我國(guó)表層土壤中汞和硒的分布特征及形成機(jī)制研究一、引言汞（Hg）和硒（Se）作為土壤中的重要微量元素，其分布特征與形成機(jī)制一直是環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。汞是一種全球性污染物，具有高毒性、易遷移和生物富集等特性。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的活躍汞儲(chǔ)庫(kù)之一，儲(chǔ)存了陸地生態(tài)系統(tǒng)至少90%以上的汞。土壤累積的汞一方面可被還原為Hg0重新排放到大氣中，增加大氣汞負(fù)荷；另一方面隨地表徑流進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的甲基汞（MeHg），并通過食物鏈富集放大，對(duì)生態(tài)環(huán)境安全與人體健康造成潛在威脅。硒是人體必需的微量元素之一，對(duì)人體健康具有重要作用，如抗氧化、防癌抗癌等。然而，硒在地球自然環(huán)境中的分布極其不均，呈“點(diǎn)狀分布”。我國(guó)從東北向西南形成一條明顯的帶狀缺硒區(qū)域，涉及約15個(gè)省(市)和自治區(qū)，同時(shí)也存在湖北恩施、陜西安康等天然富硒區(qū)。土壤中硒的含量及形態(tài)直接影響其在食物鏈中的傳遞和生物有效性，進(jìn)而影響人體健康。因此，深入研究我國(guó)表層土壤中汞和硒的分布特征及形成機(jī)制，對(duì)于評(píng)估生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、保障人體健康具有重要意義。二、我國(guó)表層土壤中汞的分布特征2.1整體分布狀況我國(guó)表層土壤汞含量存在較大的空間差異。從區(qū)域上看，不同地區(qū)的土壤汞含量呈現(xiàn)出明顯的分異。在一些工業(yè)發(fā)達(dá)、人口密集的地區(qū)，如東部沿海地區(qū)，土壤汞含量相對(duì)較高。這主要是由于這些地區(qū)工業(yè)活動(dòng)頻繁，煤炭燃燒、有色金屬冶煉等過程向大氣中排放了大量的汞，隨后通過大氣沉降等方式進(jìn)入土壤，導(dǎo)致土壤汞累積。而在一些偏遠(yuǎn)、工業(yè)活動(dòng)較少的地區(qū)，如青藏高原、內(nèi)蒙古草原等地，土壤汞含量相對(duì)較低。以青藏高原為例，雖然其平均海拔在4000米以上，擁有相對(duì)孤立而脆弱的高寒生態(tài)系統(tǒng)，但研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原表層土壤汞存在顯著富集現(xiàn)象。不同植被覆蓋類型下表層土壤汞濃度呈現(xiàn)出較大的空間變異性，表現(xiàn)為森林>草甸>草原>灌叢。整個(gè)青藏高原表層10cm厚土壤中汞儲(chǔ)量為8200±3292噸。這表明即使在看似“潔凈”的地區(qū)，土壤汞的分布也受到多種因素的影響。2.2不同生態(tài)系統(tǒng)中的分布在森林生態(tài)系統(tǒng)中，由于植被茂密，對(duì)大氣汞具有較強(qiáng)的攔截和吸收作用，使得森林土壤中的汞含量相對(duì)較高。樹木通過葉片吸收大氣中的汞，部分汞通過凋落物進(jìn)入土壤，增加了土壤汞的積累。同時(shí)，森林土壤中豐富的有機(jī)質(zhì)也有利于汞的吸附和固定。草甸生態(tài)系統(tǒng)中，土壤汞含量一般低于森林生態(tài)系統(tǒng)，但高于草原和灌叢生態(tài)系統(tǒng)。草甸植被的生物量相對(duì)較大，對(duì)大氣汞也有一定的截留能力。此外，草甸土壤的水分條件較好，有利于汞在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化。草原生態(tài)系統(tǒng)中，植被相對(duì)稀疏，對(duì)大氣汞的攔截能力較弱，土壤汞含量相對(duì)較低。但草原地區(qū)的風(fēng)力較大，可能會(huì)加速汞的大氣傳輸和沉降過程，在一定程度上影響土壤汞的分布。灌叢生態(tài)系統(tǒng)中，灌叢植被的覆蓋度和生物量相對(duì)較小，土壤汞含量在幾種生態(tài)系統(tǒng)中最低。然而，灌叢生態(tài)系統(tǒng)往往分布在一些地形復(fù)雜的區(qū)域，其土壤汞含量也可能受到局部地形和地質(zhì)條件的影響。