全球变暖将致中国西北部、中部进一步缺硒，60年后土壤硒总量或减少10%

在大尺度范围内，季风和降水等因素可能对土壤中挥发性元素汞和硒的含量具有显著影响，但影响表层土壤中汞和硒差异的关键因子及其贡献率仍未知。

本文分析了中国大陆地区内，干、湿沉降，微生物挥发作用对土壤中汞和硒积累的贡献，结果显示表层土壤汞和硒的积累是一个动态的过程。由于汞和硒在大气中存在方式不同，汞以不溶于水的元素汞为主，而硒以易溶于水的甲基硒为主，干、湿沉降对二者的贡献有明显差异。

汞（Hg）是一种对人体有害的挥发性重金属元素。植物体内的汞除从大气中吸收外，主要来自于其生长的土壤。在区域尺度的研究发现，矿业活动和化石燃料燃烧等是影响中国表层土壤中汞积累的主要因素，而土壤性质、pH值、有机质含量等诸多因素对区域地区的土壤汞含量均有影响。

硒（Se）是另一种可挥发的类金属元素，是人体必需的微量元素之一。人摄入硒的主要来源为食物，特别是粮食作物。而中国绝大部分地区土壤中硒含量很低，属于缺硒大国之一。目前土壤中硒含量差异成因研究主要集中富硒地区，这些地区主要是由于成土母质中硒含量高。中国表层土壤汞和硒的分布概况

表层土壤汞分布

地壳中汞的质量分数约为0.05 mg·kg^-1，中国地壳中汞平均质量分数为0.065 mg·kg^-1，略高于世界其他地区。在中国西北地区土壤汞含量很低，而东南沿海地区土壤汞质量分数较高，显著高于土壤背景值。在长三角和珠三角地区，平均土壤汞质量分数均是地壳中汞平均质量分数的10倍，个别地区甚至达到20倍。

由于经济的发展以及化石能源的大量使用，中国向空气中释放大量的汞，大气中的汞最终沉降到土壤环境中。考虑到中国是典型的大陆性季风气候，汞的沉降受季风等气候条件影响较大。中国东南地区表层土壤中过高的汞含量，特别是大尺度范围内土壤汞含量较高，除地质成因外，干湿沉降等成因可能是关键影响因素。

表层土壤硒分布

中国陆地表层土壤硒分布存在着一定规律性，在东南沿海和西北靠近沙漠的地区，土壤中硒质量分数较高，但从东北到西南地区存在着一条典型的低硒带。

西北地区土壤中硒平均质量分数为0.19 mg·kg^-1、东南沿海为0.23 mg·kg^-1，显著高于中国地壳中硒平均质量分数（0.058 mg·kg^-1），说明表层土壤中硒除了地质来源外，有其他外源输入。而中部低硒带土壤平均硒质量分数为0.13 mg·kg^-1，说明该地区其他来源输入较少或积累不如西北和东南地区大。

大气中的硒主要来自海洋中硒的挥发，挥发的硒通过季风作用被带入陆地系统，最终沉降在陆地系统，表层土壤是大气中硒的汇。在大尺度范围内，季风、降水等气候条件的差异可能是影响硒的沉降，从而造成表层土壤中硒浓度异质性的关键因素。

中国表层土壤汞和硒的分布概况

表层土壤中汞和硒含量均显著高于其土壤母质，说明还有其他外源输入。考虑到2种元素均为挥发性元素，唯一可能在大尺度范围内影响二者的因素就是大气干湿沉降，而大气沉降可能是土壤中汞和硒输入的关键。

湿沉降

1）湿沉降对土壤汞含量的影响

大气中的汞以不溶于水的元素汞（Hg⁰）为主。

在全球尺度，湿沉降对土壤中汞的贡献率为24.8%~50.6%，明显低于湿沉降对土壤中硒的贡献率（60%）。在全国尺度上，湿沉降对表层土壤中汞的贡献率为49.4%。

中国东南部地区土壤汞分布受化石燃料燃烧等人为活动释放汞的影响，大气中汞含量相对较高；并且距离海洋较近，降水量大，湿沉降输入土壤的汞含量较多。

气态氧化汞是雨水中汞的主要来源，雷暴天气可将不溶于水的Hg⁰转变为易溶于水的氧化汞，显著增加雨水中汞含量。中国南部和东南沿海地区年均雷暴天数很高，表明更多的元素汞被转化为易溶于水的氧化态汞，随湿沉降进入土壤，这可能是东南地区土壤汞含量较高的另一个原因。

