第一作者：Maja B. Siegenthaler

通讯作者：MajaB. Siegenthaler, LennyH. E. Winkel, JulieTolu

通讯单位：瑞士联邦水生科学技术研究所，苏黎世联邦理工学院，瑞士联邦农业科学院

DOI:10.1021/acs.est.5c15430

研究背景

微量营养元素缺乏是一个普遍存在的全球健康问题。硒（Se）是人类和动物必需的微量营养元素之一，但其安全摄入范围较窄。在植物性膳食中，Se的摄入量与土壤中的Se浓度有关，而土壤中的Se浓度通常较低。土壤退化的加剧和大气Se输入的预计减少可能进一步导致土壤中Se含量降低，进而导致植物和植物性营养中的Se含量降低。植物对土壤Se的吸收取决于其化学形态，Se的含氧阴离子Se酸盐（SeO₄^2-）和亚Se酸盐（SeO₃^2-）被认为是迁移性最强且植物最易吸收的形态。它们不仅以游离离子的形式存在于土壤溶液中，还会吸附在矿物表面或与矿物共沉淀。相比之下，还原性更强的无机Se形态，如矿物态Se(-II)和单质Se(0)，通常被认为是不移动的。此外，土壤中大部分Se（高达70-90%）以有机形态存在。

有机Se形态在土壤Se的保留和植物有效性方面起着至关重要的作用。但有机质（OM）对植物Se有效性的影响差异很大。尽管有机Se可能固定在土壤固相中，但也可能通过分解和氧化作用释放到土壤溶液中，从而成为植物可利用的Se，因此构成植物可利用Se的长期库。除植物可利用性外，土壤有机硒的来源尚不清楚。其可能来源于两方面：一是微生物活动将Se（如微生物产生的SeH₂）整合到土壤有机质中，形成共价键或成为Se蛋白等有机组分的一部分；二是来源于含Se植物残体的归还与分解。此外，另一种可能机制是Se氧阴离子（如亚硒酸盐）通过与铁等金属离子形成三元络合物，间接结合到土壤有机质上（类似砷的固定机制）。然而，最近对不同气候梯度下有机Se形态的表征表明，此类络合物可能不存在，可能在总有机Se中所占比例很低。总体而言，控制土壤中有机Se数量和质量的因素仍需进一步研究。

该项工作中研究了Se形态如何随土壤性质变化，重点关注土壤有机质（SOM）分子组成与有机Se数量和质量的关系。基于先前研究发现有机Se数量与土地利用类型相关，而不同土地利用类型通常具有不同的有机质组成，该研究假设（有机）Se的形态会随有机质分子组成的变化而改变。为验证这一假设，该研究对来自瑞士农田、草地和森林的92个表层土壤样本的NaOH提取液进行了分析。研究使用最近开发的尺寸排阻色谱（SEC）联用紫外检测和电感耦合等离子体质谱方法，对有机Se组分以及Se氧阴离子和与矿物纳米颗粒相关的Se进行了定量分析。通过热解气相色谱/质谱测定了SOM分子组成，并提供了100多种热解有机化合物的半定量数据。这些化合物特定于不同的有机质生化类别，并指示有机质来源和降解状态。研究发现SOM分子组成和pH值与有机Se的数量和质量相关。具体而言，较大分子量的芳香族NaOH可提取有机Se，与较小分子量的亲水性NaOH可提取有机Se或Se(IV)之间的分布比例，与有机质的分解状态密切相关。

研究的主要内容

瑞士土壤中Se和S的整体性质及浓度

采集的土壤样本覆盖了不同土地利用类型，其土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）和pH值均呈现出广泛梯度。总体而言，农田土壤的SOC含量显著低于森林和草地，而农田和森林土壤的TN含量低于草地，导致农田和草地的碳氮比低于森林。在三个由泥炭地转化的土壤样本（两个农田和一个草地）中观测到异常高的SOC和TN值。与SOC和TN的分布规律相反，农田土壤的pH值显著高于草地和森林，这符合不同土地利用方式下的典型土壤特征。

土壤总Se含量处于较低水平，与全球及欧洲已报道的数据一致。其范围跨度较大，且不同土地利用类型之间未观察到差异。土壤总硫（S）含量范围同样较广，但高于此前对瑞士、欧洲农田及草地土壤的S含量报道值。不过，先前研究多采用王水消解，该研究采用的氢氟酸-硝酸-过氧化氢全消解体系实现了S的完全回收。与Se不同，草地土壤的S含量显著高于森林和农田，这与更大范围的瑞士土壤数据集结论一致。

