土壤中硒形態研究進展

周彧琛 李光一 汪 岸 肖玉芳 賈正勛

（湖北省地質實驗測試中心，湖北 武漢 430034）

1.前言

硒作為生物體內重要的微量元素，相關研究表明硒能提高人體的免疫功能和降低人體內的炎癥反應，因此近幾年在國內外備受關注。據全國的資料分析，我國表層土壤Se含量算術平均值為0.29μg/g，低Se帶表層土壤中Se的平均含量0.17μg/g左右，均低于世界土壤背景值0.40μg/g。目前，我國缺硒的土壤面積高達已51%，其中有27%的土壤嚴重缺硒。同時，動植物對硒的需求不僅取決于硒總量的攝入，還與所攝入硒的形態有著密切的關系。本文綜述了近幾年土壤中硒形態的提取方法及檢測手段的研究進展，同時概述了土壤環境對硒形態的影響。以期為后續土壤中硒的合理化利用提供參考。

2. 土壤樣品中硒的提取

2.1 硒的賦存狀態

對土壤中硒的賦存狀態進行分析，能更好的掌握土壤中硒的分布情況，將為硒資源的綜合利用，提供科學的理論指導。根據硒在土壤中的不同賦存狀態，應用合適的前處理手段將其分步提取顯得十分重要。分步提取技術通過選擇特定提取劑以模擬硒在土壤地球化學過程中的遷移轉化、生物富集等行為，選擇性提取與土壤特定組分相結合的一類硒的化合物。根據研究者的需求不同，目前針對硒賦存形態的分步提取方法分為五步提取法，七步提取法。唐沫嵐等采用分步提取法對富硒土壤樣品中硒的五種賦存形態（水溶態、可交換態、有機結合態、酸溶態與殘渣態）進行分離。張艷玲等采用五步提取法對低硒土壤中硒的賦存形態進行了探究，結果表明，江蘇省低硒土壤中有機物-硫化物結合態硒以及元素態硒為主要賦存形態，二者之和占土壤總硒的75%左右。由于地質環境中硒常與硫鐵礦伴生，朱建明等研究了湖北恩施富硒石煤與樣品中硒的礦物學的相關性，通過改變提取劑及其順序，進一步細分硒的賦存形態，把五步提取法改為七步提取法，其中，將五步法中酸溶態硒細分為酸溶性提取態硒、元素態硒以及硫化態硒，并對該提取過程中的液固比、提取劑濃度、溫度等進行了優化，優化后能對元素態硒和硫化物態硒進行專門提取。王瀟等采用七步提取法對青陽縣富硒土壤中硒形態與水稻富硒的相關性進行研究，結果表明水稻吸收利用的主要是土壤中水溶態與腐殖酸態的硒。耿建梅等分別采用H2O、0.1 mol/L KH2PO4與0.5 mol/L NaHCO3三種目前報道較多的浸提劑對海南稻田土壤中有效硒（包含水溶態硒和可交換態硒）浸提效果進行比較研究，結果表明，三種浸提劑浸提的有效硒與水稻幼苗中硒的含量呈現顯著正相關，其中，0.1 mol/L KH2PO4浸提所需時間最短，平均變異系數最小，與植株累積硒的相關系數較大。劉冰權等采用七步提取法對江西贛縣地區土壤中硒的賦存狀態進行分步提取實驗，結果表明硒的生物有效性主要受其賦存狀態影響，當土壤中總硒含量較低時，水溶態硒，可交換態硒，碳酸鹽結合態硒占比越高，硒的生物有效性越高。

