三江平原西部土壤硒分布特征及其影響因素

牛雪，何錦,2，龐雅婕，明圓圓

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051； 2.吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長春 130026)

0 引言

硒(Se)是人體必需的生命元素，人體缺硒會導(dǎo)致許多疾病[1-4]，人類對于硒的攝取主要來自于食物，而土壤是食物硒來源庫[5]。硒作為一種分散元素，在地殼中分布不均，全世界土壤硒含量范圍在(0.030～2.000)×10-6[5]。我國土壤普遍缺硒，富硒土壤較為珍貴，前人研究發(fā)現(xiàn)我國存在一條由EN至WS的低硒帶，黑龍江則位于低硒帶始端[6]。近些年開展的1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黑龍江三江平原地區(qū)存在珍貴的富硒土地，改變了黑龍江省土壤缺硒的認(rèn)識[7-9]。

影響土壤中硒含量因素較多，前人對其進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，不同地區(qū)具有不同的影響因素。王甘露等[10]研究發(fā)現(xiàn)貴州土壤中硒含量主要受基巖硒含量制約；王美珠等[11]認(rèn)為母巖類型是影響土壤硒含量的主要原因，生物、氣候、地形等對土壤硒含量也起著一定作用；還有部分學(xué)者認(rèn)為人類活動是高硒土壤形成過程中不可忽略的重要因素[12-13]，大氣硒的沉降和揮發(fā)是影響中土壤硒分布的重要因素[14-15]；魏明輝[16]等發(fā)現(xiàn)燃煤也是土壤中硒含量重要影響因素；Umesh等[17]認(rèn)為成土母質(zhì)、氣候、土壤質(zhì)地、有機質(zhì)及人為因素影響土壤硒含量；Malisa等[18]認(rèn)為沉積巖中的黏土與有機質(zhì)含量使得硒含量增加?？梢娡寥乐形康挠绊懸蛩剌^多，較為復(fù)雜，綜合分析可以看出，主要為3個因素：一是硒來源影響，例如基巖含量、成土母質(zhì)含量、大氣沉降影響等；二是土壤中理化指標(biāo)的影響，例如土壤中元素、有機質(zhì)、黏粒含量等；三是人為因素影響，例如人工施肥等。

前人對東北地區(qū)土壤硒來源及含量的影響因素研究也較多，但多局限于松嫩平原，如夏學(xué)齊等[19]研究認(rèn)為黑龍江省松嫩平原南部土壤中硒的主要輸入途徑為大氣干濕沉降；遲鳳琴等[20]研究認(rèn)為黑龍江省表層土壤SOC、黏粒含量與pH是影響土壤硒含量的主要因素；戴慧敏等[7]研究認(rèn)為東北松嫩平原中表層土壤繼承成土母巖特征較弱，鐵錳氧化物、有機質(zhì)等理化指標(biāo)對土壤硒具有較強的影響作用，是硒富集的主要因素之一。

三江平原作為全國重要糧食產(chǎn)區(qū)，其富硒土地中硒的分布特征、含量影響因素對當(dāng)?shù)氐奶厣r(nóng)業(yè)規(guī)劃及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。筆者利用三江平原西部近2萬km2表層土壤(0～20 cm)及深層土壤(150～200 cm)地球化學(xué)數(shù)據(jù)，總結(jié)三江平原西部地區(qū)土壤中硒的分布特征，并利用統(tǒng)計學(xué)的相關(guān)性分析、因子分析及聚類分析等方法對三江平原土壤中硒含量的主要影響因素進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于三江平原西部與南部，北部以黑龍江為界，東、南、西三面分別被完達(dá)山、那丹哈達(dá)嶺、小興安嶺所環(huán)抱，主地勢低平，沼澤濕地發(fā)育[21]。研究區(qū)位置見圖1。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的主要河流為黑龍江、松花江，以及發(fā)育于小興安嶺的鴨蛋河、嘟嚕河及烏蘇里江的支流七星河、撓力河等，其中撓力河流域分布許多發(fā)育于東部完達(dá)山山脈的支流。研究區(qū)內(nèi)巖性主要為第四系沉積物，以砂性土和黏土為主，基巖出露較少，多以殘丘突兀于平原中。研究區(qū)主要包括6個地貌單元，分別為湖成的剝蝕臺地(Ⅲ1)、沖積湖積低平原(Ⅲ2)、泥砂礫質(zhì)低平原(Ⅰ3-2)、砂礫石河谷平原(Ⅰ3-1)、砂礫石扇形平原(Ⅰ2)、火山地貌形成的剝蝕熔巖丘陵(Ⅱ)，土壤質(zhì)地與地貌單元對應(yīng)較好，其中Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅱ地貌以黏性土為主，其他地貌單元以砂性土為主。各地貌分布詳見圖1。

