环境科学  2018, Vol. 39 Issue (4): 1901-1909   PDF    
引用本文
张蓉, 余光辉, 李亚青. 长期施肥对旱地红壤及作物中砷累积的影响[J]. 环境科学, 2018, 39(4): 1901-1909.
ZHANG Rong, YU Guang-hui, LI Ya-qing. Effects of Long-term Fertilization Regimes on As Accumulation in Upland Red Earth and the Crops Growing on It[J]. Environmental Science, 2018, 39(4): 1901-1909.
长期施肥对旱地红壤及作物中砷累积的影响
张蓉, 余光辉, 李亚青     
南京农业大学资源与环境科学学院, 江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室, 南京 210095
收稿日期: 2017-07-05; 修订日期: 2017-09-15
基金项目: 国家自然科学基金项目（41371248）；国家重点研发计划项目（2017YFD0800803-04）
作者简介: 张蓉(1994~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为土壤肥力提升, E-mail:1026561317@qq.com
通信作者: 余光辉, E-mail:yuguanghui@njau.edu.cn
摘要: 以湖南祁阳农田生态系统国家野外试验站的土壤为研究对象，分析了长期施肥措施对砷在土壤及作物籽粒和秸秆中累积的影响.供试土壤选择了4个不同施肥处理：不施肥（CK）、单施化肥（NPK）、单施有机肥（M）和化肥有机肥配施（NPKM）.结果表明，与不施肥相比，长期（26 a）施肥措施（NPK、M和NPKM）均显著增加了红壤中总砷（As）和有效态砷含量，其中，NPK处理的红壤中砷含量超过国家标准值（40 mg·kg-1）.长期施肥处理对非专性吸附态As影响最大，其次为残渣态As，晶型氧化物结合态As，但对专性吸附态As和无定型铁铝氧化物结合态As的影响较小.与CK、NPK、M处理相比，NPKM处理能显著降低土壤中As（Ⅲ）和As（Ⅴ）含量.此外，施用有机肥（猪粪）会导致玉米籽粒和秸秆中As的累积，而不会导致小麦籽粒和秸秆中的As累积.同步辐射红外显微成像和微束X射线荧光谱图显示了红壤样品中As、黏土矿物和有机官能团在微空间尺度上的高度异质性特征，表明As的有效性主要受铁氧化物和羟基碳的影响.
关键词: 砷累积      同步辐射      土壤      长期定位施肥试验      矿物      有机肥     
Effects of Long-term Fertilization Regimes on As Accumulation in Upland Red Earth and the Crops Growing on It
ZHANG Rong , YU Guang-hui , LI Ya-qing     
Jiangsu Key Laboratory for Organic Solid Waste Utilization, College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
Abstract: To investigate the effects of different long-term fertilization treatments on arsenic (As) accumulation in upland red earth and the crops growing on it, different fertilization treatments, including no fertilization (CK), fertilization with chemical fertilizers containing nitrogen, phosphorus and potassium (NPK), fertilization with swine manure (M), and fertilization with chemical fertilizers plus manure (NPKM), in a long-term fertilization site located in Qiyang County, Hunan Province, were selected.. The results showed that after 26 years of fertilization, both the total and available As concentrations in the soils were significantly improved in the fertilized soils (i.e., NPK, M, and NPKM) when compared to the CK soil. Meanwhile, NPK treatment had the highest As concentration (44.68 mg·kg-1), which was higher than the national standard value (40 mg·kg-1) in acidic soils. Fertilization practices had the biggest impacts on the non-specifically-absorbed As, followed by the residual As, and the well-crystallized hydrous oxides of Fe and Al absorbed As, but minor impacts on the amorphous and poorly-crystalline hydrous oxides of Fe and Al-absorbed As, and the specifically absorbed As. Furthermore, NPKM treatment significantly decreased the concentrations of As(Ⅲ) and As(Ⅴ) in the soils, when compared to the other treatments. Also, M treatment could cause the accumulation of As in the grains and straws in corn. In contrast, M treatment could not cause the accumulation of As in the grains and straws in wheat. Furthermore, correlative synchrotron-radiation-based FTIR and micro X-ray fluorescence spectromicroscopic analysis showed that As had a similar distribution pattern with clay -OH and C-OH.
Key words: As accumulation      synchrotron radiation techniques      soil      long-term fertilization experiment      minerals      organic fertilizers     

