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    江西于都縣盤(pán)古山地區(qū)土壤中硒的分布特征及其影響因素

    2021-03-24 06:45:12米振華鄒勇軍潘家永李金燕
    關(guān)鍵詞:中硒表層土壤

    米振華,鄒勇軍,潘家永,李金燕,吳 煒

    (1.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330013;2.江西省煤田地質(zhì)勘察研究院,江西 南昌 330001)

    硒是人體所必需的微量元素之一,具有預(yù)防心血管疾病、抗腫瘤、增強(qiáng)免疫力、抗衰老等功效(李軍等,2011;鄒曉燕等,2011)。植物、動(dòng)物和人體中的硒主要來(lái)源于土壤(楊生吉,2019)?,F(xiàn)有研究成果表明,土壤中硒含量與多種因素相關(guān),且影響因素呈現(xiàn)出地區(qū)差異性(宋明義等,2008)。遲鳳琴等(2016)對(duì)黑龍江省土壤硒分布及影響因素的研究發(fā)現(xiàn)土壤硒含量與土壤pH值、黏粒含量和有機(jī)炭具有顯著的相關(guān)性。楊忠芳等(2012)認(rèn)為海南島土壤中的鐵錳氧化物、有機(jī)質(zhì)、黏土礦物及土壤風(fēng)化淋溶程度對(duì)土壤硒含量影響顯著。曾慶良等(2018)發(fā)現(xiàn)湖北恩施地區(qū)表層土壤硒含量分布受控于地質(zhì)背景,同時(shí)受土壤有機(jī)炭含量及海拔高度的影響。研究土壤中硒的分布規(guī)律、探討其影響因素,對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用富硒土壤具有重要的指導(dǎo)意義(黃春雷等,2013;楊忠芳等,2012)。

    2017年江西省煤田地質(zhì)勘察研究院在于都縣盤(pán)古山地區(qū)開(kāi)展了1∶5萬(wàn)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查,筆者在此基礎(chǔ)上,對(duì)研究區(qū)表層土壤中硒的分布特征及其影響因素進(jìn)行研究,以期為合理開(kāi)發(fā)和保護(hù)富硒土地資源提供依據(jù)。

    1 研究區(qū)概況

    研究區(qū)位于江西省南部的于都縣盤(pán)古山地區(qū),面積約150 km2,屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū),氣候溫和,雨量充沛,光照充足,四季分明。地貌以低山丘陵為主,土地利用方式主要為林地、水田、旱地、園地等。種植的農(nóng)作物主要為谷類、臍橙、油菜、花生、大豆等。

    研究區(qū)處于揚(yáng)子陸塊東南緣,華南褶皺帶內(nèi),區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,區(qū)域沉積蓋層涵蓋青白口紀(jì)至第四紀(jì)的各時(shí)代地層,局部有燕山期花崗巖出露。區(qū)內(nèi)出露的地層主要有震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系、侏羅系、白堊系、第四系,出露的巖漿巖主要為侏羅紀(jì)早世大埠超單元(圖1)。

    2 樣品采集及分析測(cè)試

    本次共采集1 255件表層土壤樣品、10件土壤剖面樣品,工作區(qū)范圍見(jiàn)圖1。表層土壤樣品按照500 m×500 m網(wǎng)格化布點(diǎn),采樣深度為0~20 cm,采集密度為8 件/km2。采樣位置具代表性,主要分布于農(nóng)用地和果園等可開(kāi)發(fā)利用的地塊中間部位,且采樣時(shí)間避開(kāi)施肥期(鄒勇軍等,2019)。樣品測(cè)試由國(guó)土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成。采樣和分析測(cè)試(表1)嚴(yán)格按《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部,2016)要求操作。

    表1 土壤樣品各指標(biāo)的分析方法及檢出限Table 1 The analysis methods and detection limits of various indexes of soil samples

    圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of the study area

    3 結(jié)果與討論

    3.1 土壤中硒的分布特征

    3.1.1 土壤硒含量平面分布特征

    依照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部,2016)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)土壤中硒含量進(jìn)行評(píng)價(jià)(表2)。結(jié)果表明,研究區(qū)表層土壤中Se平均含量為0.34 mg/kg,高于全國(guó)土壤背景值(0.29 mg/kg,中國(guó)土壤元素背景值編委會(huì),1990)和區(qū)域土壤背景值(0.22 mg/kg)(1)米振華,李金燕,穆霆,等,2018.江西省于都縣黃磷-祁祿山地區(qū)1∶5萬(wàn)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查成果報(bào)告[R].(2)馮昌和,郄海滿,汪凡,等,2015. 江西興國(guó)—尋烏地區(qū)1∶25萬(wàn)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告[R].。研究區(qū)表層土壤硒含量以適量-高為主,其中富硒(>0.40 mg/kg)土壤面積占研究區(qū)總面積的39.30%,富硒土壤資源豐富。平面上硒含量高值區(qū)與低值區(qū)沿北東方向呈條帶狀分布(圖2)。