圖1 研究區(qū)位置及地貌示意(地貌圖據(jù)楊湘奎等[21]改繪)Fig.1 Study area location and geomorphological lithology sketch map (geomorphological map basesed on Yang Xiangkui[21] redrawing)

1.2 樣品采集

土壤硒數(shù)據(jù)來源為東北黑土地1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查項目，樣品按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)布點與采集。淺層樣品采集為1件/km2，每個樣品由3個采樣坑內(nèi)垂直采集0～20 cm土柱組合形成，測試分析時4個樣品組合為一個分析樣，即每4 km2一個分析數(shù)據(jù)。深層樣品采集150～200 cm處的深層土壤，采樣密度為1件/4 km2,4個樣品組合為一個深層分析樣品，即每16 km2一個分析數(shù)據(jù)，共取得 4 287 組淺層分析數(shù)據(jù)以及1 404組深層分析數(shù)據(jù)。

1.3 樣品測試

樣品分析測試由河北省地礦中心實驗室承擔(dān)，共分析包括Se在內(nèi)的54種地球化學(xué)指標(biāo)，分析方法及配套方案、準(zhǔn)確度、精密度和檢出限等均滿足《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)規(guī)定要求，其中硒測試方法采用原子熒光法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以及地球化學(xué)圖的繪制主要利用化探數(shù)據(jù)處理一體化系統(tǒng)GeoChem Studio，因子分析、聚類分析以及相關(guān)性分析利用IBM SPSS Statistics 20.0 軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤硒分布特征

研究區(qū)內(nèi)表層土壤中硒含量在(0.06～2.27)×10-6之間，算術(shù)均值為0.25×10-6，顯著高于東北平原區(qū)均值0.18×10-6[7]以及黑龍江省均值0.161×10-6[22]；深層土壤硒含量在(0.02～2.03)×10-6之間，均值為0.11×10-6?？梢钥闯鋈皆韺油寥牢扛哂谏顚油寥?，土壤硒呈現(xiàn)明顯的表聚型[19]，兩者的變異系數(shù)分別為0.39與0.67，說明三江平原表層土壤與深層土壤硒分布不均，局部富集可能性較大(表1)。

表1 表層土壤與深層土壤硒元素統(tǒng)計值

根據(jù)我國硒元素生態(tài)監(jiān)管界限值[23]，將土壤硒含量分為硒不足(<0.125×10-6)、硒潛在不足(0.125×10-6～0.175×10-6)、足硒(0.175×10-6～0.40×10-6)、富硒(0.40×10-6～3.0×10-6)、硒中毒(>3.0×10-6)5個等級。以5個等級為分界線作表層與深層土壤硒元素地球化學(xué)圖(圖2)，可以看出表層土壤硒含量以足硒為主，富硒土壤主要分布于研究區(qū)東部的完達(dá)山至撓力河中間的沖積湖積低平原地區(qū)(Ⅲ2)以及蘿北縣北部湖成剝蝕臺地(Ⅲ1)地區(qū)；潛在硒不足以及硒不足地區(qū)主要沿松花江河流以及研究區(qū)北部分布；深層土壤硒含量以硒不足為主，未見富硒土壤，但在完達(dá)山與小興安嶺山前均出現(xiàn)了由山前至平原硒含量由足硒—硒潛在不足—硒不足遞減的分布特征。

圖2 三江平原西部深層土壤(a)與表層土壤(b)硒分布特征Fig.2 Distribution of selenium content in deep soil(a) and surface soil(b) in west Sanjiang plain

