大骨節病病區水-土體系中硒的賦存形態和吸附特征研究

張 鑫，李敏敏，高旭波

(中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074)

硒(Se)是人體必需的微量元素之一，其在人和動植物健康方面具有重要的生物化學功能[1-2]，當人體血硒和發硒濃度分別高于或低于0.1～0.44 μg/mL和0.2～3.76 μg/g時，將產生人體硒營養異常，導致大骨節病、克山病、硒中毒和消化道癌癥等硒反應癥。人體攝入硒的途徑有食物、水和空氣3種，但從飲用水攝入的硒僅占人體攝入硒的1%，大氣中硒濃度一般為n×10-9，對人體影響很小，所以人體主要通過食物攝入硒，而土壤中硒含量是影響食物鏈中硒水平的決定因素[3]，故土壤中硒含量和賦存狀態是影響人體健康的主要因素。一般情況下，我國大骨節病、克山病等缺硒區的土壤中總硒含量小于或等于0.125 mg/kg，土壤中水溶硒小于或等于0.002 6 mg/kg[4]。在不同地區，眾多學者從地球化學和生物地球化學特征以及賦存形態等方面對土壤中硒進行了多角度的研究[5-10]，研究中發現土壤中硒含量受母質和土壤形成時的地球化學環境的控制[11-12]。土壤中硒的賦存形態分析方法中較易實現和應用廣泛的是連續化學浸提技術,Martens等[13]在1997年提出了較為簡單的分類和提取方案，將土壤中硒的結合態分為水溶態、可交換態、有機態和不溶態4類；Kulp等[14]于2004年提出了七級連續化學浸提方案，將土壤中硒的結合態分為水溶態、可交換態、有機結合態、元素態、碳酸鹽結合態、硫化物/硒化物結合態和殘渣態[15]。

山西省運城市垣曲縣為大骨節病區，野外調查結果表明在垣曲縣歷山鎮存在相當數量的大骨節病患者，且病情都較為嚴重；同時，野外水文地球化學調查顯示，該地區地下水水樣中硒的含量遠遠低于其他非病區地下水水樣中硒的含量。為了探究垣曲縣歷山鎮大骨節病區地下水中硒含量低的原因，本文測定了該地區土壤中硒的含量和賦存形態，并通過土壤對硒的吸附試驗，研究土壤中硒的遷移特征，進而了解垣曲縣歷山鎮大骨節病區水-土體系中硒元素的化學特征。

1 樣品采集與方法

1.1 樣品采集

研究區位于山西省垣曲縣歷山鎮大骨節病區，4個地下水水樣(YQ01、YQ02、YQ03和YQ04)和3個土樣(1個含水層巖樣YQ-S-01和2個土樣YQ-S-02和YQ-S-03)均采集于厲山鎮常家坪村，另在運城市臨猗縣七級鎮和運城市鹽湖區金井縣兩個非病區采集了4個地下水水樣(QJ01、QJ02和JJ01、JJ02)和2個土樣(J-S-01和QJ-S-07)。采集的土樣現場裝入布袋子，等待進一步實驗室處理；采集的地下水水樣現場測量水溫、pH值、電導率(EC)、氧化還原電位(Eh)、溶解氧(DO)等基本水化學參數，并取250 mL水樣現場過濾后裝入聚乙烯瓶中，加濃硝酸密封后放置于陰涼干燥處保存，待用。

1.2 試驗材料與方法

1.2.1 試驗儀器和試劑

試驗儀器：AFS-2202E雙道原子熒光光度計、L420臺式低速離心機、恒溫振蕩器；消化罐、超聲清洗器、水浴鍋、烘箱、50 mL聚四氟乙烯離心管、50 mL和500 mL容量瓶、20 mL和10 mL移液管、燒杯、錐形瓶等。