2.2 硒形態

土壤中硒按化學形態可以分為無機硒與有機硒。無機硒主要為元素態硒(Se0)、亞硒酸鹽(Se4+)以及硒酸鹽(Se6+)等多種形式存在。Se6+是生物體可以利用的硒的主要形式之一，易溶于水，但因其本身具有較大的毒性，在對植物體使用過程中須嚴格控制用量，否則會對周圍的動植物造成毒害。Se4+因部分會被粘土礦物、鐵錳等金屬氧化物和有機質吸附，僅有部分溶解于水溶液中，具有一定的生物利用率。Se0因其溶解度低，生物利用率不高，因此，可以通過改變周圍的環境將Se4+和Se6+轉化成Se0處理硒污染。土壤中有機硒化合物種類繁多且成分復雜，部分有機硒同樣易溶于水溶液中可以被植物吸收利用，是土壤中有效硒的重要來源。宋曉珂等對青海東部地區的富硒土壤樣品中硒的賦存形態及相應的價態轉化特性進行研究，結果表明，兩種富硒土壤中Se4+和Se6+均存在于水溶態與可交換態硒之中，但主要以Se6+的形式存在。當逐漸升高培養溫度，水溶態硒和可交換態硒的含量隨之逐漸上升， Se4+和Se6+含量也會隨之上升，此時，鐵錳氧化物結合態硒則會隨著培養時間的增加而降低。黃婷苗等通過對小麥不同部位施加不同價態的硒（即硒酸鈉和亞硒酸鈉）研究對小麥硒吸收利用的影響及殘效，結果表明，土施硒酸鈉、亞硒酸鈉1gSehm-2, 籽粒硒含量分別增加4.7μg/kg和0.3μg/kg；葉噴硒酸鈉、亞硒酸鈉1gSehm-2, 籽粒硒含量分別提高16μg/kg和8.0μg/kg。

3.硒形態組分的檢測

3.1 LC-AFS聯用

原子熒光光譜法測定土壤中硒的總量已有現行的國家和行業標準，在靈敏度、檢出限等方面與電感耦合等離子質譜法基本相當甚至更優。陳海杰等對土壤和水系沉積物樣品采用HNO3+HF+HClO4進行消解，加熱至冒高氯酸濃煙，此時消解液中Se4+和Se6+與土壤中的含量保持一致，若消解后的樣品中加入6mol/L HCl進行加熱，則能Se6+全部還原為Se4+，采用差減法使用氫化物發生-原子熒光光譜法測定了樣品中的總硒和Se4+和Se6+，Se4+和Se6+的回收率分別為102%～108%和94%～104%。通過將氫化物發生-原子熒光光譜儀與高效液相色譜聯用能夠對硒形態進行檢測。李愛民等通過配置pH值不同的KH2PO4作為提取液，對不同酸堿度的土壤樣品進行浸提，用陰離子交換色譜柱（Hamilton PRP X-100）進行分離，流動相選用（NH4）2HPO4（40mmol/L）溶液，以20g/L的KBH4溶液和10g/L KI溶液為還原劑，7%HCl為載流溶液對土壤中的4種有效硒形態（硒代胱氨酸、硒代蛋氨酸、硒酸根、亞硒酸根）進行測定，上述四種硒形態在20分鐘內均能良好分離。為了提高不同硒形態的氧化還原效率，可以通過加紫外消解對色譜柱分離出的樣品進行在線處理。劉進璽等用 NaOH（0.08 mol/L） 溶液對4種硒形態（Se（Ⅵ）、Se（Ⅳ）、SeMet 和 SeCys）進行提取，使用Hamilton PRP-X100色譜柱分離，采用 60 mmol/L的磷酸氫二銨溶液作為流動相對其進行分離。

3.2 HPLC-ICP-MS聯用

電感耦合等離子體質譜(ICP-MS) 因其靈敏度高在痕量及超痕量無機元素分析領域已被廣泛應用，將ICP-MS作為色譜分離的檢測器為元素形態分析提供了檢測手段。基于高效液相色譜（HPLC）流動相的流速與ICP-MS樣品進樣流速相匹配，且HPLC的柱后流出與ICP-MS的樣品導入均可在常壓下進行，從而HPLC-ICP-MS成為無機形態分析研究中使用最廣的聯用技術。王欣等通過使用高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜法，質譜采用He碰撞池模式下，測定了市面上富硒食品(富硒大米、富硒酵母、富硒茶葉、富硒靈芝孢子粉等)的六種硒形態（即SeO42-，SeO32-，SeMet，SeCys2，SeUr和SeEt），分 析 結果令人滿意。秦沖等用色譜柱（Hamilton PRP-X100），選取檸檬酸（6mmol/L）為流動相，在8min內即可完全分離Se6+和Se4+，兩者的檢出限分別可達到0.15μg/L和0.16μg/L。

