0 引言
我国是一个72%国土面积缺硒的国家[7],其中黑龙江省被认为是我国严重缺硒的地区之一。近年来,尤其是中国地质调查局实施全国多目标区域地球化学调查工作以来,有不少关于黑龙江省土壤硒的研究报道:夏学齐等[8]对黑龙江省松嫩平原南部土壤硒的研究指出,表层土壤硒平均含量为0.204×10-6;戴慧敏等[9]研究指出东北平原土壤硒含量范围为(0.01~5.3)×10-6,平均含量为0.184×10-6;迟凤琴等[10]对采集的400余个表层土壤样品调查结果指出,黑龙江省土壤硒平均值为0.147×10-6,总体上处于缺硒及潜在缺硒土壤;张慧等[11]对黑龙江省泰来县土壤硒含量特征研究中指出,泰来县耕地表层土壤硒含量平均值为0.155×10-6;徐强等[12]在黑龙江省方正县土壤硒的研究中指出,方正县表层土壤硒含量平均值为0.228×10-6。但报道多为基于少量土壤样品对大面积区域得出的结论,缺乏区域性高精度、大量基础数据方面的研究。2015年,黑龙江省国土资源厅组织实施开展了中大比例尺(1∶5万)富硒土地专项调查评价工作,工作区覆盖三江平原宝清县东部约4 367 km2的农耕地。笔者以该数据为基础,探讨宝清县东部农耕区土壤硒的含量特征及其与土壤性质的关系,为合理开发当地富硒资源和富硒特色农产品提供科学依据。
1 研究区概况
宝清县位于黑龙江省东部,北与友谊县、富锦市接壤,西与双鸭山市区、七台河市区相连,西南与密山市接壤,东南与虎林市相接,东北与饶河县隔七里沁河相望。宝清县地处三江平原南缘,东、西、南三面为完达山脉所环绕,中部和北部为平原,有“四山一水四分田、半分芦苇半草原”的地貌特征。境内水系发达,均属挠力河水系,挠力河境内流长370 km,贯穿全境,生态环境良好,属寒温带大陆性气候,年平均气温3.2℃,平均降水量574 mm,无霜期145天。宝清县是国家级生态示范区试点县,自然资源富集,素有“天府之县”、“北国粮仓”、“湿地之乡”的美誉。宝清县也是全国粮食生产先进县和重要商品粮生产基地,全县总面积10 001 km2,其中耕地面积达35.3万公顷,年产粮食130万吨左右,主要粮食作物和经济作物有水稻、大豆、玉米、小麦、南瓜、红小豆、白瓜籽、甜菜、烤烟、毛葱等。
研究区位于宝清县东部,包括境内3个国营农场、宝清镇、小城子镇、龙头镇、夹信子镇、万金山乡、青原镇、朝阳乡和尖山子乡等乡镇。区内地貌特征主要为冲积湖积低平原、冲积平原和冲积冰水湖成剥蚀台地,土壤类型以草甸土、白浆土和沼泽土为主。区内出露地层为石炭—二叠系珍子山组,三叠系大佳河组,白垩系松木河组、云山组,新近系别拉洪河组、向阳川组、船底山玄武岩及第四系高河漫滩冲洪积物,其中尤以第四系地层广泛发育;出露的侵入岩主要是早白垩世二长花岗岩、中侏罗世二长花岗岩和晚—中二叠世碱长花岗岩(图1)。
图1
2 材料与方法
2.1 样品采集
本次土壤样品采样点按照网格化进行布设,同时兼顾地块分布的均匀性与合理性,土壤样品采样密度为4个点/km2,采样深度为0~20 cm的耕作层。样品主要布设于农业用地,为了避免出现空白区域,在建设用地与未利用土地中也进行了样品布设。以GPS定点为中心点位,子样点位距中心点位20~50 m,采集表土层(0~20 cm)土壤,保证上下均匀采集,由3~5个子样等量混合组成一件样品,样品质量约1 kg。采样时避开了明显污染点(垃圾堆、农药瓶残留点等)和新近搬运的外来土,共采集土壤样品17 470件。土壤样品室内阴凉处晾干后,对干燥后的样品用木槌适当敲打、破碎,分别过60目和100目尼龙筛,装入牛皮纸袋备用。
2.2 样品分析测试
2.2.1 土壤样品分析测试
表1 土壤基本理化性质(n=17 470)
Table 1
| 土壤性质 | 平均值 | 变幅 | 标准差 | 变异系数/% |
|---|---|---|---|---|