施化肥和有机肥是粮食增产的有效措施[1].然而, 长期施化肥和有机肥均会导致砷(As)在土壤、甚至农作物中累积[2].有研究表明, 土壤中矿物和有机组分均可以对As产生一定程度的固定作用, 并形成不同形态的As; 但不同施肥处理可以影响土壤对As的固定能力[2~4].砷在不同土壤中的毒性和生物有效性差异较大, 通常砷化物毒性为AsH3>As(Ⅲ)>As(Ⅴ)>一甲基砷(MMA)>二甲基砷(DMA), 说明土壤中无机态的As具有较高的毒性, 且三价砷的毒性比五价砷高20~60倍[5].

小麦和玉米是我国主要的粮食作物, 以砷酸根离子的吸收为主, 易受土壤中磷酸盐、铁铝氧化物的影响[6].然而, 目前研究者主要关注长期施肥处理对土壤质量和作物品质的影响效果[7], 但对长期施肥影响土壤和作物中As累积的机制还不十分理解.同步辐射作为一种新型的光源, 具有光谱宽(10~10 000 cm-1)、亮度高(比传统光源高2~3个数量级)、发散度小以及具有时间结构等优良特性[8].近年来发展起来的同步辐射红外显微成像(SR-FTIR)和微束X射线荧光(μ-XRF)可以原位检测土壤中矿物和有机官能团与重金属和有机污染物的分布特征[9, 10], 提供了一种探究土壤中重金属络合机制的方法.然而, 目前国内外采用基于同步辐射技术研究土壤中重金属络合机制的报道还相对较少.

本文依托中国农业科学院祁阳农田生态系统国家野外试验站, 通过对不同长期施肥处理下红壤中As的全量、形态和价态以及作物中As含量的测定, 研究长期施肥处理对土壤和作物中As累积的影响; 同时, 采用同步辐射红外显微成像和微束X射线荧光方法, 分析了土壤中络合As的主要组分, 以期为农业的可持续发展、合理施肥和农产品生态安全提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 长期施肥试验站和施肥处理概况

祁阳农田生态系统国家野外试验站位于中国南部的湖南省祁阳县(26°45′N, 111°52′E), 海拔120 m, 该地区属于亚热带季风气候, 年平均温度为18℃, 无霜期300 d, 年平均降雨量为1 255 mm, 约70%~80%降雨量发生在4~10月之间.年平均蒸发量为1 470 mm, 光照时长为1 610 h.该红壤属于铁铝始成土(Ferralic Cambisol).该长期定位施肥试验开始于1990年9月, 采用小麦-玉米轮作模式.

试验设有4个施肥处理：不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、单施有机肥(M)和化肥有机肥混施(NPKM).每个施肥小区面积196 m2, 各小区之间用100 cm深水泥埂隔开.相应地肥料在小麦、玉米播种前作基肥一次施用, 肥料用量为年施用纯N 300 kg·hm-2、P2O5 120 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2.氮肥为尿素, 含N 46%, 施用量为小麦季90 kg·hm-2, 玉米季210 kg·hm-2; 磷肥为过磷酸钙, 含P2O5 12.5%, 施用量为小麦季45 kg·hm-2, 玉米季105 kg·hm-2; 钾肥为氯化钾, 含K2O 60%, 施用量为小麦季30 kg·hm-2, 玉米季75 kg·hm-2.有机肥料为猪粪, 猪粪含N 16.7 g·kg-1. NPKM处理中有机N与无机N的比例为7:3, 小麦季施用12 300 kg·hm-2, M处理施用18 000 kg·hm-2, 玉米季施用29 400 kg·hm-2, M处理施用42 000 kg·hm-2.

1.2 长期施肥试验站土壤的采集与制备

土壤样品于2016年6月采集于该长期定位施肥试验站的耕层红壤(0~20 cm).每个小区按五点法采样, 采集10个点并混合均匀, 带回实验室, 剔除石块、根系等杂物, 在阴凉通风处风干, 研磨过10目和100目筛网准备两种土壤样品, 密封保存备用.土壤的基本理性质如表 1所示.

