0 引言
硒(Se)是人体和动物必需的微量元素,在维持人体和动物健康方面具有十分重要的作用[1,2,3]。缺硒会使人体和动物产生多种组织器官的病变,例如硒的摄入量不足会导致克山病、大骨节病、牲畜白肌病等疾病[4,5,6,7],摄入量过大会导致急性或慢性中毒,如脱发、脱甲、皮肤损伤及神经系统异常等[8,9]。人体所需要的硒主要是通过食物链从土壤中获取,因此,探究土壤硒的含量分布及其影响因素,对区域内的农产品安全以及维护人群健康具有十分重要的意义[2,10-12]。云南省盈江县是我省著名的优质稻米主产区,有盈江贡米之称。近年来,当地政府在巩固提升粮食、蔗糖、茶叶、畜牧传统产业的基础上,重点发展坚果、咖啡、油茶等特色产业,使盈江县也享有“中国坚果之乡”的美誉[13]。但到目前为止,有关盈江县土壤硒方面的研究还未见报道。笔者以云南省盈江县旧城—姐冒地区1∶5万土地质量地球化学调查结果为基础,对区内土壤硒的地球化学特征、影响因素及生态效益进行研究,为当地合理有效地开发利用富硒土地资源提供地球化学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于云南省盈江县旧城—姐冒一带的平坝地区,地理坐标东经97°45'22.4″~98° 7' 48.3″,北纬24°30' 24.8″~24° 46' 49.1″,面积451.96 km2,所属乡镇有新城、旧城、太平、平原、弄璋等。盈江坝区全年气候温和湿润,光照强,热量足,雨量充沛,无霜期长,适宜各种动植物的生长繁殖,是远近闻名的“粮蔗之乡”。区内地貌主要为山间盆地地貌,部分地区属低山和中山地貌,大盈江由北东至南西流过。区内出露地层有第四系、新近系芒棒组(N2m)、泥盆系关上组(D1g)和古元古界高黎贡山岩群(Pt1GL.)[14],其中第四系出露面积最广,以冲洪积层为主,岩性为砂、砾、粗土质砂;新近系芒棒组(N2m)地层岩性为花岗质砂砾岩、细砂岩,黏土质粉砂岩;泥盆系关上组(D1g)地层岩性为板岩、含碳质板岩、细晶灰岩、粉晶白云岩;古元古界高黎贡山岩群(Pt1GL)地层岩性为变粒岩、斜长片麻岩、片岩、石英岩。区内岩浆岩于盆地四周广泛分布,岩性以花岗质岩类和石英闪长岩为主。土壤类型以水稻土为主,其次分别为赤红壤和红壤[15]。土地利用类型主要有水田、旱地、园地、林地、草地、工矿用地、住宅用地和水域等。水田一般种植两季,主要种植水稻、冬马铃薯、烤烟、冬蔬菜等,种植模式为水稻—冬马铃薯、水稻—烤烟、水稻—蔬菜或单季稻;旱地主要种植甘蔗、玉米、蔬菜、豆类等;园地主要种植澳洲坚果、咖啡、茶叶、橡胶、火龙果等。
1.2 样品采集与前处理
本次工作的比例尺为1∶50 000,调查面积451.96 km2,共采集表层土壤样品4 804件,采样密度为4~16点/km2,样品主要布设于耕(园)地中,其他土地利用类型按照4点/km2的密度布设采样点进行控制,以便进行整体评价及避免出现空白区。区内耕地面积286.73 km2,占总面积的63.44%;园地面积16.39 km2,占总面积的3.63%。根据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295 2016),耕地、林地土壤采样深度为0~20 cm,以GPS定位点为中心,在50~100 m范围内向四周辐射4~6个分样点,等量组合成一个混合样;果园地土壤采集部位为0~60 cm的毛根区,由2~3个子样等量混合组成1件样品。采样时避开沟渠、林带、田埂、路边、旧房基、粪堆及微地形高低不平无代表性地段。采集的样品经充分风干后过10目筛,称取200 g送实验分析,副样(重量不低于300 g)装入干净塑料瓶送样品库保存。
本次研究共采集稻谷、澳洲坚果、甘蔗、咖啡、茶叶、土豆等各类农作物样品225件,每个农作物样品采集了对应根系土壤样品。样品的采集方法、质量要求、洗涤及保存等各个环节均严格按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295 2016)执行。