NaOH土壤提取液中Se和S的形态因土地利用类型而异

对瑞士土壤的NaOH提取液分析显示，可提取Se占土壤总Se的28%-101%。相比之下，提取液中S和有机碳的占比低于Se，分别为15-70%和11-58%，且Se、S和有机碳的提取率之间存在强相关性。利用SEC耦合电感耦合等离子体质谱法对所有样品进行分析，实现了Se形态的完全回收。提取液中检出的游离Se(IV)可能来源于土壤溶液或矿物表面吸附态，而Se(VI)大多低于检测限。值得注意的是，未发现Se与F1“（有机）矿物纳米颗粒”组分相结合，这与另一项对夏威夷火山土壤的研究结果一致，表明在NaOH土壤提取液中，Se通常不与矿物纳米颗粒或胶体结合。由于两个主要有机组分（F2“较大、富铁、芳香族有机质”与F3“较小、芳香族有机质”）的色谱峰高度重叠，且土壤Se背景浓度较低导致谱图解卷积不稳定，因此将两者合并为F2+F3“较大的芳香族有机Se或S”组分，与F4“小亲水性有机Se或S”及F5“Se或硫氧阴离子”组分一并分析。

图1. 采用SEC-UV-ICP-MS/MS测定不同土地利用类型瑞士土壤NaOH提取物中Se和S的形态。数据显示，检测到的SEC组分F2+F3“较大且芳香的有机Se或S”、F4“小亲水性有机Se或S”和F5“Se或S含氧阴离子”中Se和S的比例占NaOH提取物中总Se和总S（即Se_NaOH和S_NaOH）的百分比。

结果如图1所示，提取的Se和S主要以有机形态存在。然而，有机Se中有相当一部分属于小分子亲水性有机化合物，而有机S中该形态占比极低（约4%）。这一模式在夏威夷土壤中同样存在，表明小分子亲水性有机Se可能是土壤中一种普遍且重要的Se形态。不同土地利用类型间，Se、S形态分布存在显著差异，且Se的差异更为明显。农田土壤中Se含氧阴离子的比例显著高于森林和草地，而较大分子量的芳香族有机Se比例则显著低于后两者。同时，农田土壤中小分子亲水性有机Se的比例也高于森林。对于S而言，农田和森林土壤中硫酸盐形态的比例显著高于草地，而农田土壤中小分子亲水性有机S的比例也最高。这些差异主要由最大有机Se组分（即合并后的F2+F3）的绝对浓度差异所驱动。总体而言，较大的芳香族有机Se和小的亲水性有机Se是土壤NaOH提取物中Se的重要形态。不同土地利用类型下有机Se形态的显著差异，特别是农田土壤中Se氧阴离子和小分子亲水性有机Se比例较高，而森林和草地土壤中较大芳香族有机Se比例较高，暗示了有机Se形态与土壤有机质质量（其本身受土地利用影响）之间存在关联。该研究假设，所测定的有机Se组分与由有机质来源和分解过程驱动的土壤有机质分子组成密切相关。

不同利用类型土地之间及其内部有机质分子组成的变异性

为了深入理解不同土地利用类型间及类型内Se、S形态的差异，研究对92个瑞士土壤样本的有机质分子组成数据进行了主成分分析。该数据集包含150种热解产物，归为13个生化类别，并进一步基于结构与来源相似性整合为41个化合物组。

图2. 基于Py-GC/MS数据集进行的主成分分析突显了不同土地利用方式下瑞士土壤中有机质分子组成的变异性。图a）和c）显示了41个已识别Py组（主动变量；黑色圆点）在4个提取主成分上的载荷，这些主成分共同解释了65%的总方差。当土壤性质和环境参数（被动变量；灰色三角形）与相应主成分之一显著相关（r_S >0.4且P <0.001）时，显示其载荷。彩色椭圆根据表S12中Py组的分类指示分解状态（抗性、已分解、新鲜和/或分解不良）。图b）和d）显示土壤样品的得分，这些得分根据土地利用类型（农田、草地、森林）进行着色。

