我国土壤低硒带的气候成因研究
2018-01-08 16:02:00   来源：土壤观察   点击：

 

 

 

硒是一种参与生命活动的重要微量元素。1973年世界卫生组织( World HealthOrganization，WHO) 正式将硒列为人体必需的微量元素之一。由于硒缺乏造成的微量元素缺乏(又称“隐性饥饿”)，影响着世界上七分之一的人口。我国是一个典型的缺硒国家。食物是人体摄入硒的主要来源，而土壤又是粮食作物中硒的主要来源。据报道，人体中硒缺乏的主要原因是农田硒含量低或硒的生物有效性较低。局部区域中发现了多种因素影响着我国土壤硒含量，但全国范围内，影响土壤中硒含量的主要因素仍鲜有报道。这方面研究对大尺度( 全国尺度)调控我国土壤硒积累、提高食物中硒含量及人体硒摄入量，均有重要的意义。

 

 

我国土壤中硒分布严重不均，西北和东南地区土壤中硒含量相对较高，而从东北地区到西南地区存在一条典型的低硒带，位于降雨量400～800mm的国土之间(图1)。我国农业生产呈“东耕西牧，南稻北麦”的分布格局，400mm等降水量线是我国一条重要的地理分界线，它是我国半干旱和半湿润地区分界线、农耕文明和游牧文明分界线，也是种植业和畜牧业分界线。该低硒带恰好位于东部的农耕地区，即农田区(图1)，这造成我国有70%以上的耕地处于不同程度的缺硒状态，其中约30%的耕地严重缺硒。

土壤硒水平低下或者其有效性低均可导致植物硒含量偏低，进而造成禽畜等肉类中硒含量同样偏低，而植物和肉类是人体摄入硒的最主要的来源。众所周知，人体中硒最终来源于土壤，土壤中的硒含量决定了食物中的硒含量，进而决定人体对硒的摄入量。我国约有7 亿多人口存在不同程度的硒摄入量不足，是国际公认的“缺硒大国”之一。目前我国农业发展开始继高产农业、绿色农业之后进入第三个发展阶段，即功能农业阶段。在人们越来越关注膳食营养的今天，我国膳食中的硒缺乏引起了广泛关注。因此，研究土壤中硒分布的成因，特别是我国典型低硒带的形成机制，是有效调节土壤硒含量、提高我国膳食硒含量及人体硒摄入水平的关键。

 

 

 

目前，硒在土壤中分布的影响因素，特别是大范围内硒分布的影响因素仍不明确。土壤中硒含量研究，主要集中在恩施、紫阳等个别土壤硒含量较高的地区，如湖北恩施地区因土壤母质为二叠纪时期形成的黑色碳质富硒岩层，且埋藏较浅、出露地面，经风化造成土壤富硒。但在全国范围，甚至全球范围内，土壤硒含量分布规律，以及土壤低硒带的产生原因仍鲜有报道。成土母质是影响土壤硒含量的一个重要因素，结晶基岩和第四季土壤是地球土壤的主要母质(图2)，其中沉积岩为75%，变质岩和火成岩为25%。我国77.3%的土壤由沉积岩风化而成。除个别岩石如页岩硒含量较高外，其他岩石硒含量均较低。全球范围内，硒在地壳中的丰度为0．05～0．09 mg /kg，而我国硒在地壳中的丰度为0．058 mg /kg。硒在我国三大主要岩石中的浓度分别为变质岩0．070 mg /kg、火成岩0．067 mg /kg、沉积岩0．047 mg /kg，显然土壤母岩中硒含量都很低，与硒在地壳中的丰度相当。而硒在不同地区土壤中的含量分别为西北地区0．19 mg /kg、中部低硒带0．13 mg /kg、东南沿海0．23 mg /kg。显然土壤中硒含量远高于土壤母岩中硒含量，特别是西北和东南地区(图1)。将土壤硒含量分布图(图1)与土壤母质母岩图(图2)进行直观比较发现，土壤硒含量分布和母质分布完全不一致，说明土壤母质不是我国低硒带的主要成因。仅仅依靠土壤母质无法解释土壤中硒的分布情况。

 

 

