廣西金秀縣頭排—桐木地區(qū)富硒土壤地球化學(xué)特征及生態(tài)效應(yīng)研究

曾少尉，何儒芳，黃振國

(廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院，廣西 柳州 545000)

0 引言

硒(Se)在陸地生態(tài)系統(tǒng)中含量較低[1]，但卻是人體和動物必需的微量營養(yǎng)元素之一[2]。賦存于土壤中的Se元素主要通過作物吸收經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體。人體中適量的Se元素具有延緩衰老、提高人體免疫機(jī)能、降低癌癥發(fā)病率等功能[3-5]，因此天然富硒食物是人類攝取Se元素的安全有效途徑。本文依據(jù)廣西金秀縣土地質(zhì)量地球化學(xué)評價數(shù)據(jù)資料，系統(tǒng)研究了表層土壤和農(nóng)作物中Se元素地球化學(xué)分布特征和影響因素，為該地區(qū)今后富硒產(chǎn)業(yè)發(fā)展、土地利用規(guī)劃、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西金秀縣西北部的頭排鎮(zhèn)—桐木鎮(zhèn)一帶，地處金秀大瑤山西北部半丘陵小平原地區(qū)，是金秀縣地勢較為平緩、耕地集中分布地區(qū)，面積約227 km2。研究區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候具明顯的季節(jié)性變化特點(diǎn)，是金秀縣的重要糧食產(chǎn)地，農(nóng)作物以水稻為主，見有玉米和花生。出露地層有第四系和泥盆系，巖性主要為砂土、砂巖、泥巖及硅質(zhì)巖。土壤類型以紅壤、水稻土為主，少量棕色石灰土、沖積土。土地利用類型以水田、旱地、林地、園地為主，少量草地、裸地和工礦用地。

2 材料與分析

2.1 樣品采樣與處理

遵循網(wǎng)格加圖斑的原則布設(shè)1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查采樣點(diǎn)。表層土壤樣主要布設(shè)在水田、旱地、園地中，采樣密度8～14點(diǎn)/km2。同時對建設(shè)用地與非耕地如林地、草地等布設(shè)控制樣點(diǎn)，采樣密度1～4點(diǎn)/km2，從而對研究區(qū)整體評價。采樣深度為0～20 cm，以采樣定點(diǎn)位置為中心，當(dāng)采樣地塊為長方形時，采用“S”形布設(shè)子樣點(diǎn)；當(dāng)采樣地塊近似正方形時，采用“X”形或者“棋盤”形布設(shè)子樣點(diǎn)。農(nóng)用地樣由4～6個子樣等量混合成1件樣品，林地樣由2～3個子樣等量混合成1件樣品。采樣時避開溝渠、田埂、路邊、新搬運(yùn)的人工堆積土、垃圾堆積和局部污染源。樣品經(jīng)過風(fēng)干、破碎、過10目尼龍篩后，采取四分法縮分，稱取200 g送實(shí)驗(yàn)室分析。

采集了水稻、玉米、花生籽實(shí)樣品，同時采集根系土樣品。類同于表層土壤樣采集方法，根據(jù)采樣地塊形狀采用棋盤法、梅花點(diǎn)法、蛇形法、對角線法，多點(diǎn)采集作物樣及其根系土樣品，等量混合成1件樣品。野外采樣在晴天無雨條件下進(jìn)行，選取成熟、顆粒飽滿、無病蟲害植株進(jìn)行采樣，在規(guī)定時間內(nèi)送達(dá)實(shí)驗(yàn)室。

2.2 樣品分析

樣品分析由廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)測試研究中心承擔(dān)，測試過程嚴(yán)格按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶25萬)》(DZ/T 0258-2014)進(jìn)行(表1)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

表層土壤硒地球化學(xué)圖采用金維軟件(GeoIPAS v3.2)，用原始數(shù)據(jù)構(gòu)建三角剖分網(wǎng)，采用冪指數(shù)加權(quán)法，X、Y方向搜索半徑為600 m，擴(kuò)邊設(shè)置X、Y為150 m直接成圖。根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295-2016)采用等值線賦值法繪制土壤硒地球化學(xué)等級圖，數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Excel 2007完成。

3 土壤硒地球化學(xué)特征

3.1 含量特征

研究區(qū)共采集表層土壤樣品1999件，Se含量最大值為16.7 mg/kg，最小值為0.088 mg/kg，平均值為0.6 mg/kg，含量大于0.4 mg/kg樣品有1337件，占總樣品數(shù)的66.88%。剔除異常值(X±3S)后，樣品數(shù)為1893件，算術(shù)平均值為0.504 mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.216，中值為0.47 mg/kg，眾值為0.4 mg/kg。研究區(qū)土壤Se元素含量平均值高于全國土壤A層背景值(0.29 mg/kg)，但低于廣西土壤A層背景值(0.7 mg/kg)[6]。根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295-2016)中硒等級分級標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)土壤劃分為五個等級：缺乏(≤0.125 mg/kg)，邊緣(>0.125 mg/kg～0.175 mg/kg)，適量(>0.175 mg/kg～0.4 mg/kg)，高(>0.4 mg/kg～3.0 mg/kg)，過剩(>3.0 mg/kg)，編制硒表層土壤地球化學(xué)等級圖(圖1)。由圖1可見，硒等級達(dá)到高—過剩等級的面積為152.44 km2，占研究區(qū)面積的72.8%，其中土壤硒達(dá)過剩等級的面積1.26 km2，主要集中在桐木鎮(zhèn)西部。

