硒科普研究论文

黄怀曾刘晓端张玲金李奇

（中国地质科学院生物环境地球化学研究中心，北京100037）

武少兴

（中国科学院南京土壤研究所，南京210008）

摘要从我国西北地区干旱土，经中部半干旱—半潮湿地区均腐土、淋溶土，到东南潮湿地区富铁土、铁铝土，表土全硒含量总趋势反映了氧化环境下硒易离散，还原状态下硒易富集的特点；水溶态硒和交换态硒的含量几乎依次下降（干旱土＞淋溶土＞均腐土＞富铁土＞铁铝土），而且含量都颇低，它们与总硒的比值在相应的范围内出现了中—高—低的变化；有机硒、酸溶性硒含量明显增高，与总硒量比值，从西北到东南，皆呈上升趋势，与水溶态硒和交换态硒正相反；残留态硒及其与总硒量比值，自西北向东南呈高—低—高的变化，况且无论哪一类土壤，残留态硒量与其所占比例均处于首位。

对植物有意义的是能被它直接吸收的硒，即有效态硒。土壤中释放出来的有效硒受综合因素控制，氧化还原电位和土壤溶液组分是决定硒溶解度和化学形态的最重要参数，土壤理化性质居次要地位，意味着不同环境背景下，有效态硒的内涵也不相同。微生物作用主要生成高分子有机缓效硒，是水溶性速效硒的重要补给源。由于自然环境中水热状态不断变化，生物作用的差异，以及人为活动的干扰，处于动态化学平衡的土壤溶液，是硒形态转化和硒迁移的原动力。硒形态分析和实际调查表明，岩石、土壤中无机硒总量，从我国东北三江（黑龙江—松花江—乌苏里江）到西南三江（怒江—澜沧江—金沙江）并非是一低硒带。由水溶性硒、交换态硒和有机硒组成的非闭蓄性硒才是一低硒带。我国东南潮湿地区虽处于酸性还原氛围中，但生物作用强烈，有机硒含量颇高；西北干旱区氧化环境有利于硒被氧化成高价的、能被植物直接吸收的水溶性无机硒；位于这两区中间的半潮湿—半干旱地区，水溶性硒低于西北区，有机硒低于东南区，从而造成我国中部地区非闭蓄性低硒带，这就对低硒带赋予了新含意。

关键词土壤硒形态

以往硒的研究大多集中在全量和无机两个方面。通过对岩石、土壤、作物、人体中硒的全量分析，得出结论：我国从东北三江（黑龙江、松花江、乌苏里江）到西南三江（怒江、澜沧江、金沙江）出现一低硒带，位于东、西两侧的东南地区和西北地区为高硒区。在低硒带内，因各种介质中硒皆贫乏而引发了克山病，这一认识一直为学术界的重要支柱。现代分子生物学研究揭示的克山病与硒之间的内在联系，也支持了这一论点。

近几年来，我们与英国合作，在河北张家口和邯郸及湖北恩施等地区开展了硒的研究，并在现今克山病尚未绝迹的张家口地区进行流行病学调查，发现岩石、土壤中硒全量和作物、人体中硒含量与克山病并不完全呈对应关系，有些土壤硒总量高的地区照样有克山病患者，某些土壤内全硒含量低的地区未必有克山病患者，调查研究还发现克山病与硒的形态以及有效硒丰度的关系更为密切。土壤中硒形态包含水溶态、交换态、有机态、酸溶态和残留态五类。水溶态硒以Se6+为主，另有少量Se4+和低分子有机硒。交换态硒主要为Se4+，其次为Se6+。有机硒分高分子和低分子两种，前者为缓效硒，赋存在酸不溶性蛋白质和高分子氨基酸中，但在碱性溶液中，可降解为低分子硒氨基酸和＋4价与＋6价的无机硒；后者为速效态硒氨基酸，即有机水溶性部分。酸溶态硒指与铁、锰和铝氧化物结合的硒。残留态硒、硒化物，以类质同象形式隐含在硫化物中的硒和被硅酸盐矿物包裹的含硒物质。显然，重新认识硒与克山病在地理分布上的关系，合理解释各种矛盾现象，不仅是一种挑战，也是研究深化的迫切需要。

