土壤中硒形态研究进展

周彧琛 李光一 汪 岸 肖玉芳 贾正勋

（湖北省地质实验测试中心，湖北 武汉 430034）

1.前言

硒作为生物体内重要的微量元素，相关研究表明硒能提高人体的免疫功能和降低人体内的炎症反应，因此近几年在国内外备受关注。据全国的资料分析，我国表层土壤Se含量算术平均值为0.29μg/g，低Se带表层土壤中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，我国缺硒的土壤面积高达已51%，其中有27%的土壤严重缺硒。同时，动植物对硒的需求不仅取决于硒总量的摄入，还与所摄入硒的形态有着密切的关系。本文综述了近几年土壤中硒形态的提取方法及检测手段的研究进展，同时概述了土壤环境对硒形态的影响。以期为后续土壤中硒的合理化利用提供参考。

2. 土壤样品中硒的提取

2.1 硒的赋存状态

对土壤中硒的赋存状态进行分析，能更好的掌握土壤中硒的分布情况，将为硒资源的综合利用，提供科学的理论指导。根据硒在土壤中的不同赋存状态，应用合适的前处理手段将其分步提取显得十分重要。分步提取技术通过选择特定提取剂以模拟硒在土壤地球化学过程中的迁移转化、生物富集等行为，选择性提取与土壤特定组分相结合的一类硒的化合物。根据研究者的需求不同，目前针对硒赋存形态的分步提取方法分为五步提取法，七步提取法。唐沫岚等采用分步提取法对富硒土壤样品中硒的五种赋存形态（水溶态、可交换态、有机结合态、酸溶态与残渣态）进行分离。张艳玲等采用五步提取法对低硒土壤中硒的赋存形态进行了探究，结果表明，江苏省低硒土壤中有机物-硫化物结合态硒以及元素态硒为主要赋存形态，二者之和占土壤总硒的75%左右。由于地质环境中硒常与硫铁矿伴生，朱建明等研究了湖北恩施富硒石煤与样品中硒的矿物学的相关性，通过改变提取剂及其顺序，进一步细分硒的赋存形态，把五步提取法改为七步提取法，其中，将五步法中酸溶态硒细分为酸溶性提取态硒、元素态硒以及硫化态硒，并对该提取过程中的液固比、提取剂浓度、温度等进行了优化，优化后能对元素态硒和硫化物态硒进行专门提取。王潇等采用七步提取法对青阳县富硒土壤中硒形态与水稻富硒的相关性进行研究，结果表明水稻吸收利用的主要是土壤中水溶态与腐殖酸态的硒。耿建梅等分别采用H2O、0.1 mol/L KH2PO4与0.5 mol/L NaHCO3三种目前报道较多的浸提剂对海南稻田土壤中有效硒（包含水溶态硒和可交换态硒）浸提效果进行比较研究，结果表明，三种浸提剂浸提的有效硒与水稻幼苗中硒的含量呈现显著正相关，其中，0.1 mol/L KH2PO4浸提所需时间最短，平均变异系数最小，与植株累积硒的相关系数较大。刘冰权等采用七步提取法对江西赣县地区土壤中硒的赋存状态进行分步提取实验，结果表明硒的生物有效性主要受其赋存状态影响，当土壤中总硒含量较低时，水溶态硒，可交换态硒，碳酸盐结合态硒占比越高，硒的生物有效性越高。

