王凌霄, 余濤,2*, 李鳳嫣, 楊忠芳, 侯青葉, 任蕊

(1.中國地質(zhì)大學(北京)數(shù)理學院, 北京 100083;2.自然資源部生態(tài)地球化學重點實驗室, 北京 100037;3.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院, 北京 100083;4.陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心, 陜西 西安 710068;5.陜西省健康地質(zhì)研究中心, 陜西 西安 710068)

硒是一種自然界中含量很低的類金屬元素,廣泛存在于巖石、礦物、土壤、火山物質(zhì)、硫和硫化物的沉積物、煤和煤灰以及灰塵中[1]。硒作為動物生長所必需的微量元素之一,對人體和動物健康都有重要的影響[2-5]。全球土壤中的硒分布不均,濃度差別較大,范圍主要在0.01～2.0mg/kg之間,地殼中硒的平均豐度為0.07mg/kg,但在一些富硒區(qū)可以達到1200mg/kg[6]。Dinh等[7]對中國環(huán)境中硒的分布進行了統(tǒng)計,土壤硒濃度變化范圍為0.005～79.08mg/kg,約有51%的土壤缺硒。而在湖北恩施、陜西紫陽土壤富硒區(qū)域,土壤硒含量最高分別可達79.08mg/kg、36.69mg/kg,平均含量分別為27.81mg/kg、17.29mg/kg,呈帶狀或點狀分布[8]。人體硒缺乏與硒中毒之間范圍很窄,僅為40～400μg/d,缺硒或攝入過量均對人體有害[9]。

人體攝入的硒主要來自于植物性膳食,植物可食用部分的硒含量與土壤硒含量密切相關(guān)[10-12]。植物對元素的積累并不簡單地取決于元素在土壤中的總含量,主要與元素的生物有效性密切相關(guān)[13-14]。硒在土壤中進行著復雜多樣的化學反應(yīng)過程,這些反應(yīng)過程直接影響著硒的生物有效性[15]。因此,準確地評價土壤硒的生物有效性及其影響因素具有非常重要的意義。前人針對化學提取法等方面開展了大量的工作,但還存在提取專一性不足和提取過程中硒形態(tài)轉(zhuǎn)化的問題[16-17]。當前的生物有效性表征方法還不能完全滿足富硒土地資源調(diào)查評價需求[18]。

本文總結(jié)了土壤硒的生物有效性表征方法,包括化學形態(tài)法、梯度擴散薄膜法、區(qū)域尺度硒生物有效性評價方法,分析了不同方法的優(yōu)點和局限性;討論了地形和土壤類型、硒的存在形態(tài)、土壤pH、土壤有機質(zhì)、植物種類和土壤老化等因素對硒生物有效性的影響,旨在為富硒土地資源的開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

1 土壤硒的生物有效性表征方法

土壤中硒的化學行為(圖1)復雜多樣,涉及吸附-解吸附、沉淀-溶解、氧化-還原、甲基化-去甲基化以及絡(luò)合反應(yīng)等過程,每種反應(yīng)都會影響硒的生物有效性,且受到土壤pH、土壤有機質(zhì)、金屬氧化物、黏土和微生物等因素的影響和制約[19-22]。根系是大部分植物吸收硒的部位,然后進行體內(nèi)的轉(zhuǎn)運、代謝和積累。植物根系直接吸收的硒,如土壤溶液中以游離離子形式存在的硒、碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒、黏土和腐植質(zhì)表面吸附的硒等,但亞硒酸鹽和硒酸鹽可在局部缺氧區(qū)(如土壤團聚體)中或被細菌用作終端電子受體時還原為不具有生物有效性的固態(tài)、不溶性Se(0)和金屬-Se沉淀物(如FeSe、FeSe2)[23];進入礦物晶格的硒和腐植質(zhì)結(jié)合的硒同樣不具有生物有效性。也有一部分土壤硒具有潛在生物有效性,它們通過從不穩(wěn)定的或可逆的部分池中釋放出來或與植物根系的接觸而在特定時間被利用。如在還原條件下,鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硒和可溶性有機質(zhì)黃腐酸結(jié)合硒沉淀發(fā)生溶解,釋放可溶性硒,從而大大提高了其生物有效性。