1土壤中硒的形态

土壤中硒的赋存状态，包括价态和结合形式两个方面。硒可构成无机和有机化合物。我们选择了典型土壤作了分析，结果如下。

水溶态硒：用水提取。以硒酸盐类为主，次为亚硒酸盐类。其实，在不同环境中，水溶态硒含意并不一样，在氧化环境中，水溶性硒为碱性水解的硒酸盐和亚硒酸盐；在较强的还原环境中，包括微量酸溶性的，溶于水与酸混合溶液中的结合态硒、次生硒化物和一些挥发性硒化物。此外，还包含有机硒中的水溶性部分以及与交换态的相互转换部分。由此可见，同形态中含量最低的水溶态硒在不同情况下，有着复杂的变化。

交换态硒：吸附在氧化物、粘土矿物和有机质内的亚硒酸根和硒酸根离子。用磷酸二氢钾提取。在实际分析中发现，碱性情况下，硒酸根离子几乎不被吸附，成为溶液中游弋的离子团，亚硒酸根为主要吸附对象，随着pH下降至7～，虽对硒酸根吸附能力增强，但仍以亚硒酸根离子为主，并保持稳定的吸附量。

有机态硒：用焦磷酸钠提取。按分子量分大分子和小分子硒，前者为缓效硒，赋存在酸不溶性蛋白质和高分子氨基酸中，但在碱性溶液中，可降解为低分子硒氨基酸和＋4价与＋6价的无机硒；后者为速效态硒氨基酸，即前述的有机水溶性部分。

酸溶态硒：指与铁、锰和铝氧化物结合的硒。加盐酸破坏氧化物和碳酸盐结构，使其从结合态中先分解出亚硒酸根，进而生成二氧化硒和单质硒，在强还原条件下，还可生成硒化氢。

残留态硒：用消化方法将硒化物、以类质同象隐含在硫化物中的硒和被硅酸盐矿物包裹的含硒物质全部消溶。

从表1看出，从我国西北地区干旱土，经中部半干旱—半潮湿地区均腐土、淋溶土到东南潮湿地区富铁土、铁铝土，总硒量呈高—低—高马鞍形序列，但中国环境监测总站众多实测数据统计分析结果表明（表3），表土全硒含量总趋势还是从西北到东南逐级升高，反映了氧化环境下硒易离散，还原状态下硒易富集的特点；水溶态硒和交换态硒的含量几乎依次下降（干旱土＞淋溶土＞均腐土＞富铁土＞铁铝土），而且含量都颇低，不超过总量的15%和10%，它们与总硒的比值在相应的范围内出现了中—高—低的变化；有机硒、酸溶性硒含量明显增高，与总硒量比值，从西北到东南，皆呈上升趋势，与水溶态硒和交换态硒正相反；残留态硒和它与总硒量之比，自西北向东南也呈高—低—高的变化，况且无论哪一类土壤，残留态硒量与其所占比例均处于首位，显然，它在决定总硒量的分布上起着支配地位。这些残留的无机态硒主要来源于母质，从而说明，原生基岩中硒对于土壤内硒的分布是何等重要。

表1我国代表性土壤（A层）硒形态分析（ng/g）

①非闭蓄性硒包括水溶态硒、交换态硒和有机硒。

2土壤水溶态硒与pH值的关系

图1硒溶解态与Eh、pH值的关系

从化学平衡实验中获知（图1），溶液电子活度负对数（pe）与pH之间的函数关系：当pH+pe＞时，为强氧化环境，溶液中 占明显的优势；在pH+pe为～的中等氧化还原环境时，偏碱性溶液中以 为主，而 是偏酸性溶液中的主要类型：在pH+pe＜的低氧化还原环境中，溶液中HSe-为主要的形态。现已获知，在土壤水溶液中， 溶解度颇高，而 的溶解度极小，HSe-则易于以气态形式逸散，所以土壤内有效硒浓度随pH+pe值升高而递增。无论是表1中的典型土壤还是表3中的综合统计数据，自我国西北到东南土壤溶液pH值总体上由碱性经弱碱性—弱酸性到酸性，水溶态硒含量（表1）随pH（表2）的变化情况与图1实验结果相符。土壤硒有效率（水溶态硒/总硒）与pH呈显著正相关，相关系数为（p＜）。

3土壤中硒的交换态与吸附作用

土壤对交换态亚硒酸盐和硒酸盐的吸附作用主要取决于pH值、活性铁及粘土矿物的性质。现仍以表1中所述的五种典型土壤和我国土纲的综合分析结果为例，将其理化性质和主要元素氧化物的含量分别录于表2和表3中。