2.2 硒形态

土壤中硒按化学形态可以分为无机硒与有机硒。无机硒主要为元素态硒(Se0)、亚硒酸盐(Se4+)以及硒酸盐(Se6+)等多种形式存在。Se6+是生物体可以利用的硒的主要形式之一，易溶于水，但因其本身具有较大的毒性，在对植物体使用过程中须严格控制用量，否则会对周围的动植物造成毒害。Se4+因部分会被粘土矿物、铁锰等金属氧化物和有机质吸附，仅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，可以通过改变周围的环境将Se4+和Se6+转化成Se0处理硒污染。土壤中有机硒化合物种类繁多且成分复杂，部分有机硒同样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来源。宋晓珂等对青海东部地区的富硒土壤样品中硒的赋存形态及相应的价态转化特性进行研究，结果表明，两种富硒土壤中Se4+和Se6+均存在于水溶态与可交换态硒之中，但主要以Se6+的形式存在。当逐渐升高培养温度，水溶态硒和可交换态硒的含量随之逐渐上升， Se4+和Se6+含量也会随之上升，此时，铁锰氧化物结合态硒则会随着培养时间的增加而降低。黄婷苗等通过对小麦不同部位施加不同价态的硒（即硒酸钠和亚硒酸钠）研究对小麦硒吸收利用的影响及残效，结果表明，土施硒酸钠、亚硒酸钠1gSehm-2, 籽粒硒含量分别增加4.7μg/kg和0.3μg/kg；叶喷硒酸钠、亚硒酸钠1gSehm-2, 籽粒硒含量分别提高16μg/kg和8.0μg/kg。

3.硒形态组分的检测

3.1 LC-AFS联用

原子荧光光谱法测定土壤中硒的总量已有现行的国家和行业标准，在灵敏度、检出限等方面与电感耦合等离子质谱法基本相当甚至更优。陈海杰等对土壤和水系沉积物样品采用HNO3+HF+HClO4进行消解，加热至冒高氯酸浓烟，此时消解液中Se4+和Se6+与土壤中的含量保持一致，若消解后的样品中加入6mol/L HCl进行加热，则能Se6+全部还原为Se4+，采用差减法使用氢化物发生-原子荧光光谱法测定了样品中的总硒和Se4+和Se6+，Se4+和Se6+的回收率分别为102%～108%和94%～104%。通过将氢化物发生-原子荧光光谱仪与高效液相色谱联用能够对硒形态进行检测。李爱民等通过配置pH值不同的KH2PO4作为提取液，对不同酸碱度的土壤样品进行浸提，用阴离子交换色谱柱（Hamilton PRP X-100）进行分离，流动相选用（NH4）2HPO4（40mmol/L）溶液，以20g/L的KBH4溶液和10g/L KI溶液为还原剂，7%HCl为载流溶液对土壤中的4种有效硒形态（硒代胱氨酸、硒代蛋氨酸、硒酸根、亚硒酸根）进行测定，上述四种硒形态在20分钟内均能良好分离。为了提高不同硒形态的氧化还原效率，可以通过加紫外消解对色谱柱分离出的样品进行在线处理。刘进玺等用 NaOH（0.08 mol/L） 溶液对4种硒形态（Se（Ⅵ）、Se（Ⅳ）、SeMet 和 SeCys）进行提取，使用Hamilton PRP-X100色谱柱分离，采用 60 mmol/L的磷酸氢二铵溶液作为流动相对其进行分离。

3.2 HPLC-ICP-MS联用

电感耦合等离子体质谱(ICP-MS) 因其灵敏度高在痕量及超痕量无机元素分析领域已被广泛应用，将ICP-MS作为色谱分离的检测器为元素形态分析提供了检测手段。基于高效液相色谱（HPLC）流动相的流速与ICP-MS样品进样流速相匹配，且HPLC的柱后流出与ICP-MS的样品导入均可在常压下进行，从而HPLC-ICP-MS成为无机形态分析研究中使用最广的联用技术。王欣等通过使用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法，质谱采用He碰撞池模式下，测定了市面上富硒食品(富硒大米、富硒酵母、富硒茶叶、富硒灵芝孢子粉等)的六种硒形态（即SeO42-，SeO32-，SeMet，SeCys2，SeUr和SeEt），分 析 结果令人满意。秦冲等用色谱柱（Hamilton PRP-X100），选取柠檬酸（6mmol/L）为流动相，在8min内即可完全分离Se6+和Se4+，两者的检出限分别可达到0.15μg/L和0.16μg/L。