自然條件下對土壤硒的生物有效性的影響是復雜多樣的,需通過研究表征方法及影響因素來綜合判斷土壤中硒活性。因此,如何準確地判斷土壤中硒的存在形態(tài)、評估其生物有效性具有重要實際意義,且面臨一定的挑戰(zhàn)。目前表征土壤硒生物有效性的方法主要有傳統(tǒng)的化學提取法(單一提取和順序提取)和新興的梯度擴散薄膜技術(shù)(DGT),各有優(yōu)點和局限。

1.1 傳統(tǒng)的化學提取法

單一提取是傳統(tǒng)的化學提取法之一,它使用不同的單種化學提取劑一步提取對應(yīng)形態(tài)的硒:水或鹽溶液可提取可溶性硒組分[24];磷酸鹽緩沖液可提取可溶性硒和交換性硒[25];氟化銨能夠從氧化鋁表面提取硒[26];濃鹽酸可提取氧化結(jié)合態(tài)硒,稀釋的氫氧化鈉和過氧化氫溶液均可提取有機硒化物,與鐵錳氧化物、硫化物和鈣的化合物等結(jié)合的難溶態(tài)硒可以用強酸(硝酸)或氧化劑溶解[27];絡(luò)合提取劑乙二胺四乙酸(EDTA)和二乙烯三胺五乙酸(DTPA)可提取鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)硒[28]。研究土壤硒的生物有效性時,單一提取法往往需要使用兩種或兩種以上的化學提取劑以及根據(jù)土壤性質(zhì)配制不同的固液比的提取劑,如酸性土壤適宜用0.1mol/L的磷酸氫鉀提取,富含有機質(zhì)的土壤使用稀釋的氫氧化鈉或次氯酸鈉的提取效果更好[29];也有研究表明,絡(luò)合提取劑或酸性提取劑(如0.1mol/L鹽酸)提取測定元素的濃度與植物吸收之間的相關(guān)性較差[30];且操作略微繁瑣,一些提取劑的提取成分存在重合,存在確定的硒形態(tài)測定結(jié)果并不精確的問題。

順序提取法比單一提取法能更全面地檢測土壤中不同形態(tài)的硒含量。目前常用的是五步提取法,通過每一步添加不同的提取劑,及時提取出相應(yīng)的組分,減小了對后續(xù)步驟中提取其余組分的影響。實驗步驟一般是按照可溶性硒—交換性硒—鐵錳氧化結(jié)合態(tài)硒—有機結(jié)合態(tài)硒—殘余態(tài)硒的順序進行提取,土壤中硒的溶解度和生物有效性隨著提取步驟的增加而逐漸降低[31]。Peng等[32]通過連續(xù)提取確定土壤中硒的組分,結(jié)果表明可溶性硒是評價土壤中硒酸鹽的硒生物有效性的合適指標,交換性硒更適合表達土壤中亞硒酸鹽的硒生物有效性。Ali等[33]也證明了類似的結(jié)果,亞硒酸鹽處理的土壤硒的有效性略低于硒酸鹽處理的土壤。但是順序提取法也存在一定的局限性,如再吸收、提取不完全情況,以及提取過程中可能因使用的化學品而改變硒的形態(tài)[34],多次的洗滌步驟可能會導致硒濃度的稀釋,一系列的搖動、離心和過濾過程也會增加硒流失、污染以及硒再吸收的風險[24]。通過控制操作過程中連續(xù)提取前幾個步驟的提取時間或固相與提取試劑的接觸時間,可減少再吸附發(fā)生的幾率[35]。

1.2 新興的梯度擴散薄膜技術(shù)