試驗試劑(優級純)：硒標準液、KBH4、HCl、去離子水、KH2PO4、K2HPO4、NaOH、Na2SO3、CH3COOH、KClO3、HNO3、HClO3。

1.2.2 土壤樣品預處理

將野外采集的土樣按序號整理，放在錫箔紙上于105℃烘箱中烘24 h，然后進行碾磨，過100目篩，將得到的土樣移至封口袋密封，待用。

1.2.3 土壤中總硒含量的測定

稱取待測土樣2.00 g(過100目篩)于消解罐中，加入混合酸溶液10 mL[V(HNO3)+V(HClO3)=3+2]，于160℃烘箱中消化12 h，冷卻至室溫，加入10 mL鹽酸溶液(1+1)，沸水浴加熱10 min，冷卻后用去離子水將消化液轉入50 mL容量瓶，定容，搖勻，保留試液待測。

1.2.4 土壤中硒的連續化學浸提試驗

本次采用連續化學浸提試驗，將土壤中硒的結合態分為水溶態、可交換態、有機結合態、元素態、碳酸鹽結合態、硫化物結合態和殘渣態7種，土壤中各種賦存形態硒的提取方法如下：

(1) 水溶態硒：用天平稱取經過預處理的土樣1.000 0 g，置于50 mL塑料離心管中(每個土樣做3個平行樣)，并加入20 mL去離子水，搖勻，于振蕩器上振蕩2 h，用離心機(3 500 r/min，10 min) 分離，將上清液轉入50 mL離心管中;加入5 mL去離子水，重復上述操作步驟，合并25 mL提取液，混勻備用。

(2) 可交換態硒：向上一步的殘渣中加入20 mL 0.1 mol/L K2HPO4-KH2PO4緩沖溶液(pH=7.0，配制好后靜置24 h后使用)，搖勻，在振蕩器上振蕩2 h，用離心機(3 500 r/min，10 min) 分離，將上清液轉入50 mL的離心管中；加入5ml去離子水，重復上述操作步驟，合并25 mL提取液，混勻備用。

(3) 有機結合態硒：向上一步的殘渣中加入20 mL 0.1 mol/L NaOH溶液，搖勻，在振蕩器上振蕩2 h，用離心機(3 500 r/min,10 min)分離，將上清液轉入50 mL的離心管中；加入5ml去離子水，重復上述操作步驟，合并25 mL提取液，混勻備用。

(4) 元素態硒：向上一步的殘渣中加入20 mL 1 mol/L Na2SO3溶液(pH=7.0，用6 mol/L HCl調節酸度，現用現配)，搖勻，在振蕩器上振蕩30 min，混勻，超聲浴3 min，重復振蕩、超聲1次，混勻，再超聲浴2 h,用離心機(3 500 r/min,10 min)分離，將上清液轉入50 mL的離心管中；加入5 mL去離子水，重復上述操作步驟，合并25 mL提取液，混勻備用。

(5) 碳酸鹽結合態硒：向上一步的殘渣中加入20 mL 15%CH3COOH溶液，搖勻，在振蕩器上振蕩2 h，用離心機(3 500 r/min，10 min) 分離，將上清液轉入50 mL的離心管中；加入5 mL去離子水，重復上述操作步驟，合并25 mL提取液，混勻備用。

(6) 硫化物結合態硒：向上一步的殘渣中加入0.5 g KClO3，然后緩慢加入20 mL濃HCl溶液并混勻，在通風櫥中放置45 min,其間輕搖數次，用離心機(3 500 r/min，10 min) 分離，將上清液轉入50 mL的聚乙烯試管中；加入5 mL去離子水，重復上述操作步驟，合并25 mL提取液，混勻備用。

(7) 殘渣態硒： 殘渣態硒的提取方法同土壤中總硒測定的前期處理。

1.2.5 土壤對硒的等溫吸附試驗

配置硒濃度分別為0 mg/L、0.2 mg/L、0.4 mg/L、0.6 mg/L、0.8 mg/L、1 mg/L、2 mg/L的硒溶液，分別取20 mL依次加入到7支裝有1.000 0 g土樣的50 mL塑料離心管中，各加入1滴1 mol/L 鹽酸溶液，置于振蕩器于25℃下振蕩5 h；振蕩結束后，于離心機上離心15 min(4 500 r/min)，將上清液小心移出,待測。

