來鳳地區(qū)鍺元素地球化學(xué)特征及其與藤茶的適生關(guān)系

白 洋，趙 辭，吳 穎，羅軍強(qiáng)，張元培，鄭雄偉

(湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

鍺屬于典型的稀散元素,在地殼中廣泛分布但含量甚微,極少以獨立礦物出現(xiàn),多與硫化物伴生[1]。自然界中鍺元素主要以有機(jī)鍺和無機(jī)鍺兩類形式存在,土壤中無機(jī)鍺易形成絡(luò)合物，被植物吸收利用轉(zhuǎn)化為具有高生物活性的有機(jī)鍺[2]。山地表生帶基巖、風(fēng)化層(成土母質(zhì))、土壤和植物生長關(guān)系密切,生態(tài)地球化學(xué)過程活躍[3],土壤層作為地球關(guān)鍵帶的核心要素,是控制地球關(guān)鍵帶物質(zhì)能量和信息流動與轉(zhuǎn)化的重要節(jié)點。

1 研究方法

1.1 工作區(qū)概況

根據(jù)土壤第三次普查結(jié)果,來鳳縣土地總面積為1 342.05 km2。其中耕地、園地、草地及藥材基地面積為263.7 km2,占土地總面積的19.64%；林地面積987.0 km2,占土地總面積的73.52%。

來鳳縣土地利用類型主要有：喬木林地、灌木林地、旱地、水田、農(nóng)村宅基地、其他林地、河流水面、果園、農(nóng)村道路、城鎮(zhèn)住宅用地、茶園、溝渠、工業(yè)用地、水庫水面、公路用地、其他園地、采礦用地。

來鳳縣主要出露于古生界寒武系中統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)婁山關(guān)組的沉積地層以及中生界白堊系下統(tǒng)五龍組沉積地層。

1.2 樣品采集

全縣共采集表層土壤樣品5 674件,藤茶樣品75件,藤茶樣品涵蓋主要藤茶產(chǎn)區(qū),具體采樣點位分布在后續(xù)論述中有具體描述。

1.3 樣品分析測試

樣品分析由湖北省地質(zhì)實驗測試中心完成,分析質(zhì)量監(jiān)控措施遵循中國地質(zhì)調(diào)查局生態(tài)地球化學(xué)評價樣品分析技術(shù)要求[4],重復(fù)樣品測試結(jié)果滿足規(guī)范《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》(DZ/T 0258—2014)要求。

土壤樣品經(jīng)混勻后粉碎至200目粒度,電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法分析Mn,電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析Ge元素,原子熒光光譜法分析Se。

茶葉∶將樣品用自來水清洗干凈,再用蒸餾水沖洗3～4次,置于不銹鋼托盤內(nèi),45～50 ℃烘箱內(nèi)烘干,將烘干的樣品直接用粉碎機(jī)粉碎,將碎好的樣品保存在塑料密封袋內(nèi)。

2 分析與研究

2.1 研究思路

Ge元素的吸收富集,對藤茶有效成分黃酮類化合物的合成具有重要作用。土壤Ge元素的含量不僅影響著藤茶自身的Ge含量,同時也能促進(jìn)藤茶對Se、Mn等元素的吸收,進(jìn)而促進(jìn)黃酮類成分的合成。

本次研究主要針對土壤中Ge元素地球化學(xué)特征以及農(nóng)作物中Se、Mn兩種元素與土壤Ge元素含量的關(guān)系展開,闡明土壤Ge元素對Se、Mn等有益元素在土壤—藤茶之間中的遷移富集效用。