2）湿沉降对土壤硒含量的影响

大气中硒以易溶于水的有机硒为主，海洋是重要的硒库，海洋中微生物通过甲基化作用将无机硒甲基化为挥发性的有机硒化合物，将硒从海洋挥发进入大气，随季风进行远距离传输和扩散。

挥发性有机硒化合物能够溶解于雨雪中，并通过湿沉降进入表层土壤，大尺度范围内这被认为是表层土壤中硒的一个重要来源。在中国东南部季风区，土壤中硒的质量浓度和降水量显著正相关。

湿沉降对土壤中硒的贡献率为91.5%。随着与海洋距离的增加，季风能够为大陆地区带去的水汽也随之减少，降水量降低；土壤中通过湿沉降积累的硒浓度也随之减少，土壤中硒浓度随着降水量的减少而减少。

干沉降

1）干沉降对土壤汞含量的影响

在中国中部地区，降水量为400~800 mm，湿沉降不足以导致土壤汞大量积累，但土壤汞浓度相对于西北部地区高。

Zhang等的研究表明，土壤汞浓度和归一化植被覆盖指数（NDVI）之间呈显著正相关。全国范围内植被覆盖指数对土壤中汞的贡献达到23.4%，植物体内的汞有2种方式进入土壤：通过植物自身的生理生化作用，经植物体内维管运输通过根部进入土壤；以凋落物的形式进入土壤，这是土壤汞输入的主要方式。

在大量植被覆盖的地区，72%~90%的土壤汞都来源于大气汞干沉降，干沉降通量大概是湿沉降通量的2倍。并且不同植被覆盖类型下土壤汞质量分数具有显著性差异，其中森林覆盖地区最高，其次是农用地和草地/灌丛覆盖地区，而荒漠地区最低。

大量植被覆盖的地区，NDV I 值高，叶面积指数越高，吸收的大气元素汞越多，所以有植被覆盖的地区土壤汞浓度高于较少植被覆盖的地区，叶面积指数较大的地区土壤汞质量分数高于较小的地区。

并且，由于草本类植物多分布于牧区，被牲畜采食，农田区粮食作物也被定期收割移除，其通过凋落物回到地表的通量有限，这2种植被覆盖下土壤汞含量较低。另外，任何土壤覆盖都可减少土壤中的汞挥发，甚至导致大气净挥发向大气净沉降的转变。可见干沉降是汞进入地表的一种重要方式。

2）干沉降对土壤硒含量的影响

在中国西北地区，土壤中硒含量相较于中部地区高，但是该地区降水量较小，年降水量<200 mm，湿沉降通量不足。

Chau等的研究显示，大气气溶胶中的硒质量分数远高于土壤母质中。在新疆焉耆盆地发现，除土壤母质外，表层土壤中的硒还有其他来源。该地靠近亚洲尘源，冬季盛行西北风，气溶胶中的硒会随着降尘落入地表，从而在表层土壤中积累。

表层土壤硒含量可能和东亚冬季季风主导的干沉降有关，干沉降是土壤硒积累的重要因素。

土壤中汞和硒的挥发土壤中的汞和硒处在动态变化过程中。除沉降外，土壤中微生物可转化并挥发土壤中的汞和硒，减少土壤中2种元素含量。

土壤汞的挥发

当土壤有机质质量分数<8%时，土壤汞质量分数会随着土壤有机质质量分数的增加而增加，这是由于土壤中有机碳中官能团对汞具有较高的吸附固定能力。全国范围内有机质对土壤汞的贡献率为9.3%。

土壤汞含量与太阳辐射强度呈显著负相关，强烈的光照会加速汞从土壤中释放出去。土壤中气态元素汞的挥发被认为是陆地生态系统中汞损失的重要方式。太阳辐射催化的光化学还原反应可生成元素汞，催化元素汞的生成与挥发。

光化学介导的还原作用使土壤中的离子汞（Hg²⁺）转化为挥发性元素汞是土壤汞损失的关键因素。中国西北部地区植被覆盖低或无植被覆盖，太阳辐射可直接到达地表，加速土壤中汞的释放，所以土壤汞浓度偏低。