三、我國(guó)表層土壤中汞的形成機(jī)制3.1自然來源3.1.1巖石風(fēng)化巖石風(fēng)化是土壤汞的重要自然來源之一。不同類型的巖石中汞的含量存在差異，如花崗巖、頁巖等巖石中汞含量相對(duì)較高。在巖石風(fēng)化過程中，汞逐漸釋放到土壤中。例如，在一些山區(qū)，由于巖石的風(fēng)化作用，土壤汞含量可能會(huì)相對(duì)較高。此外，巖石的礦物組成和結(jié)構(gòu)也會(huì)影響汞的釋放速率和遷移能力。3.1.2大氣沉降大氣沉降是土壤汞的另一個(gè)重要自然來源。大氣中的汞主要以氣態(tài)單質(zhì)汞（Hg0）、氣態(tài)二價(jià)汞（Hg2+）和顆粒態(tài)汞（HgP）的形式存在。Hg0具有較強(qiáng)的揮發(fā)性和穩(wěn)定性，能夠在大氣中長(zhǎng)距離傳輸。Hg2+和HgP則相對(duì)更容易通過干濕沉降的方式進(jìn)入土壤。自然過程如火山噴發(fā)、森林火災(zāi)等會(huì)向大氣中釋放大量的汞，這些汞最終通過大氣沉降進(jìn)入土壤。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，大氣沉降是土壤汞的主要來源。3.2人為來源3.2.1工業(yè)活動(dòng)工業(yè)活動(dòng)是導(dǎo)致土壤汞污染的主要人為因素之一。煤炭燃燒是汞排放的重要來源，我國(guó)作為煤炭消費(fèi)大國(guó)，大量的煤炭燃燒向大氣中排放了大量的汞。有色金屬冶煉過程中，如汞礦開采、銅鉛鋅冶煉等，也會(huì)產(chǎn)生大量的含汞廢氣、廢水和廢渣，這些廢棄物中的汞通過各種途徑進(jìn)入土壤，造成土壤汞污染。在一些工業(yè)礦區(qū)周邊，土壤汞含量往往嚴(yán)重超標(biāo)。3.2.2農(nóng)業(yè)活動(dòng)農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)土壤汞含量也有一定影響。農(nóng)藥和化肥的使用可能會(huì)引入汞。一些含汞農(nóng)藥雖然已被禁止使用，但在過去的使用過程中，部分汞殘留于土壤中。此外，一些化肥中也可能含有微量的汞，長(zhǎng)期使用可能會(huì)導(dǎo)致土壤汞含量增加。污水灌溉也是農(nóng)業(yè)活動(dòng)中導(dǎo)致土壤汞污染的一個(gè)重要因素。未經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)的污水中含有大量的重金屬，包括汞，用于灌溉農(nóng)田后，汞會(huì)在土壤中積累。3.3影響汞分布和轉(zhuǎn)化的因素3.3.1土壤性質(zhì)土壤的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)汞的分布和轉(zhuǎn)化具有重要影響。土壤pH值是影響汞形態(tài)和活性的重要因素之一。在酸性土壤中，汞更容易以離子態(tài)存在，其遷移性和生物有效性相對(duì)較高；而在堿性土壤中，汞更容易與土壤中的有機(jī)質(zhì)、黏土礦物等結(jié)合，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，降低其遷移性和生物有效性。土壤有機(jī)質(zhì)含量也與汞的吸附和固定密切相關(guān)。有機(jī)質(zhì)具有豐富的官能團(tuán)，能夠與汞形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而增加土壤對(duì)汞的吸附能力，減少汞的遷移。此外，土壤質(zhì)地、陽離子交換量等性質(zhì)也會(huì)影響汞在土壤中的分布和轉(zhuǎn)化。3.3.2植被覆蓋植被覆蓋對(duì)土壤汞的分布和轉(zhuǎn)化具有重要作用。植被通過葉片吸收大氣中的汞，然后通過凋落物將汞帶入土壤。不同植被類型對(duì)汞的吸收和積累能力存在差異，如前文所述，森林植被對(duì)汞的攔截和吸收能力較強(qiáng)，導(dǎo)致森林土壤汞含量相對(duì)較高。植被還可以通過影響土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，如土壤水分、通氣性等，間接影響汞在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化。