2.2 土壤Ge元素在各成土母質(zhì)單元含量特征

富Ge土壤是一個相對概念,目前并無明確定義?？紫槿鹪凇舵N的醫(yī)學(xué)地理分布:論“淺井?dāng)?shù)據(jù)”的不可靠性》中指出地殼Ge含量范圍為1.2～15 mg/kg,而大陸上地殼中Ge元素豐度為1.3～1.6 mg/kg；西北地區(qū)青海東部和新疆若羌縣將富Ge土地標(biāo)準(zhǔn)定為1.3 mg/kg[5]。與國內(nèi)其他地區(qū)相比,來鳳縣表層土壤Ge元素含量平均值相對低于常山縣表層土壤Ge元素含量平均值1.59 mg/kg[6]；高于廣西北部灣地區(qū)表層土壤Ge含量平均值1.43 mg/kg,廣西南部地區(qū)(南寧、貴港、北海、欽州、玉林等)表層土壤Ge元素平均值1.44 mg/kg[7],重慶市南川區(qū)土壤Ge元素平均值1.50 mg/kg[8],黃淮海平原土壤Ge元素生態(tài)地球化學(xué)基準(zhǔn)值1.40 mg/kg[9],新疆若羌縣表層土壤Ge含量平均值1.16 mg/kg,松遼平原生態(tài)地球化學(xué)基準(zhǔn)值1.31 mg/kg和全國地球化學(xué)基準(zhǔn)網(wǎng)確立的表層土壤Ge元素背景基準(zhǔn)值1.3 mg/kg[10]。

巖石圈是地球上所有自然形成化學(xué)元素的根本來源,山地表生帶土壤主要為基巖就近風(fēng)化形成,具有定積母質(zhì)特點,地球化學(xué)元素親緣性強(qiáng),基巖建造影響土壤元素的原生背景。

評價區(qū)主要出露古生界—中生界地層,自寒武系中統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)婁山關(guān)組至白堊系下統(tǒng)五龍組,碳酸鹽巖廣布。

全縣共采集表層土壤樣品5 674件,全區(qū)及各環(huán)境單元土壤地球化學(xué)數(shù)據(jù)源自表層土壤測量樣本,其表層土壤及各成土母質(zhì)單元Ge、Se、Mn元素地球化學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各地質(zhì)單元土壤Ge元素含量均值Table 1 Average content of Ge in soil of each geological unit

來鳳地區(qū)的表層土壤Ge含量平均值相對全國大多數(shù)已統(tǒng)計土壤表層Ge平均含量的重要農(nóng)耕區(qū)較高,僅略低于常山縣的表層土壤Ge含量。對比不同地質(zhì)單元土壤Ge含量平均值,可見泥盆系>志留系>第四系>三疊系>奧陶系>白堊系>二疊系>寒武系。其中泥盆系地層區(qū)表層土壤Ge元素含量平均值為1.82 mg/kg、志留系表層土壤Ge元素含量平均值為1.68 mg/kg,第四系表層土壤Ge元素含量平均值為1.62 mg/kg,均大于前述重要農(nóng)耕區(qū)的土壤Ge含量平均值,具有較好的農(nóng)用地資源利用價值。

從地球化學(xué)圖來看,本次工作Ge元素的空間分布不均勻,主要富集區(qū)分布面積較大,主要位于中部舊司鎮(zhèn)柏楊坪村—龍橋村—大巖板村—團(tuán)壇子村—西北車村一帶,以及東南部的百福司鎮(zhèn)洞塘壩村—安家堡村—可洞村一帶,具體見圖1。

圖1 來鳳地區(qū)鍺元素地球化學(xué)圖Fig.1 Ge geochemical map of Laifeng area

2.3 元素在不同土壤類型中的地球化學(xué)特征

評價區(qū)主要土壤類型為:黃紅壤(12)、黃壤(21),其次主要土壤類型為黃壤性土(22)、暗黃棕壤(32)、黃棕壤性土(33)、潴育型水稻土(142)。統(tǒng)計各土壤類型中元素背景值,結(jié)果列于表2。

表2 不同土壤類型元素地球化學(xué)背景值Table 2 Geochemical background values of elements in different soil types

在不同土壤類型中,黃紅壤中Ge元素含量較高,Ge元素含量平均值達(dá)到1.7 mg/kg,高于其它土壤類型,這可能與紅壤中較高含量的Fe及其他親鐵元素具有較大的聯(lián)系,為了更好的闡明土壤Ge含量與土壤鐵含量之間的關(guān)系,本次工作制作全區(qū)表層土壤Ge與土壤鐵散點圖,如圖2所示,由圖可見,土壤Ge含量與土壤鐵含量之間呈現(xiàn)出較好的正相關(guān)性,這也進(jìn)一步說明了在成土母質(zhì)風(fēng)化形成土壤的過程中主量元素Fe對稀散元素Ge具有較好的吸附富集作用。

