鐵門關地區(qū)土壤硒含量、形態(tài)特征及影響因素

孟李奇，何峻嶺，劉小龍，喻 龍，艾書濤，王鵬年

（中國地質調查局烏魯木齊自然資源綜合調查中心，烏魯木齊 830000）

硒是人和動物體所需的重要微量元素，研究表明，硒與抗癌、防止心血管疾病有關，同時也有較多疾病與缺硒密切相關［1］，與硒有關的疾病的發(fā)生主要取決于生命體中的硒含量。缺硒會導致大骨節(jié)病和克山病等［2］，而硒過量則會導致硒中毒，影響到人的頭發(fā)、皮膚等，甚至危及生命。人體所需的硒只有在適量的情況才會發(fā)揮有益作用。

世界土壤的硒含量為0.03～2.00 mg/kg，一般含量為0.40 mg/kg［3］，而中國是一個缺硒國家，土壤中的硒含量介于0.006～9.130 mg/kg，平均值為0.29 mg/kg［4］，約2/3 的國土面積存在缺硒問題［5］?？松讲∨c硒存在密切關系被證實，引起了人們對土壤及作物中硒的調查研究的重視。土壤中的硒是農作物中硒的主要來源，通過食物鏈進入動物以及人體，區(qū)域土壤中硒的含量直接影響區(qū)域內食物中硒的含量，對人體健康產生影響，而土壤中硒含量受多種要素影響。查明土壤、農作物中硒的含量分布特征及影響因素至關重要。

本研究依托南疆鐵門關地區(qū)土地生態(tài)修復支撐調查項目，以干旱綠洲農耕區(qū)堿性、強堿性土壤作為研究對象，系統(tǒng)采集表層土壤、農作物根系土壤及農作物樣品，查明土壤、農作物中硒含量的特征。通過對比不同農作物種類對硒的富集作用，分析土壤硒及有效硒的影響因素，為富硒土地的開發(fā)利用、農業(yè)種植結構調整提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區(qū)位于天山南麓，塔里木盆地北緣東端，隸屬于新疆生產建設兵團第二師鐵門關市。區(qū)內降雨稀少、氣候干旱，年降水量在200 mm 以下。該區(qū)是巴音郭楞蒙古自治州香梨和長絨棉的重要生產基地，隨著國家發(fā)展戰(zhàn)略的實施，該區(qū)的農業(yè)高質量發(fā)展顯得尤為重要。

研究區(qū)位于山前沖積平原，區(qū)內土地利用類型主要為耕地及園地。調查區(qū)土壤pH 介于7.44～9.85，中位數為8.16，主要為堿性-強堿性土壤。土壤類型以結殼鹽土與鹽化潮土為主，含少量棕漠土；種植作物種類豐富，以棉花、香梨、紅棗為主，向日葵、玉米等作物次之。

1.2 方法

1.2.1 樣品采集 樣品采集嚴格按照中國地質調查局《多目標區(qū)域地球化學調查規(guī)范》（DD2005—01）的要求，為提高所采樣品的代表性，表層土壤樣品采集過程中選擇1 個主坑、4 個子坑進行混合取樣，且子坑與主坑、子坑與子坑的間距均大于25 m，將子坑與主坑的樣品混合均勻，采用四分法取部分土壤作為分析測試樣品。

依據調查區(qū)現(xiàn)有農作物種類，按照種植面積比例采集，共采集8 種作物，均采集于農作物收獲期。視樣地情況采取棋盤法、梅花點法、對角線法、蛇形法，選取5～10 棵果樹采集不同部位的果實，其余樣品每個樣點選取具有代表性的10～20 株植株，等量混合組成一個樣品。同時采集對應點位的農作物根系土壤，樣品重量1 kg。

1.2.2 樣品分析 樣品分析工作由新疆維吾爾自治區(qū)有色地質勘查局測試中心完成，分析方法采用《生態(tài)地球化學評價樣品分析技術要求》（DD2005—03）和《生態(tài)地球化學評價動植物樣品分析方法》（DZ/T 0253—2014）中硒的分析方法。硒元素采用原子熒光光譜法（AFS），采用連續(xù)提取法以水、氯化鎂、醋酸鈉、焦磷酸鈉、鹽酸羥胺、過氧化氫、氫氟酸為提取劑提取硒的水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、腐殖酸結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)、殘渣態(tài)；pH 采用pH-離子電極法（ISE）測定；陽離子交換量采用容量法（VOL）測定；有機質采用重鉻酸鉀容量法（VOL）測定。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2019 軟件進行數據統(tǒng)計，采用SPSS Statistics 26 軟件進行土壤全硒含量、有效硒含量與影響因子間的相關性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤全硒含量特征

