湖北省恩施市表層土壤硒含量分布特征及其影響因素研究

楊良策，李明龍，楊廷安，曹文勝

(湖北省地質(zhì)局第二地質(zhì)大隊，湖北恩施 445000)

硒(Se)是人類和動物機體生長發(fā)育所必需的微量元素，硒有抗癌、增強人體免疫力、拮抗有害重金屬等諸多作用［1］。無論是動植物還是人體，硒的主要來源是土壤［2］。

據(jù)調(diào)查，占中國國土面積72%的地區(qū)土壤中缺硒［3］。湖北省恩施市是目前全球唯一探明的沉積型獨立硒礦床——漁塘壩硒礦床所在地［4］，是全球唯一獲得“世界硒都”稱號的城市［5］，恩施發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)具有得天獨厚的硒資源優(yōu)勢。但目前恩施地區(qū)土壤硒含量的分布特征及其影響因素缺乏系統(tǒng)研究，因此筆者選取了恩施市新塘鄉(xiāng)表層土壤作為研究對象，在前人對其他地區(qū)土壤硒含量影響因素研究的基礎(chǔ)上，探討了研究區(qū)表土硒含量的分布特征及其影響因素，為當(dāng)?shù)馗晃寥篱_發(fā)提供有力依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

恩施市位于鄂西南山區(qū)，本次的研究區(qū)范圍為恩施市新塘鄉(xiāng)龔家坪、保水溪、前坪三村，面積約130 km2(圖1)。該區(qū)地形分布以中低山為主，出露的地層時代較多，發(fā)育的土壤類型亦較多，土壤利用以旱地為主，是恩施較有代表性的地區(qū)之一。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig．1 Geographical position of the study area

研究區(qū)內(nèi)共出露志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系五個地層單元。志留系僅出露紗帽組(圖2)，發(fā)育頁巖、粉砂巖;泥盆系的云臺關(guān)組、黃家蹬組主要發(fā)育石英砂巖為主，寫經(jīng)寺組發(fā)育灰?guī)r、泥灰?guī)r等碳酸鹽巖;石炭系出露大浦組和黃龍組，主要發(fā)育白云巖和灰?guī)r;二疊系分布廣泛，其中棲霞組、茅口組、下窯組主要發(fā)育灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r;龍?zhí)督M為煤系地層，主要發(fā)育砂、泥巖夾煤線;孤峰組和大隆組為黑色巖系，發(fā)育炭質(zhì)硅質(zhì)巖、含炭硅質(zhì)巖，其中孤峰組巖石平均含硒量84．12 mg/kg，是地殼硒克拉克值的1 682倍;三疊系主要出露大冶組地層，發(fā)育頁巖及灰?guī)r。

研究區(qū)發(fā)育的土壤類型有石灰土、黃棕壤和棕壤三個土類，石灰土有黃色石灰土和棕色石灰土兩個亞類分布，黃棕壤有碳酸鹽黃棕壤性土、石英質(zhì)巖山地黃棕壤、泥質(zhì)巖山地黃棕壤三個亞類分布，棕壤僅分布碳酸鹽山地棕壤一個亞類(圖2)。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)背景和土壤分布Fig．2 Geological background and soil distribution in the study area

1．2 樣品采集和處理

本研究的表層土壤樣品均采集于旱地，避開人為污染地段，每平方千米采集4件樣品。每件樣品用梅花布點法多坑點采集0～20 cm表層土壤組合而成，共采集表層土壤樣品522件。為了解垂向上土壤硒含量情況，在孤峰組、茅口組、大冶組三個地層分布區(qū)各布設(shè)土壤垂直剖面1條。所有采集的土壤樣品置于室內(nèi)通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干后，過20目篩。

1．3 樣品分析方法

樣品分析測試由國土資源部武漢巖礦測試中心完成。土壤全硒采用原子熒光分光光度法測定;土壤有機碳利用容量法測定;CaO利用電感耦合等離子全譜直讀光譜法測定;pH值利用pH計測定。分析測試過程的質(zhì)量控制嚴格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范［6-7］。