1.3 样品分析
土壤、岩石和农作物样品的分析测试均由自然资源部昆明矿产资源监督检测中心承担。测试分析过程严格按照《多目标区域地球化学调查规范》(DZ /T0258 2014)、《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD2005-03)进行,采用原子荧光光谱法(AFS)测定土壤和岩石的全硒,检出限均为 0.003×10-6,采用等离子体质谱法(ICP-MS)测定土壤中硒的7种形态和农产品中的全硒,检出限分别为0.001×10-6~0.008×10-6和0.005×10-6。样品的分析质量采用外部质量控制和内部质量监控相结合的方法控制,外部质量控制采取插入外部标准控制样和送测外检样两种方式,合格率均为100%;内部质量监控从检出限高低、准确度、精密度、数据报出率、异常点检查和重复性检验等质量参数进行监控,合格率均在95 %以上。样品质量指标达到《多目标区域地球化学调查规范》(DZ/T0258 2014)的要求。
1.4 数据处理
采用SPSS 20. 0和Microsoft Excel 2016等软件完成数据相关统计分析;运用中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所开发的“地球化学勘查数据一体化处理系统(Geochem Studio 3.5)”软件完成硒地球化学等级评价图件的制作。
2 土壤硒地球化学特征及影响因素
2.1 总体分布特征
根据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)硒等级划分标准,编制了研究区表层土壤Se地球化学等级划分图(图1)。由图可见,研究区土壤硒含量相对缺乏,其中缺乏—边缘级土壤面积占比高达58.78%;富硒土壤面积73.41 km2,占比17.47%,主要集中分布于新龙—小团结—勐盏一带,同时小面积分布于新莲、黄龙、拉丙、边府及丙辉附近。进一步结合土壤环境地球化学综合等级来看,清洁和轻微污染富硒土壤面积分别为33.72 km2和37.38 km2,二者共占富硒土壤面积的96.86%,可见调查区具有开发无公害富硒食品产地的潜力。
图1
图1
盈江县旧城—姐冒地区表层土壤硒地球化学等级划分
Fig.1
Geochemical classification map of selenium in topsoil in the Jiucheng-Jiemao Area, Yingjiang County
从土地利用类型来看(图1),旱地富硒土壤面积最大,为17.33 km2,占旱地面积的33.78%;园地富硒土壤面积为11.75 km2,占园地面积的 71.72%;水田富硒土壤面积最小,仅为9.44 km2,占水田面积的4.01%。可见,调查区在开发特色经济农作物方面具一定优势。
2.2 硒的形态特征
土壤硒全量表征的是土壤中硒含量的总体水平,但并不是土壤中的所有硒都能被农作物有效利用,只有生物有效性较强的硒才容易被农作物吸收[18,19,20]。从225件根系土壤硒元素各形态均值含量分布情况看(表1),残渣态>腐殖酸结合态>强有机结合态>水溶态>碳酸盐结合态>铁锰结合态>离子交换态,其中残渣态含量为0.134×10-6,占总量的51.81%,腐殖酸结合态和强有机结合态含量分别为0.052×10-6和0.042×10-6,二者共占总量的36.45%,而水溶态和离子交换态仅占总量的3.32%。可见,研究区土壤中硒主要以残渣态和有机态存在,能被农作物吸收利用的水溶态和离子交换态硒含量较低;同时水溶态和离子交换态硒的变异系数最高,分别为121.14%和108.81%,说明水溶态和离子交换态硒受环境影响显著,其含量在空间上表现出较大的波动性。
表1 研究区根系土硒的形态含量特征统计(样本数n=225)
Table 1
