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土壤中碘的含量与来源

发布时间:2018-07-11 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:2755

碘是动物和人体的必需元素,是甲状腺素的主要成分。甲状腺素具有影响机体生长发育、代谢过程、神经系统及智力发育等功能。碘通过影响甲状腺荷尔蒙来影响动物和人体的生长发育。由于碘与人体的智力发育密切相关,因此它被人们称为“智力元素”。缺碘导致的各种人体疾病(碘缺乏病,简称IDD)可以出现在人体发育的各个阶段,尤其是快速成长时期,如胎儿和婴儿。胎儿的存活与发育对碘缺乏均很敏感,尤其是大脑的发育。正常条件下,人均每天碘的摄入量为100~150 ug。据估计,人体每天摄入的碘20%来自水,80%来自食物,由此可见,土壤-植物系统中碘的行为与迁移转化与人体健康有非常密切的关系(武少兴等1998)。缺碘的明显症状为甲状腺肿大,当人体碘摄入量为正常需要的50%时就可以引发甲状腺肿;而当摄入量为所需的75%时就可以影响大脑发育。患甲状腺肿的儿童通常智商偏低。碘的过量也可以引发类似碘缺乏的症状,如甲状腺肿和甲亢等。碘是最早被人类认识到是人体必需的微量元素,早在公元前2700年我国古代劳动人民就认识到大脖子病可以通过食用海带来治疗。

尽管人类早已认识到碘对人体和动物健康的重要性,关于环境中碘的行为和碘在土壤-植物系统中迁移积累的研究一直进展缓慢,其主要原因是环境样品中碘的分析测定比较困难。目前碘的主要分析方法有中子活化法、离子色谱法、等离子一质谱和常规比色法等。这些方法中分析精度高和前处理最简单的是中子活化法,但该方法必须依赖核反应堆,因此在推广上有很大的局限性:其他的分析方法都需要前处理,由于碘在高温下易于挥发而在前处理过程中造成损失,从而带来分析误差;因而对土壤圈中碘行为的研究,无论在基础、应用或分析技术等方面均有待于加强与完善。

一、土壤中碘的含量与来源

(一)土壤中碘的含量

碘(I)位于元素周期表第五周期ⅦA族,原子量126.90,碘主要以钠、钾、钙和镁的无机盐形式存在于海水中。碘的特征氧化值为-1、+1、+3、+5和+7。地壳中碘的平均含量在0.3~0.6 mg/kg之间,世界土壤含碘量为0.1~25 mg/kg,中值为5 mg/kg。不同地区土壤碘的含量差异较大,英国132个表土碘的含量为0.5~98.2 mg/kg之间,平均值为9.2 mg/kg澳大利亚种植谷类作物的农田土壤表层土的碘含量为1.1~5.6 mg/kg之间,算术平均值约为3.1 mg/kg。我国土壤(A层)碘范围在0.13~33.1 mg/kg之间,95%范围在0.39~14.71 mg/kg之间,算术平均值为3.76±4.443 mg/kg(中国环境监测总站1990)。不同土类的碘含量如表4-13所示,它表明砖红壤、红壤、黄壤、赤红壤和石灰(岩)土的碘含量较高,而风沙土的碘很低。土壤B层以下碘的含量变幅不大,例如对我国22个较完整土壤剖面进行的测定表明,B层以下碘含量为2.0~3.5 mg/ kg。泥炭土、火山灰土、沼泽土、草甸土、腐殖土和盐碱土的碘含量通常较高,而含砂量较高的紫色土、潮土、砂土及灰化土的碘含量较低。

表4-13 中国土壤(A层)碘的背景值(mg/kg)

在爱尔兰、日本和新西兰的一些岛屿土壤中聚集了较多的碘,有的高达80 mg/kg。在日本滨海地区的山地上层土壤中聚集的碘量可高达135 mg/kg(平均值为46 mg/kg),在英国威尔士近海岸的土壤中含碘量可高达149 mg/kg。通常潮湿气候地区的轻质土壤含碘量较低,而高腐殖质和高黏粒土壤中含碘量较高。土壤含碘量随大气降水变化较大,距海的远近和近期的冰川作用也影响土壤中碘的状况。由于从海水逸失到大气中的碘是土壤碘元素的重要来源,所以源于近期冰川沉积物(更新世)的土壤通常是贫碘的。