土壤理化性質(zhì)以及采樣、提取、分析過程中人工操作差異,可能會影響單一提取法對土壤硒生物有效性的表達,且植物對硒的吸收是一個動態(tài)過程,單一提取和連續(xù)提取的結(jié)果不能完全反映土壤硒的動態(tài)遷移[36],因此我們需要能測量土壤溶液中的元素和從固相補充的元素,并對土壤元素釋放動力學作出反應(yīng)的方法。

梯度擴散薄膜技術(shù)(DGT)可模擬植物的吸收過程,被廣泛應(yīng)用于土壤和沉積物中重金屬離子(如鉛、鎘、銅、鋅、鎳、砷等)和陰離子的測定[37]。大量研究表明,DGT法比單一提取法和順序提取法更能反映土壤元素的生物有效性。DGT能反映動態(tài)系統(tǒng)的供應(yīng)情況,模擬跨植物細胞膜的吸收過程,因此Zhang等[38]認為,DGT是將實驗室試驗和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進行規(guī)范化和比較的有效工具。Wang等[39]對比了不同方法測量土壤硒生物有效性的可靠性,其順序為:DGT>土壤溶液>順序提取>氯化鉀>熱水>碳酸氫鈉>EDTA>DTPA>氫氧化鈉。Peng等[40]使用亞硒酸鹽和硒酸鹽處理盆栽土壤,表明DGT是預(yù)測植物對硒酸鹽吸收的一種可行方法,但不能預(yù)測亞硒酸鹽的吸收。外源磷、硫易被土壤吸附,從而可以取代固定位點的硒,硒從相對穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)而被植物吸收,提高硒的生物有效性。這一觀點也得到了Jiang等[41]的支持,通過施磷硫肥使小白菜根、地上部分硒含量增加340%～360%,植物根系吸收組分顯著提高,但過量施肥有抑制作用。雖然DGT考慮了土壤孔隙水中營養(yǎng)元素和土壤固液相之間元素的動態(tài)供應(yīng),相比傳統(tǒng)的化學形態(tài)具有更好的預(yù)測性,但Nowack等[42]認為土壤再補給動力學室內(nèi)模擬實驗與野外原位土壤樣品仍然存在差異,因此實驗室模擬實驗還不能充分預(yù)測野外原位土壤樣品。

表1總結(jié)了采用傳統(tǒng)提取法和DGT法對土壤生物有效性進行評價的案例。按照不同地區(qū)土壤中的提取分析結(jié)果,可以看出化學形態(tài)單一提取法獲得的組分簡單,不一定能代表其生物有效性;順序提取法則全面分析了硒的存在形態(tài),與作物硒具有一定的對應(yīng)性;DGT提取的硒與作物硒的相關(guān)性更為密切。

1.3 區(qū)域尺度硒生物有效性評價方法

近些年來,研究者通過定義一些參數(shù)來直觀地反映評價硒的生物有效性,如遷移因子MF(Mobility Factor)可以表征硒的相對遷移指數(shù),MF越高,硒可被植物吸收的程度越高,硒生物有效性越高[54];生物積累因子BAF(Bioaccumulation Factor)反映植物對土壤中硒等元素的吸收和積累能力[55]。因此,可以在區(qū)域尺度建立Se元素在土壤-植物系統(tǒng)的回歸方程,即通過模型搭建研究區(qū)土壤理化性質(zhì)、土壤總硒、有機質(zhì)和重金屬等影響因素與硒的生物有效性之間關(guān)系的橋梁,預(yù)測作物籽實硒含量,從區(qū)域尺度評價硒生物有效性。

表1 土壤硒生物有效性評價研究案例

MF可表示為:

MF=(F1+F2)/(F1+F2+F3+F4+F5)

(1)

式中:F1和F2分別為可溶性硒及交換性硒的含量;F1至F5為土壤中硒各形態(tài)含量之和。

BAF可表示為:

BAF=CSe作物/CSe土壤

(2)