2.2 表層土壤中硒含量影響因素

2.2.1 地貌及土壤質(zhì)地的影響

通過地球化學(xué)圖(圖2b)可以看出，表層土壤中硒含量高值區(qū)主要出現(xiàn)在湖成砂黏土質(zhì)臺地(Ⅲ1)、火山地貌玄武巖丘陵(Ⅱ)以及撓力河流域的沖積湖積黏土質(zhì)低平原地區(qū)(Ⅲ2)，其中在后者形成大面積富硒土壤，硒含量低值區(qū)主要出現(xiàn)在松花江干流形成的砂礫石河谷平原以及研究區(qū)北部黑龍江古河道地區(qū)。楊湘奎等[21]通過對三江平原土壤巖性劃分發(fā)現(xiàn)，不同地貌單元土壤中黏土含量不同。按不同地貌單元對土壤硒含量進(jìn)行統(tǒng)計，各地貌類型及主要土壤巖性區(qū)土壤硒含量詳見表2?？梢钥闯鲎儺愊禂?shù)最高的為砂礫石河谷平原，導(dǎo)致變異系數(shù)較大的主要原因是松花江干流形成的河谷平原土壤中硒含量較低，而各支流形成的主要河谷平原硒含量較高。由表層土壤巖性分布概況(表2)可以看出，硒含量高值區(qū)的地貌(Ⅲ1、Ⅲ2)土壤主要以黏性土為主，低值區(qū)的地貌則主要以砂礫巖性土為主，分析其原因為湖成地貌土壤中黏土含量高，黏土對硒具有明顯的吸附作用[20,24]。因此三江平原地區(qū)湖成地貌易于形成富硒土地，主要因為湖成地貌土壤質(zhì)地黏土含量較高，利于硒元素的吸附。

表2 各地貌單元表層土壤中硒元素含量統(tǒng)計值

2.2.2 成土母質(zhì)影響

深層樣品取自距地表1.5～2.0 m深，可認(rèn)為沒有受到后期人類活動影響，其元素的分布特征更接近成土母質(zhì)，反映了成土母質(zhì)的地球化學(xué)特征。利用地球化學(xué)圖在深層數(shù)據(jù)點位提取相應(yīng)的淺層土壤硒含量數(shù)據(jù)，對兩者進(jìn)行Person相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.319(p<0.001)，表明兩者存在相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性較低，說明成土母質(zhì)是影響土壤硒含量的重要因素，但不是最主要的影響因素。這與戴慧敏等[7]觀點一致。

2.2.3 其他理化指標(biāo)影響

為了更深層次探討表層土壤硒與其他元素的共生組合和成因聯(lián)系，對表層土壤54種地球化學(xué)指標(biāo)利用SPSS軟件進(jìn)行了因子分析和聚類分析。表層土壤主成分因子分析提取9個主因子(表3)，硒位于第二因子，貢獻(xiàn)率為11.3%。由因子載荷矩陣(表4)可以看出，該因子以親生物元素為主，組成元素為C、Corg、N、S、Se、U，說明表層土壤硒含量形成與這些因素關(guān)系緊密，同時這些元素的相關(guān)系數(shù)為正值，說明對硒的富集起到積極作用。

表3 研究區(qū)表層土土壤因子方差貢獻(xiàn)率

表4 研究區(qū)表層土壤主因子載荷

對因子分析中第二因子中的元素進(jìn)行聚類分析[25]，以進(jìn)一步篩選出影響硒的最主要因素。由聚類分析圖譜(圖3)可以看出，C、Corg、N與S聚為一類，然后與Se聚為一類。其中，N與Corg、C聚為一類主要是因為現(xiàn)代沉積中，有機質(zhì)是N的主要來源[26-27]，因此認(rèn)為N與Se聚為一類是有機質(zhì)因素的影響。Se屬于親硫元素，與S聚為一類是因為兩者地球化學(xué)相似性。宋鐵軍[28]指出研究區(qū)富硒土壤硒主要來源為完達(dá)山花崗巖，因此硒的富集不是生物循環(huán)的結(jié)果，是有機質(zhì)對硒的吸附作用的結(jié)果。

圖3 研究區(qū)表層土壤R型聚類分析Fig.3 R-type cluster analysis of surface soil in study area

對硒有機質(zhì)、氧化物以及pH等理化指標(biāo)進(jìn)行Person相關(guān)性分析(表5)，Se與有機質(zhì)、Fe2O3、Mn、MgO為顯著正相關(guān)，表明土壤中有機質(zhì)、鐵、錳等氧化物對硒具有吸附作用，尤其是有機質(zhì)具有明顯的吸附作用。K2O、NaO與Se為顯著負(fù)相關(guān)系，且硒低值區(qū)與這兩種元素高值區(qū)空間分布吻合。硒含量與pH具有顯著相關(guān)性，這與前人研究結(jié)果[7]一致，說明土壤中Se含量與pH值有關(guān)，但對硒含量影響不大。

