北京生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)土壤硒含量背景值研究

摘 要：以北京生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)10 400 km2表層土壤（0～20 cm）為研究對象，通過原子熒光光譜（AFS）方法測定區(qū)內(nèi)8 188件表層土壤樣品硒含量。利用相關(guān)分析、多元統(tǒng)計(jì)分析方法，結(jié)合GIS技術(shù)，研究不同土壤類型、不同酸堿度、不同土地類型的表層土壤的硒含量背景值。結(jié)果表明：北京生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)表層土壤硒含量背景值為0.223 mg·kg-1，高于北京全市表層土壤硒含量背景值（0.19 mg·kg-1）。區(qū)內(nèi)表層土壤硒含量的分布與成土母質(zhì)關(guān)聯(lián)較大的土壤具有較好的繼承性，粗骨土（0.251 mg·kg-1）、采礦用地土壤（0.221 mg·kg-1）均呈現(xiàn)出明顯的硒富集。表層土壤硒含量在不同酸堿度中分布差異較大，堿性表層土壤硒含量背景值普遍較低（≤0.214 mg·kg-1），中—酸性表層土壤硒含量背景值普遍較高（≥0.242 mg·kg-1），硒含量與土壤酸堿度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：土壤；硒；背景值；生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)

Study on background value of surface soil Se content in ecological conservation area of Beijing

ZHANG Qun1， FENG Hui1， SUN Zhao1， LI Qiyun1， JIANG Tianqi2， JIA Lei3

（1.Beijing Institute of Ecological Geology， Beijing 100120， China;

2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute， Fushun 113122， Liaoning， China;

3.Beijing Jingcheng Geological Exploration Co.， Ltd.， Beijing 102488， China）

Abstract： Taking the surface soil （0 - 20 cm） in the ecological conservation area of Beijing as the research object， a total of 8 188 surface soil samples were collected and the content of selenium in these samples was determined by atomic fluorescence spectrometry. Methods of correlation analysis and multivariate statistical analysis and GIS technology were used to study the distribution characteristics of selenium content in the surface soil. Their background values in different soil types， its dependence on soil pH and land type were also explored. The results show that the value of soil selenium content in the surface soil samples is 0.223 mg·kg-1，which is higher than the geometric mean of selenium content in Beijing （0.19 mg·kg-1）. The distribution of selenium in surface soil shows a good inheritance of parent material. Coarse bone soil （0.251 mg·kg-1） and soil in mining land （0.221 mg·kg-1） that are closely related to the parent material of the soil show significant selenium enrichment. The distribution of selenium content in surface soil varies greatly at different pH levels. The background value of selenium content in alkaline surface soils is generally lower （≤0.214 mg·kg-1）， while in medium to acidic surface soils is generally higher （≥0.242 mg·kg-1）， which shows a negative correlation between selenium content and pH value.

Keywords： soil; selenium; background value; ecological conservation area

土壤元素背景值是指自然成土過程中形成的、未受到人類影響的土壤中元素的含量（陳懷滿等，2010）。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來，人類活動對環(huán)境的擾動日益加劇，尤其是農(nóng)耕活動對表層土壤的干擾愈發(fā)明顯，導(dǎo)致地球表層土壤中化學(xué)元素的自然背景值和分布模式發(fā)生了明顯的改變（蔡大為等，2021；賈唯遠(yuǎn)等，2024；宋煒，2023）。目前，針對土壤元素背景值的定義雖然不同學(xué)者的表述不盡相同，但通常指的是在某一特定的時間，一定的區(qū)域范圍內(nèi)，具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律的土壤自身化學(xué)元素含量范圍值（Darnley et al.，1995；Salminen et al.，2000；國家環(huán)境保護(hù)局等，1990）。