式中:CSe作物為作物中Se元素含量(mg/kg);CSe土壤為土壤中Se元素含量(mg/kg)。

Gu等[56]建立了基于表層土壤性質(zhì)、重金屬和硒含量的BAF預(yù)測模型,估算了廣西來賓市范圍內(nèi)水稻籽粒中的重金屬和硒含量。Yu等[57]建立了玉米籽實吸收土壤Se元素BAF模型,且應(yīng)用基準劑量法進行了推薦限值評估,在湖北恩施研究區(qū)開展了區(qū)域尺度的硒生物有效性與富硒土地安全利用評價,在保障生態(tài)安全的前提下,在富硒土地資源分布區(qū)域內(nèi),按照農(nóng)作物中硒與重金屬元素含量,劃分出可以安全利用開發(fā)富硒土地資源的區(qū)域。農(nóng)作物中Se含量的分布趨勢與土壤中總Se含量的分布趨勢不同,但與土壤生物可利用Se含量的分布趨勢一致。冗余分析(RDA)表明,土壤pH值和有機質(zhì)是陜西小麥產(chǎn)區(qū)土壤Se生物利用率的主導影響因素,土壤Se生物利用率隨著這兩個參數(shù)的提高而上升。Liu等[9]以此為基礎(chǔ),采用MF指數(shù)建立了模型,預(yù)測了陜西省的小麥主產(chǎn)區(qū)小麥籽粒中的Se含量。Wang等[58]為了研究中國不同土壤老化過程中硒酸鹽的再分配及其主要影響因素,進行了逐步多元線性回歸分析,并建立有效硒與主要影響因素的關(guān)系模型。研究表明,土壤硒有效性主要受pH、非晶態(tài)鐵/鋁、有機質(zhì)和培養(yǎng)時間的控制,其中土壤pH值貢獻率約占70%。Gashu等[59]依據(jù)農(nóng)作物和土壤采樣數(shù)據(jù),建立了谷物中Se濃度的預(yù)測模型,并進行了交叉驗證,在埃塞俄比亞阿姆哈拉地區(qū)實現(xiàn)了區(qū)域尺度農(nóng)作物中Se含量預(yù)測,研究表明該區(qū)域谷物提供足夠的膳食攝入硒。這些方法將預(yù)測值與實測值交叉驗證,準確性較高,拓展了硒生物有效性評價的思路。

2 影響土壤硒生物有效性的因素

影響土壤硒的生物有效性,不僅包括土壤的內(nèi)部因素,如地形、土壤類型、pH和有機質(zhì),還有硒的存在形態(tài)、植物種類和老化等外部因素。綜合分析認為,地形和土壤類型、硒的存在形態(tài)、土壤pH和有機質(zhì)是影響有效硒的主要因素,植物種類和老化為次要因素。研究硒的生物有效性時,需將主要因素與次要因素統(tǒng)籌進行考慮。

2.1 地形和土壤類型

地形如海拔、坡度和地形濕潤指數(shù)等是影響土壤有效硒含量的重要因素,導致不同地區(qū)土壤有效硒差距很大。Xu等[60]對浙江省永嘉縣土壤硒研究結(jié)果表明,隨著海拔、坡度和地形濕潤指數(shù)的增加,土壤全硒表現(xiàn)出先升高后降低的態(tài)勢,磷酸鹽提取的有效硒隨著海拔的升高而升高,在坡度和地形濕潤指數(shù)方面呈現(xiàn)與全硒相同的趨勢。然而,Chopra等[55]的研究表明隨著海拔高度的增加,青藏高原東北緣松潘縣2200～3500m海拔范圍內(nèi)的耕地表層土壤有效硒含量顯著降低(r=-0.80,P=0.01)。雖然硒的生物有效性與海拔之間的關(guān)系在不同地區(qū)存在差異,但地形地貌在一定程度上影響土壤中硒的分布和生物有效性。

