土壤硒空间分布潜在环境风险

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇土壤硒空间分布潜在环境风险范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

土壤中的硒主要来源于地壳物质，几乎所有的物质中均含有不等量的硒。地壳中各种岩石矿物中的硒是土壤中硒的主要天然来源。同时，它也作为重要的污染物存在于许多工业活动地区。硒元素被确认为是一种生物必须的微量元素。在动物或人体内，硒的主要功能表现为对一些疾病和癌症的生物化学抵制作用。然而，当硒的含量超过安全阀值时，它又对细胞具有很强的毒性。位于美国加州的Kesterson国家野生动物保护区和我国湖北恩施地区的硒毒害事件均是由硒过量引发的对环境和人体的毒害事件[1-4]。同时，人体硒缺乏又会导致各种心脏疾病、肌肉痛，诱发癌症等多种疾病[5-10]。从保护人体健康出发，人体每日可摄取硒的安全阀值为17到600μg•d-1[11]。由于硒元素缺乏或过量均会对人体及生态环境安全造成影响，大量关于硒元素赋存状态和地球化学过程研究工作已广泛开展。这些研究主要包括：Wen等[12]研究发现在富硒岩石的风化过程中硒元素具有相对稳定的活动性，且易于被植物吸收，并指出这一特征可能是恩施鱼塘坝硒中毒事件的主要因素。Yan等[13]采用理论预测和实验分析相结合的方法，针对燃煤产生的含硒废气开展相关硒挥发性和赋存形态分析。Zhang等[14]研究指出硒酸盐是农业灌溉水中硒的主要存在形式，约占总硒含量的90%，而有机硒是湿地硒的主要形态，表明湿地环境对硒酸盐的还原性更强。Tokunaga等[15]利用质量转移系数和池塘水体硒(VI)表面还原速率常数开展了池塘沉积物与水体界面的硒的氧化还原转化过程研究。Lin等[16]研究指出，植被湿地能够显著去除农田灌溉水中的硒，结果表明可去除灌溉水中硒总量的69.2%，其中大部分保留在沉积物中，小于5%的硒被湿地植被吸收。相关研究提高了我们对环境硒的赋存特征和界面间的迁移过程的理解。而为预测和防止硒环境问题出现开展的区域尺度的土壤硒空间分布特征的相关研究较少。广东省主要富硒母岩为石灰岩和砂页岩，它们主要形成于早石炭纪到早三叠纪之间。由于大规模的海侵作用，富硒生物是研究区石灰岩和砂页岩高硒含量的主要原因。新生代以来强烈的构造运动使得广东省地形得到全面抬升，同时大量花岗岩沿区域断裂广泛侵出，并切穿周边的石灰岩和砂页岩（图1）。与此同时，由岩浆作用诱发的各种地热活动也频频发生。含硒矿物便是这种低温热液过程作用下的产物[17]。此外，由于强烈的物理化学风化作用和植被破坏，水土流失现象已经成广东省严重的环境问题，水土流失面积已高达1421.57km2，约占全省面积的8%[18]。因此，开展空间格局研究有助于在区域尺度上揭示土壤硒元素的地球化学行为和预测其对周边环境质量的影响。

1材料和方法

1.1样品采集和化学分析本研究采用的基本数据资料来源于“七五”全国土壤元素背景值调查项目—广东部分。采样点位均匀分布于调查区内（图1C）。每个采样点均挖掘土壤剖面采样，剖面的规格一般为长1.5m，宽0.8m，深1.2m。每个剖面采集A、B、C三层土壤。所采土壤样品硒（Se）的化学分析采用氢化物发生-原子吸收光谱法(HG-AAS)，具体分析步骤和过程详见文献[19]。

1.2数据分析基本数据统计分析利用SPSS?12.0统计软件进行。由于数据符合对数正态分布的特征（表1和图2），几何平均值（GM）和几何标准偏差（GSD）分别可以较好的表现数据的中心态势和数据的变异特征。因此，我们采用土壤样品硒质量分数的GM/GSD2和GM×GSD2值计算硒元素的基线质量分数值（包括了>95%的样品数量）[20]。空间插值分析采用普通Kriging方法。对于低密度的背景采样，普通Kriging方法是一种最好的空间分布线性无偏的预测方法[21]。所有数据的空间插值和各层土壤硒质量分数等值图的绘制在地统计学软件Surfer?8.0平台上完成。