表 1 长期施肥条件下表层土壤(0~20 cm)基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of soils (0-20 cm) under long-term fertilization

1.3 测定项目及方法 1.3.1 土壤基本理化性质

土壤基本理化性质采用常规方法[11]：有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法, 有机质采用重铬酸钾容量法, pH采用电位法测定(土水比为1:2.5), 全碳、全氮采用元素分析仪测定.

1.3.2 全砷、不同形态砷、三价砷及五价砷的测定

(1) 样品中As含量测定土壤样品采用HNO3-HCl(1:4, 体积比)消解, 玉米和小麦籽粒采用HNO3消解, 玉米和小麦秸秆采用HNO3-HClO4(85%:15%, 体积比)微波消解[12].然后, 利用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS, NexION 300X, 美国PE公司)测定消解样品中As含量.

(2) 土壤中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)含量的测定采用H3PO4和抗坏血酸微波消解[13], 称取0.2 g的土, 加入30 mL 1 mol·L-1 H3PO4和0.5 mol·L-1抗坏血酸在50 mL的消煮管里, 然后在105℃条件下消解10 min, 冷却后以4 000 r·min-1离心10 min, 最后过0.22 μm的水相滤膜; 以pH 6.2的8.0 mmol·L-1 (NH4)2HPO4和8.0 mmol·L-1 (NH4NO3)为流动相, 利用高效液相-电感耦合等离子质谱仪(HPLC-ICP-MS, NexION 300X, 美国PE公司)测定.

(3) 土壤不同形态砷的提取方法采用文献[14]中提到的改进的五步提取法(sequential extraction procedure, SEP)测定不同形态砷含量(表 2).这种方法将土壤砷形态划分为5种形态, 即非专性吸附态(non-specifically sorbed, NS1)、专性吸附态(specifically-sorbed, SS2)、不定型铁铝氧化物结合态(amorphous and poorly-crystalline hydrous oxides of Fe and Al, AF3)、晶型铁铝氧化物结合态(well-crystallized hydrous oxides of Fe and Al, CF4)和残渣态(residual, RS5[15]).其中, 非专性吸附态、专性吸附态、不定型铁铝氧化物结合态砷统称为有效态砷.文中用到的所有试剂均是优级纯.

表 2 土壤不同形态砷的提取 Table 2 Sequential extraction procedure for As in soils

(4) 同步辐射红外显微成像(SR-FTIR)和微束X射线荧光(μ-XRF)分析取过10目筛的土壤样品置于10 mL离心管中, 用喷雾方式喷洒蒸馏水, 使土壤润湿24 h, 并尽量保持土壤颗粒的完整性[10]; 随后将水包埋的土壤样品采用全封闭式快速冷冻切片机(徕卡, 型号CM1 950, 德国)进行低温(-20℃)冷冻切片, 切片的厚度约为2 μm.将切好的样品放置在低辐射(Low-E)(美国科弗里有限公司)镜片上, 带到中科院上海应用物理研究所上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility)国家蛋白质科学研究(上海)设施五线六站BL01B线站红外显微成像仪和BL15U硬X射线微聚焦及应用(微束)光束线站进行观察.土壤中官能团的指定如下：黏土矿物(Clay—OH, 3 623 cm-1)、脂肪碳(C—H, 2 923 cm-1)、羧酸碳(C＝O, 1 734 cm-1)、芳香碳(C＝C, 1 640 cm-1)、羟基碳(C—OH, 1 030 cm-1).官能团的相关性分析和微区域红外光谱的提取通过OMNIC 9.0和Origin 9.0软件实现.

1.4 数据分析

采用Excel 2010、Origin 8.5和SPSS 20.0软件进行数据统计分析, 使用最小显著差异法(least significant difference, LSD)检验进行多重比较(P＜0.05), 变异系数(CV)的计算公式如下[16]：

(1)

式中, SD为标准偏差, MN为平均值.

