0 引言
目前,全国富硒产业发展参差不齐,由于缺乏富硒土壤及富硒农产品的统一标准,使得富硒产业市场秩序不一,缺乏有效的监管[9]。2010年以来,青海以海东平安富硒资源为重点大力发展富硒产业,建成了富硒现代农业示范园区,开发了大蒜、苦荞茶、马铃薯、果蔬等富硒产品[10]。但也存在富硒产品标识不清、Se含量值不稳定等问题,要想解决这些产业发展中的技术问题,制定富硒土壤和产品的Se标准是关键。而富硒产品已有地方标准和团体标准。笔者通过分析青海省土壤Se的含量水平和分布特征,研究农作物中Se的富集程度,建立农作物和根系土硒的吸收模型,以人体日Se摄入量和Se最佳摄入值为指导,探讨土壤Se的阈值,从而提出青海省富硒土壤Se的含量标准推荐值。
1 全国富硒土壤标准现状
收集全国有关富硒土壤的标准资料发现,中国地质调查局、黑龙江省、河北省、河南省、宁夏回族自治区及广西壮族自治区均已颁布了富硒土壤的相关地方标准[11⇓⇓⇓⇓⇓-17]。汇总这7项标准以方便比对,具体差异见表1。其中,中国地质调查局《天然富硒土地划定与标识(试行)》(DD2019-10)规定,当土壤pH小于(等于)7.5时,Se含量下限值为0.40×10-6;当土壤pH大于7.5时,Se含量下限值为0.30×10-6。黑龙江省地方标准则将土壤按酸性、中性、碱性分别规定了富硒土壤的Se含量对应下限值为0.4×10-6、0.35×10-6、0.325×10-6,且规定了土壤Se的上限值3.0×10-6。河南省地方标准按土壤酸性、中性、碱性分别规定了富硒土壤Se含量对应下限值为0.35×10-6、0.32×10-6、0.3×10-6,未规定土壤Se的上限值。宁夏回族自治区则规定只要土壤Se含量大于(等于)0.222×10-6均为富硒土壤,未进行酸碱度分级和硒含量分级。河北省天然富硒土地判定与中国地质调查局要求相同。李春亮等[16]认为,甘肃省的土壤有99.8%处于碱性,研究结果建议将0.28×10-6定为本省的富硒土壤标准值,以便指导当地富硒产业发展。
表1 各地富硒土壤标准汇总
Table 1
| 地区或单位 | 标准或文献 | 条件 | 硒含量值/10-6 |
|---|---|---|---|
| 中国地质调查局 | 天然富硒土地划定与标识(试行) DD2019—10 | pH≤7.5 pH>7.5 | ≥0.40 ≥0.30 |
| 黑龙江省 | 富硒土壤评价要求 DB23/T 2071—2018 | pH<6.5 6.5≤pH≤7.5 pH>7.5 | 0.4~3.0 0.35~3.0 0.325 |
| 河北省 | 天然富硒土地判定要求 | pH≤7.5 pH>7.5 | ≥0.40 ≥0.30 |
| 河南省 | 富硒土壤硒含量要求 DB41/T 1871—2019 | pH<6.5 6.5≤pH≤7.5 pH>7.5 | ≥0.35 ≥0.32 ≥0.3 |
| 宁夏回族自治区 | 宁夏富硒土壤标准 DB64/T 1220—2016 | 无 | ≥0.222 |
| 甘肃省 | 甘肃省富硒土壤标准研究与探讨 | pH>7.5 | ≥0.28 |
| 广西壮族自治区 | 土壤中全硒含量的分级要求 | 水田 旱地 园地 | 0.45~3.0 0.49~3.0 0.55~3.0 |
综合全国来看,富硒土壤的Se含量值要求区间在0.222×10-6 ~0.4×10-6,碱性土壤Se含量值要求区间在0.222×10-6~0.325×10-6,西北甘肃、宁夏等地碱性土壤占比较大,Se含量要求相对较低。
2 数据来源
