我国表层土壤中汞和硒的分布特征及形成机制研究

我国表层土壤中汞和硒的分布特征及形成机制研究一、引言汞（Hg）和硒（Se）作为土壤中的重要微量元素，其分布特征与形成机制一直是环境科学领域的研究重点。汞是一种全球性污染物，具有高毒性、易迁移和生物富集等特性。土壤作为陆地生态系统中最大的活跃汞储库之一，储存了陆地生态系统至少90%以上的汞。土壤累积的汞一方面可被还原为Hg0重新排放到大气中，增加大气汞负荷；另一方面随地表径流进入水生生态系统，转化为毒性更强的甲基汞（MeHg），并通过食物链富集放大，对生态环境安全与人体健康造成潜在威胁。硒是人体必需的微量元素之一，对人体健康具有重要作用，如抗氧化、防癌抗癌等。然而，硒在地球自然环境中的分布极其不均，呈“点状分布”。我国从东北向西南形成一条明显的带状缺硒区域，涉及约15个省(市)和自治区，同时也存在湖北恩施、陕西安康等天然富硒区。土壤中硒的含量及形态直接影响其在食物链中的传递和生物有效性，进而影响人体健康。因此，深入研究我国表层土壤中汞和硒的分布特征及形成机制，对于评估生态环境风险、保障人体健康具有重要意义。二、我国表层土壤中汞的分布特征2.1整体分布状况我国表层土壤汞含量存在较大的空间差异。从区域上看，不同地区的土壤汞含量呈现出明显的分异。在一些工业发达、人口密集的地区，如东部沿海地区，土壤汞含量相对较高。这主要是由于这些地区工业活动频繁，煤炭燃烧、有色金属冶炼等过程向大气中排放了大量的汞，随后通过大气沉降等方式进入土壤，导致土壤汞累积。而在一些偏远、工业活动较少的地区，如青藏高原、内蒙古草原等地，土壤汞含量相对较低。以青藏高原为例，虽然其平均海拔在4000米以上，拥有相对孤立而脆弱的高寒生态系统，但研究发现，青藏高原表层土壤汞存在显著富集现象。不同植被覆盖类型下表层土壤汞浓度呈现出较大的空间变异性，表现为森林>草甸>草原>灌丛。整个青藏高原表层10cm厚土壤中汞储量为8200±3292吨。这表明即使在看似“洁净”的地区，土壤汞的分布也受到多种因素的影响。2.2不同生态系统中的分布在森林生态系统中，由于植被茂密，对大气汞具有较强的拦截和吸收作用，使得森林土壤中的汞含量相对较高。树木通过叶片吸收大气中的汞，部分汞通过凋落物进入土壤，增加了土壤汞的积累。同时，森林土壤中丰富的有机质也有利于汞的吸附和固定。草甸生态系统中，土壤汞含量一般低于森林生态系统，但高于草原和灌丛生态系统。草甸植被的生物量相对较大，对大气汞也有一定的截留能力。此外，草甸土壤的水分条件较好，有利于汞在土壤中的迁移和转化。草原生态系统中，植被相对稀疏，对大气汞的拦截能力较弱，土壤汞含量相对较低。但草原地区的风力较大，可能会加速汞的大气传输和沉降过程，在一定程度上影响土壤汞的分布。灌丛生态系统中，灌丛植被的覆盖度和生物量相对较小，土壤汞含量在几种生态系统中最低。然而，灌丛生态系统往往分布在一些地形复杂的区域，其土壤汞含量也可能受到局部地形和地质条件的影响。三、我国表层土壤中汞的形成机制3.1自然来源3.1.1岩石风化岩石风化是土壤汞的重要自然来源之一。不同类型的岩石中汞的含量存在差异，如花岗岩、页岩等岩石中汞含量相对较高。在岩石风化过程中，汞逐渐释放到土壤中。例如，在一些山区，由于岩石的风化作用，土壤汞含量可能会相对较高。此外，岩石的矿物组成和结构也会影响汞的释放速率和迁移能力。3.1.2大气沉降大气沉降是土壤汞的另一个重要自然来源。大气中的汞主要以气态单质汞（Hg0）、气态二价汞（Hg2+）和颗粒态汞（HgP）的形式存在。Hg0具有较强的挥发性和稳定性，能够在大气中长距离传输。Hg2+和HgP则相对更容易通过干湿沉降的方式进入土壤。