关键元素与生命健康:中国耕地缺硒吗?

doi:10.13745/j.esf.sf.2021.1.13

摘要/Abstract

摘要：

地球上的生命和非生命都是由自然界已发现的92种化学元素组成的,通过全国土壤地球化学基准值与人体血液元素含量对比研究,发现血液中40~50种化学元素平均值与土壤地球化学基准值的分布高度一致,表明这些关键元素与生命息息相关。近年大家持续关注的硒(Se)元素是人体必需的微量元素,缺乏会产生健康风险,但摄入过量也会导致中毒,因此被称为健康窗口元素。过去研究认为,中国耕地缺硒是造成健康危害的原因之一。本文通过对全国3 382个网格化点位土壤采样,获得Se的地球化学基准值和空间分布数据,发现中国贫硒国土面积,按照世界卫生组织推荐值(0.1 mg/kg)和中国规范(0.125 mg/kg)计算,分别占21.1%和31.6%;适宜区(0.125~0.40 mg/kg)面积大约555万km²,占国土面积约57.1%;富硒区(>0.40 mg/kg)面积达110万km²,占国土面积约11.2%。贫硒国土主要分布在青藏高原和内蒙古局部地区,而中国9大平原的粮食主产区耕地总体上不缺硒,其中珠江三角洲平原、广西平原、成都平原、长江中下游平原是富硒区(>0.40 mg/kg),华北平原、东北平原、三江平原、关中平原是硒边缘区-适量区(0.125~0.40 mg/kg),只有河套平原是缺硒区(<0.125 mg/kg)。根据覆盖全国的网格化土壤采样分析结果,发现低硒带呈不连续的片状分布于内蒙古东部至青藏高原一带,与传统认为“低硒带分布于东北三省至西南云贵高原”不完全一致。硒的空间分布模式主要受地质背景、岩石类型、土壤类型和自然地理景观控制。

关键词: 关键元素, 生命健康, 硒含量, 空间分布, 耕地土壤, 中国

Abstract:

Everything on Earth, living or non-living, is made from one or a combination of the 92 naturally occurring chemical elements. Life survival depends on the bioavailability of these essential elements at appropriate concentrations and proportions. A comparison between the element concentration in human blood and the corresponding baseline element concentration in arable soil shows a very good correlation for 40-50 key elements. The essential element selenium (Se) has a dual character, that both Sn deficiency and excess are harmful for human health. Previous researches concluded that Se deficiency was predominant in China. In this work, we collected the China geochemical baseline data from 3382 grid sampling sites covering the entire country. We found the proportion of Se deficient area to be 21.1% according to the WHO limit (0.1 mg/kg) or 31.6% by the Chinese guideline standard (0.125 mg/kg). The Se-deficient regions are distributed in Tibet and Inner Mongolia where grain crops are scarcely produced. No Se deficiency is observed in the arable plains of the 9 major grain producing regions except the Hetao plain. Specifically, Selenium is enriched (>0.4 mg/kg) in the Pearl delta, Guangxi, Chengdu, and middle and lower Yangtze plains; between marginal and appropriate levels (0.125-0.4 mg/kg) in the Sanjiang, Northern, Northeastern and Guanzhong (Central Shaanxi) plains; and deficient (<0.125 mg/kg) in the Hetao plain. The study shows that the spatial distribution of Se-poor soils is geographically situated in a discrete NE-SW-trending belt from the eastern part of Inner Mongolia to the Qinghai-Tibet Plateau, controlled mainly by geological background, parent rocks, soil types and geographical landscapes.

Key words: critical elements, human health, selenium concentration, spatial distribution, arable soils, China

中图分类号:

P632

王学求, 柳青青, 刘汉粮, 胡庆海, 吴慧, 王玮. 关键元素与生命健康:中国耕地缺硒吗?[J]. 地学前缘, 2021, 28(3): 412-423.

WANG Xueqiu, LIU Qingqing, LIU Hanliang, HU Qinghai, WU Hui, WANG Wei. Key elements and human health: Is China’s arable land selenium-deficient?[J]. Earth Science Frontiers, 2021, 28(3): 412-423.