2014年以来,青海省第五地质勘查院先后承担了1:2万多目标区域地球化学调查、土地质量地球化学调查和生态地球化学评价等项目。在西宁、海东、海北等地开展了1:25万多目标区域地球化学调查,表层土壤样品采集和分析测试的密度分别为1点/km2、1点/4 km2,累计完成调查面积2.99万km2,获取区域土壤调查和测试数据8 273个。在海东市湟水谷地西宁—乐都一带、黄河谷地循化—化隆一带、海西州柴达木绿洲区和海北州门源盆地开展了1:5土地质量地球化学调查和生态地球化学评价,采样密度为4~8点/km2,完成调查面积4 357 km2,获取区域土壤调查和测试数据18 444个。在平安、乐都、循化、尖扎、化隆等地区开展了1:1万土地质量地球化学调查评价,采样密度为16~32点/km2,完成调查面积575 km2,获取区域土壤调查和测试数据8 133个(图1)。在系统采集土壤样品的同时,还配套采集了480套小麦、油菜籽、豌豆、大蒜、牧草等农产品与对应的根系土样品。
图1
图1
青海东部不同比例尺工作区空间示意
Fig.1
Spatial diagram of different scale workspaces in eastern Qinghai
3 青海省土壤Se含量特征
3.1 土壤pH特征
1:25万调查区覆盖的土壤类型和土地利用类型丰富,能代表面积性土壤特征。故采用1:25万调查数据进行面积性统计分析,用来揭示青海土壤特征。统计土壤pH值处于4.87~9.86,中位值为8.15。按土壤酸碱度划分标准对数据进行分类统计,并用GeoExpl软件绘制土壤pH空间分布图,具体见表2和图2。结果显示,酸性土壤占1%,中性土壤占14%,碱性土壤占85%,其中强碱性占14%。青海省土壤酸碱性分布以碱性为主,且各区间中位值均向碱性和强碱性靠近,强碱性占据比例较大。空间分布上碱性土壤主要分布在湟水河两岸川水谷地及两侧浅山—脑山区,门源盆地川水谷地、浅山—脑山区和黄河流域川水谷地、浅山—脑山区。碱性土分布区与青海省主要农耕区在空间上高度吻合。中酸性土壤多分布在拉脊山、达坂山、刚察山区和贵德—循化南山等高山区。小麦、油菜、大蒜根系土的pH中位值为8.53,牧草根系土的pH处于中酸性区间的中位值为7.16,处于碱性区间的中位值为8.23。
表2 土壤pH值分布及样本数占比统计
Table 2
| 参数 | 酸性 pH<6.5 | 中性 6.5≤pH≤7.5 | 碱性 7.5<pH≤8.5 | 强碱性 pH>8.5 |
|---|---|---|---|---|
| 中位值 | 6.37 | 7.1 | 8.15 | 8.65 |
| 样品数 | 92 | 1175 | 5835 | 1171 |
| 占比 | 1% | 14% | 71% | 14% |
图2
3.2 土壤Se含量特征
统计青海省1:25万调查数据的Se含量特征,能更好地反映区域上土壤Se的背景含量。土壤Se处于0.02×10-6~2.31×10-6,平均值为0.20×10-6。Se中位数为0.19×10-6,累频75%值为0.23×10-6 。变异系数为50%,属于强度变异,提示有Se异常区存在。将原始数据剔除3倍离差后的数据集统计其平均值为0.20×10-6,即青海省东北部土壤Se背景值为0.20×10-6(表3)。
表3 土壤Se含量特征值统计
Table 3
| 类型 | 样品数 | 最小值/10-6 | 最大值/10-6 | 平均值/10-6 | 中位数/10-6 | 累频75%值/10-6 | 变异系数 | 背景值/10-6 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 特征值 | 8273 | 0.02 | 2.31 | 0.20 | 0.19 | 0.23 | 0.50 | 0.20 |
将土壤Se数据经过空间处理,用GeoExpl软件绘制土壤Se空间分布图(图3)。图中指示,在青海东部平安—乐都一带、拉脊山一带、门源盆地、达坂山一带、青海湖北部形成5处土壤高Se带。结合成土母质分布(图4)分析得出,平安—乐都一带富Se土壤来源于古近系西宁组地层风化物,西宁组地层是在干旱的盐水湖相沉积环境下形成的,该区土壤pH属碱性—强碱性,主要作物有小麦、油菜、大蒜等。拉脊山一带土壤母源为中基性火山岩,土壤呈中性,产出牧草资源。门源盆地富Se土壤母质为第四系冲洪积物,土壤呈碱性—强碱性,主要作物有油菜。而在达坂山一带土壤母源为中基性、中酸性火山岩,土壤呈中酸性,以天然牧草为主要产物。青海湖北部刚察县土壤母源为中酸性侵入岩、变质岩等,土壤呈中酸性,以天然牧草为主要产物。