表2土壤表层理化性质

表3我国主要土纲的理化性质及硒含量

注：表土全硒据环境监测总站（1990）。

吸附分两类，一种是极性吸附，或谓静电吸附，如活性铁凝胶体阳离子团对硒阴离子团的吸附作用；另一种是普通吸附，即固体物质表面自由力场的吸附，粘土矿物和有机质对硒离子团的吸附一般属于这一类型。从其作用力大小来看，静电吸附要大于自由力场的吸附，这就是活性铁凝胶体比粘土矿物吸附能力强的原因，实验结果也证实了这一点（图2）。从我国西北到东南，随着气候条件的变化，处在不同风化阶段、不同区域内土壤中Fe2O3及Al2O3活度和有机质含量相应增高，粘土矿物则相应地由干旱区的水云母、绿泥石，经半干旱区的水云母、蒙脱石、半潮湿区的蛭石、水云母，到潮湿区的高岭石，这些粘土矿物的吸附能力也由西北向东南增强。除矿物成分和含量外，粘土粒度是衡量吸附系数的另一个重要参数，颗粒愈细，物质表面积愈大，吸附作用越明显。从我国西北到东南，随着化学风化和生物风化作用的增强，土壤粘粒含量逐渐增加，表2和表3分析结果反映了这一变化。鉴于这些原因，土壤吸附量理应从西北到东南依序增加，但表1中不同土壤类型的交换态并不完全反映这一变化。这是因为硒有其自身独特的化学属性，东南沿海地区气候炎热，雨量充沛，植物茂盛，生物体本身制造和有机质分解使得水中02、C02十分丰富，而溶于水的C02、 和 离子间数量比有利于降低OH－浓度，造成低pH背景，硒易于被还原成非交换态的单质硒和硒化物。西北干旱地区，尽管呈良好的碱性环境，但以8＜pH＜10的弱碱性为主，土壤内还是亚硒酸根离子占主导地位，成为交换态的物质基础。由此推之，交换态吸附量是各种综合因素的产物，酸碱度起着更为重要的作用。图2不同pH值背景下四种物质的吸附量的变化也证实了这一点。

图2pH值和时间对粘土矿物、Fe2O3吸附Se4+量的影响

4土壤有机硒与有效性的关系

原生有机硒是植物遗骸中的残留硒；新生有机硒，在微生物作用下，由无机硒直接转化为有机硒，它还包含挥发性的硒化合物。无论哪一种形式，都是生物代谢作用的产物。总的说来，有机硒丰度随有机质含量的增加而上升，但在我国东北三江地区土壤肥沃，有机质含量高达4%～10%，有机硒绝对含量偏低，如黑龙江省伊春淋溶土仅为20ng/g，甚至低于某些干旱土中的有机硒绝对含量。若与硒总量相比，约为，相对含量并不低，有时可高出干旱土十个百分点，显然是原生母质硒总量过低造成的。干旱的西北区年平均温度和降水量都低，植被受到扼制而不能繁盛生长，导致有机质含量低，东南地区则相反；另一方面，微生物在推动生命物质的自然循环中起着巨大的、不可代替的作用，由于真菌类的活动，使无机硒转为有机硒，而真菌类的繁殖，在还原状态下远胜于氧化状态。正是这些原因造成我国东南沿海高有机硒背景。不过，真正水溶性的速效有机硒含量甚微，大多以大分子有机硒化物蕴藏在胡敏酸和富啡酸内，只有少数与富啡酸结合的小分子有机硒及含在其内的＋6价和＋4价无机硒才能被植物利用，大分子有机硒仅为速效硒供给的库源。

5讨论

对植物有意义的是能被它直接吸收的硒，即有效态硒。然而，无论理论上或实际上的分析结果，土壤内水溶性硒含量自西北向东南呈逐级递减的趋势，与我国中部作物中的低硒带不相吻合。90年代初全国25个省、市、自治区开展了膳食抽样调查，结果表明，我国现今食物流通量除城市甚高外，广大农村以就地的植物类食物为主，居民元素摄入水平基本上受控于物源和经济发展水平。与此同时，证实我国中部确实存在一个低硒带，只是它的范围比谭见安等所述的更广。