硒（Se）作為一種分散的稀有元素，在土壤中的含量主要與成土母質(zhì)和植物富集作用有關(guān)。侯青葉等（2020）在全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查成果基礎(chǔ)上，依據(jù)全國雙層網(wǎng)格化土壤地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算出中國表層土壤（0～20 cm）硒含量幾何平均值為0.22 mg·kg-1，但不同地區(qū)表層土壤硒的分布并不均勻，華北地區(qū)為0.18 mg·kg-1，東北地區(qū)為0.18 mg·kg-1，華東地區(qū)為0.24 mg·kg-1，中南地區(qū)為0.332 mg·kg-1，西南地區(qū)為0.21 mg·kg-1，西北地區(qū)為0.18 mg·kg-1，其中北京硒含量幾何平均值為0.19mg·kg-1，屬于貧硒地區(qū)（安永龍等，2020）。目前，北京市土壤硒元素的研究在元素背景值、分布特征及生物有效性等方面取得了一定的進(jìn)展（李方震等，2022）。郭莉（2017）發(fā)現(xiàn)京津冀平原地區(qū)富硒土地資源豐富，主要分布在北京房山，天津薊縣，河北唐山、石家莊和邯鄲等地區(qū)；馮輝等（2019）對大清河流域生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)1 297件表層土壤樣品進(jìn)行測試分析，得出土壤硒含量背景值為0.257 mg·kg-1，呈現(xiàn)富硒特征。

近些年北京市平原區(qū)土壤地球化學(xué)調(diào)查精度已達(dá)到1∶50 000，丘陵區(qū)調(diào)查精度則達(dá)到1∶100 000，相關(guān)調(diào)查已經(jīng)獲得了一套完整的平原—丘陵區(qū)土壤元素的背景值，而生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)尤其是深山區(qū)的調(diào)查工作則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于平原區(qū)。本次研究在以往工作基礎(chǔ)上，分析了北京生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)表層土壤的硒含量背景值及其空間分布規(guī)律，統(tǒng)計(jì)了不同土壤類型、不同酸堿度、不同土地利用類型的表層土壤硒含量背景值，填補(bǔ)了北京市山區(qū)土壤硒含量背景值的研究空白，為厘定區(qū)內(nèi)富硒土地面積、打造富硒特色小鎮(zhèn)等服務(wù)首都建設(shè)工作奠定基礎(chǔ)，為推進(jìn)北京生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)保護(hù)與綠色發(fā)展、建設(shè)北京后花園提供基礎(chǔ)支撐。

1 "材料與方法

1.1 "研究區(qū)概況

北京生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)包括門頭溝區(qū)、平谷區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)、延慶區(qū)以及房山區(qū)和昌平區(qū)的山區(qū)（圖1 a），面積10 400 km2。區(qū)內(nèi)海拔大部分400～1 000 m，除北部山區(qū)海拔高值區(qū)外，總體以中部的北東-南西向山地為分界，海拔向兩側(cè)逐漸降低（圖1 b）；海拔最高點(diǎn)為門頭溝區(qū)內(nèi)的東靈山2 303 m，東南部永定鎮(zhèn)最低，海拔僅73 m，相對高差2 230 m，平均坡降3.72%。研究區(qū)地處海河流域，河網(wǎng)發(fā)達(dá)、水系縱橫，由北向南按水系分為潮白河和薊運(yùn)河流域、永定河和北運(yùn)河流域、大清河流域（圖1 c）。全區(qū)地層較完整，除震旦系、上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)、上白堊統(tǒng)、古新統(tǒng)外，從太古宇至第四系都很齊全； 北部山區(qū)廣泛分布巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖，西部山區(qū)巖石類型以沉積巖為主（圖1 d）。區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，具有分布廣泛、分布不均衡、礦種相對集中的特點(diǎn)（圖1 e），如房山區(qū)的大安山礦區(qū)、史家營礦區(qū)、寶兒水礦區(qū)均沿石炭—二疊紀(jì)煤系地層呈帶狀分布。

根據(jù)“北京生態(tài)涵養(yǎng)地區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查”項(xiàng)目成果，區(qū)內(nèi)土壤面積占全市土地總面積的63.8%，劃分為7個大類：棕壤、褐土、潮土、水稻土、粗骨土、山地草甸土、風(fēng)沙土，其中：褐土分布面積最廣，占區(qū)內(nèi)土壤總面積的75.15%；棕壤和粗骨土次之，分別占區(qū)內(nèi)土壤總面積的11.87%和11.48%；其余土壤分布面積較少，僅占區(qū)內(nèi)土壤總面積的1.5%（圖1 f）。