2研究结果

2.1土壤硒的浓度表层土壤硒的质量分数变异范围为0.03~1.42mg•kg-1，几何平均值（GM）和算术平均值（AM）分别为0.23和0.28mg•kg-1。B层质量分数范围为0.03到1.3mg•kg-1，几何平均值和算术平均值为0.33和0.41mg•kg-1。C层质量分数范围在0.02到1.67mg•kg-1之间，几何和算术平均值为0.27和0.36mg•kg-1。土壤剖面中最高的土壤硒质量分数（1.67mg•kg-1）出现在C层中，且每层土壤的硒质量分数均呈正的偏态分布（表1和图2）。

2.2土壤特性A层土壤中有机质的质量分数范围为0.17%到9.94%（GM为2.37%，AM为2.75%）。B层和C层的质量分数范围分别为0.07%~3.83%（GM，0.82%；AM，0.99%）和0.03%~3.56%（GM，0.49%；AM，0.65%）。最高值和最低值分别出现在A层和C层。土壤剖面中每层的粒径分布基本符合正态分布。从A层到C层的砂粒的算术平均值含量分别为50.4%，43.4%和44.6%，黏粒含量为18.4%，20.4%和20.1%。广东省土壤剖面中从A—C层，土壤pH值表现为从5.14，5.34到5.43弱的增长趋势。最高值和最低值均出现在C层（表1）。

3讨论与结论

3.1表层土壤中硒的浓度自然背景质量分数通常被定义为在不受人为扰动的情况下土壤元素的化学质量分数。但是，由于污染物长距离的迁移和沉降作用，几乎不可能建立真实的自然背景水平。因此，基线质量分数作为一个判别洁净土壤的参考值常用来表达土壤元素在特定时间段和地区的质量分数值，并不代表真实的自然背景质量分数。本项目的研究指出广东表层土壤中硒几何质量分数平均值为0.23mg•kg-1，大于典型硒缺乏区的含量水平，如美国加州[22]土壤硒质量分数0.028mg•kg-1，波兰[23]土壤硒含量水平0.145mg•kg-1，接近我国[24]土壤硒含量水平0.21mg•kg-1。低于美国[25]土壤硒含量平均水平0.26mg•kg-1和世界[26]土壤硒平均质量分数0.4mg•kg-1。利用土壤硒元素的几何平均值（GM）和几何平均方差（GSD）计算GM/GSD2和GM×GSD2，得出基线质量分数为0.13~0.41mg•kg-1。为了合理的评价土壤硒元素的浓度变化和空间分布特征。我们对所取得数据进行了正态分布检测。土壤硒（log(Se)）所有的数据点基本上均沿预测直线分布（图3）。这种分布方式说明了我们所取得土壤硒数据来源于一个单一的数据群，能够很好的代表这一地区的土壤背景含量。同时也表明了，同时也指示了本次研究获得土壤硒元素质量分数数据能够最大限度地代表土壤背景质量分数，硒元素主要来源于自然源区，人为活动对其含量的变化在区域尺度上对背景含量的影响不大。

3.2土壤硒含量与土壤特性相关分析前人的研究已经证明土壤中有机质的含量与土壤中全硒的含量是相关的，黏土矿物也强烈影响土壤硒的迁移转化[27-29]。但是我们通过对广东省260个土壤剖面的研究发现，各层土壤中全硒含量与土壤有机质含量并无明显的相关，与砂土含量呈弱的负相关。硒的含量变异与土壤pH有明显的负相关特征（表2）。这种现象的存在于研究区表层土壤有机质平均含量水平较低(27.5g•kg-1)和区域成土母岩的分布关系密切。在对全国不同成土母岩的土类中研究中得出，华南地区含硒较高的成土母质为石灰岩（0.26mg•kg-1）、砂页岩（0.25mg•kg-1），花岗岩中的硒含量相对较低（0.18mg•kg-1）。由石灰岩和砂岩分化产生的黏土矿物类型主要为蛭石和蒙脱石类黏土矿物，而在花岗岩地区，黏土矿物主要以高岭石为主[30]。已有研究[24]表明黏土矿物对土壤硒的吸持能力一般是氧化铁>高岭石>蛭石>蒙脱石。因此对于广东省土壤，在硒的低含量地区（花岗岩地区）由于其粘土矿物主要为高岭石并且富含氧化铁对土壤硒有较强的吸持能力；而在硒含量高的地区（石灰岩和砂岩地区）其黏土矿物类型多为蒙脱石类，对土壤硒的吸持能力较低。因此，这种黏土矿物类型的差异，导致了总体上土壤全硒的含量与土壤中黏土含量不具有明显的相关特征。研究表明，土壤pH值是影响土壤全硒含量的重要因素。研究表明，当土壤溶液呈酸性到中性时，土壤硒的有效性最低，随土壤pH增加，硒的有效性也提高[31]。由于研究区强烈的淋溶作用，土壤剖面中强烈亏损可溶性盐，土壤剖面富集Fe、Al和H+离子，此外酸雨对广东省土壤剖面中普遍呈现酸性亦有一定贡献。因此，在这种强烈的淋溶作用下，土壤中有效硒较多的流失。致使在总量上，表现出与土壤pH值负相关的特征。