如何解释这一矛盾呢？我们注意到上述典型土壤样品采集于80年代末90年代初，久置之后，近一、二年做的分析，可视为静态的分析结果。这些结果与现今自然界中处于动态情景下的土壤有什么差异？为解决这一问题，采用不同于常温下处理样品的方法，将表1中的各类土样分别置于水浴锅中沸腾1小时，测试结果迥异（表4），即水溶性硒含量从西北向东南倾斜，即铁铝土＞富铁土＞淋溶土＞均腐土＞干旱土。究其原因，原先沉寂平静的状态，在热作用下，化学活动顿时活跃起来，不仅解吸了部分吸附物质，还促进有机质的分解和pH增高，从而导致了铁铝土和富铁土中水溶性硒急剧上升。可是干旱土却不一样，沸水处理过的比常温下处理的水溶性硒低得多。表2列举了各类土壤的Fe、Al、Ca、Mg、P氧化物含量，从西北到东南Fe、Al增高，Ca、Mg下降，符合不同地带、不同风化阶段的元素分布特点。干旱土中Ca、Mg含量高出铁铝土和富铁土15%左右，pH值为，显然，碳酸盐和硫酸盐为其重要组成，这类土壤通常有效Cu、Mo、Ca、Mg也较丰足，常与Pb、Ni等一同构成硫酸盐和碳酸盐化合物。在沸水热作用下，碳酸氢钙、碳酸氢镁转为碳酸钙、碳酸镁，CO2降低，Cu、Pb、Ni等金属离子浓度增加，与亚硒酸根和硒酸根结合生成白硒铅矿［PbSeO3］、蓝硒铜矿［］、复硒镍矿［（Ni·Co）Se03·2H2O］、硒铅矿［Pb2（SO4）（SeO4）］等新矿物淀积下来，降低了硒的有效性。矿物成因学也指出，这些矿物是在弱氧化状态下生成的。由于土壤内硒丰度很低，组分复杂，目前还难以运用硒的形态以及溶解度与机制的关系证实这一分析。

人们曾试图通过实验了解硒有效性的变化，如在碱性土壤内添加磷酸盐、石膏和石灰，Ravikovitch和Margolin认为能降低硒的有效性，而Brown和Carter则认为可提高硒的有效性。尽管出现了截然不同的观点，但都不否认土壤溶液组分变化所起的重大作用，正确认识土壤溶液内的化学平衡仍需作巨大的努力。

表4我国主要土类的理化性质及有效硒含量

诚如所述，不同形态的硒始终伴随外界条件的变化而发生溶解和淋滤、吸附和解吸、氧化和还原、水解和水合，处在不断的动态平衡之中。在耕作土中，不仅仅随着一年四季水热状态的变换，水溶性硒的浓度不断变化，其内在的含意也不尽相同，而且在不同环境中，不同形态可互相转换，尤其是非闭蓄硒内的水溶态硒、交换态硒和有机硒转化更为频繁。人为因素又加剧了这种变化，譬如，施钾、氮、磷肥，不仅会改变土壤的氧化还原程度，还会产生其他效应。钾离子半径大，极化能力强，起解吸作用，故用磷酸二氢钾作为吸附态的提取液；氮肥施入后，转为NH4OH，这种碱性溶液在接触点上瞬息间或许能促进有机硒水解，Cary和Allaway依此用氨水萃取有机硒。另据李书鼎和杨健秋用75Se示踪实验的报道，用NH4OH作提取液，在所选择的黑土、草甸棕壤和暗棕色森林土中，有机硒化合物与 萃取率（提取量/总量）分别为～和～; 与土壤固相的结合能和亲和力都大于 也影响着土壤中硒的有效性。尤其要指出的是，生物作用下由无机硒转为有机的甲基硒和二甲基硒挥发物，在OH-、 和生物的催化作用下，还可重新氧化成＋4价和＋6价无机硒。虽然人们已注意到它们对硒的迁移和转化，在植物吸收和土壤吸附过程中起着重要作用，遗憾的是至今还不能定量的描绘其真实面貌。除了有效态硒含量的变化外，还涉及到转化速率问题，已有研究指出，从不适应某个条件下的形态，转化为适应新环境下的形态。例如，在碱性情况下，亚硒酸盐氧化成硒酸盐；在酸性状态下，亚硒酸盐还原成单质硒，最初速度相当快，随后进入慢速转换期，这就是为什么久置的静态样品与立取的动态样品分析结果有差异的原因。这一推断被另一分析结果证实，采自广东阳春富铁土和湖北恩施富硒淋溶土水溶性硒、交换态硒、有机态硒和总硒在常温下测得的含量分别为和16ng/g、和78ng/g、和450ng/g以及1295ng/g和2540ng/g。它告诉我们，除自然条件和母质因素外，由于取样时间和样品处理方法的差异，同样会得出不同的分析结果。