(二)土壤中碘的来源

土壤中碘的来源主要有3种途径:

(1)母岩(母质)

母岩(母质)是自然土壤形成的物质基础,在长期的风化和生物作用下,碘可缓慢地从母岩中释放出来,成为土壤养分之一。许多矿物中都含有少量的碘,但其本身不能形成独立的矿物。含碘矿物主要包括一些金属碘化物,例如:AgI、CuI、Cu(OH)(IO3)和多卤化物,碘酸盐以及过碘酸盐等。一些硝酸盐沉积物中含碘量较高,尤其在智利硝石中(可高达400 mg/kg)。一般地,含碘量高的母质发育的土壤,其碘含量亦较高;相反,含碘量低的母质如风积物、黄土母质发育的土壤其碘含量较低。岩石巾碘的含量范围为0.01~16 mg/kg,在富含有机质的页岩中碘的含量最高(Kabata-Pendias et al. 2003)。

(2)大气干湿沉降

尽管土壤中的碘一部分来源于母岩,但要比母岩丰富得多;事实上,土壤中的碘除了来自母质之外,则主要通过降水而获得。已知海洋上空空气中含碘量达10 ug/m3以上,而在内陆上空仅为0.3ug/m3,而雨水中含碘1~2 ug/L,因此,一年中随降水补给的碘可达9~50g/kg,内陆为10g/kg左右。所以,大气降水是土壤中碘的重要来源。一般,空气和海洋中元素态碘或以蒸气形式或与灰尘结合而随风传播,通过大气降水沉落于土壤中,因而土壤中碘含量基本上随着离海洋距离的增加而呈下降趋势。

另外陆地土壤中碘的挥发、化石燃料的燃烧也排放部分碘到大气中。大气中的碘随干、湿沉降又进入土壤,成为土壤碘的来源之一,每公顷土地每年平均由干沉降进入的碘约为96 g。

(3)植物

植物也是土壤碘的主要来源之一,植物可通过叶面和根部吸收大气和土壤中的碘,最后又以凋落物或者死亡后经微生物作用又把碘释放到土壤中。

(三)土壤中碘的存在形式

(1)碘化物

尽管碘具有混入硅酸盐结构的倾向,而很少形成独立矿物,但土壤中仍有碘铜矿(CUI)、a-碘银矿(a-AgI)、β-碘银矿(β-AgI)和碘汞矿(HgI2)等碘化物存在。这些碘化物在土壤中含量很少,且多与Pb-Zn或Cu-Ag矿化作用有关。

(2)碘酸盐

仅存在于氧化作用较强的碱性土壤中,一般受高氧化态锰的影响。包括水碘铜矿[3Cu(IO3)2·2H2O]、羟碘铜矿[Cu(IO3)·OH],碘钙石[Ca(IO3)2]和碘铬钙石[Ca2(IO3)2·CrO4]。

(3)硅酸盐中的碘

由于碘离子能够置换硅酸盐结构中的SiO44- 所以它广泛存在于黑云母、白云母、角闪石、紫苏辉石、烟水晶、橄榄石、方钠石、针铁矿、萤石和磷灰石等基本造岩矿物中。另外,在异性石和方钠石等含氯矿物中,由于I和Cl的置换作用可能造成碘的富集。相对来讲,黏土矿物中蒙脱和高岭石含碘较少,而伊利石中则较多。

(4)元素态碘

碘在土壤中的形态主要有碘酸根离子(IO3-)、碘离子(I-)和元素态碘(I2)。土壤氧化剂的存在,如锰的高价态离子可促使碘化物或碘酸氧化,出现游离态碘。这些游离碘又被土壤其他组分吸收或挥发至大气中。

对山东省水源性高碘区土壤中碘的形态分析表明(李洪伟等2009),研究区土壤样品中碘的主要存在形态是I-。I-所占I的比例为85.9%~97.9%,IO3-、仪占2.1%~14.1%。

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