支国瑞, 薛志钢, 等. 1980-2007年我国燃煤大气汞, 铅, 砷排放趋势分析[J]. 环境科学研究, 2013, 26(8): 822-828. GAO Wei, ZHI Guo-rui, XUE Zhi-gang, et al. Analysis of atmospheric emission trends of mercury, lead and arsenic from coal combustion in China from 1980-2007[J]. Research of Environmental Sciences, 2013, 26(8): 822-828. |
| [5] |
Rahman M S, Clark M W, Yee L H, et al. Arsenic solid-phase speciation and reversible binding in long-term contaminated soils[J]. Chemosphere, 2017, 168: 1324-1336. DOI:10.1016/j.chemosphere.2016.11.130 |
| [6] |
Chen C J. Health hazards and mitigation of chronic poisoning from arsenic in drinking water:Taiwan experiences[J]. Reviews on Environmental Health, 2014, 29(1/2): 13-19. |
| [7] |
Rodriguez-Lado L, Sun G F, Berg M, et al. Groundwater arsenic contamination throughout China[J]. Science, 2013, 341(6148): 866-868. DOI:10.1126/science.1237484 |
| [8] |
Nasrabadi T, Bidabadi N S. Evaluating the spatial distribution of quantitative risk and hazard level of arsenic exposure in groundwater, case study of Qorveh County, Kurdistan Iran[J]. Journal of Environmental Health Science and Engineering, 2013, 10(1): 1-8. DOI:10.1186/1735-2746-10-1 |
| [9] |
Wan X, Dong H C, Feng L, et al. Comparison of three sequential extraction procedures for arsenic fractionation in highly polluted sites[J]. Chemosphere, 2017, 178: 402-410. DOI:10.1016/j.chemosphere.2017.03.078 |
| [10] |
陈怀满. 环境土壤学[M]. 二版. 北京: 科学出版社, 2010. CHEN Huai-man. Environmental soil science[M]. 2nd Edition. Beijing: Science Press, 2010. |
| [11] |
Rauret G, López-Sánchez J F, Sahuquillo A, et al. Improvement of the BCR three step sequential extraction procedure prior to the certification of new sediment and soil reference materials[J]. Journal of Environmental Monitoring, 1999, 1(1): 57-61. |
| [12] |
Liu G N, Wang J, Liu X H, et al. Partitioning and geochemical fractions of heavy metals from geogenic and anthropogenic sources in various soil particle size fractions[J]. Geoderma, 2018, 312: 104-113. DOI:10.1016/j.geoderma.2017.10.013 |
| [13] |
Marković J, Jović M, Smičiklas I, et al. Chemical speciation of metals in unpolluted soils of different types:Correlation with soil characteristics and an ANN modelling approach[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2016, 165: 71-80. DOI:10.1016/j.gexplo.2016.03.004 |
| [14] |
王亚平, 黄毅, 王苏明, 等. 土壤和沉积物中元素的化学形态及其顺序提取法[J]. 地质通报, 2005, 24(8): 728-734. WANG Ya-ping, HUANG Yi, WANG Su-ming, et al. Chemical speciation of elements in sediments and soils and their sequential extraction process[J]. Geological Bullentin of China, 2005, 24(8): 728-734. DOI:10.3969/j.issn.1671-2552.2005.08.009 |
| [15] |
Gruebel K A, Leckie J O, Davis J A. The feasibility of using sequential extraction techniques for arsenic and selenium in soils and sediments[J]. Soil Science Society of America Journal, 1988, 52(2): 390-397. DOI:10.2136/sssaj1988.03615995005200020016x |
| [16] |
Kim E J, Yoo J C, Baek K. Arsenic speciation and bioaccessibility in arsenic-contaminated soils:Sequential extraction and mineralogical investigation[J]. Environmental Pollution, 2014, 186: 29-35. DOI:10.1016/j.envpol.2013.11.032 |
| [17] |
Wilson S C, Lockwood P V, Ashley P M, et al. The chemistry and behaviour of antimony in the soil environment with comparisons to arsenic:A critical review[J]. Environmental Pollution, 2010, 158(5): 1169-1181. DOI:10.1016/j.envpol.2009.10.045 |
| [18] |
Wang S L, Mulligan C N. Occurrence of arsenic contamination in Canada:Sources, behavior and distribution[J]. Science of the Total Environment, 2006, 366(2/3): 701-721. |
| [19] |
常思敏, 马新明, 蒋媛媛, 等. 土壤砷污染及其对作物的毒害研究进展[J]. 河南农业大学学报, 2005, 39(2): 161-166. CHANG Si-min, MA xin-ming, JIANG Yuan-yuan, et al. Research progress on arsenic contamination in soils and arsenic toxicity in crops[J]. Journal of Henan Agricultural University, 2005, 39(2): 161-166. DOI:10.3969/j.issn.1000-2340.2005.02.010 |
| [20] |
WHO. Environmental health Criteria 18:Arsenic[M]. Geneva: World Health Organization, 1981.