不同類型的土壤其理化性質(zhì)如有機質(zhì)、鐵/鋁氫氧化物和pH等存在較大的差異,控制硒的遷移,影響硒的流動性,如酸性的森林土壤可形成較不穩(wěn)定的有機-礦物組合,影響硒的遷移和生物有效性[61];火山土表現(xiàn)為總硒含量高而生物有效性低,原因是火山土富含高比表面積和正電荷以及結(jié)晶性較差的鐵氧化物,如鐵腐植質(zhì)復合體和鐵水合石,它們都對硒有高親和力,控制了硒的遷移[62]。不同類型土壤影響硒生物有效性的原因主要有三點:①土壤酸性且富含有機質(zhì)時,硒主要以遷移能力低的硒化物和硒-硫化物存在,生物有效性較低;②接近中性的礦質(zhì)土中易被鐵/鋁氫氧化物固定的亞硒酸鹽占優(yōu)勢,盡管堿性金屬硒化物可溶,但亞硒酸鐵不溶,降低了硒的生物有效性;③堿性且氧化性的土壤硒的生物有效性好。Peng等[53]發(fā)現(xiàn)黃棕壤比其他土壤更容易吸附和固定硒,導致硒的生物有效性最低,潮土和海濱鹽漬土是高pH和高碳酸鹽含量的堿性土壤,其硒的生物有效性高于其他類型的土壤。發(fā)生大骨節(jié)病病區(qū)的土壤硒含量和非病區(qū)的土壤硒含量不一定存在著明顯的差別,但其硒的生物有效性有著明顯不同。Wang等[63]認為原因是大骨節(jié)病病區(qū)的硒不能有效地被植物根系吸收,土壤中可溶性、交換性和黃腐酸結(jié)合態(tài)硒與根系吸收的硒具有顯著的正相關(guān)性,是遷移過程中的主要組成部分。

2.2 硒的存在形態(tài)

采用順序提取方案,可以將土壤硒形態(tài)分為可溶性硒、交換性硒、鐵錳氧化結(jié)合態(tài)硒、有機結(jié)合態(tài)硒以及低遷移率的殘余態(tài)硒?？扇苄晕徒粨Q性硒被認為是高度流動或有效的,鐵錳氧化物和有機質(zhì)固定硒,限制了硒的遷移,但在還原條件下能釋放一部分硒而具有潛在生物有效性,殘余態(tài)硒是最穩(wěn)定和最不活躍的硒組分[64]。

無機價態(tài)的硒在土壤中具有生物有效性的存在形態(tài)主要為硒酸鹽和亞硒酸鹽,還可能有零價等其他價態(tài)硒,生物有效性在很大程度上取決于土壤的濕度和酸堿性。亞硒酸鹽能夠在金屬氧化物表面或土壤有機質(zhì)表面形成強結(jié)合配合物,導致硒生物有效性降低;而硒酸鹽被外球表面絡(luò)合物的靜電力弱吸附而更易交換,易通過徑流從土壤中淋濾,有很好的流動性,被植物體吸收、轉(zhuǎn)運和代謝更容易,相對于亞硒酸鹽供應(yīng)下的硒主要在植物根部積累,硒酸鹽處理下的硒更多轉(zhuǎn)運到葉片,其生物有效性更好[65]。Longchamp等[66]對成熟玉米中硒的吸收、積累、分配和代謝進行了研究,結(jié)果表明硒酸鹽處理后的植株中頂部硒含量為總硒的90%以上,葉片硒含量約50%;而亞硒酸鹽處理的植株頂部僅有40%的硒含量,根部約為60%,籽粒硒含量不受影響,兩種無機硒處理下均占植物硒總量的15%,說明作物硒的吸收、積累、分配和代謝取決于硒的供給形式。

植物硒被人或動物攝入后進入體循環(huán)的是生物有效性硒。有研究表明,主要來自植物和動物的有機形式(例如半蛋氨酸和半胱氨酸)比主要在膳食礦物質(zhì)補充劑中發(fā)現(xiàn)的無機形式(硒酸鹽和亞硒酸鹽)有更多的生物利用度[67],即有機硒是最有生物有效性的硒的存在形態(tài)。Supriatin等[68]通過次氯酸鈉氧化萃取法測得的有機硒平均占總硒的82%,表明荷蘭農(nóng)田土壤中的大部分硒以有機形式存在。Thiry等[69]認為從長期來看,以硒蛋氨酸形式存在的有機硒更能有效地預(yù)防硒缺乏,而亞硒酸鹽形式存在的無機硒可以對硒的急性需求作出更快的反應(yīng),但從長期來看,具有更高的毒性風險。

2.3 土壤pH

pH主要通過控制氧化還原過程、調(diào)節(jié)吸附/解吸和沉淀/溶解過程來影響硒的形態(tài)和遷移,從而對硒的生物有效性產(chǎn)生影響,影響機制見圖2。

圖2 土壤pH對硒生物有效性的影響Fig.2 The impact of soil pH on selenium bioavailability.