1.2.6 土壤對硒的動力學吸附試驗

稱取21份0.500 0 g土樣分別置于50 mL塑料離心管中；向其中的7支離心管中加入已配制的0.6 mol/L硒溶液10 mL，7支離心管中加入已配制的1 mol/L硒溶液10 mL，向最后7支離心管中加入已配制的2 mol/L硒溶液10 mL，并依次滴加1 mol/L 鹽酸1滴；將離心管置于振蕩器上振蕩，0.5 h、1 h、2 h、3 h、4 h、6 h、8 h后分別取出初始硒濃度為0.6 mol/L、1 mol/L、2 mol/L的離心管各一支，放于離心機中離心分離15 min(4 500 r/min)，將上清液小心移出，待測。

1.2.7 溶液中硒含量的測定

本次使用原子熒光光度法測定溶液中硒含量，通過測量待測元素的原子蒸氣在輻射能激發下產生的熒光發射強度，來確定待測元素的含量。

2 結果與分析

2.1 研究區病區與非病區地下水的水化學特征

研究區地下水水樣中主要陽離子和陰離子采用離子色譜儀(IC)進行測定，分別使用InoPac AS19陰離子分離柱和InoPac CS12陽離子分離柱；地下水水樣中硒等微量元素利用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES，iCAP 6300)進行測定。研究區病區與非病區主要地下水飲用水源中硒等微量元素含量的檢測結果見表1。

表1 研究區病區與非病區主要地下水飲用水源中硒等微量元素含量的檢測結果(n=4)Table 1 Determination results of selenium and other trace elements in main drinking water sources in the study area(n=4)

注：“”表示低于檢出限。

由表1可見，對比研究區病區與非病區地下水水樣中微量元素的含量可以發現，病區地下水水樣的pH值范圍為7.60～8.10，非病區地下水水樣的pH值范圍為7.57～7.96，都呈弱堿性；病區地下水水樣的電導率范圍為355～413 μs/cm，為淡水，非病區地下水水樣的電導率范圍為1 285～6 600 μs/cm，為咸水;病區地下水水樣中硒元素的含量范圍為0.0～8.8 μg/L，平均值為2.6 μg/L，遠低于非病區地下水水樣中硒元素的含量(范圍為15.7～51.0 μg/L，平均值為31 μg/L)，而且病區地下水水樣中Li、Sr、Na和Mg元素的含量也遠低于非病區。

2.2 研究區病區與非病區土壤中硒含量及賦存形態特征

圖1為研究區病區與非病區土壤中總硒含量的柱狀圖，并參考前人對我國土壤中硒含量的劃分標準，對研究區病區與非病區土樣中總硒含量進行了劃分。

圖1 研究區病區與非病區土樣中總硒含量的劃分結果Fig.1 Division results of total selenium content in soil samples of the study area

由圖1可見，研究區病區3個土樣中總硒的含量范圍為161.8～242.2 μg/kg，其中含水層巖樣YQ-S-01中的總硒含量最低，屬低硒土范圍，土樣YQ-S-02中的總硒含量最高，與土樣YQ-S-03都屬于中等硒土范圍；非病區的兩個土樣中的總硒含量范圍為182.3～225.4 μg/kg，其中土樣QJ-S-07中的總硒含量較低，屬于低硒土范圍。總的來說，研究區病區與非病區土壤中總硒的含量水平基本相當。

對研究區病區與非病區土壤中各種賦存形態的硒含量進行分析，其結果見表2和圖2。

由表2和圖2可見，在研究區病區與非病區土壤中7種硒的賦存形態含量大小表現為：元素態>可交換態>有機結合態>硫化物結合態>殘渣態>水溶態>碳酸鹽結合態，其中土壤中元素態硒含量占總硒含量的百分比超過了50%。

表2 研究區病區與非病區土壤中各種賦存形態的硒含量及其百分比Table 2 Content and percentages of selenium species in soil/sediment samples of the study area

圖2 研究區病區與非病區土樣中的各種賦存形態的硒含量柱狀圖Fig.2 Histogram of selenium profile in soil samples from endemic and non-endemic areas

本文按照硒元素各種賦存形態的提取順序對硒的每種賦存形態進行分析：

圖3 研究區病區與非病區土樣中水溶態硒含量的劃分結果Fig.3 Division results of soluble selenium content in soil samples from endemic and non-endemic areas

