硒是人体重要的微量元素之一，涉及人体多种生物反应，具有提高抗氧化能力、增强人体免疫力和抗重金属中毒等生理功能^[1]。我国是严重缺硒的国家，根据中国农业科学院绘制的《中国土壤硒元素含量分布图》观测，我国自东北平原向云贵高原有一条占国土面积70% 的缺硒地带，此缺硒地带包括中国72%的人口^[2]。近几年广西地矿部门发现，广西为富硒地区，富硒农产品资源丰富，截至2017年底共发现富硒土壤约2.95万km²，占全国的1/5，拥有全国最大面积的连片富硒土壤资源^[3]。但也有研究发现，这些土壤中硒的生物有效性低，能被植物直接利用的部分极少，造成了广西富硒区“土壤富硒，但植物却不富硒”的问题，制约了当地富硒农产品的开发和利用^[4]。因此，提高土壤中硒的生物有效性，对开发广西富硒农产品具有重要的意义。

Se(Ⅳ)是酸性土壤中硒最主要的赋存形式，Se(Ⅳ)在酸性条件下易被土壤黏粒、铁锰化合物与有机质强烈吸附，生物有效性大大降低^[5]。关于土壤有机质对Se(Ⅳ)的结合机制，有几种假说，包括①硒、有机质和矿物(铁、铝氧化物与黏土矿物)可以相互作用形成三元络合物，防止硒的淋失^[6–7]；②有机质的存在有助于形成缺氧区(如土壤大团聚体的核心)，从而促进硒的还原和固定^[8–9]；③土壤有机质增加了硒的吸附位点，促进了土壤对硒的直接络合^[10]。然而，这些假设并没有能完全解释自然环境中土壤有机质和硒之间的相互作用。土壤矿物组分与吸附和配位有关，但硒与有机质结合的分子结构和形态仍有待进一步研究。土壤有机质对硒的吸附机制十分复杂，目前研究尚未有明确的结论，而对于低pH地区富硒土中有机质对Se(Ⅳ)吸附影响的研究鲜有报道。

基于以上背景，本研究以3个广西典型的酸性富硒土为例，通过研究去除有机质前后酸性富硒土对于Se(Ⅳ)吸附解吸特征变化的影响，以期了解有机质对土壤中硒的吸附解吸行为的作用，明确酸性富硒土壤中有机质对Se(Ⅳ)的吸附机制，为提高土壤硒有效性、开发富硒农产品资源提供现实参考和理论依据。

1 材料与方法 1.1 样品采集与制备

3个供试土壤分别采自广西钦州市大垌镇(DD)、广西南宁市青秀区长塘镇(CT)和广西南宁市西乡塘区石埠镇(SB)，均为酸性富硒赤红壤。采样时严格取代表性土壤，按照多点混合取样法取0 ~ 20 cm耕层土壤。土壤采集后，铺在塑料薄膜上于室内自然风干，将土样压碎，去除石块、动植物残体及废弃物后，过2 mm筛备用。

1.2 土壤基本理化性质与硒含量测定

土壤基本理化性质的测定参照《土壤农化分析》^[11]一书，具体为：pH，水土比2.5∶1(V/m)浸提，电位计法；有机质，重铬酸钾外加热法；游离氧化铁及氧化铝，DCB法。土壤总硒：称取土壤0.200 0 g，加入浓HNO₃与HClO₃的混合酸(V/V=3∶2)消解，用6 mol/L HCl还原，原子荧光光度计(北京吉天SA-20)测定。土壤硒形态：采用五步连续浸提法提取，原子荧光光度计测定。土壤颗粒组成：采用激光粒度分析仪(Mastersizer3000)测定。土壤理化性质的测定结果如表 1所示。

1.3 土壤有机质的去除

采用过氧化氢处理法^[12]去除有机质，具体为：取风干研磨过100目筛土样5.000 g，加入50 mL 50 g/L H₂O₂摇匀静置过夜，次日取出置于离心机上在4 000 r/min条件下离心30 min后倾去上清液，加入50 mL 300 g/L H₂O₂，50 ℃水浴加热直至气泡消失。随后在4 000 r/min条件下离心30 min后倾去上清液，剩余固体加入50 mL去离子水振荡1 h，继续4 000 r/min条件下离心30 min倾去上清液，再重复加水振荡、离心去上清液操作2次。最后将处理后土壤颗粒风干研磨过2 mm筛，储存于棕色宽口瓶中待用。