2 结果与分析 2.1 长期施肥旱地红壤pH、有机质、有效磷、总碳、总氮含量

由表 1可知, 经过26 a的长期施肥处理, 湖南祁阳的土壤pH分化较为明显, 较原始土样的pH 5.70而言, NPK下降了1.28个单位, 甚至较CK对照组也下降了0.09个单位; 而有机肥添加组NPKM和M处理, 特别是处理M有机肥单一肥料组的pH显著高于对照组0.96个单位, 较原始土壤也提高了0.87个单位; 有机无机肥料配施处理NPKM也提高pH 0.41个单位.肥料的使用均增加了土壤有效磷、总碳、总氮的含量, 其中有机肥施用的增加量较大.

2.2 长期施肥旱地红壤中总砷、有效态砷及不同形态砷含量

由表 3可知, 与CK相比, 长期施肥土壤中总As含量显著提升.其中, NPK处理的土壤中As含量最高, 其次是M和NPKM处理的土壤.对有效态As而言, 与CK相比, NPK和M处理的土壤有效态As明显提高.其中, M处理的土壤中有效态As含量最高, 其次是NPKM、NPK处理的土壤.

表 3 长期施肥旱地红壤中总砷、有效态砷及不同形态砷含量 Table 3 Concentrations of total As, available As, and the different forms of As in soils under long-term fertilization

变异系数是一组数据的变异指标与其平均指标之比, 表征样本离散程度的一个参量[16].文中计算变异系数, 为了说明是不同施肥对土壤中的总砷, 有效态砷及各形态的砷的影响, 结果表明，不同施肥的旱地红壤中, 晶型铁铝氧化物结合态As比例最高(占总量的65%~70%), 其次为无定型铁铝氧化物结合态As(20%~25%)、残渣态As(5%~10%)、专性吸附态As(4%~7%)和非专性吸附态As(0.1%~1%)(表 3).由变异系数的值(表 3)可知, 长期施肥处理对非专性吸附态As影响最大, 其次为残渣态As、晶型氧化物结合态As, 但对专性吸附态As和无定型铁铝氧化物结合态As的影响较小.总体而言, 长期施肥处理对总As的影响最小, 其变异系数仅为2.86%;而对有效态As的影响略大, 其变异系数约为4.14%.

对不同形态As而言, NPK和M处理的土壤中非专性吸附态As明显高于CK处理, 其中, M处理的土壤中非专性吸附态As含量最高, 其次是NPKM处理, NPK处理的土壤含量最低.在专性吸附态As中, CK处理的土壤As含量显著高于M处理, 而M处理的土壤则显著高于NPK和NPKM处理, 其中以NPK处理的土壤中非专性吸附态As含量最低.在无定型铁铝氧化物结合态中, M处理的土壤中As含量显著高于NPK和NPKM的土壤, 所有施肥处理的土壤中As含量均显著高于CK处理.在晶型氧化物结合态中, 所有施肥处理的土壤中As含量均显著高于CK处理, 但施肥处理间差异较小.在残渣态中, NPK处理的土壤中As含量最高; 与CK相比, M和NPKM处理略降低了土壤中As含量.

2.3 长期施肥旱地红壤中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)含量

由图 1可知, 长期施肥能显著降低土壤中As(Ⅲ)含量, 其中以NPK处理的土壤As(Ⅲ)含量降低最少, M的土壤次之, NPKM土壤中As(Ⅲ)含量最低.对于土壤中As(Ⅴ)而言, M和NPK处理的土壤中As(Ⅴ)含量略低于CK处理的土壤, 而NPKM土壤中As(Ⅴ)含量与CK处理相比显著降低.

图 1 长期施肥旱地红壤中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)含量 Fig. 1 Concentration of As(Ⅲ) and As(Ⅴ) in soils under long-term fertilization

2.4 长期施肥旱地红壤中玉米和小麦的籽粒和秸秆中砷的含量

由图 2可知, 长期不同施肥条件下, M和NPKM处理的玉米籽粒和秸秆中As含量均显著高于CK和NPK处理.与玉米相反, 与CK处理相比, NPK、M、NPKM处理中的小麦籽粒和秸秆中的As含量均显著降低.其中, 尤以NPK处理的小麦籽粒和秸秆中的As含量最低.上述结果表明, 施用有机肥(猪粪)会导致玉米的籽粒和秸秆中As累积, 而不会导致小麦籽粒和秸秆中的As累积.