| 统计量 | 全量 | 水溶态 | 离子交换态 | 碳酸盐结合态 | 腐殖酸结合态 | 铁锰结合态 | 强有机结合态 | 残渣态 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 平均值 中位值 最大值 最小值 变异系数 占比 | 0.26 0.20 0.82 0.03 59.74 100 | 0.006 0.004 0.055 0.001 121.14 2.46 | 0.002 0.001 0.023 0.001 108.81 0.86 | 0.005 0.004 0.012 0.001 43.84 1.77 | 0.052 0.054 0.236 0.002 65.07 20.21 | 0.003 0.002 0.012 0.001 83.55 1.03 | 0.042 0.032 0.225 0.000 90.01 16.24 | 0.134 0.107 0.565 0.005 65.26 51.81 |
注:含量单位为10-6;变异系数和占比单位为%
2.3 影响因素
从不同成土母岩区土壤硒背景值和富硒面积占比来看(图2),关上组(D1g)土壤硒背景值最高,富硒面积占比最大,分别为0.53×10-6和84.48%;其次分别为高黎贡山岩群(Pt1GL)和石英闪长岩(Pt2γδ),硒背景值分别为0.33×10-6和0.39×10-6,富硒面积占比分别为39.06%和39.85%;而第四系冲积层(Qal)硒背景值最低,富硒面积占比最小,分别为0.11×10-6和3.6%。结合岩石中硒背景值(图2),关上组(D1g)地层岩石中Se含量最高,为0.097×10-6,约为其他成土母岩的2~9倍;其次为芒棒组(N2m),含量为0.04×10-6;而其他成土母岩中Se含量差异不大,含量范围为0.013×10-6~0.023×10-6。由上述可知,不同成土母岩和土壤中硒含量变化规律基本一致,其中关上组(D1g)地层岩石因含有碳质板岩[21], 其发育的土壤硒含量和富硒面积占比均为研究区最大,表明土壤富硒受成土母质影响较大,同时,土壤中硒含量值均高于岩石中的含量,可见岩石成壤过程中硒元素易次生富集。
图2
图2
不同成土母岩和土壤硒背景值及土壤硒地球化学等级占比
Fig.2
Background values of selenium in rocks,soils and proportion of soil selenium geochemical grade of different soil-forming materials
图3
图3
不同成土母质土壤富硒面积占比与硅铝铁率关系对比
Fig.3
Comparison of the ratio of selenium-rich area to silica-sesquioxide ratio in soils of different soil-forming parent materials
以往研究表明,土壤有机质和pH值对硒也有一定影响,有机质对硒的影响主要表现为吸附和固定作用[19,23],有机质含量越丰富的土壤,对于土壤中硒的吸附能力也就越强,土壤中含硒量也相对越高。土壤pH值可以影响硒在土壤中的存在价态、形态,在酸性和中性的条件下硒主要以亚硒酸盐形式存在,迁移淋溶作用较弱,生物有效性降低,而在碱性条件下则以硒酸盐形式存在,容易迁移且易被植物吸收利用[24,25,26]。相关分析表明,研究区表层土壤全硒含量与有机质具有极显著正相关关系,与pH值具有显著负相关关系,相关系数分别为r=0.697(P<0.01)和r=-0.188(P<0.01),可见有机质对硒的吸附作用和大面积酸性土壤是研究区土壤中硒累积的重要因素。
3 农产品硒含量特征
