土壤环境中几种有益元素生物地球化学循环研究进展

韩张雄，崔长征，倪天阳，蒋俊平，李慧慧，宋 琼，雷 腾

（陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室, 国土资源部西安矿产资源监督检测中心，陕西 西安 710054）

土壤环境中几种有益元素生物地球化学循环研究进展

韩张雄，崔长征，倪天阳，蒋俊平，李慧慧，宋 琼，雷 腾

（陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室, 国土资源部西安矿产资源监督检测中心，陕西 西安 710054）

人类对有益元素的关注主要是源于人体健康和地方病的研究。随着人们物质生活的提高，对健康的要求日益增加，有益元素的生物地球化学循环逐渐被广泛研究，主要包括钙、铁、锌、硒、锰、硅等。这些元素通过土壤进入食物链，进而影响人类健康，因此，土壤有益元素对人体及其在生态环境中生物地球化学循环过程中的作用已成为近年来国内外环境领域研究的热点。对动植物必需的有益元素钙、铁、锌、硒、碘的研究进展进行了综述，总结得出，土壤中有益元素的研究不仅仅需要关注其在生物地球化学循环中所起的作用，更应当结合土壤中有益元素与其他元素的作用机制来考虑其生物地球化学行为以及其在循环过程中的作用机理。

土壤环境；有益元素；生物地球化学循环

生物地球化学是地球化学的一个重要分支。这一术语首先由维尔纳斯基在 1902 年提出，作为分支学科，生物地球化学在 20 世纪 20 年代基本形成是通过追踪化学元素迁移转化来研究生命与其周围环境的科学。它主要研究由于生物活动而引起的地壳中的元素迁移、转化、富集、分散，以及由此引起生物繁殖、变异、衰减等规律的学科。重点研究生物圈中各种化学物质的来源、存在数量和状态，生物活动的特性，污染物的生物地球化学循环及迁移转化规律，环境中化学物质对生物体和人类健康的影响等问题。它对农业土壤改良、环境污染防治、地方病等方面的研究都有重要意义。

土壤是各种元素存在和其生态地球化学转化的重要载体，各种元素在土壤中与其他要素相互之间吸附、解析、分解、聚合作用共同构成了土壤环境的生态地球化学循环，人们已经认识到要充分了解土壤中各种化学物质的反应本质，必须从土壤圈层物质循环的角度来研究土壤的本质[1-4]。因此，人们在近年来的研究中，多将土壤与其他圈层综合研究，从而获得各种元素在各圈层的作用机理和过程，土壤元素与生物元素之间的交换、迁移、富集和相互作用构成了土壤的生物地球循环。同时在这个过程中有其他圈层的共同参与[5]。土壤中的各种元素对生物而言，既有有益元素，又有有害元素，在研究过程中，因其对生物的作用不同而采用不同的切入点，目前对土壤有益元素的研究，主要是从其赋存形态，以及其对动植物以及人体健康的影响方面开展。

1土壤中钙元素的生物地球化学循环

钙是地壳组成中的重要阳离子，它在地表疏松层和生物圈中是比较活跃的元素之一。钙在土壤中比较活跃，也是生物必不可少的营养元素，也是植物细胞信号转导的“第二信使”。因此，钙元素的表生地球化学作用比较强烈，在地表进行重新分配显著。钙属于碱土金属元素、化学性质活泼，在地球化学分类中钙属于亲石元素，在岩浆岩形成过程中，钙富集于岩浆结晶的早期与中期之间，多以钙、镁亚铁的偏硅酸盐型、钙斜长石、单斜闪石物、榍石、钙镁橄榄石和钙钛矿等形式存在；地质环境分布中，钙一般富集于碳酸盐类中，一般多以方解石的形式存在。钙元素的风化产物碳酸钙是重要的建筑原料。地壳中钙元素丰度为 4.1%，土壤中钙元素海量大约在 1.5%左右，在在全球成土过程中，约 64%的钙被淋失，与钠元素接近。我国土壤钙元素丰度为1.54%，略高于全球土壤丰度。但是钙元素在我国土壤中分布是很不平衡的，在湿润区的土壤中钙元素很易被淋失，甚至在湿润地区的碳酸盐岩的土壤中钙元素丰度都很低，因为水流冲刷所致。在干燥地区由于缺水，会使钙元素形成难于溶解风化的化合物，进而富集。生物气候和水分对钙元素的生物地球化学循环具有决定性的作用。在土壤常量元素中，钙是生物体所必需的，钙在生物体内主要起支撑作用，钙在动物体内的积累比在植物体内高，尤其在珊瑚和软体动物的甲壳中，高等动物和人体的牙齿和骨骼的组织中，钙都是重要的组织成分，当人体缺钙时，会引起软骨病，幼儿尤其突出。

2 土壤中铁元素的生物地球化学循环[15-19]