图 2 长期施肥的玉米和小麦籽粒和秸秆中砷含量 Fig. 2 Concentration of As in grains and straws from corn and wheat under long-term fertilization

2.5 长期施肥旱地红壤中砷和土壤组分的分布特征

微束X射线荧光(μ-XRF)分析表明(图 3), M处理的土壤中As和Fe有相似的分布模式; 图 4进一步表明, Fe和As相关性较好(R2=0.605).从同步辐射红外显微成像(SR-FTIR)图可知, 黏土矿物和不同有机官能团在土壤中的分布具有高度的异质性.其中, 在波数3 623 cm-1处为黏土矿物—OH的伸缩振动, 2 923 cm-1处为脂肪碳C—H振动, 1 734 cm-1处为羧酸碳的—COOH振动, 1 640 cm-1处为芳香碳C＝C振动, 1 030 cm-1处为羟基碳C—OH的振动.黏土矿物、脂肪碳和羟基碳的分布模式相似, 主要分布在土壤颗粒的内部, 边缘处分布较少; 而羧酸碳和芳香碳的分布模式相似, 均呈分散状分布, 主要分布在土壤颗粒的边缘.

其中红色虚线圈代表砷富集的区域 图 3 长期猪粪(M)处理土壤的同步辐射红外显微成像和微束X射线荧光成像分析 Fig. 3 The μ-XRF and SR-FTIR analysis of the manure-treated soil

图 4 基于微束X射线荧光成像的Fe和As相关性分析 Fig. 4 Correlation analysis of Fe and As based on μ-XRF images

综合μ-XRF和SR-FTIR可知, M处理的土壤中As富集的区域与铁矿物和羟基碳的分布相似(黄色虚线圈标出部分), 而与黏土矿物和其它有机官能团(C—H、C＝O、C＝C)的分布模式差异较大.因此, M处理的土壤中As的络合可能主要受Fe矿物和羟基碳的影响.

3 讨论 3.1 长期施肥对红壤中pH、有机质、有效磷、总碳、总氮含量的影响

长期施用化肥引起土壤酸度增加, 进而导致土壤pH值降低.有研究表明, 长期NPKM和M处理会不同程度提高土壤有机质的含量; 但也有相关的研究表明, 在有机质含量较低的土壤上, 施用足量的化肥对提高有机质含量有明显作用[17].其机制可能为作物的光合作用产物通过根系输入到土壤中, 进而被土壤中的矿物固定[18].赵广帅等[19]的研究发现长期施用化肥对土壤有机质的影响取决于土壤本身的有机质含量, 例如, 在有机质含量较高的地区, 长期施用化肥反而会降低土壤有机质的含量.因此, 长期施用化肥对土壤肥力的影响取决于土壤类型, 应该分地区讨论.长期施肥对不同土壤有机质含量的影响有差异, 受肥料类型、供试土壤类型以及施肥方式等因素影响[20].此外, 长期施肥也能显著提高土壤有效磷、全碳、全氮的含量, 这与李欢的研究结果一致[21].

3.2 长期施肥对红壤中砷含量的影响

本研究中, 长期施肥红壤中总As含量显著增加, 且施化肥红壤中As含量显著高于施有机肥和有机无机配施的红壤, 这与Zhou等[22]的研究结果一致.有研究表明, 施用化肥会导致土壤中As的累积[23].在化肥中, 磷肥通常含有多种重金属, 其长期施用可能是造成土壤中As累积的原因之一[24, 25].此外, 饲料中通常含有As, 畜禽粪便也成为可能的土壤污染源; 长期施用畜禽粪便等有机肥, 也可能导致As在土壤中蓄积[26].

在施肥措施中, 有机无机肥配施已被证明可以显著提高红壤有机质及活性有机质含量, 进而改变As迁移性质及形态[27].本研究发现, 土壤中非晶形铁铝氧化物结合态和晶型铁铝氧化物结合态As含量较高(表 3), 可能是由于施肥增加了土壤溶液中的铁铝氧化物, 而铁铝氧化物能有效地降低土壤中As的移动性和生物有效性[28].有机无机配施改善了土壤的物理性质, 增加土壤溶液中铁氧化物[29], 从而增加了土壤As含量.由于长期施有机肥可以增加土壤有机质, 而有机质中有较多的羧基(—COOH)、羟基(—OH)、羰基(—C＝O)和氨基(—NH2)等有机官能团, 这些官能团能与重金属发生螯合和络合, 因此, 长期施有机肥可以起到减少As毒性的效果[30].