1.2 "樣品采集與處理

2018—2020年，對北京生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)表層土壤，按照1件·km-2的采樣密度，局部地區(qū)加密至4件·km-2，累計(jì)采集8 188件土壤樣品。參照“目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范（1∶250 000）”土壤樣品采集工作方法，為保證采集的土壤樣品更具備代表性，本次采集的土壤為混合樣品，即采樣時以1處為主樣（作為定點(diǎn)位置），在該點(diǎn)周圍100 m范圍內(nèi)等量采集3～5個子樣充分混合均勻后作為1件樣品，將土樣混合均勻后依照“四分法”取約2 000 g土壤樣品裝入樣袋。剔除土樣中的植物殘體、石塊等侵入體和新生體，自然風(fēng)干后全部過篩（孔徑2 mm），稱重并送往實(shí)驗(yàn)室分析。

1.3 "分析測試方法

樣品的分析測試工作由北京一零一生態(tài)地質(zhì)檢測有限公司、中國冶金地質(zhì)總局第一地質(zhì)勘查院測試中心、中礦（天津）巖礦檢測有限公司共同完成，土壤樣品硒含量的檢測依據(jù)DZ/T 0279.14—2016《區(qū)域地球化學(xué)樣品分析方法 第14部分：硒量測定 氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法》測定，分析方法檢出限3家測試單位分別為0.007、0.01、0.009 mg·kg-1，按照規(guī)范要求，每1個分析批次（50個號碼）以密碼方式在預(yù)留空號里插入4個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與測試樣品一起分析，通過計(jì)算單個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定值與標(biāo)準(zhǔn)值的對數(shù)差、對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差，本次分析測試的數(shù)據(jù)合格率為100%。

1.4 "數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

將分析測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 21.0軟件中進(jìn)行頻數(shù)分布形態(tài)檢驗(yàn)，表層土壤硒含量的直方圖分布形態(tài)符合對數(shù)正態(tài)分布（圖2）。通過迭代剔除法（王登峰等，2012），逐步剔除GM×GSD-3～GM×GSD3以外的異常值（GM為幾何平均值，GSD為幾何標(biāo)準(zhǔn)差）后，用GM表示土壤硒元素的背景值，用GSD表示其分散程度，用GM×GSD-2～GM×GSD2表示95%的置信范圍值（魏復(fù)盛等，1991）。本文采用Microsoft Excel 2016及SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析，應(yīng)用MapGIS 6.7和CorelDRAW 2018繪制相關(guān)圖件。

2 "結(jié)果與討論

2.1 "表層土壤硒含量背景值

北京生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)8 188件表層土壤樣品硒含量剔除異常值前、后的算術(shù)平均值分別為0.270 mg·kg-1和0.257 mg·kg-1，幾何平均值分別為0.226 mg·kg-1和0.223 mg·kg-1，95%置信區(qū)間為0.078～0.641 mg·kg-1，區(qū)內(nèi)表層土壤硒含量背景值高于北京全市土壤硒含量背景值0.19 mg·kg-1，反映出涵養(yǎng)區(qū)內(nèi)土壤呈現(xiàn)相對富硒的特征。

本次依照DZ/T 0295—2016《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》中土壤養(yǎng)分地球化學(xué)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)土壤硒等級分為硒含量缺乏區(qū)（≤0.125 mg·kg-1）、硒含量邊緣區(qū)（gt;0.125～0.175 mg·kg-1）、硒含量適量區(qū)（gt;0.175～0.40 mg·kg-1）、硒含量高值區(qū)（gt;0.40～3.0 mg·kg-1）和硒含量過剩區(qū)（gt;3.0mg·kg-1）（圖3、表1）?？傮w來看，研究區(qū)以硒含量邊緣—適量土壤為主（84.41%），硒缺乏（4.54%）與硒過剩（0.12%）土壤均較少。富硒土壤面積約1 136.01 km2，占全區(qū)總面積的10.92%，主要位于房山東北—中部、門頭溝北—東部、懷柔中南部、密云北部和平谷中東部地區(qū)，空間展布上與區(qū)內(nèi)石炭—二疊紀(jì)、侏羅—白堊紀(jì)泥頁巖和煤系地層具有較好的耦合關(guān)系，反映出富硒土地與成土母質(zhì)來源密切相關(guān)。