    圖2 研究區(qū)表層土壤硒元素地球化學(xué)圖Fig.2 Surface soil selenium geochemical map of the study area

    表2 研究區(qū)表層土壤硒含量分布情況Table 2 Distribution of selenium content in the surface soil of the study area

    3.1.2 土壤硒垂向分布特征

    筆者在水田、林地中各施工1條土壤垂向剖面,并根據(jù)土壤垂向分層,連續(xù)刻槽采集土壤樣品,每條剖面各采集5件土壤樣品。

    土壤剖面1(圖3,表3)位于水稻田內(nèi),為耕作土壤剖面,根據(jù)土壤顏色、成分,從上至下共分為耕作層、犁底層、滲育層、潴育層、潛育層。土壤硒含量在垂向上分布有如下特征:①?gòu)母鲗又晾绲讓樱寥牢恐饾u升高。犁底層位于耕作層之下,受犁的擠壓和降雨,黏粒隨水沉積影響,犁底層結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí),黏土礦物含量高,總孔隙度小且多毛管孔隙,為硒的富集提供有利條件,使得土壤硒含量增加。②犁底層至滲育層,土壤硒含量減少。滲育層顆粒較粗,黏粒含量減少,水分下滲,土壤硒元素和黏粒不斷淋失下移,造成土壤硒元素含量降低。③從滲育層至潴育層,土壤硒含量升高。潴育層是地面水與地下水交互潴育作用下形成的發(fā)生層,上部土壤發(fā)生淋溶至此淀積的層位,上部土壤硒長(zhǎng)期隨水分和黏粒下滲遷移至潴育層淀積,使得硒含量達(dá)到最高。④從潴育層至潛育層,土壤硒含量逐漸減少,然后趨于穩(wěn)定。

    土壤剖面2(圖3、表3)位于山坡上的林地內(nèi),坡度約5°~10°,為自然土壤剖面,從上至下分為覆蓋層、淋溶層、淀積層、母質(zhì)層。從土壤表層向下,土壤硒含量先增加后減少,最后趨于穩(wěn)定,總體上地表淺層硒含量高于深部??赡苡捎谏狡律嫌晁聺B作用弱,下滲深度較淺,淋溶作用較弱,表層土壤硒及黏粒經(jīng)雨水淋溶,向下遷移深度較小后就淀積于表層土壤之下(陳錦平等,2019)。

    表3 研究區(qū)土壤垂向剖面野外分層Table 3 Field stratification of vertical soil profile in the study area

    圖3 研究區(qū)土壤剖面硒元素垂向分布特征Fig.3 Vertical distribution characteristics of selenium element in soil profile in the study area

    3.2 土壤硒含量影響因素

    3.2.1 地質(zhì)背景

    土壤的元素組成受控于成土母質(zhì)的化學(xué)組成,不同成土母質(zhì)形成土壤的元素背景值有所差異。研究區(qū)不同地質(zhì)背景的表層土壤分析結(jié)果(表4)顯示,震旦系上統(tǒng)老虎塘組、石炭系下統(tǒng)梓山組、震旦系下統(tǒng)壩里組等地質(zhì)單元發(fā)育的土壤中硒最為富集。其中震旦系上統(tǒng)老虎塘組巖性主要以厚層燧石巖、硅質(zhì)板巖夾板巖、變余長(zhǎng)石石英細(xì)砂巖與板巖互層或夾層為主,底部為石煤層;石炭系下統(tǒng)梓山組,巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤層;震旦系下統(tǒng)壩里組主要為變余中粒硬砂巖夾板巖,底部變余復(fù)成分砂礫巖;本區(qū)硒主要富集于石煤、頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤層、板巖等黑色巖系為成土母質(zhì)的地質(zhì)單元內(nèi),這與張光弟等(2001)、楊良策等(2015)研究結(jié)果基本一致。

    表4 研究區(qū)不同地質(zhì)單元土壤中的硒含量Table 4 Contents of soil selenium content in different geological units in the study area /(mg·kg-1)

    3.2.2 土壤成因

    土壤成因影響硒元素的遷移和富集,研究區(qū)的土壤樣品成因主要分為殘積、坡積和沖積。本次測(cè)試結(jié)果(表5)表明,研究區(qū)殘積土硒含量最高,變異系數(shù)最小,可能是因?yàn)闅埛e土繼承了母巖的硒元素,受地形和氣候等外界條件影響較小,硒含量高、變異性?。黄路e土硒含量次之,但總體偏差和變異系數(shù)最大,可能是因?yàn)槠路e土繼承了母巖中的部分硒,同時(shí)不同坡積物受地形和氣候降雨條件影響較大,易使硒流失,故硒含量較殘積土變小,變異性較大;沖積成因的土壤硒含量均值最小,可能主要是由于沖積土常年受水流沖刷,硒遷移流失較快,不易富集。

    表5 不同成因土壤中的硒含量統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistical table of Se content in soil with different origins