图3
图4
3.3 土壤Se形态特征
土壤Se形态数据来自海东平安—乐都耕地区[20]。表4列出了Se的7种形态含量特征及占总Se含量的百分比。数据显示,Se的形态数据均出自碱性土壤,各形态占比大小排序为残渣态Se>强有机态Se>腐殖酸态Se>水溶态Se>碳酸盐态Se>离子交换态Se>铁锰氧化态Se。水溶态、离子交换态和碳酸盐态Se易于被植物吸收,三者加和作为土壤有效Se的水平指示指标[21],青海省碱性土中有效Se所占全Se比例为2.98%~21.34%,平均值为9.44%。而郎春燕等[21]对成都东郊稻田土壤Se形态数据显示,水溶态、离子交换态和碳酸盐态Se加和所占总Se比例在3%左右。强有机态、腐殖酸态和残渣态Se一般不利用植物吸收,三者加和作为土壤无效Se的水平指示指标[21],青海省碱性土中无效Se占全Se比例为89.09%,而郦逸根等[22]在研究浙江富硒水稻土中无效Se占比为93.15%。由此对比得出,青海省碱性土呈有效Se高、无效Se低的特征。
表4 Se形态特征值统计(n=50)
Table 4
| 指标 | 区间/10-6 | 平均值/10-6 | 百分比/% |
|---|---|---|---|
| 水溶态Se | 0.001~0.038 | 0.012 | 3.3 |
| 离子交换态Se | 0.001~0.036 | 0.011 | 3.1 |
| 碳酸盐态Se | 0.002~0.033 | 0.011 | 3.1 |
| 加和1) | 0.004~0.107 | 0.034 | 9.5 |
| 腐殖酸态Se | 0.011~0.159 | 0.052 | 14.3 |
| 强有机态Se | 0.012~0.775 | 0.143 | 31.8 |
| 残渣态Se | 0.055~0.627 | 0.172 | 43.0 |
| 加和2) | 0.078~1.561 | 0.367 | 89.1 |
| 铁锰氧化态Se | 0.001~0.016 | 0.005 | 1.5 |
| 全Se | 0.113~1.846 | 0.443 | 100 |
| pH | 7.99~9.06 | 8.56 | — |
注:pH值无量纲;加和1) 表示水溶态、离子交换态和碳酸盐态Se含量;加和2) 表示腐殖酸态、强有机态和残渣态Se含量。
4 青海省根系土与作物Se含量特征
4.1 小麦—根系土Se含量线性模型
小麦是青海省的大宗作物,也是粮食作物的代表。以小麦为例,收集整理平安—乐都区高硒地区小麦与根系土协同数据161套。通过数据分析,得出根系土Se和小麦Se的线性关系及拟合方程(图5)。
图5
图5
小麦与根系土Se的线性模型(n=161)
Fig.5
Linear model of Se in wheat and root soil(n=161)
《青海省农产品硒含量分类标准》(T/QAS 011—2020)[23]中规定粮食类农产品(含小麦)的Se含量达到0.08×10-6为富硒产品。以小麦Se含量达标下限值和小麦—根系土线性模型综合推算土壤Se含量下限值为0.23×10-6。目前,全国各地已发布的地方标准中所规定成品粮Se含量下限值变化于 0.02×10-6~0.15×10-6,中位数为0.07×1
4.2 油菜籽—根系土Se含量线性模型
油菜籽是海东、海北、海西主要的油料作物,具有空间均匀性和代表性。以油菜籽为例,收集整理平安—乐都区高硒地区油菜籽与根系土协同数据173套。通过数据分析得出根系土Se和油菜籽Se的线性关系及拟合方程(图6)。
图6
图6
油菜籽与根系土Se的线性模型(n=173)
Fig.6
Linear model of Se in rapeseed and root soil(n=173)
《青海省农产品硒含量分类标准》(T/QAS 011—2020)[23]中规定油菜籽的Se含量达到0.05×10-6为富硒油菜籽。以油菜籽Se含量达标下限值和油菜籽—根系土线性模型综合推算土壤Se含量下限值为0.17×10-6。以土壤Se为0.23×10-6时,由油菜籽—根系土线性模型推算油菜籽Se含量为 0.076×10-6,达到了油菜籽的富硒标准要求。