2 研究區(qū)表層土壤硒元素分布特征

研究區(qū)表層土壤硒及相關(guān)元素含量統(tǒng)計值詳見表1?？梢钥闯?，該區(qū)表土硒含量最高值達23．74 mg/kg，且硒含量均值為全國土壤硒含量均值的7．2倍，為1．49 mg/kg，遠高于0．4 mg/kg 的富硒土壤標準;但由于研究區(qū)降水較多，土壤CaO淋失嚴重，僅為全國平均含量的0．38倍;研究區(qū)的土壤pH值也較全國水平稍低，酸化較嚴重。

表1 新塘鄉(xiāng)工作區(qū)表層土壤元素統(tǒng)計值表Table 1 Element statistics of surface soil in Xintang township

2．1 各母質(zhì)區(qū)表層土壤硒含量特征

研究區(qū)不同地層單元表層土壤硒含量統(tǒng)計結(jié)果詳見表2。顯而易見，五個地層分布區(qū)表層土壤硒含量均值從低到高依次為志留區(qū)、石炭區(qū)、泥盆區(qū)、二疊區(qū)、三疊區(qū)。但即使表層土壤硒含量均值最低的志留區(qū)，也已超過0．40 mg/kg的富硒土壤標準。需要說明的是，研究區(qū)三疊系地層區(qū)表層土壤的硒含量最高，三疊系分布局限，且周邊均為二疊系黑色巖系分布(圖2所示)，不排除有緊鄰其南部且海拔較高的孤峰組黑色巖系的貢獻。

表2 研究區(qū)不同地層分布區(qū)表層土壤硒含量特征Table 2 Selenium content of surface soil of different stratigraphic regions in the study area

2．2 各土壤類型分布區(qū)的表層土壤硒含量特征

研究區(qū)不同土壤類型區(qū)采集的表層土壤樣品中Se含量統(tǒng)計結(jié)果詳見表3。研究區(qū)各土壤類型分布區(qū)表層土壤Se含量均值由低到高依次為碳酸鹽山地棕壤、碳酸鹽黃棕壤性土、石英質(zhì)巖山地黃棕壤、黃色石灰土、泥質(zhì)巖山地黃棕壤、棕色石灰土。

3 研究區(qū)內(nèi)影響表層土壤硒含量分布的因素探討

土壤硒含量受母巖、地形地貌、pH值等多種因素影響，每種因素的影響程度卻因地而異［9-10］。筆者在前人對其他地區(qū)土壤硒含量影響因素研究的基礎(chǔ)上，對研究區(qū)各種因素進行分析，認為地質(zhì)背景對表層土壤硒含量具有控制作用，地形地貌、土壤有機碳含量、CaO含量對表土硒含量影響也較大。

表3 研究區(qū)不同土壤類型區(qū)土壤硒含量特征Table 3 Selenium content of different soil types in the study area

3．1 地質(zhì)背景對表層土壤硒含量的控制作用

恩施地區(qū)硒的富集與廣泛發(fā)育的黑色巖系有關(guān)，是原始還原沉積條件下有機質(zhì)攜帶大量硒沉積所致。該區(qū)基本以中高山地為主，母質(zhì)風(fēng)化物搬運距離較近，坡積和殘坡積土壤分布廣泛，更多地繼承了母巖的元素地球化學(xué)特征。研究區(qū)含炭最高的二疊系孤峰組巖石中硒含量極高［4，11-12］，因而在二疊系孤峰組出露區(qū)以及鄰近的三疊系地層分布區(qū)表土硒含量均值高達1．96 mg/kg，而距其最遠的志留系分布區(qū)(圖2)，表土硒含量均值最低，僅0．43 mg/kg，說明地質(zhì)背景對表層土壤中的硒含量分布具有控制作用。