    3.2.3 土地利用方式

    不同土地利用方式的土壤中硒含量存在較大差異(Pilon-Smits et al.,2017)。研究區(qū)不同土地利用方式的表層土壤硒含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表6)顯示,林地、園地中土壤硒含量水平明顯高于旱地、水田。其原因主要包括自然和人類活動(dòng)方面的因素。首先林地和園地土壤多為坡積或殘積成因,旱地和水田多為沖積成因,而坡積或殘積成因的土壤硒含量明顯高于沖積成因的土壤。其次林地和園地植物根系深,可從深部吸收硒向上運(yùn)轉(zhuǎn)至植物體內(nèi),通過(guò)植物落葉返回地表,落葉經(jīng)腐化后,硒聚集于地表而富集;旱地和水田因人類種植的農(nóng)作物從地表吸收硒,農(nóng)作物可食部分被人類收割利用而造成硒的流失。最后水田和旱地受水流沖刷和垂直下滲作用強(qiáng)烈也會(huì)造成地表硒的流失。

    表6 研究區(qū)不同土地利用方式的表層土壤中的硒含量Table 6 Selenium content of surface soil in different land use modes in the study area

    3.2.4 土壤主元素含量

    49件土壤樣品的主元素分析結(jié)果(表7)表明,研究區(qū)土壤成分以SiO2和Al2O3為主,兩者約占總量的85.33%。通過(guò)相關(guān)性分析,研究區(qū)土壤硒含量與TFe2O3、CaO、Ti含量呈顯著正相關(guān),與SiO2含量呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤中的SiO2含量高低指示土壤的風(fēng)化淋濾程度,土壤SiO2含量越高說(shuō)明土壤受風(fēng)化淋濾的程度越高,則更加容易導(dǎo)致土壤中硒的淋失(鄭雄偉等,2019)。

    表7 研究區(qū)表層土壤樣品主元素含量及其與硒元素的相關(guān)系數(shù)Table 7 Major elements and their correlation coefficients with Se of surface soil samples in the study area

    3.2.5 土壤理化性質(zhì)及微量元素

    利用SPSS軟件對(duì)土壤硒含量與土壤有機(jī)質(zhì)、酸堿度、土壤常量養(yǎng)分元素、微量元素、重金屬元素含量進(jìn)行相關(guān)性分析(表8)。結(jié)果表明土壤硒含量與土壤有機(jī)質(zhì)、K、Mo、Co、V、S、Cu、Pb、Zn、As、Cd、Cr、Ni含量呈顯著正相關(guān)性,與pH、P含量呈顯著負(fù)相關(guān)性。土壤硒含量與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(蔡子華等,2011;羅杰等,2012),可能是由于有機(jī)質(zhì)利于土壤中的硒進(jìn)入腐殖質(zhì)組分中,進(jìn)而對(duì)土壤中的硒起吸附和固定作用(曾慶良等,2018;仝雙梅等,2013);土壤硒含量與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)性,表明土壤硒含量隨著土壤酸度的增強(qiáng)而增加;土壤硒含量與土壤中Cu、Pb、Zn、As、Cd、Cr、Ni等重金屬元素含量呈顯著正相關(guān)性,表明土壤硒與土壤中重金屬元素具有協(xié)同作用,開(kāi)發(fā)富硒土地資源時(shí)應(yīng)防止重金屬元素超標(biāo)。

    表8 土壤Se含量與理化性質(zhì)及微量元素相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 8 Correlation coefficients between soil Se content, physical and chemical properties and trace elements

    4 結(jié)論

    (1)研究區(qū)表層土壤中硒的平均含量高于全國(guó)和區(qū)域土壤的背景值,存在較為豐富的富硒土壤資源,平面上硒含量高值區(qū)與低值區(qū)沿北東方向呈條帶狀分布,垂向上硒含量總體隨深度增加呈“先增后減”的變化趨勢(shì)。

    (2)土壤硒元素主要富集于石煤、頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、煤層、板巖等黑色巖系為成土母質(zhì)的地質(zhì)單元內(nèi);殘積土硒含量最高,沖積土硒含量最低;林地和園地土壤比水田和旱地土壤更易富集硒。

    (3)土壤有機(jī)質(zhì)和pH值對(duì)硒含量影響均較顯著,表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤中硒起吸附和固定作用,從而使硒更易富集在表層土壤中;土壤酸度的增強(qiáng),表層土壤中硒含量具有增加的趨勢(shì)。

    (4)表層土壤硒含量與土壤中有機(jī)質(zhì)、土壤黏粒含量、TFe2O3、CaO、Ti、S、K、Mo、Co、V、Cu、Pb、Zn、As、Cd、Cr、Ni等元素含量呈顯著正相關(guān),與砂粒含量、pH值、SiO2、P等含量呈顯著負(fù)相關(guān);開(kāi)發(fā)富硒土地資源時(shí)要注意防止重金屬元素的超標(biāo)。

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