在地壳和全球土壤中铁元素丰度都比较高，它是排在氧、硅、铝之后的第四位，但铁元素在生物界的丰度很低，属于微量元素列，在地球化学生态学分类中属于生命元素。铁元素的丰度受环境条件的制约，在不同母岩母质上发育的土壤中铁元素的丰度差异。铁元素属于第八副族过渡性的变价元素，一般在火成岩和基性岩中比较丰富，土壤中的铁在地球化学过程中主要受到环境中游离态的氧、有机质、水分和pH 的影响。地壳中铁元素的丰度为4.1%，全球土壤中丰度为 4.0%，在我国土壤中丰度只有 2.94%。从全球的成土过程铁元素从母岩到土壤仅下降 2.5%，可见铁是一个较稳定的元素。在我国成土过程铁元素下降 28%，比全球土壤形成过程中铁元素损失大 11.2 倍，这与我国山地丘陵广泛分布而淋溶作用比较强烈有密切关系。铁是重要工业原料，用途非常广泛，因此，铁元素的工业亲和性很强，在铁矿的开采和冶炼过程的废弃物，往往会引起不同程度的环境污染。铁元素在植物体内主要是对光合作用起很大的作用，而动物体内的血液含有大量的铁元素，因此铁对于生命体是必需的微量元素。同时对于缺铁会造成生命体存活威胁的情况，需要及时补充铁元素。对人体而言，缺铁易发生贫血症，近代研究说明，肝脏对铁元素具有较大的亲和力，铁是非特异性的致癌物质，铁元素对核酸还原酶的活性起重要作用，土壤缺铁，则会造成其他元素的大量流失或者不易合成一些元素。

3 土壤中硒元素的生物地球化学循环[20-26]

硒是分散的稀有元素，自然界中没有单独的硒矿，通常以硒化物的形式作为杂质存在于金属硫化矿中。土壤中硒的含量及分布特征与土壤成土母质、生物、非生物环境条件等因素有关。它与成土母质、成土过程、土壤质地、土壤有机质含量等土壤理化性质密切相关。目前，对硒元素在土壤中生物地球化学循环的研究，主要从以下几个方面开展：（1）土壤中硒的形态的研究。土壤中硒有多重形态，按价态的不同科分为元素态硒、硒化物、硒酸盐、亚硒酸盐、有机态硒化物和挥发态硒等；另外还可以根据不同的浸提方法，分为水溶态硒、离子交换态硒、碳酸盐硒、腐殖酸硒、强有机硒、铁锰氧化物硒、残留态硒。（2）土壤植物系统中硒的迁移转化的研究。植物对硒的吸收以及硒的生物地球化学循环与土壤中硒的含量以及硒的形态有着密切的关系，而硒的形态又与土壤环境条件紧密相连。（3）土壤中硒的健康效应的研究。动物和人对硒的反映比较敏感，可分为高硒性反映和低硒性反映以及因硒过剩或不足引起的各种地方性疾病。人和动物硒中毒有多种影响，可引起生殖力下降、高畸胎率。对于低硒反映，动物较人更为敏感，在动物低硒反应中，以白肌病的分布最广，危害最大，人类缺硒会引起克山病等病症，同时硒被认为是最有效的抗氧化元素之一，对人类癌症的治疗有重要意义。土壤中高硒与低硒与食品中硒的含量有十分密切的关系，因而通过调节土壤-植物系统中硒的含量和有效性将有助于减少疾病的危害。

4 土壤中 Zn 的生物地球化学循环[27-30]

锌是一种微带蓝色的白色金属，在自然界中它能与很多元素如铅、铜、镉等形成共生矿物，是生物体的必需元素之一。人们对锌元素的认知相对较早，但近代科学研究才发现锌元素是植物、动物和人体必需的微量元素。土壤中的锌元素主要来源于各种地壳物质。所以土壤锌的有效性主要取决于土壤本身的性质如酸碱性及各类土壤吸附和固定锌的能力。已有的研究成果显示，土壤剖面的总锌有大致均一的分布，随深度的增加而递减，它常富集于土壤表层。土壤是锌元素自然循环的中心环节，是固结态锌与自由态锌相互转化的纽带，是提供生物和人类营养的源泉。在这个过程中，生物起着催化剂的作用，加速了锌元素在自然界中循环的速度。目前，关于锌的研究，主要从以下几方面开展：（1）锌元素在土壤中的赋存形态与其迁移转化的研究。锌元素主要以易溶态，离子交换态，有机物态，结合态及残留态存在于土壤中。土壤中的锌元素在土壤母质、pH 值、Eh 值、CEC、土壤粘粒、生物、温度等条件的影响下，在五种形态间相互转化，造成锌元素的化学形态在土壤与生物环境中循环往返，在土壤中由上层淋溶至下层，在由生物作用聚集于表层，这是锌元素土壤化学过程中的永久主题。（2）土壤中锌元素的异常及其对生物环境的影响。所谓的土壤中锌元素的异常区是指当土壤中锌元素含量远远高于或低于自然土壤中锌元素背景值的正常范围值时的土壤环境。正常土壤锌含量一般不会引起生物出现缺锌或锌中毒现象。但在异常区常常会因为锌元素的缺失或过量而导致生物体受损。有时虽然土壤中锌元素总量很高，但也会出现生物缺锌症状，这说明土壤元素的含量不能作为评价土壤元素供给状况的指标，因为作物在土壤中只能吸收有效态的元素。缺锌会造成生长在土壤上的生物出现缺锌症状，而锌中毒则同样会使农作物减产，从而影响到人类。