土壤硒的挥发

中国中部地区的低硒带，由于距离海洋较远，湿沉降通量较小，挥发性有机硒化合物通过降水输到中部土壤的含量有限。另外，众多山脉阻挡了西北部上空的尘埃颗粒物，干沉降通量也不足。该地区干湿沉降通量均较小，而土壤硒挥发量较大，造成了该地区土壤硒积累较低。

在低硒带上，土壤有机质含量丰富，但是土壤硒质量分数却较低。当土壤有机质质量分数<5%时，土壤硒质量分数随着土壤有机质的增加而增加；但当土壤有机质质量分数>5%时，这种促进作用并不明显，甚至表现为负相关关系。

土壤有机质对于土壤硒的影响主要分为2个方面：当土壤有机质质量分数较低时，由于土壤有机质为硒提供了吸附位点，此时土壤有机质对硒起固定作用；但当土壤有机质质量分数较高时，土壤有机质也能为微生物充当足够的碳源，使得微生物丰度较高，微生物甲基化的作用增强，从而将土壤中的硒转化为具有挥发性的有机硒化合物释放出去，造成硒损失。

另外，在易发生土壤侵蚀的地区，降雨对土壤硒存在淋溶作用，主要是因为提高了可溶态硒的迁移，加快可溶态硒的流失。

土壤中汞和硒的净积累

汞的净积累

西北地区由于离聚集工业区较远，人为释放的汞通量较小，无植被覆盖或少植被覆盖造成干沉降通量较小；且距离海洋较远，降水量较少，湿沉降通量较小；同时西北地区土壤有机质质量分数较低，土壤固定汞能力差；植被覆盖较少，太阳辐射直达地表，催化土壤汞的挥发，多种因素造成该地区土壤中汞含量较低。

东北地区植被覆盖量大，汞干沉降通量较大，适中的降水可以补充一部分湿沉降，而该地土壤有机质质量分数较高，能有效固定土壤中的汞而减少挥发，造成该地区土壤汞积累而含量较高。

在东南沿海地区，化石燃料使用率高，人为汞排放通量较大，大气中汞含量相对较高；高植被覆盖使得汞干沉降通量较大，降水充沛导致湿沉降通量较大，并且该地土壤有机质质量分数较高。此外，该地区植被茂密，有效的遮蔽太阳辐射对土壤汞挥发的影响，造成土壤汞含量较高或者土壤汞污染。

硒的净积累

西北地区，距离亚洲尘源较近，硒干沉降通量较大，并且由于土壤有机质含量低、水分少、气候干燥，导致土壤微生物丰度低，硒挥发量小，输入量大于挥发量，造成表层土壤硒累积。

东南地区，距离海洋较近，硒湿沉降通量较大，虽然土壤有机质质量分数较高，但土壤微生物丰度大，土壤硒挥发量也大；硒沉降量高于挥发量，而造成土壤硒积累。

而东北到西南地区的低硒带地区，距离海洋较远，湿沉降通量不足；且该低硒带距离亚洲尘源较远，由于山脉阻隔，干沉降通量缺乏；但该地土壤有机质丰富，土壤微生物丰度高，促进土壤挥发释放。较大的挥发通量抵消的较少的沉降通量，造成土壤中硒净积累较少，形成了典型的低硒带。

Jones等预测，在全球变暖的背景下，中国西北部和中部地区未来将进一步缺硒，到2080-2099 年，土壤硒总量可能减少10%。

结论对于挥发性元素汞和硒，在全国尺度上土壤中的分布并非由于土壤母质的显著差异造成，同时受到干湿沉降、土壤理化性质、人为活动等的影响。

全球存在多个气候分区，这些不同的气候条件以及土壤理化性质，可能导致表层土壤中汞和硒的空间异质性。

另外，由于汞和硒与人体健康息息相关，而食物链是土壤中的汞和硒向人体转移的重要途径，所以有必要解析常规农田土壤中驱动汞和硒累计或者释放的生物学机制。

作者简介：孙国新，中国科学院大学，中国科学院生态环境研究中心，城市与区域生态国家重点实验室，研究员，研究方向为土壤重金属污染修复及元素生物地球化学循环；张召阳，中国科学院大学，中国科学院生态环境研究中心，城市与区域生态国家重点实验室。

论文全文发表于《科技导报》2022年第3期，原文标题为《中国表层土壤汞和硒分布空间异质性的因素分析》，本文有删减，欢迎订阅查看。

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