|
| [21] |
Dopp E, Hartmann L M, Florea A M, et al. Uptake of inorganic and organic derivatives of arsenic associated with induced cytotoxic and genotoxic effects in Chinese hamster ovary (CHO) cells[J]. Toxicology and Applied Pharmacology, 2004, 201(2): 156-165. DOI:10.1016/j.taap.2004.05.017 |
| [22] |
Aide M, Beighley D, Dunn D. Arsenic in the soil environment:A soil chemistry review[J]. Internal Journal of Applied Agricultural Research, 2016, 11(1): 1-28. DOI:10.3923/ijar.2016.1.12 |
| [23] |
Smith E R G, Naidu R, Alston A. Arsenic in the soil environment[J]. Advances in Agronomy, 1998, 64(8): 149-195. |
| [24] |
Ehlert K, Mikutta C, Kretzschmar R. Effects of manganese oxide on arsenic reduction and leaching from contaminated floodplain soil[J]. Environmental Science & Technology, 2016, 50(17): 9251-9261. |
| [25] |
Tessier A, Campbell P G C, Bisson M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals[J]. Analytical Chemistry, 1979, 51(7): 844-851. DOI:10.1021/ac50043a017 |
| [26] |
Dzombak D A. Surface complexation modeling:Hydrous ferric oxide[M]. New York: Wiley-Interscience, 1990.
|
| [27] |
Mehmood A, Hayat R, Wasim M, et al. Mechanisms of arsenic adsorption in calcareous soils[J]. Journal of Agriculture & Biological Sciences, 2009, 1: 59-65. |
| [28] |
Suda A, Makino T. Functional effects of manganese and iron oxides on the dynamics of trace elements in soils with a special focus on arsenic and cadmium:A review[J]. Geoderma, 2016, 270: 68-75. DOI:10.1016/j.geoderma.2015.12.017 |
| [29] |
Wenzel W W, Kirchbaumer N, Prohaska T, et al. Arsenic fractionation in soils using an improved sequential extraction procedure[J]. Analytica Chimica Acta, 2001, 436(2): 309-323. DOI:10.1016/S0003-2670(01)00924-2 |
| [30] |
McLaren R G, Naidu R, Smith J, et al. Fractionation and distribution of arsenic in soils contaminated by cattle dip[J]. Journal of Environmental Quality, 1998, 27(2): 348-354. |
| [31] |
Woolson E A, Axley J H, Kearney P C. Correlation between available soil arsenic, estimated by six methods, and response of corn(Zea mays L.)[J]. Soil Science Society of America Journal, 1971, 35(1): 101-105. DOI:10.2136/sssaj1971.03615995003500010030x |
| [32] |
程素敏, 王娟, 张岩, 等. 土壤样品中砷的形态分析方法研究[J]. 中国无机分析化学, 2016, 6(1): 17-21. CHENG Su-min, WANG Juan, ZHANG Yan, et al. Study on speciation analysis of arsenic in soil samples[J]. Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry, 2016, 6(1): 17-21. DOI:10.3969/j.issn.2095-1035.2016.01.005 |
| [33] |
Huang G, Chen Z, Wang J, et al. Impact of temperature on the aging mechanisms of arsenic in soils:Fractionation and bioaccessibility[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(5): 4594-4601. DOI:10.1007/s11356-015-5701-2 |
| [34] |
Shiowatana J, Mclaren R G, Chanmekha N, et al. Fractionation of arsenic in soil by a continuous-flow sequential extraction method[J]. Journal of Environmental Quality, 2001, 30(6): 1940-1949. DOI:10.2134/jeq2001.1940 |
| [35] |
Drahota P, Grosslova Z, Kindlova H. Selectivity assessment of an arsenic sequential extraction procedure for evaluating mobility in mine wastes[J]. Analytica Chimica Acta, 2014, 839: 34-43. DOI:10.1016/j.aca.2014.06.022 |
| [36] |
Van Herreweghe S, Swennen R, Vandecasteele C, et al. Solid phase speciation of arsenic by sequential extraction in standard reference materials and industrially contaminated soil samples[J]. Environmental Pollution, 2003, 122(3): 323-342. DOI:10.1016/S0269-7491(02)00332-9 |