根據(jù)土壤重金屬含量和pH值，按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295-2016)對土壤環(huán)境質(zhì)量等級進(jìn)行評價，結(jié)果表明，研究區(qū)土壤以清潔為主，僅局部存在輕微污染或輕度污染(表2)。說明研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量較好，為富硒土壤的安全利用提供了有利條件。

3.2 受控因素分析

3.2.1 成土母質(zhì)、母巖對土壤硒含量的影響

土壤是成土母質(zhì)經(jīng)過成土過程發(fā)育形成的，因此土壤繼承了成土母質(zhì)的許多性質(zhì)。土壤母質(zhì)是成土母巖風(fēng)化、搬運(yùn)遷移的產(chǎn)物，成土母巖是成土母質(zhì)等表生風(fēng)化物的根本來源。本次在研究區(qū)內(nèi)分布較廣的泥盆系榴江組、五指山組并層(D3l-w)、東崗嶺組(D2d)、大樂組(D1d)、官橋組(D1g)的15個采樣點(diǎn)，同點(diǎn)位采集了表層土壤、成土母質(zhì)(風(fēng)化物)、成土母巖樣品，測定了硒含量(表3)。

由表3可見，大樂組、官橋組單元區(qū)的硒含量由高到低順序?yàn)楸韺油寥?成土母質(zhì)>成土母巖，表明表生成土過程中硒呈現(xiàn)次生富集特征；榴江組、五指山組并層區(qū)的硒含量由高到低順序?yàn)槌赏聊纲|(zhì)>表層土壤>成土母巖，表明在成土母巖風(fēng)化形成成土母質(zhì)過程中，硒有明顯的富集，但由成土母質(zhì)風(fēng)化成土過程中硒出現(xiàn)一定程度的流失；東崗嶺組灰?guī)r及其形成的成土母質(zhì)、表層土壤硒含量均高于其他地層巖石和土壤，顯示成土母巖—成土母質(zhì)—表層土壤硒的繼承性。

圖1 廣西金秀縣土壤硒地球化學(xué)等級圖

表3 不同地層及巖性中硒平均含量統(tǒng)計

3.2.2 土壤性質(zhì)影響

土壤的形成需要經(jīng)過風(fēng)化和腐殖化兩個過程，巖石風(fēng)化形成土壤母質(zhì)層，母質(zhì)層由淺至深進(jìn)一步經(jīng)歷風(fēng)化和淋溶作用，使得原生礦物破壞分解形成次生黏土礦物、鐵鋁氧化物和可溶性及亞溶性礦物，構(gòu)成土壤[7]。根據(jù)全國第二次土壤普查資料，研究區(qū)土壤以紅壤為主，水稻土次之，少量石灰土和沖積土。紅壤Se含量最高，平均值為0.656 mg/kg；沖積土Se含量最低，平均值為0.395 mg/kg(表4)，推斷這與南亞熱帶季風(fēng)氣候下強(qiáng)烈的風(fēng)化淋溶作用有關(guān)[8]。紅壤多分布于地勢相對較高的丘陵山地區(qū)，富含鐵鋁氧化物，易與Se形成較難溶的化合物，且富鐵鋁土壤對Se吸附能力強(qiáng)[9]，導(dǎo)致Se的富集。而沖積土、水稻土多分布于河谷灘地等平緩地帶，土壤酸性較弱，鐵鋁氧化物相對低，土壤硒活動性較強(qiáng)，易流失貧化，導(dǎo)致Se含量低于紅壤。

表4 不同土壤類型硒含量特征值

3.2.3 土壤pH值影響

土壤pH值通過控制土壤硒的活性(生物有效性)從而成為影響土壤以及作物硒含量的重要因素[10-11]。堿性土壤中硒主要以溶解度高、遷移性較強(qiáng)的硒酸鹽(Se6+)形式存在，而酸性土壤中硒則以亞硒酸鹽(Se4+)形式存在[12]，遷移淋濾作用相對較弱。研究表明鐵錳鋁等金屬氧化物和腐殖質(zhì)對亞硝酸鹽(Se4+)的吸附作用大于硒酸鹽(Se6+)，且吸附能力與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[13]。研究區(qū)以紅壤為主，土壤pH中值為5.15，屬酸性土壤。強(qiáng)酸性土壤中Se平均含量0.729 mg/kg，明顯高于堿性、中性、酸性土壤硒平均值(表5)，土壤pH值與Se含量相關(guān)系數(shù)為-0.125(p<0.01)，呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明強(qiáng)酸性土壤有利于硒的富集，與前人研究結(jié)論相符[13]。