不同地層分布區(qū)垂向上土壤硒含量的分布也存在差異。孤峰組分布區(qū)土壤硒含量從深層到表層有減小趨勢(表4)，這與碳或有機碳質(zhì)的垂向變化趨勢相同，表現(xiàn)為深部富集，這是因孤峰組黑色巖系中碳或有機碳含量較高，有機碳和硒含量向上漸變減小，表明該區(qū)土壤對母巖有繼承性;而茅口組和大冶組地層區(qū)土壤硒含量從深層到表層總體有增大的趨勢，表現(xiàn)為表層富集，這種特征存在兩種可能:一種是表層土壤因為生物活動而富集有機碳，對硒有富集作用［13］;另一種則是這兩個地層區(qū)硒含量垂向上向深部的漸變趨勢體現(xiàn)為表層土壤不存在與深部成土母質(zhì)的繼承性，反映為地質(zhì)背景對土壤硒分布有控制作用。此外，研究區(qū)三疊系地層區(qū)表層土壤的硒量僅次于二疊系孤峰組，然而和二疊系孤峰組分布截然不同，其至深部接近于母質(zhì)層時硒量迅速降低，這種硒的表層富集特征似與深部三疊系母質(zhì)關(guān)系不大，而最大的可能是與緊鄰海拔較高的孤峰組黑色巖系的風(fēng)化物隨地勢的機械搬運有關(guān)。

研究區(qū)不同土壤類型分布區(qū)的表土硒含量也存在較大差異。但研究表明，該區(qū)土壤類型分布是受到成土母巖和地形因素共同作用的結(jié)果，其中棕色石灰土主要分布于海拔700～800 m的二疊系和三疊系碳酸鹽巖出露區(qū);黃色石灰土主要為海拔800～1 000 m的二疊系碳酸鹽巖;泥質(zhì)巖山地黃棕壤主要為海拔800～1 400 m的二疊系碎屑巖出露區(qū);石英質(zhì)巖山地黃棕壤主要為海拔900～1 500 m的硅質(zhì)巖出露區(qū);碳酸鹽黃棕壤性土主要為800～1 500 m的石炭系出露區(qū);碳酸鹽山地棕壤主要為1 500 m以上的石炭系碳酸鹽巖出露區(qū)(圖2)。硒含量較高的黃色石灰土、泥質(zhì)巖山地黃棕壤、棕色石灰土分布區(qū)與含炭硅質(zhì)巖系的分布區(qū)是吻合的。

表4 不同地層分布區(qū)土壤垂向硒元素含量值Table 4 Vertical distribution of selenium content in different stratigraphic regions

因此，地質(zhì)背景是控制研究區(qū)表層土壤硒含量分布的決定性因素，地形地貌及土壤有機質(zhì)含量對表土硒含量分布也有較大影響。

3．2 研究區(qū)表層土壤有機碳含量與硒含量的相關(guān)性

土壤有機碳是指通過微生物作用所形成的腐殖質(zhì)、動植物殘體和微生物體的合稱，有研究者認為土壤有機碳與硒含量呈現(xiàn)正相關(guān)性。

(1)不同地層單元區(qū)表層土壤有機碳含量與硒含量的關(guān)系。研究區(qū)所有樣品的OrgC與硒含量的相關(guān)系數(shù)為0．24，總體相關(guān)性較差，但不同地層分布區(qū)內(nèi)的表層土壤樣品兩者的相關(guān)性較好(圖3)，這也再次證明地質(zhì)背景對表土硒含量的分布起主導(dǎo)作用。

研究區(qū)OrgC與硒含量相關(guān)性最好的是志留系地層區(qū)，相關(guān)系數(shù)分別為0．8，呈高度正相關(guān);次為石炭系、三疊系和泥盆系地層區(qū)，兩者相關(guān)系數(shù)分別為0．75、0．63 和0．59，中度正相關(guān)，然而值得注意的是上述層區(qū)并非高硒量區(qū)，如研究區(qū)志留系區(qū)是距二疊系偏遠的地層單元，且成土母質(zhì)均為碎屑巖的背景下，有機碳與硒含量相關(guān)性高度相關(guān)說明成土母巖對土壤硒元素貢獻很小的情況下，表層有機碳對硒的吸附作用變得十分明顯;而二疊系高硒量地層區(qū)土壤中兩者相關(guān)系數(shù)為0．43，呈低度相關(guān)，這表明二疊系高硒分布尚受其它因素影響，如原始含炭沉積對硒富集的控制。