1.4 等温吸附试验

试验采用批量平衡法进行。分别称取0.200 0 g过100目筛的土样置于50 mL离心管中，加入含硒量分别为0、10、20、30、40、60、80、100 mg/L的亚硒酸钠(Na₂SeO₃·5H₂O)标准溶液20 mL(背景电解质为0.01 mol/L的NaCl)，每个处理3次重复。然后于恒温摇床内以150 r/min振荡24 h，结束后在转速为4 000 r/min的离心机中离心10 min后，使用ICP-OES(北京聚光ICP-5000)测定硒浓度。

1.5 吸附动力学试验

分别称取0.200 0 g的过100目筛的土样置于100 mL离心管中，加入含硒量为100 mg/L的亚硒酸钠标准溶液20 mL(背景电解质为0.01 mol/L的NaCl)，每个处理3次重复。然后于恒温摇床内以150 r/min分别振荡0、0.25、0.5、1、2、4、8、16、24 h，结束时在转速为4 000 r/min的离心机中离心10 min后测定硒浓度。

1.6 解吸试验

取1.4节中吸附试验后的样品，清水清洗3次，添加20 mL 0.01 mol/L的NaCl溶液进行解吸，振荡24 h (25 ℃，200 r/min)，离心、过滤和测定步骤同1.4。

1.7 傅里叶变换红外光谱测量

使用傅里叶变换红外光谱(Frontier，美国PE)测量得到原土及去除有机质土吸附Se(Ⅳ)前后的红外光谱图。按1∶100的比例取初始浓度为100 mg/L的吸附前后土样与KBr混匀研磨并制作压片，样品测试波数范围为4 000 ~ 400 cm^–1，分辨率为4 cm^–1，扫描次数为32次。

1.8 数据处理与分析

不同亚硒酸盐初始浓度下土壤对Se(Ⅳ)的吸附量、解吸量、解吸率、固液分配系数由以下公式分别进行计算：

$ {Q_{\text{e}}} = \frac{{{C_0} - {C_{\text{e}}}}}{m} \times V $

(1)

$ {D_{\text{e}}} = \frac{{{C_{\text{d}}} - {V_{\text{d}}}}}{m} $

(2)

$ {V_{\text{e}}} = \frac{{{D_{\text{e}}}}}{{{Q_{\text{e}}}}} $

(3)

$ {K_{\text{d}}} = \frac{{{Q_{\text{e}}}}}{{{C_{\text{e}}}}} $

(4)

式中：Q_e为吸附达到平衡时土壤对Se(Ⅳ)的吸附量，mg/kg；C₀为初始Se(Ⅳ)浓度值，mg/L；C_e为吸附达到平衡时溶液中Se(Ⅳ)的浓度，mg/L；V为吸附溶液的体积，L；m为称取土壤的质量，kg；D_e为解吸达到平衡时土壤对Se(Ⅳ)的解吸量，mg/kg；C_d为解吸达到平衡时溶液中Se(Ⅳ)浓度值，mg/L；V_d为解吸溶液的体积，L；m为称取土壤的质量，kg；V_e为土壤解吸平衡时的解吸率，%；K_d为溶液平衡时的固液分配系数，L/kg。

土壤对Se(Ⅳ)的等温吸附曲线采用Langmuir与Freundlich模型进行拟合。

${\rm Langmuir}方程：{Q_{\text{e}}} = {Q_{\text{m}}}\frac{{b{C_{\text{e}}}}}{{1 + b{C_{\text{e}}}}}$

(5)

式中：Q_e为吸附达到平衡时土壤对Se(Ⅳ)的吸附量，mg/kg；C_e为吸附达到平衡时溶液中Se(Ⅳ)的浓度，mg/L；Q_m为最大吸附量，mg/kg；b为吸附常数，L/mg。

${\rm Freundlich}方程：{Q_{\text{e}}} = kC_{\text{e}}^n$

(6)

式中：Q_e为吸附达到平衡时土壤对Se(Ⅳ)的吸附量，mg/kg；C_e为吸附达到平衡时溶液中Se(Ⅳ)的浓度，mg/L；k为吸附常数，表征吸附能力；n为吸附特征系数。