ICP-MS测定Se也存在一些问题，由于Se的第一电离能高为9.75eV，从而导致电离效率较低；且常规使用的等离子气为氩气，溶液中的一些杂质元素均会对Se的测定造成干扰，如同位素80Se（49.61%）会受到80Kr＋、40Ar40Ar＋、40Ca40Ca＋等干扰，78Se（23.77%）会受到40Ar38Ar＋、40Ca38Ar＋、39K39K＋、78Kr＋等干扰。针对上述测量过程中出现的单原子干扰和多原子干扰，采用碰撞反应池（DRC）ICP-MS和三重四极杆电感耦合等离子体串联质谱能够很好的解决上述问题。常用于硒分析的碰撞/反应气有氢气、甲烷、氧气和氦气。屈明华等采用DRCICP-MS法，选择CH4和O2作为碰撞/反应气消除80Se 在质谱中受到多种同质量数分子、离子、双电荷等干扰，对土壤中硒进行分析测试。所选的大部分标准土壤样品中测定结果均在不确定度范围内，且实际样品加标回收率均在95.0%～120%之间。

3.3 同步辐射X射线吸收光谱技术

同步辐射X射线吸收光谱技术可在不破坏样品的情况下对土壤样品进行原位无损形态分析，它主要使用X射线吸收近边结构( XANES) 区域对固体表面结构进行鉴定。秦海波等采用同步辐射对比分析了连续化学提取态和残渣态中硒的形态，结果表明，连续化学提取液中硒的形态与研究结果基本一致，即水溶态硒主要为Se6+，可交换态硒与有机结合态硒以Se4+为主要存在形式，硫化物结合态硒是以Se2-和Se4+的形式存在，残渣态硒主要为Se4+。恩施富硒地区土壤中硒的主要存在形式为四价硒，与连续提取方法中有机结合态是土壤硒的主要存在形式的结果相吻合。XAFS技术虽然可对固体样品中硒形态进行直接测定，由于元素态硒与硒化物的X射线吸收近边结构（X-ray absorption near edge structure，XANES）谱图较相似，使得样品中还原性硒化物难以准确区分。

4.土壤环境对硒形态的影响

4.1 pH值与Eh值

在土壤环境中，土壤的pH值和氧化还原电位会导致土壤中硒形态发生改变。陈继平等通过研究土壤中各硒形态的含量与pH的相关性，结果表明，pH与土壤中硒的总量、水溶态硒含量、有机结合态硒含量之间呈弱的相关性，与离子交换态硒含量呈相对较高的相关性。当土壤的pH＞7时，硒主要以存在于土壤中，由于比更容易被铁锰铝等氧化物所吸收，且吸附能力随pH值升高而降低，因此SeO32-含量与pH值呈负相关。当土壤pH≤7时，硒主要以SeO32-的形式存在，其容易和锰、铁等氧化物发生反应，生成极难溶解的酸式亚硒酸盐类，或被粘土矿物吸附。樊建新等对淹水过程中土壤中硒形态转化进行研究，结果表明，Eh值对土壤硒形态转化起主要作用，淹水培养过程中，土壤中氧含量逐渐下降，其Eh值也随之降低，在还原条件下，不仅存在于溶液中的Se6+容易被还原，被吸附的Se4+也会溶于溶液中被还原，形成难溶性硒，导致淹水培养过程中硒的可交换态与水溶态向难溶的元素态与残渣态转化。

4.2 腐殖质

腐殖质为已死生命体在土壤中被微生物分解而成的有机物，土壤中主要分为腐殖酸、胡敏酸与富里酸三种。其中与胡敏酸和富里酸络合形成的硒的化合物是土壤中有效硒的重要组成部分，与富里酸络合的硒较易矿化分解成易为Se4+、Se6+以及低分子有机硒化合物等。与胡敏酸络合的硒主要以蛋白质或多肽的形式存在，一般不易被释放，进而阻碍了植物的吸收利用。何振立等的研究表明，在缺硒土壤中，胡敏酸结合态硒的含量一般都较高。在富硒土壤中，有机硒主要以富里酸硒为主。当土壤中富里酸多于胡敏酸时，土壤硒有效性高。当土壤中胡敏酸多于富里酸时，硒的有效性便降低。当土壤呈酸性时，此种作用尤为明显。