另外, pH值也是影响红壤对As吸附、解吸的重要因素[31].在红壤中, As主要以阴离子的形式存在, pH降低时, 含砷阴离子可以迅速地被带有正电荷的铁氧化物吸附; pH值升高时, 土壤表面负电荷增多, 导致土壤吸附As的能力降低[31], 促进了含砷阴离子溶解, 提高了土壤中As的生物有效性.长期施用化肥使土壤酸度增加, 重金属移动增强, 可活化有害重金属元素, 增加它们在土壤中的活性, 或导致有毒重金属物质As的释放; 而施有机肥和有机无机配施提高了土壤的pH, pH值的升高能够降低As的吸附量, 且吸附态As的解吸量随着pH的升高而增加.

此外, 本研究中, 与不施肥处理相比, 长期施肥红壤中As(Ⅴ)和As(Ⅲ)含量均降低; 同时, As(Ⅴ)含量显著高于As(Ⅲ)含量.该结果可能是由于As(Ⅲ)在土壤中不稳定, 极易被氧化而导致.施化肥土壤中As(Ⅴ)和As(Ⅲ)含量高于施有机肥和有机无机配施, 可能是由于施化肥提高了土壤中有效磷的含量, PO43-的存在会抑制砷酸根离子与稳定剂亚铁盐的结合[27].

3.3 长期施肥对作物中砷含量的影响

本研究发现, 经过长期(26 a)施肥后, 玉米籽粒和秸秆中的As含量与土壤有效态As含量变化成正相关关系, 而As在玉米籽粒中的含量显著低于其在秸秆中的含量.虽然各施肥处理间的差异相对较小, 但与土壤有效磷、有机质含量及作物产量呈正相关.由于长期施用有机肥增加了土壤中有效磷和有机质的含量, 并通过竞争吸附提高了As的生物有效性及其在作物体内的含量, 因此, 施有机肥的玉米中As含量高于施化肥[32].另一方面也表明, 作物产量的不同也是影响As在玉米组织中转运的主要原因, 在作物产量较高情况下, 通过加强对As的转运能力, 提高了其在茎叶中的含量.玉米生长期较短, 在作物产量较高的情况下对As的需求量较大, 对As的吸收期较为集中, 在作物产量较高的情况下, 土壤有机质含量较高, 并通过与As的螯合作用抑制了其在环境中的迁移, 与土壤有效磷相比更能影响环境中As的生物有效性; 在作物产量较低的情况下, 作物生长对生物有效性As的需求量相对较低, 土壤有机质及有效磷含量的增加通过提高As的生物有效性, 促进其在作物中的富集[30].

小麦籽粒和秸秆中As含量总体与土壤有效磷和有机质量显著正相关. As在小麦组织中的吸收、转运均与磷离子通道有关[33].在土壤As含量相对较低的情况下, 土壤有效磷含量的提高, 并不一定会对As的根系吸收及其在作物组织中的转运产生拮抗作用, 而是通过对土壤的活化作用促进了其在作物组织中的累积[34].土壤有机质含量的升高提高了土壤中As的生物毒性和磷的有效性, 影响了作物体内的As含量[35].因此, 小麦组织对As的转运有着较强的选择性, 且该选择性导致As在小麦秸秆及籽粒中的含量均较低. As在小麦籽粒中的含量低于国家食品安全相关标准值(0.7 mg·kg-1).

在不同施肥处理下, 土壤有机质和有效磷含量的增加, 促进了As在作物体内的富集, 尤其对As在小麦体内含量分布的影响较为明显.玉米生长期较短, 在作物产量较高的情况下对As的需求量较大, 土壤中有效态As含量的不足抑制了其在玉米组织中的分布, 但作物通过加强组织对As的转移能力, 提高了其在茎叶中的含量[32].

