三峡水库属特大型年调节水库，在水位波动期间，库区沿岸形成了垂直高度达30 m，面积约为350 km²的消落区^[1].水位降低后裸露的消落带土壤会生长出大量以一年生草本植物为主的植被，其主要类型包括狗牙根、稗草、狗尾草、苍耳、空心莲子草等^{[2, 3]}.

植物在生长过程中，根系会不断分泌出有机酸、氨基酸、糖类物质、酚酸类等低分子量有机物^[4]，而低分子量有机酸(LMWOAs)主要包括甲酸、乙酸、丙酸、苹果酸、琥珀酸、酒石酸、柠檬酸、草酸等，在植物根系中其含量为10~20 mmol，占植株干重的1%~4%^[5]，而植物根际土中LMWOAs含量一般为1~10 mmol^[6].这一类低分子量弱酸会对土壤重金属的活化、重金属赋存形态的转化^{[7, 8]}、根际土壤的pH值、氧化还原电位^[9]及根际微生物的组成与活性等起重要作用^[10].大量研究证实LMWOAs能影响土壤对重金属的吸附、解吸.游蕊等^[11]通过探究LMWOAs对消落带土壤汞的活化作用，发现柠檬酸、酒石酸、草酸均能明显地增强土壤中汞的生物有效性，且随着LMWOAs浓度的增加，汞形态变化越显著. Jiang等^[8]用LMWOAs解吸稻田土中的Cd和Pb，发现当有机酸浓度 < 0.1 mmol·L^-1时，LMWOAs抑制土壤对Cd和Pb的解吸，而当柠檬酸浓度≥0.5 mmol·L^-1、苹果酸和草酸浓度≥1 mmol·L^-1时，LMWOAs又促进土壤对Cd和Pb的解吸. Evangelou等^[12]指出，LMWOAs在活化重金属和矿质营养中发挥主要作用，且LMWOAs在解吸与活化重金属时，其所携带的质子和配体均能够改变重金属的生物有效性.

铅(Pb)是一种有毒的元素，能在生物体内蓄积，会对生物体内器官造成损害，也会对机体的生化和生理活动进行干扰^{[13, 14]}.有研究表明，三峡水库水体Pb含量超出了世界卫生组织建议含量，也超出了中国饮用水标准和美国环保局饮用水标准^[15].而三峡库区消落带作为库区径流的汇集地带，也就成为了污染物的汇集区^[16]；同时也是水生生态系统和陆地生态系统的衔接过渡地带^[17]，则消落带既是污染物的汇，又是污染物的源.有研究表明，三峡库区消落带的植被生物量可达(0.83±0.11) kg·m^-2[3]，其根际分泌物中的LMWOAs，年复一年地参与到淹水落干主导的物质循环与交换，并改变赋存在土壤/沉积物体系中重金属元素的生物有效性.

目前，对三峡库区消落带上优势植物根系分泌的LMWOAs的含量和种类分析较少^{[11, 18, 19]}，消落带优势植物分泌的有机酸对土壤/沉积物中重金属的解吸机制还没有系统研究，因此，本研究通过采集两种三峡库区消落带优势植物，利用水培法以及去离子水直接浸提其根际土测出植物根系分泌的LMWOAs的种类和含量，并模拟优势植物所分泌的单一有机酸和混合有机酸分别对消落带土壤中的Pb进行解吸，以期为评估消落带植物根系分泌物对土壤重金属活化的影响及其带来的生态风险提供参考数据.

供试土样于10月初期采自重庆开县厚坝镇(N31°11′26.0″，E108°27′21.0″)消落区0~20 cm表层土壤，土壤类型为紫色潮土，土壤样品经去除砾石、根系等杂质，自然风干，过2 mm筛后备用.其pH值为8.42±0.03，CEC为(16.71±0.31) cmol·kg^-1，有机质(8.31±0.39) g·kg^-1，铅的本底值为(46.66±3.14) mg·kg^-1.

采集的优势植物为狗牙根[Cynodon dactylon(L.) Pers.]、稗草[Echinochloa crusgalli(L.) Beauv.].将土层上的狗牙根和稗草与其周围的土一并采摘，轻轻抖落土壤至附着在根系上1~2 mm厚的土壤，用细毛刷轻轻刷下黏附在须根上的根际土，将其收集在自封塑料袋中封好并在4℃冰箱中保存^[20].