(1) 水溶態硒：水溶態硒是硒在土壤中最易遷移的形態。研究區病區與非病區5個土樣中水溶態硒含量都較低，其中研究區病區土樣中水溶態硒平均含量為6.88 μg/kg，低于非病區土樣中水溶態硒的平均含量(8.73 μg/kg)；研究區病區含水層巖樣YQ-S-01的水溶態硒含量占總硒含量的比例為4.65%，其他兩個土樣僅占2.83%和2.89%，非病區土樣中水溶態硒含量占總硒含量的比例略高，分別為3.58%和4.80%。根據前人對我國土壤中硒含量的劃分標準對研究區病區與非病區土樣中水溶態硒含量進行了劃分(見圖3)，結果表明：研究區病區3個土樣中可溶態硒含量都在硒不足與足硒之間，而非病區2個對比土樣中可溶態硒含量都在足硒以上；研究區病區土樣中水溶態硒含量明顯低于非病區土樣中水溶態硒含量。

(4) 元素態硒：元素態硒作為土壤微生物還原亞硒酸鹽或硒酸鹽的產物，在氧化性土壤中易被氧化而含量極低，在還原性土壤中較為穩定，是土壤中硒的主要賦存形態。研究區病區土壤/含水介質中元素態硒的平均含量為120.81 μg/kg，非病區土樣中元素態硒的均值為118.87 μg/kg，其中研究區病區含水層巖樣YQ-S-01中元素態硒含量稍低，為79.78 μg/kg。

(5) 碳酸鹽結合態硒：碳酸鹽結合態硒屬于潛在可利用態硒，是可利用態硒的直接提供者。研究區病區與非病區5個土樣中碳酸鹽結合態硒含量都較低，其中研究區病區巖樣YQ-S-01和土樣YQ-S-02以及非病區土樣QJ-S-07中碳酸鹽結合態硒含量稍高，分別為2.56 μg/kg、2.62 μg/kg、3.34 μg/kg，其余兩個土樣中其含量僅為0.10 μg/kg和0.10 μg/kg，占總硒含量的比例最小，平均占比小于1%。

(6) 硫化物結合態硒：硫化物結合態硒在研究區土樣中含量較高，其中研究區病區土樣中硫化物結合態硒的平均含量為18.21 μg/kg，非病區土樣中硫化物結合態硒的平均含量為19.87 μg/kg。

(7) 殘渣態硒：殘渣態硒在研究區病區土壤/含水介質中的平均含量為12.16 μg/kg，在非病區其平均含量為10.81 μg/kg，土壤中殘渣態硒平均含量占總硒含量的比例為5.81%，表明試驗所用的連續化學浸提方法對土壤中硒的提取效果較好。

綜上可見，作為土壤中有效態硒，水溶態硒和可交換態硒在研究區病區土壤中的含量都小于非病區；研究區病區土壤中硒主要以不易遷移轉化的硒形態為主，而水溶態硒這種土壤中最易遷移的硒形態含量在總硒含量中占很少的部分，這可能是研究區病區土壤中缺硒和地下水飲用水源中硒含量低的原因之一。

2.3 土壤對硒的吸附特性研究

本研究開展了土壤中硒的吸附試驗，以進一步了解土壤中硒的遷移特性。

2.3.1 土壤對硒的等溫吸附試驗

土壤對硒元素的吸附是一個動態平衡的過程，在一定的溫度下，當吸附達到平衡時，土壤顆粒表面對硒的吸附量與溶液中硒元素的平衡濃度之間的關系可以用吸附等溫線來表達。經過擬合，土壤對硒元素的吸附符合Freundlich方程，該方程的一般形式為X=K·C1/n，也可寫成直線型方程[16]：

lgX=lgK+(1/n)lgC

(1)

式中：X為土壤對硒的吸附量(mg/g);C為溶液中硒的平衡濃度(mg/L)；K、n為吸附常數。

將土壤對硒的吸附量(X)單位和溶液中硒的平衡濃度(C)單位分別換算為μg/g和μg/L后，該方程變為

lgX=(lgK+3/n-3)+(1/n)lgC

(2)