| 总硒 | 0.326 | 0.01~1.17 | 0.116 | 35.58 |
| TOC | 2.684 | 0.03~32.96 | 1.655 | 61.65 |
| pH | 6.13 | 3.95~8.56 | 0.632 | 10.32 |
注:总硒含量单位为10-6;TOC含量单位为%;pH无量纲
2.2.2 分析测试质量
从国家一级土壤地球化学标准物质GBW系列(GSS1-24)中选取12个标准样品进行了12次分析,以重复样和重复分析进行重复性检验和分析误差评定。经检测,所有样品分析方法的准确度和精密度合格率均达到98%以上。分析过程中进行了内部质量监控,对检出限、报出率、准确度和精密度、异常点检查和重复性检验等质量参数进行监控,合格率均符合《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD2005-03)中的要求,分析质量可靠,分析数据准确。
2.3 数据处理
运用SPSS Statistics 19软件完成测试数据的参数统计和Pearson相关分析,运用Microsoft Excel 2016软件绘制相关的元素含量散点图,运用MapGIS 6.7、ArcGIS 10.2软件绘制地球化学分布图。
3 结果与讨论
3.1 土壤硒含量分布特征
研究区土壤硒含量范围为(0.01~1.17)×10-6,平均含量0.326×10-6,变异系数35.58%,表明土壤硒分布不均匀。对全部土壤硒分析数据反复剔除离群值,直至符合正态分布,统计的17 159个土壤样品硒含量平均值为0.319×10-6,确定为研究区硒的背景值。依据谭见安[14]对我国硒生态景观界限值的划分标准,将土壤硒含量分级为缺乏、边缘、中等、高、过剩5个等级,研究区土壤硒含量统计结果显示(表2):宝清县东部大部分土壤为足硒土壤(73.53%),21.14%的土壤为富硒土壤,硒潜在不足(4.56%)和缺硒土壤(0.77%)所占面积比例不足研究区的6%,无硒中毒地区。研究区土壤硒平均含量是黑龙江省土壤[10]硒平均值的2倍以上,高于松嫩平原南部[8]、东北平原[9]、中国土壤A层[15]的硒平均含量,低于世界土壤[16]、陕西紫阳[17]、江西丰城市[18]的土壤硒平均含量,远低于湖北恩施州[19]硒中毒地区。
表2 研究区土壤硒含量划分界限值及统计结果
Table 2
| 硒含量分级 | 硒含量范围/10-6 | 硒效应 | 面积比例/% |
|---|---|---|---|
| 缺乏 | <0.125 | 缺硒 | 0.77 |
| 边缘 | 0.125~0.175 | 硒潜在不足 | 4.56 |
| 适中 | 0.175~0.4 | 足硒 | 73.53 |
| 高 | 0.4~3.0 | 富硒 | 21.14 |
| 过剩 | >3.0 | 硒中毒 | 0 |
研究区富硒土壤主要分布在八五二农场六分场—朝阳乡一带,呈NE向带状分布,主要涉及八五二农场七分场、八五二农场六分场、八五二农场二分场、索伦镇、朝阳乡、尖山子乡、八五三农场四分场、八五三农场六分场(图2),该区土地主要为农业用地,耕地平整,集中连片,这些珍贵的富硒土壤为该地区发展现代特色农业奠定了重要资源基础。
图2
图2
宝清县东部土壤硒含量分布特征
Fig.2
Distribution characteristics of selenium content in soil in eastern Baoqing County
3.2 硒含量与土壤性质的关系
3.2.1 成土母质对土壤硒含量的影响