| [37] |
Javed M B, Kachanoski G, Siddique T. A modified sequential extraction method for arsenic fractionation in sediments[J]. Analytica Chimica Acta, 2013, 787: 102-110. DOI:10.1016/j.aca.2013.05.050 |
| [38] |
Keon N E, Swartz C H, Brabander D J, et al. Validation of an arsenic sequential extraction method for evaluating mobility in sediments[J]. Environmental Science & Technology, 2001, 35(13): 2778-2784. |
| [39] |
武斌, 廖晓勇, 陈同斌, 等. 石灰性土壤中砷形态分级方法的比较及其最佳方案[J]. 环境科学学报, 2006, 26(9): 1467-1473. WU Bin, LIAO Xiao-yong, CHEN Tong-bin, et al. Comparison of five methods for fractionation of calcareous soil contaminated with arsenic[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2006, 26(9): 1467-1473. DOI:10.3321/j.issn:0253-2468.2006.09.011 |
| [40] |
Smith E, Naidu R, Alston A M. Chemistry of inorganic arsenic in soils[J]. Journal of Environmental Quality, 2002, 31(2): 557-563. DOI:10.2134/jeq2002.5570 |
| [41] |
Kappen P, Webb J. An EXAFS study of arsenic bonding on amorphous aluminium hydroxide[J]. Applied Geochemistry, 2013, 31: 79-83. DOI:10.1016/j.apgeochem.2012.12.007 |
| [42] |
Huang J H, Kretzschmar R. Sequential extraction method for speciation of arsenate and arsenite in mineral soils[J]. Analytical Chemistry, 2010, 82(13): 5534-5540. DOI:10.1021/ac100415b |
| [43] |
Fendorf S, Nico P S, Kocar B D, et al. Chapter 12-Arsenic chemistry in soils and sediments, in developments in soil science[C]//Balwant S, Markus G. Developments in soil science, Elsevier, 2010: 357-378.
|
| [44] |
关天霞, 何红波, 张旭东, 等. 土壤中重金属元素形态分析方法及形态分布的影响因素[J]. 土壤通报, 2011, 42(2): 503-512. GUAN Tian-xia, HE Hong-bo, ZHANG Xu-dong, et al. The methodology of fractionation analysis and the factors affecting the species of heavy metals in soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2011, 42(2): 503-512. |
| [45] |
蒋廷惠, 胡霭堂, 秦怀英. 土壤锌、铜、铁、锰形态区分方法的选择[J]. 环境科学学报, 1990, 10(3): 280-286. JIANG Ting-hui, HU Ai-tang, QIN Huai-ying. Fractionation of soil zinc, copper, iron and manganese[J]. Acta Scientiae Circumsantiae, 1990, 10(3): 280-286. |
| [46] |
Johnston S E, Barnard W M. Comparative effectiveness of fourteen solutions for extracting arsenic from four western New York soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1979, 43(2): 304-308. DOI:10.2136/sssaj1979.03615995004300020013x |
| [47] |
Hedley M J, Stewart J W B, Chauhan B S. Changes in inorganic and organic soil phosphorus fractions induced by cultivation practices and by laboratory incubations[J]. Soil Science Society of America Journal, 1982, 46(5): 970-976. DOI:10.2136/sssaj1982.03615995004600050017x |
| [48] |
Liu G, Cai Y. Chapter 31 Arsenic speciation in soils: An analytical challenge for understanding arsenic biogeochemistry, in developments in environmental science[C]//Sarkar D, Hannigan R. Developments in Environmental Science, Elsevier, 2007: 685-708.
|
| [49] |
Larios R, Fernandez-Martinez R, Rucandio I. Comparison of three sequential extraction procedures for fractionation of arsenic from highly polluted mining sediments[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2012, 402(9): 2909-2921. DOI:10.1007/s00216-012-5730-3 |
| [50] |
Manful G. Occurrence and ecochemical behaviour of arsenic in a goldsmelter impacted area in Ghana[D]. Belgium: Universiteit Gent, 1992.