对调查区225件农产品中硒含量进行统计分析,结果表明,不同类型农产品的硒含量有所差异。其中8件茶叶硒的含量范围为0.021×10-6~0.045×10-6,平均值0.031×10-6;15件咖啡硒的含量范围为0.013×10-6~0.030×10-6,平均值为0.018×10-6;152件稻谷硒的含量范围为0.005×10-6~0.040×10-6,平均值0.012×10-6;30件甘蔗硒的含量范围为0.005×10-6~0.017×10-6,平均值 0.010×10-6;10件澳洲坚果硒的含量范围为0.005×10-6~0.010×10-6,平均值0.007×10-6;10件马铃薯硒的含量均低于检出限0.005×10-6,报出率为0%。总体而言,不同农产品硒的平均含量水平表现为:茶叶>咖啡>稻谷>甘蔗>澳洲坚果>马铃薯。
按照《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)、《茶叶中铬、镉、汞、砷及氟化物限量》(NY 659-2003)、《富硒稻谷》(GT/T 22499-2008)、《富硒茶》(NY/T 600-2002)和《中国食品行业标准 天然富硒食品硒含量分类标准》(HB001/T-2013)相关评价标准,研究区有15件咖啡、1件澳洲坚果、2件稻谷和5件甘蔗达到安全富硒食品要求,其安全富硒率分别为100%、10%、1.32%和 16.67%,而马铃薯、茶叶均未达到富硒食品要求,其中富硒农产品相对集中分布于新龙—小团结—勐盏一带(图1),与富硒土壤分布具有一定的对应关系。
对研究区农产品和对应根系土壤中硒含量进行相关分析(表2),稻谷中硒含量与根系土壤硒含量存在显著正相关关系,相关系数为r=0.313(P<0.01),稻谷种植地区的土壤普遍为非富硒土壤,可见这是导致调查区富硒稻谷较少的原因之一,而其余农产品中硒含量与根系土壤硒含量未呈明显相关关系。
表2 农产品中硒含量与对应根系土壤中硒含量的相关关系
Table 2
| 农产品 | 稻谷 | 澳洲坚果 | 咖啡 | 茶叶 | 甘蔗 |
|---|---|---|---|---|---|
| 土壤 | 0.313** | 0.000 | -0.239 | -0.400 | 0.162 |
注:“**”表示在0.01水平(双侧)上显著相关
4 结论
1) 研究区表层土壤硒含量范围为0.01×10-6~2.22×10-6,平均值0.23×10-6,低于世界表层土壤平均值(0.40×10-6)和全国土壤A层平均值(0.29×10-6)。
2) 根据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)硒等级划分标准,研究区土壤硒地球化学等级以缺乏—边缘为主,面积占比58.78%;富硒土壤面积为73.41 km2,占比17.47%,主要集中分布于新龙—小团结—勐盏一带,同时在新莲、黄龙、拉丙、边府及丙辉附近少面积分布。从地质背景看,与泥盆系关上组(D1g)和石英闪长岩(Pt2γδ)等地层出露位置基本一致。
3) 从225件根系土壤硒元素七种形态的含量特征看,研究区土壤中硒以残渣态为主,占总量的51.81%,而易被农作物吸收利用的水溶态和离子交换态硒含量却相对较低,仅占总量的3.32%。
4) 研究区土壤富硒不仅与成土母质有关,还与土壤中铁铝氧化物含量的多少有一定关系,硒可能更易吸附于土壤的铁铝氧化物中;相关分析表明,土壤硒含量与有机质具有极显著正相关关系,与pH值具有显著负相关关系,可见有机质对硒的吸附作用和大面积酸性土壤也是土壤富硒的重要影响因素。
5) 按照相关评价标准,研究区有15件咖啡、1件澳洲坚果、2件稻谷和5件甘蔗达到安全富硒食品要求,且集中分布于新龙—小团结—勐盏一带;研究区稻谷硒含量与根系土壤硒含量存在显著正相关关系,而其余农产品中硒含量与根系土壤硒含量未呈明显相关关系。
6) 结合清洁富硒土壤和安全富硒农产品的分布位置和特征,北部新龙—小团结—勐盏一带土地利用类型以旱地和园地为主,农作物主要种植甘蔗、咖啡、茶叶、澳洲坚果等,而甘蔗种植区水土流失相对严重,因此建议将该区规划为咖啡、澳洲坚果、茶叶等特色果林业种植区。
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