此外，植被根系的分泌物也可能影響土壤微生物的活性，進(jìn)而影響汞的生物轉(zhuǎn)化過程。3.3.3氣候因素氣候因素如溫度、降水等也會(huì)影響土壤汞的分布和轉(zhuǎn)化。溫度升高會(huì)加速土壤中汞的揮發(fā)，增加大氣汞的排放。同時(shí)，溫度也會(huì)影響土壤微生物的活性，進(jìn)而影響汞的生物轉(zhuǎn)化過程。降水通過淋溶作用可以將土壤中的汞溶解并隨地表徑流帶走，降低土壤汞含量；但降水也可能通過大氣沉降帶來更多的汞，增加土壤汞的輸入。此外，風(fēng)速、光照等氣候因素也會(huì)對(duì)土壤汞的分布和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生一定影響。四、我國(guó)表層土壤中硒的分布特征4.1整體分布格局我國(guó)硒資源分布不均，約72%的國(guó)土面積的土壤屬于缺硒，其中30%為嚴(yán)重缺硒地區(qū)。從地域上看，缺硒地區(qū)主要集中在東北、華北、西北以及西南部分地區(qū)，包括黑龍江、吉林、遼寧、河北、河南、山東、山西、陜西、四川、重慶、云南、西藏、內(nèi)蒙古等省份，這些地區(qū)的土壤中硒含量很低，在20微克/千克以下。相對(duì)不缺硒的地區(qū)主要分布在南方，如廣西、海南、臺(tái)灣、貴州大部分地區(qū)、湖北東部、江西南部等。此外，我國(guó)還存在少數(shù)富硒縣市，如湖北恩施、陜西紫陽、廣西巴馬、江蘇如皋、安徽石臺(tái)等。東北平原及部分山區(qū)、華北平原北部也是缺硒地區(qū)。4.2不同土壤類型中的分布在不同的土壤類型中，硒的含量也存在差異。例如，在紅壤、黃壤等酸性土壤中，硒的含量相對(duì)較高。這是因?yàn)樗嵝酝寥赖牧苋茏饔幂^強(qiáng)，有利于硒的釋放和遷移。而在黑土、棕壤等中性和堿性土壤中，硒的含量相對(duì)較低。土壤中的黏土礦物對(duì)硒具有較強(qiáng)的吸附能力，不同類型的黏土礦物對(duì)硒的吸附特性不同，也會(huì)導(dǎo)致硒在不同土壤類型中的分布差異。此外，土壤中的有機(jī)質(zhì)含量也與硒的分布有關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量高的土壤，硒的含量往往也相對(duì)較高。五、我國(guó)表層土壤中硒的形成機(jī)制5.1自然來源5.1.1成土母質(zhì)成土母質(zhì)是土壤硒的最初來源。不同類型的巖石中硒的含量不同，如花崗巖、砂巖等巖石中硒含量相對(duì)較低，而頁巖、石灰?guī)r等巖石中硒含量相對(duì)較高。在巖石風(fēng)化過程中，硒逐漸釋放到土壤中，成為土壤硒的重要組成部分。例如，在一些由頁巖發(fā)育而成的土壤中，硒含量往往較高。成土母質(zhì)的礦物組成和結(jié)構(gòu)也會(huì)影響硒的釋放速率和遷移能力，從而影響土壤硒的含量。5.1.2大氣沉降大氣沉降也是土壤硒的自然來源之一。大氣中的硒主要來源于火山噴發(fā)、海洋飛沫等自然過程。這些硒通過干濕沉降的方式進(jìn)入土壤。在一些靠近海洋或火山活動(dòng)頻繁的地區(qū)，大氣沉降對(duì)土壤硒含量的貢獻(xiàn)相對(duì)較大。此外，大氣中的硒還可能與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成不同形態(tài)的硒化合物，影響土壤硒的形態(tài)和生物有效性。5.2人為來源5.2.1工業(yè)活動(dòng)工業(yè)活動(dòng)如燃燒礦物燃料、有色金屬冶煉、印染、涂料制造等過程中會(huì)產(chǎn)生含硒的廢氣、廢水和廢渣。這些廢棄物中的硒通過不同途徑進(jìn)入土壤，導(dǎo)致土壤硒含量增加。在一些工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，由于工業(yè)活動(dòng)的影響，土壤硒含量可能會(huì)超出自然背景值。例如，有色金屬冶煉廠周邊的土壤中，硒含量往往較高。5.2.2農(nóng)業(yè)活動(dòng)農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)土壤硒含量也有一定影響。灌溉水中可能含有硒，長(zhǎng)期使用含硒灌溉水會(huì)增加土壤硒的輸入?