以lgX為y軸、lgC為x軸分別作研究區病區3個土樣對硒的吸附等溫線，見圖4。

圖4 研究區病區土壤/含水介質對硒的吸附等溫線Fig.4 Adsorption isotherms of selenium in soil/aqueous medium in endemic areas

由圖4可見，研究區病區3個土樣對硒元素的吸附都符合Freundlich方程，根據公式(2)和作圖得到的直線方程，可進一步計算得到研究區病區3個土樣YQ-S-01、YQ-S-02和YQ-S-03對硒的吸附常數分別為：K=0.095 5，n=0.797；K=10.986，n=1.605；K=8.467，n=0.371。

2.3.2 土壤對硒的動力學吸附試驗

通過對設定時間的不同初始硒濃度土樣對硒的吸附量進行測定，得到不同吸附時間對應的土壤對硒的吸附量(μg/g)，以時間為橫坐標、對硒的吸附量為縱坐標作圖，可得研究區病區土壤對硒的動力學吸附曲線，見圖5。

圖5 研究區病區土壤對硒元素吸附量-吸附時間的關系圖Fig.5 Relationship between adsorption amount of selenium and adsorption time of soil samples in endemic areas注：土壤中初始硒濃度為2.0 mg/L時對應右側坐標軸數據。

由圖5可見，研究區病區土壤對硒的吸附平衡時間約為180 min，在到達平衡時間之前隨著吸附時間的推移，研究區病區土壤對硒的吸附量呈上升趨勢，在到達平衡時間后其吸附量不再增長；當土壤中初始硒濃度增加時，土壤對硒的吸附量也增加。

為了研究土壤中硒元素吸附過程的反應機理，對研究區病區土壤對硒的吸附動力學過程進行了擬合，其擬合結果見圖6。

圖6 研究區病區土壤對硒的吸附動力學擬合曲線Fig.6 Adsorption kinetic fitting curves of selenium in soil of endemic areas

由圖6可見，研究區病區土壤對硒元素的吸附動力學能很好地擬合準二級動力學模型，其模型方程式[17-18]為

(3)

式中:qe為土壤對硒的平衡吸附量(mg/g);qt為t時刻土壤對硒的吸附量(mg/g);ks為準二級動力學吸附速率常數(h-1)；t為反應時間(h)。

根據公式(3)和作圖得到的直線方程(見圖6)，可以得到研究區病區土壤對硒的平衡吸附量qe和準二級動力學吸附速率常數ks，見表3。

由表3可知，隨著土壤中初始硒濃度的增加，研究區病區土壤對硒的平衡吸附量從11.44 mg/kg增加到33.21 mg/kg，準二級動力學吸附速率常數減小，這反映出研究區病區土壤對硒具有較強的吸附能力。

表3 研究區病區土壤對硒的吸附動力學擬合結果Table 3 Kinetic fitting results of selenium adsorption to soil samples from the endemic areas

3 結 論

本文采用連續化學浸提法和原子熒光光譜法對山西省垣曲縣大骨節病病區土壤中硒含量及其賦存形態進行了研究，并利用等溫吸附試驗和吸附動力學試驗研究了土壤對硒元素的吸附特性，主要得出以下結論：

(1) 與非病區相比較，研究區病區地下水飲用水源中總硒含量偏低，平均含量為2.6 μg/L;而土壤/含水介質中的總硒含量在研究區病區與非病區沒有顯著差別。

(2) 提取了研究區土壤中硒的賦存形態，有水溶態、可交換態、有機結合態、元素態、碳酸鹽結合態、硫化物結合態和殘渣態7種，其中不可利用的元素態硒的含量最高。研究區病區土壤中較易遷移的水溶態硒和可交換態硒的平均含量分別為6.88 μg/kg和23.98 μg/kg，都明顯低于非病區土壤。

(3) 研究區病區土壤/含水介質對硒的吸附等溫線符合Freundlich方程，吸附動力學為準二級動力學模型。研究區病區土壤/含水介質中較低的易溶態硒含量及其對硒具有較強的吸附能力是導致該地區地下水飲用水源中硒含量低的主要原因之一。

通訊作者：高旭波(1975—)，男，副教授，主要從事水文地質、地下水污染與防治、環境生物地球化學等方面的研究。E-mail：xubo.gao.cug@gmail.com