王美珠等[20]认为母岩类型是导致土壤含硒量高低的主要因素;李家熙等[21]认为高硒土壤主要继承富硒岩石和煤层,页岩的硒含量通常较高,是高硒土壤形成的重要条件。研究区土壤成土母质包括冲积—洪积物、残坡积物、基性—中酸性火山岩、沉积岩、花岗岩等。由不同成土母质发育而成的表层土壤硒含量略有差异(表3),土壤硒平均含量最大值(1.17×10-6)与最小值(0.01×10-6)均出现在冲积—洪积物发育的土壤中。不同成土母质土壤硒平均含量由高到低依次为:残坡积物>冲积—洪积物>花岗岩>沉积岩>基性—中性火山岩。由残坡积物发育的土壤硒含量最高,这是因为残坡积物在岩石风化成壤过程中不仅继承了原始母质层的硒,而且硒又进一步次生富集。
表3 不同成土母质硒含量特征
Table 3
| 成土母质 | 样本数 | 平均值/10-6 | 变幅/10-6 | 标准差/10-6 | 变异系数/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 冲积—洪积物 | 7463 | 0.304 | 0.01~1.17 | 0.107 | 35.20 |
| 残坡积物 | 6639 | 0.370 | 0.07~0.99 | 0.120 | 32.43 |
| 基性—中性火山岩 | 1195 | 0.270 | 0.08~1.15 | 0.094 | 34.81 |
| 沉积岩 | 1889 | 0.296 | 0.09~0.92 | 0.100 | 33.78 |
| 花岗岩 | 284 | 0.298 | 0.10~0.57 | 0.086 | 28.86 |
3.2.2 不同土壤类型对硒含量的影响
研究区存在的土壤类型有6种,分别为草甸土(面积占比35.8%)、沼泽土(面积占比29.51%)、白浆土(面积占比16.44%)、暗棕壤(面积占比 9.02%)、黑土(面积占比8.92%)、水稻土(面积占比0.31%)。不同土壤类型硒的平均含量统计结果显示(表4):白浆土硒平均含量最高,草甸土次之,黑土和沼泽土的硒平均含量相当,暗棕壤和水稻土的硒平均含量较低。研究区白浆土的成土母质主要是第四系残坡积物,发育地形部位主要是山前高平原,与富含硒的矿源层(石炭—二叠系珍子山组煤系地层)相邻,因而土壤硒平均含量最高。草甸土是研究区分布面积最广的土壤类型,三江平原农业开垦较晚,耕作层草甸土自然植被已被破坏,土壤有机质分解速率加快,有机质含量有所降低,但整体上还处在一个较高的水平,因而土壤硒含量较高。黑土硒含量较高主要是由于硒在迁移过程中被粘土矿物或有机碳吸附,沉积在黑土中所致[22]。沼泽土的形成受地形和水文条件的影响,研究区沼泽土主要由沼泽演变而来,经过水耕熟化和氧化还原等过程造成部分硒酸盐、亚硒酸盐类物质的迁移与流失,因而土壤硒含量略有降低。暗棕壤硒含量较低主要是因为暗棕壤区土地利用方式多为旱地,成土母质花岗岩中硒含量本身就较低。研究区水稻土分布面积很小,仅分布在船底山玄武岩区,成土母质为基性—中酸性火山岩,岩石中硒含量本身就为全区最低(表3),在人为活动和自然成土因素的双重作用下,研究区水稻土硒平均含量最低。
表4 不同土壤类型硒含量特征
Table 4
| 土壤类型 | 样本数 | 平均值/10-6 | 变幅/10-6 | 标准差/10-6 | 变异系数/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 草甸土 | 6396 | 0.353 | 0.01~1.17 | 0.116 | 33.14 |
| 沼泽土 | 4876 | 0.298 | 0.05~1.13 | 0.112 | 37.33 |
| 白浆土 | 2943 | 0.358 | 0.01~0.84 | 0.108 | 30.00 |
| 暗棕壤 | 1606 | 0.270 | 0.07~0.85 | 0.102 | 37.78 |
| 黑土 | 1593 | 0.300 | 0.10~0.83 | 0.104 | 34.67 |