Se(Ⅵ)主要存在于堿性和氧化條件下,有著很高的流動性和溶解度,根系吸收比較容易;Se(Ⅳ)隨著pH的降低占據(jù)主要地位,易被土壤固相吸附和固定[35];Se(0)和Se(Ⅱ)存在于強還原條件下,負價的硒和土壤中增多的正電荷形成吸附并固定,生物有效性大大降低。由于土壤pH增加,氫氧根離子數(shù)目增加,造成土壤表面Se(Ⅳ)或Se(Ⅵ)氧陰離子和羥基官能團之間產(chǎn)生靜電排斥,土壤對硒的吸附量降低,從而增加了硒的生物有效性[70]。He等[71]報道了在酸性條件下,亞硒酸鐵可以在土壤和沉積物中形成難溶性沉淀物。陳繼平等[72]對比分析了酸性土壤和偏堿性土壤中小麥根系土與籽粒中硒含量和硒形態(tài),數(shù)據(jù)表明在弱堿性和堿性土壤中種植的小麥的富硒率明顯高于酸性土壤。

然而,提高pH并非在任何情況下都能提高硒的生物有效性。Tsioubri等[73]發(fā)現(xiàn),對生長在酸性和有機質(zhì)含量較高的堿性土壤上的萵苣和三葉草施硒可提高植物硒含量,但pH對硒吸收的影響隨土壤有機質(zhì)含量的增加而減小,表明對于富含有機質(zhì)的土壤提高pH不是提高硒生物有效性的合理措施。對此可解釋為:土壤有機質(zhì)水平較高時,pH增加使黏土礦物和倍半氧化物上的正電荷數(shù)目減少,與之結(jié)合的亞硒酸鹽吸附量減少;盡管在一般情況下,陰離子主要結(jié)合于礦物表面,只有少量與有機質(zhì)結(jié)合,但由于微生物活性增加,由微生物介導的硒陰離子還原到低價態(tài)的概率增大,使得更多的硒與腐植酸結(jié)合,土壤硒的生物有效性變化呈現(xiàn)出相反的情況[48]。

2.4 土壤有機質(zhì)

土壤有機質(zhì)(SOM)對土壤硒的生物有效性具有雙重調(diào)節(jié)作用,通過形成有機質(zhì)結(jié)合的硒締合物或從有機質(zhì)結(jié)合的硒復合體中釋放硒,即它能在鐵、鋁氧化物存在下形成三元配合物固定硒,并促進形成缺氧區(qū)(如土壤大團聚體的核心),從而促進硒的減少和固定[74];與有機物結(jié)合的硒也能礦化為無機硒和易于被植物吸收的小型有機硒化合物[75],形成土壤硒生物有效性的動態(tài)平衡,受到物理、化學、生物過程和驅(qū)動因素影響(圖3)。Tolu等[23]研究結(jié)果表明對于有機質(zhì)含量小于20%的土壤,土壤硒的溶解度主要取決于其對結(jié)晶氫氧化物的吸附。Li等[74]報道認為與土壤有機質(zhì)相關(guān)的硒可以緩慢釋放并補充土壤溶液中的硒,有機結(jié)合態(tài)硒可以作為土壤中生物有效態(tài)硒的潛在來源。

圖3 土壤中有機質(zhì)對硒的影響及相關(guān)驅(qū)動因素(據(jù)Li等[74]修改)Fig.3 The impact of soil organic matter on selenium and associated driving factors (Modified from Li, et al [74]).