供试有机酸为柠檬酸、丙二酸、乙酸、草酸、苹果酸、酒石酸、琥珀酸(成都市科龙化工试剂厂)均为分析纯试剂.

按土壤含铅量为500 mg·kg^-1[21]添加外源铅[Pb (NO₃)₂粉末]，制成含铅的模拟土样，按含水率20%加水老化30 d，风干后过60 mm筛，备用.后测其含铅量为(480.18±5.16) mg·kg^-1.

(1) 植物根系分泌的有机酸^[22~24]将所采摘植物的根须先用自来水冲洗，再用去离子水冲洗，然后分别选取5株生长发育基本一致的狗牙根和稗草放在装有200 mL超纯水的烧杯中，然后在光照为3 000 lx、温度为25℃、湿度为98%的恒温培养箱中培养12 h，并在培养时滴加2~3滴0.05%百里酚以抑制微生物活动，培养完后将根系分泌溶液用旋转蒸发仪浓缩至10 mL，0.45 μm滤膜过滤后，-20℃下保存备用.

(2) 根际土中的有机酸^{[25, 26]}取5 g根际鲜土于离心管中，加入10 mL超纯水，振荡60 min后，以5 000 r·min^-1的转速离心5 min，过0.45 μm滤膜后，-20℃下保存备用.

水培完后将植株烘干，测其干重.

使用岛津LC-20A型高效液相色谱分析仪，配SPD-20A紫外检测器，色谱柱：Inertsil ODS-SP色谱柱(250 mm×4.6 mm；5 μm)，柱温为25℃，流动相为22%的甲醇-KH₂PO₄溶液(0.01 mol·L^-1，并用H₃P0₄调节pH为2.6)；进样量为20 μL；紫外检测波长为210 nm；流速为0.5 mL·min^-1，对低分子量有机酸进行测定.

狗牙根在三峡库区总盖度达到80%~100%，高于稗草在消落带的总盖度，且多为单优种群落^{[27, 28]}，固选取在狗牙根根际土检测到的有机酸浓度进行LMWOAs解吸土壤中Pb的动力学研究.单酸所添加含量为0.01、0.1、1、10和20 mmol·L^-1共5个梯度，混酸所添加含量分别为狗牙根根际土所测混酸浓度的1倍、3倍和5倍.称取1 g模拟土样于100 mL离心管中，分别加入不同种类与不同浓度有机酸各10 mL，背景电解质为0.01 mol·L^-1的NaNO₃.振荡10、30、60、120、240、360、480、600、720、1 440和2 880 min后，离心，过滤上清液并移入25 mL容量瓶定容.分别设置对照、空白和重复，对照不添加LMWOAs，重复上述过程；空白在无土的条件下，直接加入背景电解质振荡2 880 min后重复上述过程；实验设置3个重复.利用火焰原子吸收分光光度法测定上清液中Pb含量.

本实验数据采用Excel 2007、SPSS 17、Origin 8.1进行分析处理.

由表 1可见，通过对消落带的狗牙根和稗草的水培实验，狗牙根根系分泌物中共检测出6种LMWOAs，分别为草酸、丙二酸、柠檬酸、乙酸、丁二酸、苹果酸，其中乙酸、草酸、柠檬酸为主要有机酸，含量分别为0.765、0.478、0.199 mmol·kg^-1，占所测出的总有机酸含量的95.31%；稗草根系分泌物中检测出4种LMWOAs，为丙二酸、柠檬酸、乙酸、苹果酸，其中乙酸和柠檬酸为主要有机酸，含量分别为0.261 mmol·kg^-1和0.075 mmol·kg^-1，占稗草根系所测出的总有机酸含量的86.82%.