图/表 16

参考文献 21

[1]	HAMILTON E I, MINSKI M J, CLEARY J J. The concentration and distribution of some stable elements in healthy human tissues from United Kingdom: an environmental study[J]. Science of the Total Environment, 1973, 1:341-374. DOI URL
[2]	TAN J A, ZHU W Y, WANG W Y, et al. Selenium in soil and endemic diseases in China[J]. Science of the Total Environment, 2002, 284(1/2/3):227-235. DOI URL
[3]	JAMES L F, HARTLEY W F, PANTER K E, et al. Selenium poisoning in cattle[J]. Journal of Biological Chemistry, 1993, 273(42):416-420.
[4]	RAYMAN M P. Food-chain selenium and human health: emphasis on intake[J]. The British Journal of Nutrition, 2008, 100(2):254-268. DOI URL
[5]	SUN G X, LIU X, WILLIAMS P N, et al. Distribution and translocation of selenium from soil to grain and its speciation in paddy rice (Oryza sativa L.)[J]. Environmental Science & Technology, 2010, 44(17):6706-6711. DOI URL
[6]	中华人民共和国地方病与环境图集编纂委员会. 中华人民共和国地方病与环境图集[M]. 北京: 科学出版社, 1989: 40-117.
[7]	BLAZINA T, SUN Y B, VOEGELIN A, et al. Terrestrial selenium distribution in China is potentially linked to monsoonal climate[J]. Nature Communications, 2014, 5:4717. DOI URL
[8]	SUN G X, MEHARG A A, LI G, et al. Distribution of soil selenium in China is potentially controlled by deposition and volatilization?[J]. Scientific Reports, 2016, 6. DOI: 10.1038/srep20953. DOI
[9]	LIU H L, WANG X Q, ZHANG B M, et al. Concentration and distribution of selenium in soils of mainland China, and implications for human health[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2021, 220:1-14.
[10]	WANG X Q, the CGB Sampling Team. China geochemical baselines: sampling methodology[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2015, 148:25-39. DOI URL
[11]	World Health Organization (WHO). Environmental health criteria: selenium environmental health criteria[M]. Gevena: 1987: 1-110.
[12]	中华人民共和国国土资源部. 中华人民共和国地质矿产行业标准-土地质量地球化学评价规范: DZ/T 0295—2016[S]. 北京: 地质出版社, 2016.
[13]	王学求, 周建, 徐善法, 等. 全国地球化学基准网建立与土壤地球化学基准值特征[J]. 中国地质, 2016, 43(5):1469-1480.
[14]	张勤, 白金峰, 王烨. 地壳全元素配套分析方案及分析质量监控系统[J]. 地学前缘, 2012, 19(3):33-42.
[15]	National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine: a vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time[M]. Washington DC: The National Academies Press, 2020.
[16]	王学求. 关键元素分布与关键资源勘查[J]. 地球学报, 2020, 41(6):739-746.
[17]	PANTO G, POKA T, GONDI F. Geochemical cycling and environmental role of centain bioessential trace elements[M]// The biogeochemical cycle of elements in nature. Part I. Budapest: Hungarian Academy of Sciences, 1989: 187-206.
[18]	APPLETON J D. Review of the use of regional geochemical maps for identifying areas where mineral deficiencies or excesses may affect cattle productivity in tropical countries. British Geological Survey, Technical Report WC/92/24[R]. Keyworth. 1992.
[19]	RUDNICK R L, GAO S. Composition of the continental crust[M]// HOLLAND H D, TUREKIAN K K. Treatise on Geochemistry, vol.3. Amsterdam, Netherlands: Elsevier, 2003: 1-64.
[20]	WANG Z J, GAO Y X. Biogeochemical cycling of selenium in Chinese environments[J]. Applied Geochemistry, 2001, 16:1345-1351. DOI URL
[21]	HARTIKAINEN H. Biogeochemistry of selenium and its impact on food chain quality and human health[J]. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology, 2005, 18:309-318. DOI URL

测试指标	样品处理方法	分析方法	检出限/(mg·kg^-1)	报出率/%	合格率/%
测试指标	样品处理方法	分析方法	检出限/(mg·kg^-1)	报出率/%	标准物质	密码样	重复样
Se	四酸溶样	HG-AFS	0.01	100	99.4	98.9	96.7