土壤对Se(Ⅳ)的吸附动力学采用以下5种模型进行拟合。

$\text { Elovich 方程: } Q_t=A+B \ln t$

(7)

$\text { 双常数方程: } \ln \left(Q_t\right)=A+B \ln t$

(8)

$\text { 抛物线方程: } Q_t=A+B t^{0.5}$

(9)

准一级动力学方程：

$\lg \left(Q_{\mathrm{e} 1}-Q_t\right)=\lg \left(Q_{\mathrm{e} 1}\right)-k_1 t$

(10)

$ 准二级动力学方程：\frac{t}{{{Q_t}}} = \frac{1}{{{k_2}Q_{{\text{e}}2}^2}} + \frac{t}{{{Q_{{\text{e}}2}}}} $

(11)

式中：Q_t为t时刻土壤对Se(Ⅳ)的吸附量，mg/L；t为振荡时间，h；Q_e1、Q_e2为准一级与准二级动力学方程拟合达到平衡时土壤对Se(Ⅳ)的平衡吸附量，mg/kg；k₁为一级吸附速率常数，1/h；k₂为二级吸附速率常数，mg/(mg∙h)；A与B均为各模型拟合常数。

将所得数据用SPSS 21.0和Excel 2019进行统计分析，使用Origin 2021作图和对数据进行等温吸附和动力学模型拟合。

2 结果与讨论 2.1 去除有机质对土壤硒赋存形态的影响

由表 2可知，DD、CT和SB三种赤红壤全硒含量分别为0.64、1.15和0.96 mg/kg，均为富硒土壤(土壤全硒含量≥0.4 mg/kg)^[5]。3种土壤原土中硒以铁锰结合态硒与有机结合态硒为主，二者总量占土壤全硒的70% ~ 80%。可供作物直接吸收利用的水溶态硒与可交换态硒含量占比较低，小于10%。去除有机质后，土壤全硒含量下降，此时土壤硒的主要赋存形态为铁锰结合态硒，3种土壤其含量占比分别为57.90%、49.53% 和67.41%，其余4种硒形态占比减少。土壤组分中的各种矿物及有机质对土壤硒的生物有效性起决定性作用，施入土壤中的硒多数与土壤中的金属氧化物和有机质结合，使得土壤中的硒难以释放，有效性大大降低^[13]，二者对应的铁锰结合态硒与有机结合态硒往往是硒在有效性较低的地区的主要赋存形态，在一些地方有机物结合的硒甚至占土壤全硒含量的40% ~ 50%^[14]。以上结果表明，酸性富硒土中硒主要以植物难以利用的形态存在，去除有机质不仅减少了土壤中有机结合态硒的含量，减少了土壤硒的潜在来源，也降低了有效态硒的含量，降低了土壤硒的有效性，而铁锰结合态硒损失较小，成为土壤硒的主要赋存形态。

2.2 去除有机质对土壤等温吸附Se(Ⅳ)的影响

如图 1所示，无论是否去除有机质，土壤对Se(Ⅳ)的吸附量都随着平衡溶液中Se(Ⅳ)初始浓度的增加而表现出逐渐上升的趋势。3种土壤在Se(Ⅳ)初始浓度为80 mg/L时吸附量已接近平衡。在去除有机质后，3种土壤的Se(Ⅳ)吸附量均显著低于原土，这与前人研究结果类似。黄江伟等^[15]研究发现，去除有机质后黄壤各粒径的土壤溶液中Se(Ⅳ)的平衡浓度增大，吸附量减少。田应兵等^[16]研究发现，去除有机质后湿地土壤的硒吸附量显著下降，潜在有效性硒量也随之降低。