自然过程如火山喷发、森林火灾等会向大气中释放大量的汞，这些汞最终通过大气沉降进入土壤。在一些偏远地区，大气沉降是土壤汞的主要来源。3.2人为来源3.2.1工业活动工业活动是导致土壤汞污染的主要人为因素之一。煤炭燃烧是汞排放的重要来源，我国作为煤炭消费大国，大量的煤炭燃烧向大气中排放了大量的汞。有色金属冶炼过程中，如汞矿开采、铜铅锌冶炼等，也会产生大量的含汞废气、废水和废渣，这些废弃物中的汞通过各种途径进入土壤，造成土壤汞污染。在一些工业矿区周边，土壤汞含量往往严重超标。3.2.2农业活动农业活动对土壤汞含量也有一定影响。农药和化肥的使用可能会引入汞。一些含汞农药虽然已被禁止使用，但在过去的使用过程中，部分汞残留于土壤中。此外，一些化肥中也可能含有微量的汞，长期使用可能会导致土壤汞含量增加。污水灌溉也是农业活动中导致土壤汞污染的一个重要因素。未经处理或处理不达标的污水中含有大量的重金属，包括汞，用于灌溉农田后，汞会在土壤中积累。3.3影响汞分布和转化的因素3.3.1土壤性质土壤的物理化学性质对汞的分布和转化具有重要影响。土壤pH值是影响汞形态和活性的重要因素之一。在酸性土壤中，汞更容易以离子态存在，其迁移性和生物有效性相对较高；而在碱性土壤中，汞更容易与土壤中的有机质、黏土矿物等结合，形成稳定的络合物，降低其迁移性和生物有效性。土壤有机质含量也与汞的吸附和固定密切相关。有机质具有丰富的官能团，能够与汞形成稳定的络合物，从而增加土壤对汞的吸附能力，减少汞的迁移。此外，土壤质地、阳离子交换量等性质也会影响汞在土壤中的分布和转化。3.3.2植被覆盖植被覆盖对土壤汞的分布和转化具有重要作用。植被通过叶片吸收大气中的汞，然后通过凋落物将汞带入土壤。不同植被类型对汞的吸收和积累能力存在差异，如前文所述，森林植被对汞的拦截和吸收能力较强，导致森林土壤汞含量相对较高。植被还可以通过影响土壤的物理化学性质，如土壤水分、通气性等，间接影响汞在土壤中的迁移和转化。此外，植被根系的分泌物也可能影响土壤微生物的活性，进而影响汞的生物转化过程。3.3.3气候因素气候因素如温度、降水等也会影响土壤汞的分布和转化。温度升高会加速土壤中汞的挥发，增加大气汞的排放。同时，温度也会影响土壤微生物的活性，进而影响汞的生物转化过程。降水通过淋溶作用可以将土壤中的汞溶解并随地表径流带走，降低土壤汞含量；但降水也可能通过大气沉降带来更多的汞，增加土壤汞的输入。此外，风速、光照等气候因素也会对土壤汞的分布和转化产生一定影响。四、我国表层土壤中硒的分布特征4.1整体分布格局我国硒资源分布不均，约72%的国土面积的土壤属于缺硒，其中30%为严重缺硒地区。从地域上看，缺硒地区主要集中在东北、华北、西北以及西南部分地区，包括黑龙江、吉林、辽宁、河北、河南、山东、山西、陕西、四川、重庆、云南、西藏、内蒙古等省份，这些地区的土壤中硒含量很低，在20微克/千克以下。相对不缺硒的地区主要分布在南方，如广西、海南、台湾、贵州大部分地区、湖北东部、江西南部等。此外，我国还存在少数富硒县市，如湖北恩施、陕西紫阳、广西巴马、江苏如皋、安徽石台等。东北平原及部分山区、华北平原北部也是缺硒地区。4.2不同土壤类型中的分布在不同的土壤类型中，硒的含量也存在差异。例如，在红壤、黄壤等酸性土壤中，硒的含量相对较高。这是因为酸性土壤的淋溶作用较强，有利于硒的释放和迁移。而在黑土、棕壤等中性和碱性土壤中，硒的含量相对较低。土壤中的黏土矿物对硒具有较强的吸附能力，不同类型的黏土矿物对硒的吸附特性不同，也会导致硒在不同土壤类型中的分布差异。此外，土壤中的有机质含量也与硒的分布有关，有机质含量高的土壤，硒的含量往往也相对较高。