| 水稻土 | 56 | 0.253 | 0.13~0.47 | 0.080 | 32.00 |
3.2.3 不同土地利用方式对硒含量的影响
不同土地利用方式对土壤硒含量具有一定的影响。研究区地处著名的“北大荒”, 土地利用开发较晚,建国后这里进行了大规模的农垦耕作,土地利用方式以农业用地为主,并以旱地为主水田为辅,其次为林地和草地,未利用土地和建设用地分布面积较小,仅在研究区零星分布。由于近几年国家政策的引导、科技水平的发展以及新技术、新品种的推广应用,研究区水稻种植面积大幅度提高,旱田改为水田得到极大的普及,因而水稻种植区的土壤还未熟化为水稻土类。不同土地利用方式下土壤硒平均含量统计如下表5。由表可见:不同土地利用方式下土壤硒平均含量略有差异,由高到低依次为水田>旱地>草地>建设用地>未利用地>林地。水田土壤硒含量最高一方面是由于秸秆还田,农田里的秸秆焚烧后被冬季积雪长期覆盖,经过腐殖化过程和有机质矿化过程使得土壤中硒含量有所增加;另一方面与研究区水田的成土母质和土壤类型有关,研究区水田的成土母质为冲积—洪积物和残坡积物,土壤类型多为白浆土、沼泽土和黑土,其成土母质和土壤类型本身硒含量就高。旱地为开发程度较高的土壤,表层土壤经过长期耕作使得有机质产生分解,原先有机结合态的硒释放出来,部分被作物吸收带走,部分淋失,造成土壤硒含量有所降低。研究区草地植被破坏较严重,加速了土壤中有机结合态硒的分解,导致硒元素大量流失。建设用地土壤硒含量较低是因为人工挖土、填埋等人类建设活动造成表土被硒含量较低的生土覆盖所致。未利用地多为河流、湖泊和沼泽,土壤开发程度较低,受人类生产影响较小,土壤荒漠化加快了土壤硒的分解。林地土壤的成土母质多为含硒较低的早白垩世二长花岗岩和晚—中二叠世碱长花岗岩,土壤中硒含量较低是由于其成土母质本身硒含量就很低。
表5 不同土地利用方式硒含量特征
Table 5
| 土地利用 | 样本数 | 平均值/10-6 | 变幅/10-6 | 标准差/10-6 | 变异系数/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 旱地 | 10943 | 0.330 | 0.05~1.17 | 0.116 | 34.98 |
| 水田 | 3157 | 0.343 | 0.01~0.89 | 0.109 | 31.82 |
| 草地 | 976 | 0.307 | 0.05~1.13 | 0.140 | 45.43 |
| 林地 | 1712 | 0.284 | 0.08~0.80 | 0.102 | 36.08 |
| 建设用地 | 300 | 0.305 | 0.1~0.74 | 0.115 | 37.84 |
| 未利用地 | 382 | 0.303 | 0.01~0.72 | 0.117 | 38.51 |
3.2.4 土壤理化性质对硒含量的影响
土壤pH、TOC、质地等理化性质不但对土壤硒含量具有重要影响,而且也是控制有效硒的主要因素。研究区土壤pH最小值为3.95,最大值为8.56,平均值为6.13,整体上呈酸性土壤。以往研究表明,由于耕作方式的不同,土壤pH值对硒含量的影响也有所差异。相关性分析(图3)发现:旱地土壤pH值与硒含量呈显著负相关关系,相关系数r=-0.174(n=10 943,P<0.01),水田土壤pH值与硒含量也呈负相关关系,相关系数r=-0.162(n=3 157,P<0.01)。随着土壤中pH值增大,硒含量会降低,耕作方式为旱地的土壤比水田稍明显。土壤pH是土壤酸碱度的反映,它在很大程度上决定了硒存在的化学形态。硒在酸性和中性土壤中主要以亚硒酸盐形式存在,迁移淋溶作用较弱,容易被土壤中金属氧化物和有机质吸附或者络合,因而酸性条件下硒活动性较弱、含量较高。在碱性条件下,硒主要以硒酸盐形式存在,溶解性好,硒酸盐易溶于水,生物活性强,易被植物吸收,同时随着土壤溶液迁移淋失,从而使土壤中含硒量降低。