ICP-MS測定Se也存在一些問題，由于Se的第一電離能高為9.75eV，從而導致電離效率較低；且常規使用的等離子氣為氬氣，溶液中的一些雜質元素均會對Se的測定造成干擾，如同位素80Se（49.61%）會受到80Kr＋、40Ar40Ar＋、40Ca40Ca＋等干擾，78Se（23.77%）會受到40Ar38Ar＋、40Ca38Ar＋、39K39K＋、78Kr＋等干擾。針對上述測量過程中出現的單原子干擾和多原子干擾，采用碰撞反應池（DRC）ICP-MS和三重四極桿電感耦合等離子體串聯質譜能夠很好的解決上述問題。常用于硒分析的碰撞/反應氣有氫氣、甲烷、氧氣和氦氣。屈明華等采用DRCICP-MS法，選擇CH4和O2作為碰撞/反應氣消除80Se 在質譜中受到多種同質量數分子、離子、雙電荷等干擾，對土壤中硒進行分析測試。所選的大部分標準土壤樣品中測定結果均在不確定度范圍內，且實際樣品加標回收率均在95.0%～120%之間。

3.3 同步輻射X射線吸收光譜技術

同步輻射X射線吸收光譜技術可在不破壞樣品的情況下對土壤樣品進行原位無損形態分析，它主要使用X射線吸收近邊結構( XANES) 區域對固體表面結構進行鑒定。秦海波等采用同步輻射對比分析了連續化學提取態和殘渣態中硒的形態，結果表明，連續化學提取液中硒的形態與研究結果基本一致，即水溶態硒主要為Se6+，可交換態硒與有機結合態硒以Se4+為主要存在形式，硫化物結合態硒是以Se2-和Se4+的形式存在，殘渣態硒主要為Se4+。恩施富硒地區土壤中硒的主要存在形式為四價硒，與連續提取方法中有機結合態是土壤硒的主要存在形式的結果相吻合。XAFS技術雖然可對固體樣品中硒形態進行直接測定，由于元素態硒與硒化物的X射線吸收近邊結構（X-ray absorption near edge structure，XANES）譜圖較相似，使得樣品中還原性硒化物難以準確區分。

4.土壤環境對硒形態的影響

4.1 pH值與Eh值

在土壤環境中，土壤的pH值和氧化還原電位會導致土壤中硒形態發生改變。陳繼平等通過研究土壤中各硒形態的含量與pH的相關性，結果表明，pH與土壤中硒的總量、水溶態硒含量、有機結合態硒含量之間呈弱的相關性，與離子交換態硒含量呈相對較高的相關性。當土壤的pH＞7時，硒主要以存在于土壤中，由于比更容易被鐵錳鋁等氧化物所吸收，且吸附能力隨pH值升高而降低，因此SeO32-含量與pH值呈負相關。當土壤pH≤7時，硒主要以SeO32-的形式存在，其容易和錳、鐵等氧化物發生反應，生成極難溶解的酸式亞硒酸鹽類，或被粘土礦物吸附。樊建新等對淹水過程中土壤中硒形態轉化進行研究，結果表明，Eh值對土壤硒形態轉化起主要作用，淹水培養過程中，土壤中氧含量逐漸下降，其Eh值也隨之降低，在還原條件下，不僅存在于溶液中的Se6+容易被還原，被吸附的Se4+也會溶于溶液中被還原，形成難溶性硒，導致淹水培養過程中硒的可交換態與水溶態向難溶的元素態與殘渣態轉化。

4.2 腐殖質

腐殖質為已死生命體在土壤中被微生物分解而成的有機物，土壤中主要分為腐殖酸、胡敏酸與富里酸三種。其中與胡敏酸和富里酸絡合形成的硒的化合物是土壤中有效硒的重要組成部分，與富里酸絡合的硒較易礦化分解成易為Se4+、Se6+以及低分子有機硒化合物等。與胡敏酸絡合的硒主要以蛋白質或多肽的形式存在，一般不易被釋放，進而阻礙了植物的吸收利用。何振立等的研究表明，在缺硒土壤中，胡敏酸結合態硒的含量一般都較高。在富硒土壤中，有機硒主要以富里酸硒為主。當土壤中富里酸多于胡敏酸時，土壤硒有效性高。當土壤中胡敏酸多于富里酸時，硒的有效性便降低。當土壤呈酸性時，此種作用尤為明顯。