5 土壤中碘的生物地球化学循环[31-37]

碘是人类发现的第二个必需微量元素，它对生物体甲状腺素合成具有重要的意义。人类身体缺碘后最常见的为地方性甲状腺肿，它是长期中度碘缺乏引起的以甲状腺组织增生为主的慢性地方病。至今，世界上缺碘及地方性甲状腺肿的防治未收到满意的结果。因此碘作为动植物的必需元素，对其研究具有重大意义。世界各地土壤中碘的含量范围变化较大，常见的含量范围为 0.7～25 mg/kg，平均含量在 1～5 mg/kg。通常，土壤中的碘含量均高于成土母岩。土壤可从大气中直接吸收碘而将其固定。来自海洋上空的气态碘经大气降水返回土壤是土壤碘的主要来源，另外火山喷发对土壤碘的富集也起一定作用。作为生物元素，碘在自然界的循环与生物过程紧密联系，植物能显著地富集碘。尽管植物摄取碘的机制尚不清楚，但一般溶解的碘易被植物获得。植物还可直接通过表皮和毛状叶表面的粘性微粒摄取大气中的碘，因而大气碘的增加会加强植物对碘的吸收。土壤中的碘主要与有机质、铁和铝的水化氧化物、绿泥石、伊利石类粘土矿物相结合。土壤碘的赋存状态受土壤酸碱性反映影响而不同。土壤和大气之间还可能存在易挥发的碘化物的相互交换。一些离子状态的碘可以存在于过湿土壤中，尤以前 I-、I3-最为常见。人类活动往往能导致局部抵御土壤碘的高含量。产煤区和燃煤区以及繁忙公路周围土壤中的碘含量水平可能被提高。有些污水灌溉可以增加表土中的碘。碘污染造成碘中毒很少有见报道。但在国外，在某些沿海地区有大量使用巨藻作为肥料而导致植物碘中毒的。

人们对土壤中有益元素的研究主要着眼于它们对人体以及其他动植物自身生理机能的需求。从其而有益元素的赋存形态的研究以大量开展，有益元素在各种载体中的形态转化及其迁移规律也在开展，而有益元素与其他元素的作用机制研究相对较少，随着社会和土壤科学的发展，土壤中有益元素与其他元素共同作用于生态环境，影响着动植物以及人体健康，以此，对有益元素的研究，更应当结合其他元素，研究它们在土壤中的交互作用，从而使土壤中有益元素发挥更大的作用。使土壤科学的研究成为真正意义上的“最后的科学前沿”[38]。

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Researchprogress in Biogeochemical Cycling of Several Beneficial Elements in Soil

HAN Zhang-xiong，CUI Chang-zheng，NI Tian-yang，JIANG Jun-ping，LI Hui-hui，SONG Qiong，LEI Teng
（Shaanxiprovincial Key Laboratory of Mineral Exploration and Utilization, Xi’an Testing and Quality Supervision Center for Geological and Mineralproducts, the Ministry of Land and Resource, Shaanxi Xi’an 710054, China）

The studies of beneficial elements are derived from the relation of human health and the occurrence of endemic diseases. The biogeochemical cycle of beneficial elements are widely studied with the improvement of material life ofpeople and growing demand for health, these elements include calcium, iron, zinc, selenium, iodine, etc. These elements can enter the food chain through the soil, thus affect human health. Therefore, the study on roles of beneficial elements in human body and biogeochemical cycleprocess in the ecological environment has become a hot research of environment in recent years. In thispaper, the beneficial elements including calcium, iron, zinc, selenium and iodine were summarized. Our conclusion shows that the research of beneficial elements in soil not only needpay attention to its role in the biogeochemical cycle, but also should be combined with the mechanism of action of beneficial elements in soil and other elements to consider its biogeochemical behavior and its mechanism in theprocess of circulation.

Soil environment; Beneficial elements; Biogeochemical cycling

S 15

： A

： 1671-0460（2017）02-0292-04

陕西省自然科学基础研究计划项目，项目号：2014JM5217。

2016-08-13

韩张雄(1982- )，男，陕西佳县人，工程师，研究方向：主要从事土壤化学与植物逆境培育风险评价方面的工作。E-mail：han10260@163.com。