五、我国表层土壤中硒的形成机制5.1自然来源5.1.1成土母质成土母质是土壤硒的最初来源。不同类型的岩石中硒的含量不同，如花岗岩、砂岩等岩石中硒含量相对较低，而页岩、石灰岩等岩石中硒含量相对较高。在岩石风化过程中，硒逐渐释放到土壤中，成为土壤硒的重要组成部分。例如，在一些由页岩发育而成的土壤中，硒含量往往较高。成土母质的矿物组成和结构也会影响硒的释放速率和迁移能力，从而影响土壤硒的含量。5.1.2大气沉降大气沉降也是土壤硒的自然来源之一。大气中的硒主要来源于火山喷发、海洋飞沫等自然过程。这些硒通过干湿沉降的方式进入土壤。在一些靠近海洋或火山活动频繁的地区，大气沉降对土壤硒含量的贡献相对较大。此外，大气中的硒还可能与其他物质发生化学反应，形成不同形态的硒化合物，影响土壤硒的形态和生物有效性。5.2人为来源5.2.1工业活动工业活动如燃烧矿物燃料、有色金属冶炼、印染、涂料制造等过程中会产生含硒的废气、废水和废渣。这些废弃物中的硒通过不同途径进入土壤，导致土壤硒含量增加。在一些工业发达地区，由于工业活动的影响，土壤硒含量可能会超出自然背景值。例如，有色金属冶炼厂周边的土壤中，硒含量往往较高。5.2.2农业活动农业活动对土壤硒含量也有一定影响。灌溉水中可能含有硒，长期使用含硒灌溉水会增加土壤硒的输入。化学肥料、农用石灰和农药等也可能含有硒或促进硒在土壤中的转化。一些含硒的叶面肥在农业生产中的使用，也会增加土壤硒的含量。此外，农业活动中的土壤耕作、施肥等措施会改变土壤的物理化学性质，进而影响硒在土壤中的迁移和转化。5.3影响硒分布和转化的因素5.3.1土壤性质土壤的pH值和氧化还原条件是影响硒形态和转化的重要因素。在酸性土壤中，硒主要以亚硒酸盐（Se(IV)）的形式存在，亚硒酸盐易溶于水，是植物可利用的主要形态。在碱性土壤中，硒则主要以硒酸盐（Se(VI)）的形式存在，硒酸盐在自然土壤的氧化还原条件下含量很少，其植物有效利用量也十分有限。土壤有机质含量也与硒的分布和转化密切相关。有机质可以与硒形成络合物，增加硒的稳定性，同时也可以促进硒的微生物转化。此外，土壤质地、阳离子交换量等性质也会影响硒在土壤中的迁移和转化。5.3.2生物活动土壤中的微生物对硒的转化起着重要作用。一些微生物可以将无机硒转化为有机硒，提高硒的生物有效性。例如，某些细菌和真菌能够将亚硒酸盐还原为元素硒或有机硒化合物。植物对硒的吸收和转化也会影响土壤硒的分布。不同植物种类对硒的吸收能力和转化机制存在差异，一些植物如黄芪等具有较强的硒富集能力，能够吸收大量的硒并在体内转化为有机硒。植物根系的分泌物也可以影响土壤微生物的活性，进而影响硒的生物转化过程。5.3.3气候因素气候因素如温度、降水等对土壤硒的分布和转化也有影响。温度升高会加速土壤中硒的挥发和微生物活动，从而影响硒的形态和生物有效性。降水通过淋溶作用可以将土壤中的硒溶解并随地表径流带走，降低土壤硒含量；但降水也可能通过大气沉降带来更多的硒，增加土壤硒的输入。此外，光照条件也会影响植物对硒的吸收和转化，进而影响土壤硒的分布。六、结论与展望6.1主要结论我国表层土壤中汞和硒的分布呈现出明显的空间异质性。汞在工业发达地区和部分自然生态系统中存在富集现象，其形成机制主要包括自然来源（岩石风化、大气沉降）和人为来源（工业活动、农业活动），土壤性质、植被覆盖和气候因素等对汞的分布和转化具有重要影响。硒在我国大部分地区存在缺乏现象，仅部分地区富硒，其形成机制同样涉及自然来源（成土母质、大气沉降）和人为来源（工业活动、农业活动），土壤性质、生物活动和气候因素等对硒的分布和转化起着关键作用。6.2