表5 表層土壤硒與各理化指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

2.3 土壤硒生物有效性分析及土壤環(huán)境質(zhì)量評價

研究區(qū)硒有效態(tài)分析主要選取富硒的八五二農(nóng)場地區(qū)[24]，對采集的根系土樣品進(jìn)行硒形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)， 強有機結(jié)合態(tài)硒、 腐殖酸結(jié)合態(tài)硒和殘渣態(tài)硒是根系土中的主要硒形態(tài)， 易被作物吸收利用的水溶態(tài)硒、離子交換態(tài)硒、碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒占硒總含量的5%，該比例與其他地區(qū)研究結(jié)果[27]一致。在八五二農(nóng)場地區(qū)共采集各植物籽實70件，其中水稻49件、 大豆12件、 玉米9件。根據(jù)《GB/T 22499—2008 富硒稻谷》 標(biāo)準(zhǔn)和《DB61 富硒食品與其相關(guān)產(chǎn)品硒含量標(biāo)準(zhǔn)》(陜西省地方標(biāo)準(zhǔn))，對研究區(qū)農(nóng)作物硒含量特征進(jìn)行評價，其中大豆富硒率達(dá)到50%，水稻富硒率達(dá)到44%，玉米尚未達(dá)到富硒作物水平。

土壤環(huán)境質(zhì)量評價主要對重金屬元素進(jìn)行綜合評價，采用最大限制原則，每個評價圖斑的土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級等同于單指標(biāo)劃分出的環(huán)境等級最差的等級。本次評價選取Cd、 Hg、As、 Pb、 Cr、 Cu、 Ni、 Zn等重金屬元素為評價單項指標(biāo)，對每個重金屬元素進(jìn)行單因子指標(biāo)評價，綜合考慮土壤用地類型和土壤酸堿度，根據(jù)國家最新發(fā)布的《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)中給出的風(fēng)險篩選值和管制值，進(jìn)行單指標(biāo)土壤環(huán)境地球化學(xué)等級劃分。根據(jù)以上劃分等級原則，將研究區(qū)環(huán)境質(zhì)量劃分為無風(fēng)險、風(fēng)險可控、風(fēng)險較高3個等級，統(tǒng)計結(jié)果見表6，其中無風(fēng)險占比99.81%，說明研究區(qū)整體土壤環(huán)境質(zhì)量良好，是非常清潔的土地資源，0.19%的風(fēng)險可控區(qū)零星分布，主要位于友誼縣以及蘿北縣城附近。研究區(qū)富硒地區(qū)均為無風(fēng)險區(qū)，是當(dāng)?shù)匕l(fā)展現(xiàn)代綠色富硒農(nóng)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

表6 土壤環(huán)境質(zhì)量化學(xué)綜合等級統(tǒng)計

3 結(jié)論

1) 三江平原西部表層土壤硒含量高于黑龍江省硒含量均值，達(dá)到0.25×10-6，表層土壤硒含量多處于足硒等級(w(Se)>0.3×10-6)，硒潛在不足或硒不足地區(qū)主要沿松花江河流兩岸以及黑龍江古河道展布。富硒土壤主要分布于完達(dá)山至撓力河中間的沖積湖積低平原地區(qū)，同時在蘿北縣城北部沖湖積臺地地區(qū)有小面積分布。

2) 因子分析、聚類分析等統(tǒng)計分析認(rèn)為，影響三江平原土壤中硒含量最主要指標(biāo)為土壤有機質(zhì)，同時土壤中其他理化指標(biāo)對土壤中硒含量也起到一定作用，鐵、錳等氧化物對硒具有一定吸附作用，而K2O、NaO對硒具有明顯的貧化作用，土壤pH對硒含量影響作用較小。成土母質(zhì)的硒含量與土壤中硒含量具有顯著的低相關(guān)性，說明成土母質(zhì)是影響表層土壤中硒含量的一個重要因素，但不是主要因素。

3) 表層土壤中硒的分布特征受地貌影響較大，其原因為不同地貌單元黏土含量不同。黏土對硒起到吸附作用，因此黏土含量較高的湖成地貌更利于硒的富集，而砂礫含量較高的松花江河流兩岸以及黑龍江古河道硒含量較低。

4) 富硒地區(qū)生物有效硒以水溶態(tài)硒、 離子交換態(tài)硒、碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒為主，占硒總量的5%，大豆富硒率達(dá)到50%，水稻富硒率達(dá)到44%。土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評價顯示三江平原地區(qū)多為無風(fēng)險區(qū)，僅個別污染點零星分布，富硒地區(qū)均為無風(fēng)險區(qū)，是一塊珍貴的清潔土地資源，當(dāng)?shù)乜梢劳懈晃恋匕l(fā)展綠色富硒農(nóng)業(yè)。