2.2 "不同土壤類型表層土壤硒含量背景值

北京生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)表層土壤類型包括褐土、粗骨土、棕壤、潮土、水稻土、風(fēng)沙土和山地草甸土等。依次計(jì)算各類表層土壤的硒含量背景值，從表2可知：不同土壤類型表層土壤硒含量背景值由高到低依次為粗骨土（0.251 mg·kg-1）gt;棕壤（0.240 mg·kg-1）gt;褐土（0.221 mg·kg-1）gt;潮土（0.153 mg·kg-1）。水稻土、風(fēng)沙土、山地草甸土由于樣品數(shù)量過低，不具備統(tǒng)計(jì)意義，故在此不作討論。對比全國其他省市不同土壤類型中硒含量背景值發(fā)現(xiàn)（楊澤等，2021；吳躍東等，2007；李杰等，2012），相同土壤類型下的硒含量背景值差別巨大，說明不同地區(qū)的各類土壤硒含量不盡相同。

研究區(qū)粗骨土和棕壤在空間展布上與巖漿巖、泥質(zhì)巖等成土母質(zhì)以及煤系地層相匹配，與2.1節(jié)提到的富硒土地與成土母質(zhì)來源密切相關(guān)對應(yīng)。棕壤分布區(qū)內(nèi)的泥質(zhì)巖面積低于粗骨土，反映出土壤中黏粒含量與土壤硒含量存在一定正相關(guān)性（韓笑等，2018）。潮土硒含量背景值最低（0.153 mg·kg-1），這主要與潮土中有機(jī)質(zhì)含量較低有關(guān)（潮土有機(jī)質(zhì)平均值僅為16.21 mg·kg-1，遠(yuǎn)低于全區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)平均值29.14 mg·kg-1）（圖4）。研究表明（楊忠芳等，2012；梁紅霞等，2022），土壤中的有機(jī)質(zhì)對硒具有一定的吸附和固定作用，對土壤中硒含量的富集起到積極作用。

2.3 "不同酸堿度表層土壤硒含量背景值

土壤酸堿度（pH值）是土壤酸度和堿度的總稱，通常用以衡量土壤酸堿反應(yīng)的強(qiáng)弱，是土壤的重要理化指標(biāo)，也是土壤硒富集的重要影響因素（周殷竹等，2020；劉清俊等，2023）。本次將研究區(qū)內(nèi)的表層土壤依據(jù)DZ/T 0295—2016《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》中土壤環(huán)境地球化學(xué)等級劃分為五大類：pHlt;5.0的強(qiáng)酸性土壤，5.0≤pHlt;6.5的酸性土壤，6.5≤pHlt;7.5的中性土壤，7.5≤pHlt;8.5的堿性土壤以及pH≥8.5的強(qiáng)堿性土壤（圖5）。依次計(jì)算不同酸堿度表層土壤的硒含量背景值（表3）后發(fā)現(xiàn)，不同酸堿度表層土壤的硒含量背景值相差巨大，強(qiáng)堿性表層土壤的硒含量背景值最低（0.127 mg·kg-1），低于北京市土壤硒含量背景值（0.19 mg·kg-1）；強(qiáng)酸性表層土壤的硒含量背景值最高（0.279 mg·kg-1），高于研究區(qū)表層土壤硒含量背景值（0.223 mg·kg-1），約是強(qiáng)堿性表層土壤的硒含量背景值的2倍。隨著土壤酸堿度的逐漸增大，土壤硒含量背景值整體呈減小的趨勢，不同酸堿度下土壤硒含量背景值的差異反映出硒含量與土壤酸堿度可能存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過計(jì)算表層土壤硒含量與酸堿度的回歸方程為：Y（Se）＝-0.042×pH +0.568，說明二者呈現(xiàn)極弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