图3
硒是典型的亲生物元素,易在富含有机质的土壤中累积。土壤有机质对硒含量的影响主要表现为吸附和固定作用[23]。在相同成土母质条件下,土壤有机质含量较高,硒含量一般也比较高,两者呈正相关关系。不同土壤类型中有机质含量对硒含量的影响也略有差别,对研究区不同土壤类型条件下土壤硒含量与土壤TOC做相关性分析(图4),结果表明:整体上,随着TOC增加,土壤中硒含量随之增加,各土壤类型中硒含量与TOC含量都具有显著的正相关关系;水稻土和沼泽土中硒与TOC相关性最强,相关系数分别为0.52(n=56,P<0.01)和0.45(n=4 876,P<0.01),其次为黑土、暗棕壤、草甸土和白浆土;在土壤TOC含量较低阶段,TOC对硒的控制较强,因此适量增加土壤TOC含量,可有效地提高土壤硒含量。研究区土壤硒与有机质呈极显著正相关关系,这可能是因为土壤中的硒主要以有机结合态的形式存在,或者在有机质增加的情况下促进了土壤微生物的活性,加强了土壤中硒的吸附和固定作用。水稻土和沼泽土中TOC与硒相关性最强是因为水稻土的固碳作用明显,而研究区沼泽土是由沼泽演变而来,与沼泽土的成土环境关系密切,两种土壤类型本身TOC含量就很高。
图4
4 结论
1) 研究区土壤硒平均含量为0.326×10-6,足硒和富硒土壤面积占总面积的94.67%,富硒土壤主要分布在国营八五二农场、八五三农场及索伦镇、朝阳乡、尖山子乡等地区,建议当地大力开发与推广富硒农产品。
2) 成土母质以残坡积物发育的土壤硒含量最高,以基性—中性火山岩发育的土壤硒含量最低;不同土壤类型中白浆土硒平均含量最高,水稻土最低;不同土地利用方式下,水田硒平均含量最高,林地最低。
3) 相关分析表明,土壤pH与土壤硒含量呈显著负相关关系,土壤TOC与土壤硒含量呈极显著正相关关系。
(本文编辑:蒋实)
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海南岛农田土壤Se的地球化学特征
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<p>Se是人和动物必需的微量元素之一，具有广阔的开发应用前景，研究土壤中Se的地球化学分布规律和生物有效性控制因素意义重大。系统总结了海南岛27 426 km<sup>2</sup>范围内土壤Se的含量特征和影响因素。结果表明，研究区69.98%土地面积为足硒和富硒土壤，表层土壤Se含量在一定程度上继承了成土母岩(或深层土壤)Se含量，但不同成土母岩形成的表层土壤Se含量富集贫化趋势不同。进一步研究显示，土壤中Se含量与有机碳、Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、TFe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Mn和CIA等具有显著的正相关关系，说明土壤中粘土矿物、有机碳、铁锰氧化物及风化淋溶程度对Se的地球化学行为有重要影响，同时这些指标又是影响土壤Se生物有效性的重要参数。土壤有机碳、粘粒、CEC等含量或指标越高，Se的生物有效性越低。研究区土壤pH＞6.5时，土壤Se含量较低；土壤pH＜6.5时，土壤Se含量随pH下降而增加；当土壤pH为5.5~7.5时，土壤Se生物有效性相对较高。因此，开发富硒农产品不但要依据土壤总Se含量，还必须考虑土壤pH、TOC、CEC、粘粒等指标含量。</p>
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黑龙江省松嫩平原南部土壤硒元素循环特征
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