如图2所示，主成分1反映了有机质分解状态的梯度。正端代表新鲜/低分解有机质富集，负端代表降解有机质富集。主成分1与土壤有机碳、碳氮比及基础呼吸呈正相关，与年平均温度和pH值呈负相关，支持了这一解释。土地利用类型沿主成分1的分布显示，农田土壤普遍位于负端（以降解有机质为特征），而草地和森林土壤则横跨正负两端，其中森林土壤跨度最大，表明其有机质分解状态变异最广。主成分2反映了抗分解有机化合物的富集。值得注意的是，仅有两个由泥炭地转化而来的农田土壤样本位于主成分2正端的高分值区，凸显了其独特的有机质组成。主成分3可能反映了钙对土壤有机质的稳定作用（如通过桥接或团聚作用），这种作用可能与成土母质或石灰施用有关，并在所有土地利用类型中形成梯度。主成分4与碳氮比呈正相关，且所有草地土壤位于负端，所有森林土壤位于正端，清晰反映了不同功能植物群输入对有机质组成的决定性影响。

综上所述，该土壤集合的有机质分子组成呈现出显著变异，主要受有机质分解状态（主成分1与主成分2）驱动，同时也受到钙介导的稳定作用（主成分3）和植被输入类型（主成分4）的影响。接下来，该研究将基于主成分分析所揭示的有机质组成信息，进一步探究其与Se、S形态之间的关联。

Se和S的形态与有机质分子组成相关

综合所有土壤样本的分析结果（图3）显示，NaOH提取物中较大分子、芳香族的有机Se组分（F2+F3）的比例与主成分1呈显著正相关，表明该有机Se组分与新鲜和/或分解程度低的植物源有机质密切相关。相反，Se(Ⅳ)（F5）及小分子亲水性有机Se（F4）的比例与主成分1呈负相关，暗示这些形态与已分解的有机质有关。Se形态与反映有机质分解状态的土壤整体性质（如pH、SOC、C/N）显著相关，但与主成分2-4无关，这表明土壤Se形态的变化主要由有机质分解状态驱动。随着有机质分解程度加深，F2+F3中的有机Se减少，而F4和F5中的Se相应增加，这提示小分子亲水性有机Se和Se氧阴离子可能是较大有机Se形态的分解产物。这一推断与有机质分解过程中大分子疏水性组分向小分子亲水性组分转化的普遍规律，以及S、Se的生物地球化学循环中矿化过程的相似性相符。同时，较高的年平均温度和pH值会促进有机质分解，进而可能加速有机Se的矿化与氧化，这与实验室研究中观察到的碱性条件更利于Se氧化细菌将有机Se转化为Se(IV)的现象一致。较大分子芳香族有机Se（F2+F3）本身可能来源于Se氧阴离子的微生物同化或异化还原作用，这些过程在富含新鲜有机质的土壤中可能更活跃。植物源有机Se（如Se代氨基酸）的直接输入也可能贡献于此库。然而，微生物源与植物源有机Se的具体贡献比例，以及F4和F5是否确为F2+F3的分解产物，仍需进一步研究明确。与Se相比，有机S形态与有机质分解状态（主成分1）的关联较弱，但其较大芳香族有机S组分（F2+F3）与代表植被输入类型的主成分4呈显著负相关。具体表现为，草地土壤（富含豆科植物输入）中该组分比例较高，而硫酸盐比例较低。这凸显了植物源有机S对土壤有机S库的重要贡献，也表明有机S的质量与功能植物群驱动的有机质组成联系更为紧密。

图3. a) Se和b) S组分（F2+F3、F4、F5）在NaOH提取物中的比例与基于Py基团相对丰度的主成分分析（主成分A）得出的OM 主成分1得分的函数关系。黑色线条为线性模型拟合的预测线，灰色区域为其0.95置信区间。报告了拟合线性模型的调整后决定系数、P值（P）和样本数量（n）。背景颜色表示沿主成分1的OM分解状态（分解的与新鲜和/或分解不良的）。各点代表不同采样点，并根据土地利用类型（农田、草地、森林）进行着色。

研究揭示了Se形态与有机质分解状态之间的紧密联系。在有机质分解较慢的森林和草地系统中，新鲜植物残体输入丰富，Se更多地以较大分子、芳香族的有机Se形式（F2+F3）被保留，该组分移动性低，构成一个稳定的Se库。而在有机质分解更活跃的农田土壤中，此组分减少，更多Se转化为移动性更高的小分子亲水性有机Se（F4）和Se(Ⅳ)（F5）。后者虽更易淋失，但Se(IV)可被植物直接利用，而F4中的有机Se可能需要进一步矿化。因此，维持或增加土壤有机碳库，特别是通过农业管理措施（如增加植物残体还田或施用有机肥）促进新鲜有机质输入，可能有助于将Se固持在较大分子的有机形态中，从而减少淋失风险，并构成一个可通过缓慢分解而持续释放的有效Se库。在全球大气Se沉降可能减少的背景下，深入理解农业管理措施如何通过调节有机质动态来影响Se的形态、迁移与植物有效性，对于保障粮食Se营养和生态系统Se平衡具有重要意义。