圖2 土壤TFe2O3和Ge含量協(xié)變圖Fig.2 Covariance map of TFe2O3 and Ge contents in soil

2.4 元素在不同土地利用中的地球化學(xué)特征

根據(jù)評價區(qū)土地利用現(xiàn)狀,結(jié)合本次土地質(zhì)量地球化學(xué)評價的主題,按照耕地的利用現(xiàn)狀及實用性,評價區(qū)劃為茶園、果園、水田、旱地、其他園地、其他林地、灌木林地、喬木林地等8類主要土地利用區(qū)進(jìn)行評價,各土地利用區(qū)的表層土壤背景值列于表3。對比各土地利用中元素(指標(biāo))含量的背景值,基本分布規(guī)律總體如下。

表3 不同土地利用類型土壤背景值Table 3 Soil background values of different land use types

土壤Ge元素含量平均值在耕地和園地中的含量明顯大于其在灌木林地和喬木林地中的含量,即人工耕作土壤中Ge含量平均值大于人工擾動相對較少的灌木林和喬木林土壤,說明人工干擾對土壤Ge含量的擾動作用有限。

2.5 土壤Ge元素含量與藤茶Se、Mn含量協(xié)同關(guān)系

本次工作共采集藤茶樣品75件,藤茶樣品中的Ge、Mn元素含量特征見表4及表5，通過研究發(fā)現(xiàn)藤茶Se、Mn含量與土壤Ge元素含量關(guān)系密切,其中高Se、Mn含量藤茶主要分布于鍺元素呈高背景—高值分布的地區(qū),中低Se、Mn含量的藤茶則主要分布于鍺元素呈低值—背景分布的地區(qū)。

表4 藤茶茶葉中Ge含量特征Table 4 Characteristics of Ge content in Ampelopsis grossedentata

表5 藤茶茶葉中Mn含量特征Table 5 Characteristics of Mn content in Ampelopsis grossedentata

為直觀表現(xiàn)藤茶茶葉中Se含量高低與土壤Ge含量關(guān)系,現(xiàn)根據(jù)藤茶采樣點的坐標(biāo),將其投影于Ge元素地球化學(xué)圖之上,元素含量的高低用不同直徑的圓點表示,如圖3所示,通過該圖可見,藤茶Se含量>0.06 mg/kg的點位幾乎全部位于Ge元素的高背景—高值區(qū)；在Ge的低值—背景區(qū)未見Se含量>0.06 mg/kg的點位,該區(qū)以0.03～0.06 mg/kg的藤茶為主。

圖3 土壤Ge含量與藤茶Se含量協(xié)同關(guān)系Fig.3 Synergistic relationship between Ge content in soil and Se content in Ampelopsis grossedentata

說明土壤Ge含量與藤茶Se含量具有一定的協(xié)同關(guān)系,即土壤高的Ge含量更有利于高Se含量的藤茶產(chǎn)出。

為直觀表現(xiàn)藤茶茶葉中Mn含量高低與土壤Ge含量關(guān)系,現(xiàn)根據(jù)藤茶采樣點的坐標(biāo),將其投影于Ge元素地球化學(xué)圖之上,元素含量的高低用不同直徑的圓點表示,如圖4所示,通過該圖可見,藤茶Mn含量>951 mg/kg的點位幾乎全部位于Ge元素的高背景—高值區(qū)；在Ge的低值—背景區(qū)未見Mn含量>951 mg/kg的點位,該區(qū)以334～951 mg/kg的藤茶為主。

圖4 土壤Ge含量與藤茶Mn含量協(xié)同關(guān)系Fig.4 Synergistic relationship between Ge content in soil and Mn content in Ampelopsis grossedentata

說明土壤Ge含量與藤茶Mn含量具有一定的協(xié)同關(guān)系,即土壤高的Ge含量更有利于高M(jìn)n含量的藤茶產(chǎn)出。

3 結(jié)論

(1) 研究區(qū)土壤中Ge元素含量平均值相對全國大多數(shù)重要農(nóng)耕區(qū)表層土壤較高,僅略低于常山縣的表層土壤Ge含量。

(2) 研究結(jié)果表明,研究區(qū)高Se及高M(jìn)n藤茶產(chǎn)區(qū)表層土壤Ge含量明顯高于低Se及低Mn藤茶產(chǎn)區(qū)。

(3) 高的土壤Fe及有機(jī)質(zhì)含量有利于土壤對Ge元素的富集,人工擾動對土壤Ge含量的影響作用有限。