以0～20 cm 表層土壤為研究對象，通過分析，表層土壤中硒的含量介于0～1.850 mg/kg，平均值為0.346 mg/kg，高于全國土壤的平均值0.290 mg/kg。根據《天然富硒土地劃定與標識DZ/T 0380—2021》中堿性土壤富硒劃分標準（Se≥0.3 mg/kg），研究區(qū)土壤67.63%屬于硒適量土壤，23.40%屬于硒過高土壤與過剩土壤，其余8.97%為硒缺乏或少硒土壤。

2.2 土壤各形態(tài)硒含量特征

已有研究將土壤中的硒按其形態(tài)的不同，劃分為水溶態(tài)硒、離子交換態(tài)硒、碳酸鹽結合態(tài)硒、弱有機結合態(tài)硒、鐵錳氧化物結合態(tài)硒、強有機結合態(tài)硒和殘渣態(tài)硒共7 種形態(tài)［6］。本研究以土壤根系土為研究對象，分析土壤中各形態(tài)硒含量特征。研究區(qū)內各形態(tài)硒平均含量分別為0.007、0.013、0.008、0.069、0.014、0.160、0.090 mg/kg，分別占土壤硒的1.94%、3.52%、1.99%、21.24%、3.74%、42.14%、25.43%。從分析測試結果可以看出，各形態(tài)硒在土壤中含量依次為強有機結合態(tài)硒＞殘渣態(tài)硒＞弱有機結合態(tài)硒＞鐵錳氧化物結合態(tài)硒＞離子交換態(tài)硒＞碳酸鹽結合態(tài)硒＞水溶態(tài)硒。土壤中硒的形態(tài)以有機結合態(tài)（63.42%）和殘渣態(tài)為主，占土壤全硒的88.85%。

2.3 土壤有效硒含量特征

研究表明，土壤中全硒的含量并不能指示土壤的供硒水平，而是把易于植物吸收利用的可溶態(tài)和可交換態(tài)硒作為衡量土壤供硒能力的指標，并稱為土壤有效硒［4，7］。鐵門關地區(qū)土壤中有效硒的含量介于0.002～0.081 mg/kg，平均值為0.020 mg/kg，占土壤全硒的比例（5.58%）較低，也是導致農作物中硒含量較低的主要影響因素。

2.4 農作物硒含量特征

不同農作物根系對硒的吸收利用能力有所不同，表現(xiàn)在農作物植株及果實中硒含量的差異。調查區(qū)農作物中硒含量介于0.005～0.320 mg/kg，平均值為0.055 mg/kg。玉米、紅棗、核桃、向日葵等樣品均檢測出硒，且向日葵樣品中硒含量最高，達0.320 mg/kg，平均值為0.180 mg/kg；玉米樣品中硒含量最高，達0.210 mg/kg，平均值為0.067 mg/kg。番茄、辣椒、香梨樣品中檢測出硒的樣品所占比例較少，甘薯中未檢測出硒。不同農作物中的硒含量見表1。

不同農作物對硒的吸收富集程度均有所不同，通過生物富集系數（F生物富集系數=植物中硒元素濃度（10-6）/ 根系土中硒元素濃度（10-6）×100%）可以反映出植物從土壤中吸收硒的能力［8］。通過表1 對比發(fā)現(xiàn)，玉米、核桃以及向日葵均達到富硒含量水平，各類農作物的富集系數大小順序為向日葵＞玉米＞核桃＞紅棗＞番茄＞辣椒＞香梨=甘薯，向日葵、玉米的生物富集系數相對較高，分別為45.9%、16.1%，其中，向日葵中硒含量水平差異較小，呈強富集，且遠大于其他作物。

表1 不同農作物樣品的硒含量及生物富集系數

2.5 土壤各形態(tài)硒與全硒含量間的相關關系

土壤中的硒主要來源于成土母質，而各形態(tài)硒、有效硒含量與土壤全硒含量存在密切關聯(lián)，并與土壤全硒具有較高的相關性［9］。通過分析土壤全硒、各形態(tài)硒、有效硒間的相關關系（表2）可以看出，土壤中各形態(tài)硒均與全硒呈顯著正相關關系，其余各形態(tài)硒均與全硒呈顯著正相關關系，進一步說明土壤中各形態(tài)硒的含量與土壤全硒含量密切相關，土壤全硒在一定程度上決定了各形態(tài)硒含量。

表2 土壤全硒、各形態(tài)硒、有效硒間的相關分析

土壤全硒與強有機結合態(tài)硒、鐵錳氧化物結合態(tài)硒具有較高的正相關性，與殘渣態(tài)硒呈相對較低的正相關性。主要是由于土壤中有機質對硒具有吸附固定作用［8］，同時植物的腐化作用及微生物作用使得硒的價態(tài)發(fā)生變化或形成絡合物而富集［10］，因而土壤全硒含量隨有機質含量增加而增加；殘渣態(tài)硒的含量受其存在形態(tài)限制，因其穩(wěn)定的化合物和晶格致使殘渣態(tài)硒很難溶于水，但隨著巖石風化、土壤熟化被逐步釋放［11，12］，使得殘渣態(tài)硒與土壤全硒呈正相關關系。由于鐵錳氧化物具有比黏土更強的吸附力［13］，使得土壤全硒隨鐵錳氧化物含量的增加而增加，在一定條件下對硒具有富集作用。