表 1 (Table 1)

表 1 狗牙根、稗草(干重)根系分泌物及其根际土中有机酸含量1)/mmol·kg-1 Table 1 Organic acid contents of Cynodon dactylon and Echinochloa crusgalli in their root (dry weight) exudates and rhizospheric soil/mmol·kg-1 植物种类 草酸 丙二酸 柠檬酸 乙酸 丁二酸 苹果酸 酒石酸 总酸 狗牙根 0.478 0.045 0.199 0.765 0.015 0.011 / 1.513 稗草 / 0.042 0.075 0.261 / 0.009 / 0.387 狗牙根根际土 / 0.030 0.012 0.313 / / / 0.355 稗草根际土 / 0.019 0.035 0.179 / 0.019 / 0.252 1) “/”表示未检出

表 1 狗牙根、稗草(干重)根系分泌物及其根际土中有机酸含量1)/mmol·kg-1 Table 1 Organic acid contents of Cynodon dactylon and Echinochloa crusgalli in their root (dry weight) exudates and rhizospheric soil/mmol·kg-1

除通过水培检测优势植物根系直接分泌的LMWOAs外，狗牙根根际鲜土中的LMWOAs经过直接提取后也进行了测定，检出丙二酸、柠檬酸、乙酸3种有机酸，其中乙酸为主要有机酸，占所测出的总有机酸含量的88.17%；稗草根际土共检测出了4种有机酸，为丙二酸、柠檬酸、乙酸、苹果酸，其中乙酸和柠檬酸为主要有机酸，含量分别为0.179 mmol·kg^-1和0.035 mmol·kg^-1，占所测出的总有机酸含量的84.92%.

由表 1可知，狗牙根根际土共测出3种有机酸，分别为丙二酸、柠檬酸和乙酸，则选取该3种单一有机酸对消落带土壤中的Pb进行解吸.当消落带土壤中含Pb量较高时，其根系分泌的有机酸含量会明显增加，且有机酸种类不同，其增加倍数从1~5倍不等^{[29, 31]}.根据实测有机酸含量，分别设置3个混酸浓度梯度，梯度1为消落带狗牙根根际土测得的丙二酸、柠檬酸、乙酸这3种有机酸含量分别为0.003、0.001和0.03 mmol·L^-1；梯度2为所测得有机酸含量的3倍，其含量分别为0.009、0.003和0.09 mmol·L^-1；梯度3为所测得有机酸含量的5倍，其含量分别为0.015、0.005和0.15 mmol·L^-1.单一有机酸和混合有机酸对消落带土壤中Pb的解吸动力学曲线由图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 低分子量有机酸对消落带土壤中铅的解吸动力学曲线 Fig. 1 Desorption kinetics curves of Pb in the soil of the WLFZ by LMWOAs

3种LMWOAs及混酸的解吸动力学曲线趋势基本相同(图 1)，即解吸量先是随着振荡时间的增加快速上升，随后再缓慢上升趋于平稳，基本上在720 min处解吸达到平衡.有机酸浓度不同，对消落带土壤中Pb的解吸量也不同.随着有机酸浓度的增加，Pb的解吸量也在增加.与未加酸的对照相比，1 mmol·L^-1是一个分界点，有机酸浓度≤1 mmol·L^-1时，抑制土壤对Pb的解吸，而当有机酸浓度>1 mmol·L^-1时，促进土壤对Pb的解吸，这与低浓度有机酸促进土壤吸附重金属，高浓度促进土壤解吸重金属的研究结果一致^[8].当少量的LMWOAs加入后吸附在土壤表面上^[32]，则游离在土壤溶液中的Pb与土壤表面上未成键的官能团有机酸发生络合作用，从而降低了Pb的解吸^[33]；同时，由于羧基和羟基等含氧官能团可以解离出氢离子，使含氧官能团带负电，所以LMWOAs的加入增加了土壤负电荷和CEC，增大了土壤对阳离子的静电吸附量^[10].当高浓度的LMWOAs加入土壤后，土壤溶液中有机配体增加，由于-COOH和-OH中的氧有未成键电子，会和金属离子的空轨道配合，形成配位键吸附，使得LMWOAs有足够强的能力对土壤表面的重金属离子进行竞争配位，以至于生成重金属有机酸复合体，从而引起重金属离子在固-液相间的吸附平衡向液相移动^[34].同时，有机酸也会解离出质子，与重金属竞争土壤表面上的吸附位点，从而促进土壤对Pb的解吸^[35].

对于混酸而言，随着混酸浓度的提高，消落带土壤中铅的解吸量也随之加大，但其解吸量增加幅度不明显，且均低于对照的解吸量，说明当土壤中Pb的浓度较高时，植物根系虽会增加所分泌的有机酸含量和种类，但在消落带土壤中所起作用是促进土壤对铅的吸附.将混酸1、混酸2、混酸3分别和0.1 mmol·L^-1的乙酸相比，可以看到，3种混酸的解吸量均高于0.1 mmol·L^-1的乙酸，说明在混酸中虽然柠檬酸、丙二酸含量低，但是对消落带土壤中Pb的解吸贡献率远大于乙酸.