表5 不同pH值土壤硒含量特征值

3.2.4 有機(jī)質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是表征土壤肥力水平的一個重要指標(biāo)，對土壤硒等元素地球化學(xué)行為有重要影響[14]。研究區(qū)土壤硒剔除極值數(shù)據(jù)后，硒含量與有機(jī)碳相關(guān)系數(shù)為0.147(p<0.01)，呈正相關(guān)關(guān)系。這可能是由于研究區(qū)土壤以酸性為主，土壤腐殖化過程中經(jīng)過微生物的還原作用，把大部分土壤硒轉(zhuǎn)變成亞硒酸鹽(Se4+)而吸附固定起來，從而增加了土壤硒的含量[15-16]。

3.3 農(nóng)產(chǎn)品富硒情況

本次研究共采集水稻籽實(shí)樣品40件(其中30件同點(diǎn)采集根、莖樣品)，花生15件，玉米10件。有32件水稻籽實(shí)達(dá)到《富硒稻谷》(GB/T 22499-2008)標(biāo)準(zhǔn) [w(Se)≥0.04 mg/kg)，富硒率為80%，Se含量范圍為0.024 mg/kg～0.11 mg/kg，平均含量為0.052 mg/kg?；ㄉ⒂衩走_(dá)到《天然富硒食品硒含量分類標(biāo)準(zhǔn)》(HB 001/T-2013)(0.02 mg/kg～0.28 mg/kg)分別為14件、10件，富硒率分別為93.33%和100%，說明研究區(qū)作物富硒率整體較高，詳見表6。其中，水稻根、莖、稻米和根系土硒含量表現(xiàn)為根系土>根>莖>稻米，土壤—稻米系統(tǒng)硒的吸收轉(zhuǎn)化率為9.2%，而花生為3.9%，玉米為6.4%，說明水稻對土壤硒有較強(qiáng)的吸收富集能力[17-18]，其次為玉米、花生。

利用水稻籽實(shí)硒含量與根系土pH、Fe、有機(jī)碳、全硒含量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見圖2。

表6 農(nóng)作物硒含量特征

圖2 研究區(qū)水稻Se含量與根系土pH、Fe、有機(jī)碳、全量硒關(guān)系圖

由圖2可見：

1)水稻籽實(shí)硒含量隨著根系土pH值升高而升高，推斷可能是土壤中溶解度高易被吸收的硒酸鹽(Se6+)隨著根系土pH值的升高而增加所致，由于土壤對硒酸鹽(Se6+)吸附作用較弱進(jìn)而增加作物對硒的吸收作用。根據(jù)前人研究，隨著pH值的升高，硒的有效性也相應(yīng)提高[19-20]，從而增加水稻對土壤中硒的吸收利用。

2)根系土中鐵、有機(jī)碳含量與水稻籽實(shí)硒含量具有一定弱正相關(guān)關(guān)系，推斷是由于富鐵、富有機(jī)質(zhì)土壤有利于土壤硒富集，而隨著土壤硒總量的增加，土壤中可利用態(tài)硒量也相應(yīng)增加所致。楊忠芳等研究表明，土壤中有機(jī)碳含量相對較高時，土壤總硒和有效硒(一般指水溶態(tài)硒)含量與有機(jī)碳呈正相關(guān)；當(dāng)有機(jī)碳含量較低時，有效硒含量增加幅度大于總硒；土壤有機(jī)碳含量超過某一界限后，有效硒含量增加的幅度不大，而有效硒含量高低是影響植物硒吸收的主要因素[19]。

3)根系土全硒含量與水稻籽實(shí)硒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.671，p<0.01)，說明土壤硒含量是影響大米硒含量的直接或關(guān)鍵因素。推測由于根系土中硒含量增加，硒有效態(tài)含量相應(yīng)升高，有利于稻米的吸收。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)土壤Se的平均含量為0.6 mg/kg，富硒土壤 [w(Se)>0.4 mg/kg] 占研究區(qū)面積的72.8%。且土壤環(huán)境質(zhì)量總體優(yōu)良，有利于富硒土地的開發(fā)利用。

2)風(fēng)化成土過程中，硒富集貧化與成土母巖巖性、土壤理化性質(zhì)有關(guān)。研究表明，土壤性質(zhì)、pH值以及有機(jī)質(zhì)對土壤硒含量具有明顯影響，主要表現(xiàn)：① 富含鐵鋁的紅壤對土壤中Se元素具有較強(qiáng)的吸附作用；② 隨著pH值的增大，土壤對較易溶解遷移的硒酸鹽(Se6+)吸附作用降低，因而，酸性強(qiáng)的紅壤中硒含量高于沖積土和水稻土；③ 土壤有機(jī)質(zhì)在腐殖化過程中易吸收固定硒酸鹽，從而使富含有機(jī)質(zhì)的表層土壤中硒含量較高。

3)研究區(qū)水稻、玉米和花生樣品中富含硒，多數(shù)達(dá)到富硒農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。稻米硒含量與根系土pH值、有機(jī)碳、鐵和全量硒呈正相關(guān)關(guān)系，展現(xiàn)出開發(fā)富硒稻米的良好前景。