2.6 土壤有效硒與全硒含量間的相關分析

根據表2 可以看出，有效硒與全硒呈顯著正相關關系，相關系數為0.601。土壤全硒與有效硒的關系（圖1）也顯示，土壤有效硒隨全硒含量增加而增加。表明在相同條件下，土壤中全硒的含量越高，有效硒的含量越高，則提供可被農作物吸收的有效硒含量越高［14］。

2.7 土壤理化性質對硒含量的影響

2.7.1 土壤有機質 土壤全硒與有機質呈正相關關系，相關系數為0.322，是由于有機質可以吸附土壤中的硒，促進全硒含量的增加，然而有機質與有效硒含量間的關系不同。已有研究表明，有機結合態(tài)硒分為胡敏酸固定的硒與富里酸固定的硒，僅前者易于植物吸收利用［15］，因此，土壤有效硒與有機質間的正或負相關關系主要取決于二者所固定硒的比例［16］。從表3 中可以看出，研究區(qū)有效硒與有機質呈負相關關系，有機質含量的增加會抑制硒的活性。作為有效硒主要形態(tài)的離子交換態(tài)、水溶態(tài)硒也與有機質呈負相關關系，認為有機質具有促進土壤全硒富集和降低有效硒含量的雙重作用。

2.7.2 土壤pH 根據表3 可以看出，土壤全硒含量隨著pH 的增大而降低。主要是由于酸性條件下土壤中H+增加，使得土壤中以陰離子形式存在的硒酸根更容易被吸附聚集［17］，而堿性土壤中主要存在的六價硒具有較強的遷移性［18］，使得堿性土壤中硒更容易遷移流失。周越等［19］、謝薇等［20］也認為土壤堿性越強，土壤全硒的甲基化越高，硒在土壤中的遷移能力就越強。

表3 各形態(tài)硒與土壤理化性質、組分的相關分析

本研究發(fā)現(xiàn)僅從土壤有效硒與pH 的整體相關系數看，二者并無顯相關性。為進一步分析土壤有效硒與pH 間的關系，將pH 以8.1 劃分為兩部分，可以明顯看出，當pH≤8.1 時，有效硒含量隨pH 增加而增加；當pH＞8.1 時，有效硒含量隨pH 增大而減少（圖2）。唐玉霞等［21］、黃彬等［22］研究認為土壤pH越高，土壤有效硒的含量越高，與本研究結果不完全一致。本研究中，pH 在一定范圍內，土壤有效硒含量隨pH 增加而增加，而不是pH 越高，有效硒含量越高。

圖2 土壤有效硒含量與pH 的關系

2.7.3 土壤陽離子交換量 土壤陽離子交換量是反映其保持礦質養(yǎng)分的能力［23］，對比分析可以看出，土壤全硒隨著土壤陽離子交換量增加而增加，與韓笑等［24］研究的土壤全硒與土壤陽離子交換量的關系一致。強有機結合態(tài)硒、鐵錳氧化物結合態(tài)硒與陽離子交換量呈顯著正相關關系，而有效硒、水溶態(tài)硒及離子交換態(tài)與陽離子交換量均呈弱負相關關系（表3）。

3 小結

1）鐵門關地區(qū)表層土壤中硒的含量范圍介于0～1.850 mg/kg，平均值為0.346 mg/kg。調查區(qū)的土壤67.63%屬于硒適量土壤，23.40%屬于硒過高與過剩土壤，其余8.97%為硒缺乏或少硒土壤。土壤中有效硒含量為0.002～0.081 mg/kg，平均值為0.020 mg/kg，占土壤全硒的5.58%。

2）研究區(qū)土壤中各形態(tài)硒含量依次為強有機結合態(tài)硒＞殘渣態(tài)硒＞弱有機結合態(tài)硒＞鐵錳氧化物結合態(tài)硒＞離子交換態(tài)硒＞碳酸鹽結合態(tài)硒＞水溶態(tài)硒。

3）研究區(qū)土壤全硒的含量與有機質、陽離子交換量呈正相關關系。有效硒含量與有機質呈負相關關系，并且當pH≤8.1 時，有效硒含量隨pH 增加而增加；當pH＞8.1 時，隨pH 增大而減少。

4）各類農作物硒生物富集系數依次為向日葵＞玉米＞核桃＞紅棗＞番茄＞辣椒＞香梨=甘薯，其中向日葵（45.9%）、玉米（16.1%）的硒生物富集系數明顯大于其他作物，可將玉米、向日葵作為富硒農產品開發(fā)的優(yōu)勢作物。