3.3土壤硒的空间分布于垂直变异分析土壤中硒元素的背景值主要决定于岩石、地形、生物和气候条件的综合作用，在不同的成土条件下发育的土壤，具有一定的硒元素背景水平，并表现出显著的分异特征和分异规律。我们利用地统计学方法Kring空间插值法，对广东省土壤剖面中硒元素含量进行了空间变异分析。所得土壤剖面中硒元素质量分数空间变异图见图4。表层土壤反映了大气圈、生物圈和岩石圈的相互作用；B层通常用于研究土壤的成土过程；而C层较大程度的代表了各样点的岩石圈成分，即地质背景值。总体上，A、B和C层土壤表现为相似的空间分布模式（图4），并表现出与区域母岩硒含量呈明显的空间相关特性。这种相似性的分布模式也进一步证实了，对于广东地区人为硒的输入并非一个重要的控制因素。成土母岩的硒含量是土壤硒元素背景值变异的决定因素。土壤剖面（A、B和C层）中硒元素的含量表现为：B层最高（0.33mg•kg-1），C层次之（0.27mg•kg-1），A层最低（0.23mg•kg-1）。这种B层富集的现象可能因为表层土壤中有机质含量较低，不能抵制硒元素随渗滤水向下迁移，然而，硒的地球化学迁移能力不强，此外，酸雨作用加速了表层土壤中活性硒的淋出。因此，在土壤剖面中表现为B层相对富集的现象，继续向下迁移的能力较弱。

3.4土壤硒潜在环境风险分析土壤中的硒是植物体硒的主要来源，动物吸收硒的多少决定于植物体硒的含量。因而，研究表层土壤中硒的空间分布对预测当地硒元素摄取量具有重要的作用。由于硒在动物体内最高允许摄入和最低摄入量范围较窄，因此日常人体摄入硒量有严格的要求。Yang等[32]基于预防相关疾病为目的制定每日最小摄入量为17μg•d-1，正常需求量为40μg•d-1，安全摄入量为400μg•d-1，最高允许摄入量为600μg•d-1。我国已有研究[33-35]表明，作物中硒含量与表层土壤硒含量质量分数显著相关。TANJA等[35]、谭见安[36]对全国范围内的土壤硒含量结合地方病的研究给出了表层土壤中全硒含量的划分：当质量分数低于0.125mg•kg-1，表现为硒缺乏，效应为硒缺乏病；当质量分数为0.125~0.175mg•kg-1硒含量分级为边缘，效应为硒潜在不足；当质量分数大于0.40mg•kg-1，硒含量属于中等含量；当质量分数大于3.0mg•kg-1为硒过剩，表现为硒中毒。利用如上划分原则，我们对广东省表层土壤中硒含量进行如下划分：红线为硒质量分数0.125mg•kg-1，代表这些地区土壤中硒含量缺乏；黄线为硒质量分数0.175mg•kg-1，代表相对应地区土壤硒存在潜在不足（图4A）。总体特征显示，尽管广东省土壤中硒含量平均水平相对较高，但是硒元素含量变异范围较大，空间上表现出较大的变异性。土壤中硒元素缺乏或潜在不足的地区面积较大且分布零散。此外，由土壤退化或土壤侵蚀产生的持续的硒流失现象明显，并且最终进入周边水体。广东省土壤面积为147000km2，平均土壤密度为1×103kg•m-3。年土壤侵蚀量为1×108t，主要沿韩江、北江、东江和西江水域分布[37]。按照上述数据粗略计算，每年至少有23t土壤硒由侵蚀而进入周边水体。