土壤中硒的另一个来源为大气沉降。如图3 所示，大气中硒的主要来源是海洋中的硒挥发，海水中的硒被海洋微生物吸收，经微生物甲基化转化为气态硒化合物，大量的气态硒化合物被释放到大气中，挥发的硒以二甲基硒和二甲基二硒为主，这些挥发性硒易溶于水，可通过湿沉降进入土壤，被认为是陆地硒的主要来源。据报道，欧洲沿海国家土壤中硒含量高于欧洲中部非沿海国家。我国东南地区属于典型的亚热带季风气候，硒含量分布与降水量分布类似(图4B)，显然二者显著相关。越靠近东南沿海地区，降水量越大，土壤中硒含量越高。经初步估算，当降水量达到2000 mm 时，硒沉降为200～400 μg /m2·a。东亚夏季季风造成的湿沉降，是我国东南地区土壤高硒分布的重要影响因素。Winkel 等通过综合土壤理化性质、当地气候条件以及地质因素，预测了近期( 1980 －1999 年) 和未来(2080－2099 年) 土壤中硒含量，模型结果显示，在全球范围内，土壤硒浓度主要受当地气候和土壤性质影响，气候因素则主要包括降水量和潜在硒挥发。

 

 

西北干旱地区，由于受到山脉阻隔且距离海洋较远，造成该地区降水量很小( ＜200 mm)，一些戈壁或沙漠地区的降水量甚至低于100 mm。而土壤中硒含量却相对较高，显然，西北地区土壤中硒的输入与降水量关系不大。经对比发现，西北地区硒分布与沙漠分布非常吻合(图4A)。众所周知，东亚季风分为夏季季风和冬季季风，冬季季风由蒙古和西伯利亚与北太平洋大气压力差形成。亚洲冬季季风不仅是世界最强的冬季季风，而且是亚洲的主要尘源，占大气灰尘的70%。而大气气溶胶中硒含量远高于土壤母岩中硒含量。中亚沙漠和戈壁上的矿物灰尘经冬季季风带入空中，进而通过干沉降重新回到土壤表面，其中有30%的矿物灰尘沉降在沙漠周边地区。我国西北地区包含蒙古沙漠、塔克拉玛干沙漠等，西北高硒地区都紧邻沙漠。显然干沉降提供了西北地区土壤中的硒，造成该地区土壤硒含量较高(图4)。

 

 

我国中部地区，降水量相对较小( 400 ～ 800mm)，由湿沉降进入土壤的硒含量较少。而距离亚洲尘源相对较远，干沉降灰尘也相对较少，对土壤硒的贡献也不大。即使这样经多年积累，土壤中硒含量也应提高，然而该地区硒含量却显著低于西北和东南地区，形成了典型的低硒带。这其中一个不容忽视的原因是土壤硒挥发(图5)。土壤硒挥发是硒生物地球化学循环的一个重要过程，同时也减少了土壤中硒的积累。生物甲基化形成的挥发性硒甲基化合物是该元素生物地球化学循环的主要驱动( 图5)。植物和微生物皆可甲基化硒，常见的挥发性硒化合物有二甲基硒(CH3SeCH3，DMSe)、二甲基硫硒( CH3SeSCH3，DMSeS )、二甲基二硒( CH3SeSeCH3，DMDSe)。在微生物体内已发现两种参与挥发硒生成的酶及相关基因，即巯基嘌呤甲基转移酶。生物甲基化和挥发是土壤中硒减少的主要驱动因素，而土壤微生物是硒挥发的主要驱动因子。

 

影响土壤硒挥发的主要因素包括温度、土壤湿度、有机碳含量等。研究表明，土壤有机碳含量增加会加速土壤硒挥发。温度、土壤硒含量和土壤微生物丰度是影响土壤硒挥发的主要因素。目前关于硒挥发的研究主要集中在富硒地区土壤，个别研究表明富硒土壤中硒挥发通量达到1 300 μg /m2·d，富硒土壤中硒含量可达到1 200 mg /kg，远高于世界平均土壤硒含量0．01～2．00 mg /kg。富硒土壤中硒挥发通量也会高于普通农田，而富硒地区面积很小，无法代表广大的普通陆地低硒土壤。对普通土壤中硒的挥发研究甚少，数据严重缺乏。普通土壤中硒的挥发通量，以及植物和微生物对该通量的贡献仍未知。因此目前无法准确估算全球土壤硒挥发能力。据报道，湿地系统(wetland) 中硒挥发通量为43．8 μg /m2·a，而草地系统( grassland) 中硒挥发通量为100～200 μg /m2·a。