土壤中的硒主要以硒化物、有機(jī)硒化物、亞硒酸鹽、硒酸鹽、元素硒和揮發(fā)性硒（沈燕春等，2011）為主，研究表明（朱建明等，2003；張艷玲等，2002；魏顯有等，1999），隨著土壤中pH值增大，硒的可溶性增強(qiáng)，活性變大，更容易遭受淋失；pH值降低會提高土壤對亞硒酸鹽的吸附、固定能力，有利于土壤對硒的富集，因此土壤硒含量與pH值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。雖然酸性環(huán)境下更利于硒的富集，但pH值增加有利于植物對硒的吸收，因此綜合作物產(chǎn)量、含硒量和硒攝入總量等多因素考慮，土壤適合的pH值介于6.7～7.9最佳（陳永波等，2018），這對富硒土地分布邊界的圈定十分重要。

2.4 "不同土地利用現(xiàn)狀表層土壤硒含量背景值

北京市生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)土地利用類型分為林地、園地、草地、耕地、采礦用地、建設(shè)用地、水域及水利設(shè)施用地和其他用地。從表4可看出，園地表層土壤硒含量背景值最高（0.245 mg·kg-1），耕地表層土壤硒含量背景值最低（0.164 mg·kg-1），建設(shè)用地表層土壤硒含量背景值（0.192 mg·kg-1）與北京市硒含量背景值（0.19 mg·kg-1）相接近。

采礦用地表層土壤硒含量較高（0.221 mg·kg-1），反映出礦區(qū)周圍土壤硒含量受成土母質(zhì)的影響較大。土地利用方式的不同，會使土壤在酸堿度、氧化還原電位、黏粒組成、金屬氧化物含量、土壤微生物等理化性質(zhì)上差異較大，在諸多因素共同影響下，不同土地利用類型的表層土壤硒含量背景值相差較大。

此外，耕地土壤作為糧食作物中硒的主要來源，在區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出低硒的特征（0.164 mg·kg-1，低于全市硒含量幾何平均值0.19 mg·kg-1），這對區(qū)內(nèi)農(nóng)作物種植有一定的指導(dǎo)意義，即通過對耕地施加硒肥，達(dá)到提高區(qū)內(nèi)作物產(chǎn)量的效果。

3 "結(jié)論

1）北京生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)表層土壤硒含量背景值為0.223 mg·kg-1，高于北京全市表層土壤硒含量背景值（0.19 mg·kg-1），為區(qū)內(nèi)厘定富硒土地面積、開發(fā)富硒農(nóng)產(chǎn)品提供了土地資源基礎(chǔ)。

2）不同土壤類型表層土壤中，粗骨土的硒含量背景值最高（0.251 mg·kg-1），潮土的硒含量背景值最低（0.153 mg·kg-1），這主要與成土母質(zhì)和土壤中有機(jī)質(zhì)的含量差異有關(guān)。

3）不同酸堿度表層土壤中，強(qiáng)酸性環(huán)境下的土壤硒含量背景值（0.279 mg·kg-1）約是強(qiáng)堿性表層土壤的硒含量背景值（0.127 mg·kg-1）的2倍。土壤硒含量與酸堿度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤酸堿度對硒含量的影響表明pH值可以作為富硒土地邊界圈定的約束指標(biāo)。

4）不同土地利用類型中，園地表層土壤硒含量背景值最高（0.245 mg·kg-1），耕地表層土壤硒含量背景值最低（0.164 mg·kg-1）。

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收稿日期：2023-10-19；修回日期：2024-07-16

基金項(xiàng)目：北京生態(tài)涵養(yǎng)地區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查（PXM2018_158307_000005）資助

第一作者簡介：張群（1991- ），男，碩士，工程師，主要從事環(huán)境地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害防治工作。E-mail：qiguanyou@163.com

引用格式：張群，馮輝，孫朝，李啟云，姜天琪，賈磊，2024.北京生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)土壤硒含量背景值研究［J］.城市地質(zhì)，19（4）：475-482