如表 3所示，Langmuir方程的R²在0.810 24 ~ 0.986 56，Freundlich方程的R²在0.902 43 ~ 0.999 36，3种土壤对Se(Ⅳ)的吸附更符合Freundlich模型，说明其对Se(Ⅳ)的吸附以多分子层的非均质表面吸附为主。比较Langmuir方程中参数可以看出，3种土壤Q_m值、b值均为原土大于去除有机质土，说明原土对Se(Ⅳ)的结合能力更强，去除有机质会降低土壤对Se(Ⅳ)的结合能力。Freundlich方程中，3种赤红壤原土k值均大于去除有机质土，也说明原土对Se(Ⅳ)吸附能力更强；而3种土壤原土n值均小于去除有机质土，说明原土对Se(Ⅳ)的吸附过程越容易产生。以上结果说明，随着溶液体系中Se(Ⅳ)浓度的增大，土壤去除有机质后不仅降低了土壤对Se(Ⅳ)的吸附容量，也降低了土壤对硒的吸附能力，使吸附过程更难发生。其原因可能是因为有机质中含有大量的活性官能团，同时低pH易使这些官能团质子化而提高其活性，从而为Se(Ⅳ)提供数量庞大的活性吸附位点，增加Se(Ⅳ)的吸附量^[10]。此外，有机质可以通过与矿物形成有机矿物复合体，保护硒不受溶液影响而浸出，或是形成缺氧区使硒在其中还原后被固定，增强吸附能力^[17]。

2.3 去除有机质对土壤吸附Se(Ⅳ)动力学特征的影响

由图 2可知，土壤对Se(Ⅳ)的吸附分为两个阶段：0 ~ 8 h为快速吸附阶段，此时吸附速率最大；8 ~ 24 h吸附速率逐渐下降，在24 h时基本达到吸附平衡。这是因为吸附刚开始时，土壤颗粒表面大量吸附位点的存在，使得Se(Ⅳ)的吸附速率较高，此时的吸附过程可能主要由Se(Ⅳ)的液膜扩散与其在土壤颗粒表面的边界扩散为主，而后期吸附速率的下降说明颗粒表面吸附位点减少，此时吸附由颗粒内部扩散及其他反应过程如化学吸附、离子交换、沉淀或络合等控制^[18–19]。与原土相比，去除有机质似乎并未改变这种吸附规律，二者达到平衡的时间接近，但减少了土壤对Se(Ⅳ)的吸附量。

5种动力学模型拟合土壤吸附Se(Ⅳ)的结果如表 4所示，可以发现，Elovich模型、双常数模型、准一级动力学和准二级动力学模型对其拟合效果较好。抛物线模型的拟合效果较差，Q_t与t^0.5并未呈良好的线性关系，且拟合曲线不经过原点，说明Se(Ⅳ)吸附除颗粒内部扩散外，还伴随着其他的吸附机制。根据拟合系数R²判断，准二级动力学方程是最适合描述富硒赤红壤吸附Se(Ⅳ)过程的模型，线性关系较好(图 3)，相关系数为0.985 2 ~ 0.998 69，说明土壤对Se(Ⅳ)的吸附速率由化学反应和通过电子共享或得失为基础的化学吸附所控制。由表 4还可以看出，去除有机质后，吸附模型拟合结果中Q_e2与k₂值均显著下降，说明随时间变化，去除有机质后土壤对Se(Ⅳ)的吸附容量与吸附强度均显著下降。与图 2的结果相比，模型拟合得到的平衡吸附量与实际观察到的结果接近，说明拟合效果较好。

2.4 去除有机质对土壤Se(Ⅳ)解吸和固液分配系数(K_d)的影响

如图 4所示，土壤的Se(Ⅳ)解吸量随初始Se(Ⅳ)浓度的增加而上升，但解吸率变化无统一规律。在Se(Ⅳ)初始浓度为100 mg/L时，DD、CT和SB的解吸量分别为37.74、27.55和60.23 mg/kg，解吸率分别为7.04%、2.22%和1.94%；去除有机质后，Se(Ⅳ)解吸量也随初始浓度上升而增加，dd、ct和sb解吸量分别为10.85、21.92、30.25 mg/kg，解吸率分别为2.52%、2.04% 和1.36%。可以发现，土壤中的Se(Ⅳ)一旦被吸附就很难释放，说明吸附过程主要以胶体表面与离子之间的专性作用力产生的专性吸附为主^[20]，因其土壤胶体成分与Se(Ⅳ)通过化学键结合，化学键较难破坏，所以被吸附的Se(Ⅳ)较难被解吸^[21]，解吸出的Se(Ⅳ)主要来自更易释放的非专性吸附过程。去除有机质后，土壤的Se(Ⅳ)解吸量和解吸率均显著下降，原因可能是有机质的存在虽然能促进土壤对Se(Ⅳ)的吸附，但也促进了土壤中部分结合硒的释放，说明有机质对土壤吸附Se(Ⅳ)具有两面性^[22]。也可能是矿物中与有机物结合的吸附位点因有机质的去除而被释放，矿物对Se(Ⅳ)的吸附作用力增强，导致去除有机质后Se(Ⅳ) 解吸量和解吸率的减少^[23]。