 

 

土壤中硒的含量实际上是大气干湿沉降( 输入量)与土壤硒挥发( 输出量) 的差值，即土壤硒净积累为硒干湿沉降－硒挥发。我国中部的低硒带属于半湿润气候，该地区年平均气温相对较高，由于距离海洋和沙漠都相对较远，湿沉降和干沉降提供的硒含量均相对较少，总体而言硒沉降量较低。而该地区被森林覆盖，土壤有机质含量很高，土壤温度、湿度均适合微生物生长，因此该地

区土壤微生物含量大、活性高，土壤中硒挥发损失相对较大。较大的土壤硒挥发损失与较小的土壤干湿沉降，造成土壤硒挥发与沉降相对平衡。经粗略估算，在我国降水量为400～800 mm 的地区，土壤中硒挥发量与湿沉降造成的土壤硒输入量相当。没有或仅有少量硒在土壤中积累，使土壤硒含量接近土壤母质，保持较低水平，形成典型的低硒带(图1)。

 

在我国西北地区，干沉降是土壤硒的主要贡献因素，而西北地区属于沙漠、半沙漠，年平均气温低，降水量小，土壤湿度低，有机质含量低，植被覆盖差，这些因素限制了土壤中微生物量及其活性，造成该地区土壤硒挥发很低。另外，该地区属于碱性土壤，土壤pH 较高，硒生物有效性差，进一步限制了土壤硒的微生物挥发。干沉降与极低的土壤硒挥发能力造成了西北地区较高的

硒含量。

 

东南地区，虽然年平均气温高，降水量大，硒湿沉降多。然而土壤湿度高，有机质含量高，植被覆盖密集，造成土壤微生物量大，活性高，而且土壤总体呈酸性，硒生物有效性高，这些因素促进了硒的挥发损失。但东亚夏季季风造成的强降雨，硒的湿沉降量远大于土壤硒挥发量。经估算，在降水量为2 000 mm 的地区，土壤中硒的年净积累量为50～250 μg /m2，这是该地区土壤硒积累而呈现高浓度的主要原因。

 

 

基于以上的分析，土壤中硒浓度主要取决于两个主要的环境因素:一个是土壤自身的理化性质，另一个是气候和生物因素。瑞士Winkel 教授团队最新针对土壤硒的大数据分析表明，土壤的母质、酸碱性、粘土含量和有机物含量是决定硒水平最主要的几个参数;而干旱程度、植被的蒸腾作用和降雨量是主要的气候和生物因素。利用这7个参数，可以对未来的土壤中的硒含量做出一个预测，其重要性依次为:干旱程度、土壤酸碱性、降雨、植物蒸腾作用、粘土含量、母质和土壤有机质含量。考虑到气候变化因素，21世纪末全球耕作土壤中的硒含量相对于20世纪末将有约5%的下降。就中国而言，大部分的耕地会变得更加缺硒，仅在东北与朝鲜半岛交界一带，以及四川盆地中的硒含量将呈上升趋势。另外，全球气候变化对降水及我国农业有较大影响，这将进一步影响粮食作物中的硒含量及人体硒摄入量。

 

 

地球上不同地区存在多个季风区，包括南亚季风、东亚季风、北澳季风、西北太平洋季风、南非季风、北非陆地季风、南美季风和北美季风等，这些季风显著影响当地的降水量和硒的干湿沉降，势必会影响土壤中的硒含量。未来将继续探讨这些季风对当地土壤中硒分布的影响，从而探索气候因素对土壤中硒分布的影响。另外，土壤中硒的挥发，尤其是常规农田土壤中微生物驱动的硒挥发仍缺乏系统研究，这对土壤中硒的积累、硒生物地球化学循环以及不同介质中硒通量的准确计算，都具有重要的意义和价值。