有机酸种类不同，对消落带土壤中铅的解吸量也不同.当有机酸浓度≤1 mmol·L^-1时，丙二酸的解吸量为最高，而当有机酸浓度>1 mmol·L^-1时，柠檬酸对Pb的解吸量大于丙二酸和乙酸.当所加有机酸的浓度较小时，由于丙二酸的解离常数pK_a=2.85小于柠檬酸pK_a=3.13，小于乙酸pK_a=4.76，丙二酸与柠檬酸、乙酸相比，更易离解出质子和有机酸根，且其酸性更大，会使土壤铁铝氧化物固定的重金属以及和腐殖质结合的重金属重新活化，使土壤中Pb的解吸量增加^[36].随着有机酸浓度的增加，3种有机酸对Pb的解吸量的大小顺序为：柠檬酸 > 丙二酸 > 乙酸.由于柠檬酸有3个羧基、一个羟基，在同等浓度下，其配位基团的种类、数量都大于其余两种酸，而且柠檬酸与铅的配合物稳定常数大于丙二酸和乙酸，从而柠檬酸对土壤中Pb的络合作用更明显.

LMWOAs对消落带土壤中Pb的解吸速率与时间关系见图 2.在反应初期，解吸速率急剧下降，随着时间的增加，LMWOAs对Pb的解吸速率不断降低最后缓慢趋近于零，且解吸速率随着有机酸含量的增加而增加. LMWOAs对Pb的解吸反应分为两个阶段：快反应与慢反应，0~240 min为快反应阶段，解吸速率快，随时间的变化也大；240 min后为慢反应阶段，解吸速率慢，随时间的变化小.由于静电吸附态Pb可被碱金属或碱土金属盐溶液解吸且解吸速率较快，而专性吸附态Pb不易被解吸，所以解吸动力学的快反应阶段主要为静电吸附态Pb的解吸，而慢反应阶段以专性吸附态Pb的解吸为主^[37]；也有研究认为^[38]，重金属既可以吸附于土壤的低能量吸附位点，也可以吸附于土壤的高吸附位点，快反应阶段解吸的Pb主要来自于土壤表面的低能量吸附位点，而慢反应阶段解吸的Pb来自于土壤的高能量吸附位点.在240 min处柠檬酸、丙二酸、乙酸和混酸在各浓度下的平均解吸量分别是平衡解吸量的77%、72%、52%和63%，说明Pb在消落带紫色潮土中以静电吸附态为主或者是主要吸附于土壤的低能量吸附位点.同时，可以看出3种有机酸对Pb的解吸速率由大到小为：柠檬酸>丙二酸>乙酸，这是因为柠檬酸为三羧酸，能提供3个羧基和一个羟基，而丙二酸能提供两个羧基，乙酸只有一个羧基，在同等浓度下，其配位能力都低于柠檬酸；且LMWOAs含量越高，解吸速率越快，当柠檬酸含量为10 mmol·L^-1时，最初的解吸速率高达2.463 mg·(kg·min)^-1，而当柠檬酸含量为20 mmol·L^-1时，可以观察到其解吸速率只是略高于10 mmol·L^-1的解吸速率，说明当LMWOAs浓度高于10 mmol·L^-1时，土壤溶液中已有足够多的未成键官能团和游离的金属离子发生络合作用.

图 2

Fig. 2

图 2 铅的解吸速率与时间的关系曲线 Fig. 2 Relation curves between the desorption rate of Pb and time

LMWOAs对消落带土壤中Pb的解吸行为通过4种动力学方程进行拟合，结果见表 2.结果表明，除了准二级动力学方程对0.01mmol·L^-1的乙酸解吸Pb的拟合、抛物线方程对0.1 mmol·L^-1的丙二酸解吸Pb的拟合外，4种动力学方程对LMWOAs解吸消落带土壤中Pb的拟合结果均达到了显著、极显著水平，即3种LMWOAs以及3种不同浓度的混酸对土壤中Pb的解吸均可以用4种动力学方程进行描述.结合相关系数和标准误差的大小可知，准二级动力学方程的拟合效果最佳，其次为双常数方程、Elovich方程，抛物线方程拟合效果次之.说明LMWOAs对消落带土壤中Pb的解吸是以化学过程为主，也伴随着非均相扩散和颗粒内扩散的影响^[39]，这是因为LMWOAs的加入会给土壤溶液提供大量的羧基、羟基活性基团，会和土壤中的Pb发生络合作用，有机酸也会解离出质子，和重金属发生质子交换作用等一系列的化学过程，同时，由于土壤的非均一性，这也就造成对Pb的解吸能力的不均等性和复杂性.