圖3 研究區(qū)不同地層分布區(qū)土壤OrgC與硒含量的相關(guān)關(guān)系Fig．3 Correlation of organic carbon and selenium content in different stratigraphic regions of the study area

(2)不同土壤類型區(qū)表層土壤有機碳含量與硒含量的關(guān)系。研究區(qū)不同土壤類型區(qū)的表層土壤OrgC與硒含量相關(guān)性也存在較大差異，相關(guān)性較好的是黃色石灰土、碳酸鹽山地棕壤、棕色石灰土，相關(guān)系數(shù)分別是 0．74、0．65、0．64;泥質(zhì)巖山地黃棕壤相關(guān)系數(shù)為0．43，碳酸鹽黃棕壤性土的相關(guān)系數(shù)是0．3，石英質(zhì)巖山地黃棕壤相關(guān)系數(shù)最低為0．17?？傮w上都呈現(xiàn)正相關(guān)性(圖4)，但不同土壤類型區(qū)土壤OrgC與硒含量的相關(guān)系數(shù)較不同地層分布區(qū)略差，也體現(xiàn)出地質(zhì)背景對土壤硒含量的影響更大。

圖4 研究區(qū)不同土壤類型區(qū)OrgC與硒含量的相關(guān)關(guān)系Fig．4 Correlation of organic carbon and selenium content of different soil types in the study area

3．3 研究區(qū)表層土壤CaO與硒含量的相關(guān)性

本次研究還發(fā)現(xiàn)表層土壤CaO與硒含量存在正相關(guān)關(guān)系，泥盆系兩者相關(guān)系數(shù)為0．46，石炭系為0．33，三疊系為 0．31(圖5)。研究區(qū)土壤均值 5．58 呈酸性，硒元素主要以亞硒酸鹽(SeO2-3)形式存在，與吸附質(zhì)間的親和力較強，CaO與硒含量的正相關(guān)性可能與SeO2-3易受到CaO的固定有關(guān)。

3．4 研究區(qū)表層土壤pH值與硒含量的相關(guān)性

有報道稱，土壤pH值對土壤硒含量影響很大，浙江金華富硒地區(qū)酸性旱地土壤的pH與硒含量呈顯著負相關(guān)，這是由于隨著pH值升高，SeO2-3轉(zhuǎn)化為SeO2-4后溶解度增大。但研究區(qū)全部樣品pH值與硒含量的相關(guān)系數(shù)為 0．17，石炭系為 0．22，泥盆系為0．24，二疊系為 0．13，志留系為 0．18，三疊系為0．26，所有相關(guān)系數(shù)均＜0．3，pH值與硒含量沒有明顯關(guān)系。究其原因，金華地區(qū)成土母質(zhì)類型主要為中更新世洪沖積物，土壤均一化程度較高，各母巖區(qū)土壤硒含量變化范圍也小(硒含量均值0．37～0．48 mg/kg)，pH 值對硒含量的影響相對較大;而恩施地區(qū)母巖復(fù)雜，pH值和硒含量主要受成土母質(zhì)和地形條件的影響［14］(表2、表3)，土壤硒含量極不均勻(各地層區(qū)表土硒含量均值0．43～1．96 mg/kg)，pH值對其影響相對就較小，兩者相關(guān)性就不明顯了。

圖5 研究區(qū)不同地層分布區(qū)土壤CaO含量與硒含量相關(guān)關(guān)系Fig．5 Correlation of CaO content and selenium content in different stratigraphic regions of the study area

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)的表層土壤硒含量較高，均值1．49 mg/kg，是全國均值的7．2倍。

(2)不同地質(zhì)背景和土壤類型的表層土壤硒含量分布差異較大，地質(zhì)背景是其主控因素，孤峰組含炭質(zhì)巖系出露區(qū)及周邊的表土硒含量明顯高于其他地層分布區(qū)。

(3)研究區(qū)內(nèi)非富硒層區(qū)表層土壤有機碳、CaO與硒含量具有明顯的正相關(guān)性，而富硒層區(qū)兩者與硒相關(guān)關(guān)系減弱，反映了高硒層區(qū)硒的多因素富集特征，pH值與硒含量無明顯關(guān)系。

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