土壤中有机Se的保留与pH有关

为了全面评估Se在土壤中的整体保留情况，研究进一步分析了Se形态占总Se的百分比，以消除不同土壤NaOH提取效率差异的影响。研究结果表明，大部分土壤Se（平均61%）可被NaOH提取，但仍有相当一部分（平均39%）为“残留Se”，可能代表了与稳定有机质结合、与矿物共沉淀或元素态的Se。这部分残留Se与较大分子芳香族有机Se共同构成了在土壤中保留更强的Se库。

Se的保留机制受pH和有机质分解状态共同调控。酸性、富含新鲜有机质条件下，Se的保留主要通过较大分子芳香族有机Se实现。该组分与反映新鲜/低分解有机质的主成分1呈强正相关，与pH呈强负相关。这表明，在分解较慢的酸性环境（如森林、草地）中，Se倾向于被整合到新鲜的植物源大分子有机结构中。中性至碱性、有机质分解程度高条件下，Se的保留则更多以残留Se形式主导。残留Se与pH、土壤钙、铁、锰含量呈正相关，与主成分1呈负相关。这可能归因于pH升高促进有机质自身稳定化，降低可提取性；Se在碳酸钙或铁锰（氢）氧化物上的吸附或共沉淀作用增强；微生物活动（如生成元素Se）可能对固定有贡献。虽然土壤总有机碳含量与有机Se比例存在正相关，但NaOH可提取有机Se的比例与有机质分子组成（主成分1）的相关性远比与总有机碳含量的相关性更强。这表明，特定的、易降解的有机质组分（而非有机质总量）是调控有机Se形成和保留的关键。农田中粪肥的输入虽然增加了土壤总Se和总S储量，但并未显著改变其形态比例，这可能与粪肥中有机物快速矿化或其自身组成差异有关，进一步支持了有机质“质量”而非“数量”的主导作用。

当单独考虑每种土地利用方式时，保留的Se（较大且芳香的有机Se[F2+F3]和残留Se）仍与有机物数据集的主成分1和pH值相关，但关联程度各不相同（图4）。森林土壤中的相关性强于草地和农田土壤，S也存在类似情况。森林土壤的有机物质组成和pH值梯度最大，与农业利用的场地相比，受到管理干预而引入变异性的频率较低。许多农业管理措施可能通过改变土壤pH值和有机物质组成，间接影响Se的迁移性和植物有效性。石灰施用可以提高土壤钙含量和土壤pH值，这两者都与Se以残留Se的形式保留在土壤中有关，残留Se是移动性最差的Se组分。类似地，碳酸钙也会对作物从土壤中积累Se的能力产生负面影响。耕作促进土壤有机质分解，因此可能也促进F2+F3中有机Se的分解，耗尽土壤中有机Se的储备，但可能产生更多移动性强且植物可利用的F4中的Se(IV)和亲水性有机Se。施用有机改良剂，可以对植物Se有效性产生双重影响，正如之前假设的那样，这可能可以通过输入物和土壤的有机物质组成来解释。进一步研究农业管理措施如何影响Se形态，检测不同有机组分，有助于评估农业土壤中Se的迁移性和植物有效性。特别是，需要开展将输入物和土壤的有机物质组成与土壤和土壤溶液中的Se形态以及植物Se吸收联系起来的研究，以阐明有机物质在提高或降低植物Se有效性方面的双重作用。

图4. 较大的芳香族有机Se（F2+F3）和残留Se在土壤中的比例与a）基于热解基团相对丰度的主成分分析得出的有机质主成分1得分，以及b）不同土地利用方式下pH值的函数关系。黑色线条表示线性模型拟合的预测线，灰色区域表示其0.95置信区间。报告了拟合线性模型的调整决定系数（R² adj）、P值（P）和样本数量（n）。a）中的背景颜色表示沿主成分1的有机质分解状态（分解的与新鲜和/或分解不良的）。各点代表各个采样点，并根据土地利用方式（农田、草地、森林）进行着色。

研究小结

这项研究明确了土壤pH和有机质分解状态是驱动Se形态分布与保留的核心因素。Se在土壤中的归宿并非由单一机制控制，而是在“由新鲜有机质驱动的大分子有机整合”与“在较高pH和钙、铁、锰存在下的矿物吸附/沉淀”两种主要保留途径之间动态平衡。理解这种平衡及其对环境和管理的响应，对于预测和调控农业生态系统中Se的迁移性与生物有效性至关重要。

全文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.est.5c15430