有機酸是土壤有機質(zhì)中最重要的活性成分,包括低分子量有機酸和高分子量有機酸。Adeleke等[76]發(fā)現(xiàn),一些低分子量有機酸可以通過改變土壤pH值來溶解不溶性礦物,將硒釋放到土壤溶液中。Martin等[77]發(fā)現(xiàn)硒可與Fe(Ⅲ)和腐植酸(HA)結(jié)合,形成Se-Fe-HA三元絡(luò)合物并沉淀。影響硒生物有效性的情況如圖4所示:低分子量有機酸可通過競爭吸附位點來提高硒的遷移率或改變pH溶解不溶性礦物釋放硒;與之相反的是,高分子量有機酸中腐植酸占主導時降低硒的遷移率[36]。黃腐酸(FA)和腐植酸(HA)是高分子量有機酸的主要組分,與黃腐酸結(jié)合的硒可被分解并易于被植物利用,而與腐植酸結(jié)合的硒穩(wěn)定且難以分解,導致生物利用度低[56]。Qin等[47]得到在所有富硒土壤和風化石煤樣品中,FA-Se是主要存在形式,占有機質(zhì)結(jié)合硒(OM-Se)的62%以上,并且認為弱結(jié)合的FA-Se可能是OM-Se中生物有效硒的潛在來源,而強結(jié)合的HA-Se可能是OM-Se中的生物有效硒匯。這一觀點也得到了Wang等[78]研究結(jié)果的支持,他們發(fā)現(xiàn)富硒土壤老化一年之后,土壤溶液、顆粒表面和固相中的FA-Se與土壤有效硒顯著相關(guān)。

圖4 有機酸對土壤硒生物有效性的影響示意圖Fig.4 The impact of organic acids on soil selenium bioavailability.

2.5 植物種類

人類每日攝入的硒中,近85%直接或間接來源于植物。植物能通過硫轉(zhuǎn)運體和生化途徑吸收和同化硒,也易揮發(fā)甲基化的硒,因此植物既可為缺硒地區(qū)提供膳食硒,又可消除含硒地區(qū)的硒污染[79]。非硒積累型植物的硒含量低于100mg/kg(干重),硒指示植物的硒含量可達100～1000mg/kg(干重)且無毒性跡象,硒超積累植物的硒積累量超過1000mg/kg(干重)[80]。例如,黃芪屬植物中絕大多數(shù)是硒超積累植物[81],小白菜屬蕓苔科,具有較高的硒積累能力,可作為富硒植物進行開發(fā)利用[82]。很多研究已經(jīng)證明了不同種類的植物對硒的積累能力存在顯著差異,同一作物在不同的生長階段對硒的吸收量有高低之別[83-86]。

土壤硒的生物有效性影響植物體內(nèi)的硒含量,同樣植物也會反作用于土壤,硒超積累植物對周圍土壤中硒有富集作用,影響硒的生物有效性[87]。土壤的有機態(tài)硒是生物有效硒的主要來源,通過植物的分解產(chǎn)物及合成物形成,硒超積累植物的枯落物和作物根系釋放的化合物富集根系土壤的硒,并通過產(chǎn)生影響根際生物的分泌物調(diào)動土壤中不穩(wěn)定的硒,增加周圍土壤硒的生物有效性,El Mehdawi[88]通過研究硒超積累植物間的相互作用證明了這點;另一方面,由于植物根系釋放有機化合物、酶以及降解有機物質(zhì)的質(zhì)子影響根際化學,進而影響土壤溶液中硒的存在形式,這與生物有效性硒直接相關(guān)[79]。且植物凋落物、根系分泌物和土壤腐植質(zhì)可形成土壤溶解性有機物,相比土壤中的固相有機質(zhì)有更好的溶解性和更多的結(jié)合位點,影響硒的溶解度,這也可能是硒超積累植物影響硒生物有效性的重要原因[89]。