3.4 长期施肥对旱地红壤中砷分布的影响

同步辐射红外显微成像可以很好地用于鉴别土壤中黏土矿物和有机官能团, 然而, 由于缺乏元素特异性, 不能用于研究土壤中重金属的分布特征; 而微束X射线荧光(μ-XRF)具有元素特异性, 可以用于观测土壤中含量较低的重金属(如As), 但是却不能研究质量较轻的元素(如有机物主要包含的C、H、O).因此, 将两者结合起来, 可以优势互补, 用于研究土壤中重金属[9]和有机污染物[10]的络合机制.

Gong等[36]的研究表明土壤颗粒中的砷含量与黏粒比例呈正相关, 且黏土矿物对砷有一定的吸附作用.砷在铁矿物表面覆盖率为低、中、高时能分别形成单核单齿、单核双齿、双核双齿表面螯合物[37], 且配位键数越多则螯合物越稳定, 其中, 螯合物又可分为内圈螯合物(砷与铁矿物表面的羟基进行配体交换)和外圈螯合物(砷与羟基的氧或氢连接), 内圈螯合物稳定性比外圈螯合物更高, 因而砷与铁矿物的螯合方式影响着铁矿物对砷的稳定化效果[38].由于铁矿物表面存在一种羟基与一种水和离子基团, 可以与砷发生配位体交换[39], 赤铁矿具有3种不同羟基基团, 只有在较高的温度下才能去除, 而砷被稳定的赤铁矿螯合时也更为稳定.这也说明铁矿物的比表面积、结晶度和表面活性基团能够影响铁矿物对砷的稳定化效果[39].土壤铁矿物含量越多, 会导致有效态砷含量下降, 由于铁矿表面活性高, 这与表面有较高的单配位—OH位点密度有关.钟松雄等[40]进一步指出铁矿的—OH/Fe有利于砷与铁矿表面发生配位体交换, 促进铁矿对砷的吸持稳定化; 当铁矿物表面吸附基团既有羟基和羧酸时, 砷离子优先与羟基螯合.在将来的研究中, 可以通过二维相关光谱的方法区别As的有效性没有受到羧基碳的影响[9].本研究中, 同步辐射红外显微成像和微束X射线荧光(图 3)表明了土壤样品中As、黏土矿物和有机官能团在微空间尺度上的高度异质性, 以及As的有效性主要受Fe矿物和羟基碳的影响.与钟松雄等[40]的研究结果一致.该结果不能通过化学或者物理等宏观测定方法表现出来, 但在同步辐射显微成像观测下却可以很好地观测到这一现象.与传统的宏观表征方法相比, 这也是同步辐射显微成像方法的一个优势.

4 结论

(1) 与不施肥土壤相比, 长期(26 a)施肥土壤中总As含量显著提升.其中, 施化肥的土壤中As含量最高, 其次是施有机肥、化肥和有机肥配施的土壤; 与不施肥相比, 施化肥和有机肥后土壤有效态As明显提高.施肥处理对非专性吸附态As影响最大, 其次为残渣态As, 晶型氧化物结合态As、但对专性吸附态As和无定型铁铝氧化物结合态As的影响较小.长期有机无机配施能显著降低土壤中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)含量.

(2) 在晶型氧化物结合态中, 所有施肥的土壤As均显著高于不施肥.在残渣态中, 施化肥的土壤中As含量最高.在无定型铁铝氧化物结合态中, 施有机肥的土壤As含量显著高于施化肥和有机无机配施.在非专性吸附态As中, 施化肥和有机肥的土壤中非专性吸附态As明显高于不施肥土壤.在专性吸附态As中, 施有机肥的土壤中As含量显著高于不施肥土壤.

(3) 施有机肥会导致玉米的籽粒和秸秆中As累积, 但不会导致小麦籽粒和秸秆中的As累积.同步辐射红外显微成像和微束X射线荧光原位表明了土壤样品中As、黏土矿物和有机官能团在微空间尺度具有高度异质性, 且As的络合主要受铁氧化物和羟基碳的影响.

致谢: 感谢中科院上海应用物理研究所上海光源国家蛋白质科学研究(上海)设施五线六站BL01B线站和BL15U硬X射线微聚焦及应用(微束)光束线站对本研究的支持.感谢祁阳农田生态系统国家野外试验站王伯仁研究员、南京农业大学资环学院唐珠等在采样和实验方面提供帮助, 在此一并致谢！
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