|
| [51] |
Ahumada I, Escudero P, Ascar L, et al. Extractability of arsenic, copper, and lead in soils of a mining and agricultural zone in central chile[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2004, 35(11/12): 1615-1634. |
| [52] |
Zeien H, Brümmer G W. Chemische extraktion zur bestimmung von schwermetall bindungsformen in böden[J]. Metteilungen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft, 1989, 39: 505-510. |
| [53] |
Mok W M, Wai C M. Distribution and mobilization of arsenic and antimony species in the Coeur D' Alene River, Idaho[J]. Environmental Science & Technology, 1990, 24(1): 102-108. |
| [54] |
Poulton S W, Canfield D E. Development of a sequential extraction procedure for iron:Implications for iron partitioning in continentally derived particulates[J]. Chemical Geology, 2005, 214(3): 209-221. |
| [55] |
Gleyzes C, Tellier S, Astruc M. Fractionation studies of trace elements in contaminated soils and sediments:A review of sequential extraction procedures[J]. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2002, 21(6): 451-467. |
| [56] |
贺纪正, 李学垣, 刘凡, 等. 土壤游离铝的形态[J]. 科学通报, 1994, 39(15): 1426-1428. HE Ji-zheng, LI Xue-yuan, LIU Fan, et al. Speciation of free Al in the soil[J]. Chinese Science Bulletin, 1994, 39(15): 1426-1428. |
| [57] |
Shi J B, Tang Z Y, Jin Z X, et al. Determination of As (Ⅲ) and As (Ⅴ) in soils using sequential extraction combined with flow injection hydride generation atomic fluorescence detection[J]. Analytica Chimica Acta, 2003, 477(1): 139-147. DOI:10.1016/S0003-2670(02)01402-2 |
| [58] |
Ma J, Mi Y, Li Q, et al. Reduction, methylation, and translocation of arsenic in Panax notoginseng grown under field conditions in arseniccontaminated soils[J]. Science of the Total Environment, 2016, 550: 893-899. DOI:10.1016/j.scitotenv.2016.01.188 |
| [59] |
Pizarro I, Gómez M, Cámara C, et al. Arsenic speciation in environmental and biological samples:Extraction and stability studies[J]. Analytica Chimica Acta, 2003, 495(1): 85-98. |
| [60] |
和秋红, 曾希柏. 土壤中砷的形态转化及其分析方法[J]. 应用生态学报, 2008, 19(12): 2763-2768. HE Qiu-hong, ZENG Xi-bai. Form transformation of arsenic in soil and corresponding analyzing methods[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(12): 2763-2768. |
| [61] |
Kreidie N, Armiento G, Cibin G, et al. An integrated geochemical and mineralogical approach for the evaluation of arsenic mobility in mining soils[J]. Journal of Soils and Sediments, 2011, 11(1): 37-52. DOI:10.1007/s11368-010-0274-7 |
| [62] |
Chang S, Jackson M. Fractionation of soil phosphorus[J]. Soil Science, 1957, 84(84): 133-144. |
| [63] |
Huerta-Diaz M A, Morse J W. A quantitative method for determination of trace metal concentrations in sedimentary pyrite[J]. Marine Chemistry, 1990, 29: 119-144. DOI:10.1016/0304-4203(90)90009-2 |
| [64] |
Dold B. Speciation of the most soluble phases in a sequential extraction procedure adapted for geochemical studies of copper sulfide mine waste[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2003, 80(1): 55-68. DOI:10.1016/S0375-6742(03)00182-1 |
| [65] |
Sondag F. Selective extraction procedures applied to geochemical prospecting in an area contaminated by old mine workings[J]. Journal of Geochemical Exploration, 1981, 15(1): 645-652. |
| [66] |
Gatehouse S, Russell D W, Van Moort J C. Sequential soil analysis in exploration geochemistry[J]. Journal of Geochemical Exploration, 1977, 8: 483-494. DOI:10.1016/0375-6742(77)90069-3 |
| [67] |
Lord C J. A selective and precise method for pyrite determination in sedimentary materials[J]. Journal of Sedimentary Research, 1982, 52(2): 664-666. DOI:10.1306/212F7FF4-2B24-11D7-8648000102C1865D |
| [68] |
李士杏, 骆永明, 章海波, 等. 红壤不同粒级组分中砷的形态——基于连续分级提取和XANES研究[J]. 环境科学学报, 2011, 31(12): 2722-2739. LI Shi-xing, LUO Yong-ming, ZHANG Hai-bo, et al. Arsenic forms in various particle-size fractions of red soil -chemical fraction and speciation using XANES analysis[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2011, 31(12): 2722-2739. |
| [69] |
Minkina T, Nevidomskaya D, Bauer T, et al. Determining the speciation of Zn in soils around the sediment ponds of chemical plants by XRD and XAFS spectroscopy and sequential extraction[J]. Science of the Total Environment, 2018, 634: 1165-1173. DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.04.118 |
| [70] |
Favorito J E, Luxton T P, Eick M J, et al. Selenium speciation in phosphate mine soils and evaluation of a sequential extraction procedure using XAFS[J]. Environmental Pollution, 2017, 229: 911-921. DOI:10.1016/j.envpol.2017.07.071 |
| [71] |
Ahmad M, Lee S S, Lim J E, et al. Speciation and phytoavailability of lead and antimony in a small arms range soil amended with mussel shell, cow bone and biochar:EXAFS spectroscopy and chemical extractions[J]. Chemosphere, 2014, 95: 433-441. DOI:10.1016/j.chemosphere.2013.09.077 |
| [72] |
Xu X, Chen C, Wang P, et al. Control of arsenic mobilization in paddy soils by manganese and iron oxides[J]. Environmental Pollution, 2017, 231: 37-47. DOI:10.1016/j.envpol.2017.07.084 |
| [73] |
Xu Y H, Huang J H, Brandl H. An optimised sequential extraction scheme for the evaluation of vanadium mobility in soils[J]. Journal of Environmental Sciences (China), 2017, 53: 173-183. DOI:10.1016/j.jes.2016.02.019 |