固液分配系数(K_d)是用于描述某离子转移能力和生物有效性的参数，也常用于评估土壤吸附能力，K_d值越高说明土壤介质上吸附的目标离子数越多，K_d值越低说明溶液中的目标离子数越多^[24]。3种赤红壤及其去除有机质后的K_d值如表 5所示，不同样品间K_d值范围在4.70 ~ 237.72 L/kg，其值随着初始Se(Ⅳ)浓度的上升而降低，说明随着初始浓度的上升，单位质量的土壤吸附的Se(Ⅳ)降低，这与土壤胶体表面的吸附位点逐渐饱和有关。对于同一种土壤，去除有机质后K_d值均显著低于原土，说明土壤吸附能力降低，也说明有机质提高了单位质量土壤对Se(Ⅳ)的吸附量。

2.5 原土及去除有机质土的傅里叶变换红外光谱图

根据波数及对应的基团，一般可将土壤红外谱图分为3个部分：3 700 ~ 3 100 cm^–1多为黏土矿物中–OH的伸缩振动谱带，常用于鉴定土壤黏土矿物类型；低于1 300 cm^–1的指纹区为矿物晶格中Si–O–Si的伸缩振动及其他能量较小的–OH弯曲振动，此处谱线较为复杂，一般可反映土壤中矿物组成方面的细微变化；而3 000 ~ 1 300 cm^–1处的功能区含各种有机官能团，常用于鉴别有机质成分^[25]。

由图 5可知，3种土壤原土的傅里叶红外光谱图结构类似，在3 696、3 625、3 150、1 660、1 402、1 032、799、780、695、530与470 cm^–1有着相似的吸收峰，每个吸收峰代表的土壤基团如表 6所示。3 696、3 625、1 032、695、530、470 cm^–1处为高岭石的红外光谱特征吸收峰，属于高岭石型图谱^[26]。可见，3种土壤基本符合高岭石图谱，土壤矿物以高岭石为主。土壤吸附Se(Ⅳ)后，位于3 150、1 660、1 402 cm^–1处的吸收峰强度减弱最明显，说明Se(Ⅳ)的吸附主要与有机质中的N–H、O–H、C–O、C=O、–COOH等官能团有关，其中，带正电的氨基通过强静电相互作用与Se(Ⅳ)结合^[27]，O–H、–COOH则主要通过络合反应与Se(Ⅳ)结合，这些阴离子基团之间的相互作用是通过阳离子架桥介导的^[28]。此外，位于1 032、695、530、470 cm^–1处的吸收峰强度的减弱，说明除有机质外，矿物晶格中的–OH、矿物中Si–O–Mg/Al和Fe–O也参与了土壤对Se(Ⅳ)的吸附，吸附过程以形成稳定复合物的单齿或双齿配位吸附为主^[20]。去除有机质后，位于3 150、1 660、1 402、695 cm^–1处的峰强度明显减弱，表明去除有机质减少了土壤中的N–H、–OH、C–O、C=O、–COOH等官能团的数量，造成Se(Ⅳ)吸附量的降低。

3 结论

1) 去除有机质改变了土壤硒的赋存形态，有机结合态硒大幅度减少，此时土壤硒以铁锰结合态硒为主。酸性富硒土对Se(Ⅳ)的吸附以非均质的多分子层吸附为主，吸附过程主要受制于化学反应与化学吸附。吸附模型参数表明，去除有机质后，土壤对Se(Ⅳ)的吸附容量和强度下降，吸附能力显著降低。解吸试验说明，Se(Ⅳ)的吸附以专性吸附为主，去除有机质也减弱了土壤对Se(Ⅳ)的解吸，减少了部分Se(Ⅳ)的释放。

2) 傅里叶变换红外光谱测量结果表明，富硒土对Se(Ⅳ)的吸附与有机官能团和矿物晶层中的金属化学键有关，吸附过程以静电作用力、络合反应和配位吸附为主。去除有机质改变了土壤结构，显著减少了有机官能团的数量，造成Se(Ⅳ)吸附量的降低。