表 2 (Table 2)

表 2 铅解吸动力学方程的拟合特征1) Table 2 Fitting characteristics of desorption kinetic equation of Pb 有机酸种类 浓度梯度/mmol·L-1 准二级动力学方程t/y=A+Bt 双常数方程lny=A+Blnt Elovich方程y=A+Blnt 抛物线方程y/ymax=A+Bt1/2 r SE r SE r SE r SE 对照 0 0.997** 0.002 0.954** 0.041 0.959** 0.202 0.880** 0.003 0.01 0.921** 0.019 0.916** 0.093 0.942** 0.160 0.888** 0.004 0.1 0.998** 0.003 0.753** 0.033 0.784** 0.157 0.871** 0.002 柠檬酸 1 0.999** 0.002 0.828** 0.016 0.833** 0.112 0.698** 0.002 10 1.000** 0.000 0.954** 0.009 0.956** 0.441 0.827** 0.002 20 1.000** 0.000 0.979** 0.008 0.988** 0.301 0.875** 0.002 0.01 0.996** 0.004 0.840** 0.041 0.843** 0.196 0.718* 0.004 0.1 1.000** 0.001 0.746** 0.024 0.755** 0.134 0.518 0.003 丙二酸 1 0.999** 0.001 0.916** 0.012 0.921** 0.118 0.846** 0.001 10 0.993** 0.002 0.819** 0.034 0.824** 0.417 0.904** 0.002 20 1.000** 0.000 0.949** 0.010 0.944** 0.257 0.910** 0.001 0.01 0.234 0.126 0.816** 0.149 0.840** 0.212 0.892** 0.004 0.1 0.997** 0.004 0.936** 0.025 0.940** 0.093 0.858** 0.002 乙酸 1 0.999** 0.001 0.911** 0.033 0.962** 0.145 0.830** 0.003 10 0.999** 0.001 0.917** 0.039 0.946** 0.237 0.808** 0.003 20 0.996** 0.002 0.917** 0.020 0.903** 0.235 0.917** 0.002 梯度1 0.997** 0.003 0.971** 0.018 0.954** 0.129 0.922** 0.002 混酸 梯度2 0.998** 0.002 0.956** 0.019 0.963** 0.112 0.905** 0.002 梯度3 0.999** 0.001 0.913** 0.035 0.967** 0.124 0.839** 0.003 1) y为Pb的解吸量(mg·kg-1)；t为时间(min)；r为相关系数；SE为标准误差；*表示P < 0.05显著水平；**表示P < 0.01极显著水平

表 2 铅解吸动力学方程的拟合特征1) Table 2 Fitting characteristics of desorption kinetic equation of Pb

(1) 通过水培实验测得狗牙根根系分泌的LMWOAs种类、含量均大于稗草，主要有柠檬酸、丙二酸、苹果酸、乙酸，且乙酸含量最高，狗牙根根系还检测到草酸和丁二酸；而在狗牙根和稗草根际土中均检测到柠檬酸、丙二酸、乙酸.

(2) LMWOAs在消落带土壤中含量低(≤1 mmol·L^-1)时，抑制土壤对Pb的解吸，有机酸解吸量由高到低为丙二酸 > 柠檬酸 > 乙酸；含量高( > 1 mmol·L^-1)时，促进土壤对Pb的解吸，有机酸解吸量由高到低为柠檬酸 > 丙二酸 > 乙酸.

(3) 当消落带土壤中含Pb量约为500 mg·kg^-1时，所模拟的消落带优势植物根系分泌的混酸会促进消落带土壤对Pb的吸附.

(4) LMWOAs对消落带土壤中Pb的解吸是以化学过程为主，同时，也伴随着非均相扩散和颗粒内扩散的影响，是一个复杂的动力学过程.解吸动力学方程拟合效果由大到小为：准二级动力学方程 > 双常数方程 > Elovich方程 > 抛物线方程.