2.6 土壤老化

老化是指外源化學物質(zhì)在土壤中的流動性、生物有效性或毒性隨時間而下降的過程[51]。當外源硒酸鹽進入土壤后,隨著時間的延長,硒酸鹽從可溶性(中性或堿性土壤)或交換性(酸性土壤)組分向鐵錳氧化結(jié)合態(tài)、有機質(zhì)結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)轉(zhuǎn)化,硒的有效性降低。老化速率和時間隨土壤性質(zhì)(pH、非晶態(tài)鐵/鋁和有機質(zhì))的變化而變化:堿性條件下Se(Ⅵ)緩慢還原為Se(Ⅳ)并吸附于碳酸鹽、鐵錳氧化物和有機質(zhì)上;酸性條件下亞硒酸鹽被迅速還原,固定在鐵錳氧化物上或與有機質(zhì)結(jié)合,酸性土壤的老化速率大于堿性和中性土壤[90]。

如圖5所示,一般認為老化機理主要為微孔擴散,表面成核/沉淀和有機質(zhì)固定,對應(yīng)老化的五個過程:①外源硒擴散到土壤中的礦物或有機物表面的微孔中;②吸附在礦物表面的硒逐漸擴散到礦物晶體中;③以離子形式存在的硒與土壤形成新的固相;④硒的沉淀或氧化/還原過程;⑤硒通過擴散更緊密地結(jié)合在有機分子中[91]。老化過程中具有大表面積、微孔結(jié)構(gòu)和豐富結(jié)合位點的鐵、鋁和錳的非晶態(tài)氧化物以離散相的形式出現(xiàn)或作為其他礦物表面的涂層,與表面成核/沉淀老化機制或吸附行為密切相關(guān),且吸附能力隨pH的降低而增加,影響硒的遷移和生物有效性[92]。Tolu等[93]研究了硒輸入后短期和長期土壤中硒的遷移和組分,表明隨著培養(yǎng)時間的延長,土壤中可溶性硒和交換性硒含量降低,有機結(jié)合態(tài)硒含量增加。此外,老化也受到土壤水分的影響,水飽和時土壤Eh降低,高價態(tài)硒還原為低價態(tài),可溶性硒含量迅速下降,土壤老化速率加快[94]。

圖5 土壤老化過程及影響因素Fig.5 Soil ageing process and influential factors.

3 結(jié)語與展望

對于不同硒的生物有效性的表征方法,主要局限性為:單一提取法會被土壤性質(zhì)、土壤/溶液比、提取時間和提取劑的pH值等影響提取效果;順序提取法存在提取不完全,洗滌稀釋濃度以及離心過濾過程中硒流失的問題,且這兩種傳統(tǒng)的提取方法均不能反映固相-土壤溶液-根部系統(tǒng)的動力學過程。薄膜擴散提取技術(shù)恰好是一種擾亂土壤溶液和固相之間的平衡,模擬根系吸收硒的動態(tài)過程,在評估有效性方面更具優(yōu)勢,但對于是否能夠充分地預(yù)測野外土壤的再補給動力學有待商榷。

影響土壤硒生物有效性的主要因素:①地形因素如海拔、坡度和地形濕潤指數(shù)等對土壤硒含量有一定的影響,不同類型土壤的有機質(zhì)、鐵/鋁氫氧化物和pH等存在較大的差異,通過控制硒遷移影響硒的生物有效性;②可溶性硒和交換性硒更易被植物吸收,流動性更好的硒酸鹽相比亞硒酸鹽在植物體的吸收、轉(zhuǎn)運和代謝方面更容易;③通常情況下增加土壤的pH能夠提高硒的生物有效性,但富含有機質(zhì)的土壤則相反。

目前受地形、土壤類型、土壤理化性質(zhì)等諸多因素影響,對于土壤硒生物有效性的評價并沒有一個普遍且廣泛適用的方法,導致不同結(jié)果間難以相互比較和驗證。完善DGT原位分析技術(shù)和改進元素形態(tài)分析測試技術(shù),是準確評價土壤硒生物有效性的重要技術(shù)手段,也是未來發(fā)展的重要方向。