测试指标	样品处理方法	分析方法	检出限/(mg·kg^-1)	报出率/%	合格率/%
测试指标	样品处理方法	分析方法	检出限/(mg·kg^-1)	报出率/%	标准物质	密码样	重复样
Se	四酸溶样	HG-AFS	0.01	100	99.4	98.9	96.7

关键元素	重要性
氢(H)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、磷(P)、硫(S)、钾(K)、钙(Ca)、铁(Fe)	生命世界必需的元素
碳(C)、硫(S)、铁(Fe)	支配地幔和地壳氧化还原环境的元素
硼(B)、硫(S)、卤素(F、Cl、Br、I),惰性气体(He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn),过渡族金属,稀土(REE),铼-锇(Re-Os)	地壳和地幔循环示踪剂
锂(Li)、钴(Co)、铜(Cu)、镉(Cd)、稀土(REE)、铀(U)	低碳能源或无碳能源元素
铍(Be)、镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、钒(V)、锰(Mn)、钴(Co)、铬(Cr)、锌(Zn)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、稀土(REEs)、铂族元素(PGE)、贵金属元素(Au、Ag)、铀(U)	现代社会原材料(电子、国防、医药、先进制造)

关键元素	重要性
氢(H)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、磷(P)、硫(S)、钾(K)、钙(Ca)、铁(Fe)	生命世界必需的元素
碳(C)、硫(S)、铁(Fe)	支配地幔和地壳氧化还原环境的元素
硼(B)、硫(S)、卤素(F、Cl、Br、I),惰性气体(He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn),过渡族金属,稀土(REE),铼-锇(Re-Os)	地壳和地幔循环示踪剂
锂(Li)、钴(Co)、铜(Cu)、镉(Cd)、稀土(REE)、铀(U)	低碳能源或无碳能源元素
铍(Be)、镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、钒(V)、锰(Mn)、钴(Co)、铬(Cr)、锌(Zn)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、稀土(REEs)、铂族元素(PGE)、贵金属元素(Au、Ag)、铀(U)	现代社会原材料(电子、国防、医药、先进制造)

用途	关键元素
先进制造与国防安全	铍(Be)、镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、钒(V)、锰(Mn)、钴(Co)、铬(Cr)、锌(Zn)、锆(Zr)、铪(Hf)、钼(Mo)、稀土(REE)、铂族元素(PGE)、金(Au)、银(Ag)、铀(U)、铜(Cu)、铁(Fe)等
电子产品	硅(Si)、镓(Ga)、锗(Ge)、砷(As)、碳(C)、铂族元素(PGE)、金(Au)等
低碳能源	铀(U)、锂(Li)、钴(Co)、氢(H)、氦(He)、稀土(REE)等
生物医药	碳(C)、氧(O)、氢(H)、氮(N)、磷(P)、硫(S)、钾(K)、钙(Ca)、氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、钛(Ti)等
生命必需的大量营养元素	碳(C)、氧(O)、氢(H)、氮(N)、磷(P)、硫(S)、钾(K)、钙(Ca)、铁(Fe)
生命必需的微量元素	钠(Na)、镁(Mg)、锌(Zn)、铜(Cu)、钼(Mo)、氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、硅(Si)、锶(Sr)、稀土(REE)等
有毒有害元素	有毒重金属元素:镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、锑(Sb)、锰(Mn)、铊(Tl)、硒(Se)、钡(Ba);有害放射性元素: 铀(U)、钍(Th)、镭(Ra)
生命健康窗口元素 (适量有益,过量有毒)	硒(Se)、氟(F)、氯(Cl)、碘(I)、锌(Zn)、铜(Cu)、钼(Mo)、稀土(REE)
地球物质循环与全球变化指示元素	氧循环(O) 碳循环(C) 氮循环(N) 硫循环(S) 地球循环指示元素:惰性气体元素(He、Ne、Ar、Kr、Xr)、锆(Zr)、铪(Hf)、铀(U)、钍(Th)、铅(Pb)、碳(C)、铁(Fe)、硫(S)、卤素元素(F、Cl、Br、I)、铂族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)等