我国东南潮湿区有效硒正是处在这种不断变化的环境中，既有充足的后备源——大量有机硒的存在，又有大量化肥不断地投入，尤其是氮肥，加上微生物的强烈作用和水热状态的变换，可能正是这些综合效应间隙性地提高硒的有效量，才使得这一地区作物中的硒水平上升。西北干旱区可能由于＋6价硒含量较高，且处于相对稳定的状态，故作物所吸收的硒也偏高。中部半干旱半潮湿区＋6价硒低于西北区，有机硒大大低于东南区，可溶性硒又不能得到即时的补给，作物的吸收量相对偏低，以致人们膳食中硒也偏低。

综上所述，土壤中释放出来的有效硒受综合因素控制，氧化还原电位和土壤溶液组分是决定硒溶解度和化学形态的最重要参数，理化性质居次要地位，微生物在硒的某些形态转化中可能起着重要的作用，生成缓效态有机硒，是有效硒的重要补给源。由于自然环境中水热状态不断变化，生物作用的差异，以及人为活动的干扰，处于动态化学平衡的土壤溶液，是影响硒形态转化和硒迁移的直接因素。遇到适宜的环境时，我国东南潮湿地区高分子有机硒将会即时转化为可被植物吸收的低分子有机硒和释放出可被利用的无机硒，从而提高了植物对硒的有效利用率。西北干旱区有效硒则以能被植物直接吸收的无机硒为主，从而形成了我国作物和膳食中硒含量中部地区低，东南、西北地区高的分布格局，不同于总硒含量从东南到西北逐级下降的变化趋势。

区域性硒形态分析远远不足，尤其是土壤液相中不同含硒物质的溶解度和不同化学形态之间转换的资料尚不完善，我们还难以定量考虑土壤溶液中溶解与沉淀、吸附与解吸以及无机和有机硒转化过程中的物理和化学反应。

参考文献

Levaneder .（美）著，1987.朱莲珍主译校.人和动物的微量元素营养.青岛：青岛出版社，～605

Johnson al..British Geological Survey,1996,technical

全国环境监测总站.中国土壤元素背景值.北京：中国环境科学出版社，1990

Elrashidi al..Solubility,speciation and transformation of selenium in （ed.）Selenium in agriculture and the Special Publication, 23,～63

Mikkelsen al..Factors affecting selenium accumulation by agricultural （ed.）.Selenium in agriculture and the Special Publication,Number 23,1989,～94

朴河春等.硒酸盐和亚硒酸盐在土壤中吸附作用差异.土壤通报，1996,273（3）,130～132

龚子同等.土壤中Se、F、I的空间分异与人体健康.土壤学进展，（5）,1～12

廖自基.微量元素的环境化学及生物效应.北京：中国环境科学出版社，～123

谭见安等.中华人民共和国地方病与环境图集.北京：科学出版社，1989

李家熙等.硒、氟的地球化学特征与人体健康.岩矿测试，1996,15,241～250（第30届国际地质大会论文选载）

F1cming micronutrients Ⅱ：Lodine and （ed.）Applied soil trace ～234,John Wiley＆Sons York

Singh Singh toxicity in plants and its detoxication by ～262

Ravikovitch S,and Margolin effect of barium chloride and calcium sulfate in hindering selenium absorption by ～240

Brown . and Carter Leaching of added selenium from alkaline 80ils as influenced by ～565

Cary stability of different forms of selenium applied to low-selenium ～574

李书鼎和杨健秋.土壤硒对小麦的有效性.核农学报，1989，增刊，36～42

Lakin of selenium in relation to et al.（eds）.Sejenium in agriculture,～

Elrashidi al..Chemical equilibria of selenium in soils:Athoretical ～152

张忠等.地球化学样品中硒的循序提取技术.岩矿测试，1997,16,4:255～261