；瘜W(xué)肥料、農(nóng)用石灰和農(nóng)藥等也可能含有硒或促進(jìn)硒在土壤中的轉(zhuǎn)化。一些含硒的葉面肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的使用，也會(huì)增加土壤硒的含量。此外，農(nóng)業(yè)活動(dòng)中的土壤耕作、施肥等措施會(huì)改變土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響硒在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化。5.3影響硒分布和轉(zhuǎn)化的因素5.3.1土壤性質(zhì)土壤的pH值和氧化還原條件是影響硒形態(tài)和轉(zhuǎn)化的重要因素。在酸性土壤中，硒主要以亞硒酸鹽（Se(IV)）的形式存在，亞硒酸鹽易溶于水，是植物可利用的主要形態(tài)。在堿性土壤中，硒則主要以硒酸鹽（Se(VI)）的形式存在，硒酸鹽在自然土壤的氧化還原條件下含量很少，其植物有效利用量也十分有限。土壤有機(jī)質(zhì)含量也與硒的分布和轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。有機(jī)質(zhì)可以與硒形成絡(luò)合物，增加硒的穩(wěn)定性，同時(shí)也可以促進(jìn)硒的微生物轉(zhuǎn)化。此外，土壤質(zhì)地、陽離子交換量等性質(zhì)也會(huì)影響硒在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化。5.3.2生物活動(dòng)土壤中的微生物對(duì)硒的轉(zhuǎn)化起著重要作用。一些微生物可以將無機(jī)硒轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒，提高硒的生物有效性。例如，某些細(xì)菌和真菌能夠?qū)單猁}還原為元素硒或有機(jī)硒化合物。植物對(duì)硒的吸收和轉(zhuǎn)化也會(huì)影響土壤硒的分布。不同植物種類對(duì)硒的吸收能力和轉(zhuǎn)化機(jī)制存在差異，一些植物如黃芪等具有較強(qiáng)的硒富集能力，能夠吸收大量的硒并在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為有機(jī)硒。植物根系的分泌物也可以影響土壤微生物的活性，進(jìn)而影響硒的生物轉(zhuǎn)化過程。5.3.3氣候因素氣候因素如溫度、降水等對(duì)土壤硒的分布和轉(zhuǎn)化也有影響。溫度升高會(huì)加速土壤中硒的揮發(fā)和微生物活動(dòng)，從而影響硒的形態(tài)和生物有效性。降水通過淋溶作用可以將土壤中的硒溶解并隨地表徑流帶走，降低土壤硒含量；但降水也可能通過大氣沉降帶來更多的硒，增加土壤硒的輸入。此外，光照條件也會(huì)影響植物對(duì)硒的吸收和轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響土壤硒的分布。六、結(jié)論與展望6.1主要結(jié)論我國(guó)表層土壤中汞和硒的分布呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性。汞在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)和部分自然生態(tài)系統(tǒng)中存在富集現(xiàn)象，其形成機(jī)制主要包括自然來源（巖石風(fēng)化、大氣沉降）和人為來源（工業(yè)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)），土壤性質(zhì)、植被覆蓋和氣候因素等對(duì)汞的分布和轉(zhuǎn)化具有重要影響。硒在我國(guó)大部分地區(qū)存在缺乏現(xiàn)象，僅部分地區(qū)富硒，其形成機(jī)制同樣涉及自然來源（成土母質(zhì)、大氣沉降）和人為來源（工業(yè)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)），土壤性質(zhì)、生物活動(dòng)和氣候因素等對(duì)硒的分布和轉(zhuǎn)化起著關(guān)鍵作用。6.2