4.3 豌豆—根系土Se含量线性模型
豌豆是青海豆类的代表,在青海浅山—脑山区均有种植。以豌豆为例,收集整理平安—乐都区高硒地区豌豆与根系土协同数据88套。通过数据分析,得出根系土Se和豌豆Se的线性关系及拟合方程(图7)。
图7
青海省农产品硒含量分类标准(T/QAS 011—2020)[23]中规定豌豆的Se含量达到0.05×10-6为富硒产品。以豌豆Se含量达标下限值和豌豆—根系土线性模型综合推算土壤Se含量下限值为 0.221×10-6。以土壤Se为0.23×10-6时,由豌豆—根系土线性模型推算油菜籽Se含量为0.051×10-6,达到了豌豆的富硒标准要求。
4.4 大蒜—根系土Se含量线性模型
大蒜是青海省东部和海西主要的作物种类,能代表调味品,也是地下食用作物的代表。以大蒜为例,收集整理平安—乐都区高硒地区大蒜与根系土协同数据35套。通过数据分析,得出根系土Se和大蒜Se的线性关系及拟合方程(图8)。
图8
青海省农产品硒含量分类标准(T/QAS 011—2020)[23]中规定大蒜的Se含量达到0.03×10-6为富硒产品。以大蒜Se含量达标下限值和大蒜—根系土线性模型综合推算土壤Se含量下限值为0.23×10-6。
4.5 牧草—根系土Se含量特征
将牧草—根系土协同样品按照pH进行分类统计,表5显示,牧草根系土pH值以中性为主。中酸性土壤中牧草Se富集系数均值为53.6%,碱性土壤中牧草富集系数均值为57.2%。随着土壤碱性程度的加大,牧草对根系土Se的吸收程度加强。假设牧草Se恒定,根据牧草在不同酸碱性土壤中的富集系数差异,以碱性土的Se含量值可推算出中酸性土壤Se的对应下限值。以碱性土0.23×10-6的Se含量为基准,推算得出中酸性土壤Se值为0.25×10-6。综合参考全国已发布的富硒土壤标准,结合青海中酸性土壤更加偏中性并倾向碱性,且产出的农产品以强聚Se的牧草为主,建议青海中酸性土壤的富Se推荐值为0.25×10-6。
表5 牧草—根系土Se特征值统计
Table 5
| pH | 样本数 | 酸碱性 | pH | 富集系数/% | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最大值 | 最小值 | 平均值 | 最大值 | 最小值 | 平均值 | ||||
| pH≤7.5 | 7 | 中酸性 | 7.37 | 6.47 | 6.96 | 73.3 | 25.4 | 53.6 | |
| pH>7.5 | 16 | 碱性 | 8.85 | 7.78 | 8.24 | 89.5 | 40.7 | 57.2 | |
5 青海省富硒土壤Se含量标准建议
5.1 基于作物—根系土Se线性模型的土壤富硒标准确定
5.1.1 碱性土的土壤富硒标准确定
青海省区域性土壤Se背景值为0.20×10-6,累计频率统计75%的Se值为0.23×10-6。基于小麦Se与根系土Se的线性模型,当小麦达到0.08×10-6的青海地方标准所要求土壤Se含量为0.23×10-6。基于油菜籽Se与根系土Se的线性模型,油菜籽达到0.05×10-6的青海地方标准所要求土壤Se含量为0.17×10-6。基于豌豆Se与根系土Se的线性模型,豌豆达到0.05×10-6的青海地方标准所要求土壤Se含量为0.221×10-6。基于大蒜Se与根系土Se的线性模型,大蒜达到0.03×10-6的青海地方标准所要求土壤Se含量为0.23×10-6。
综上所述,推荐青海富硒土壤Se含量要求为0.23×10-6。
5.1.2 中酸性土的土壤富硒标准确定
以碱性土壤富硒含量推荐值0.23×10-6为基准值,综合牧草在中酸性和碱性土中的富集系数差异,推算中酸性土壤中硒的对应含量值为0.25×10-6。假设以0.25×10-6作为青海中酸性土壤富硒推荐值,按牧草富集系数53.6%推算,对应牧草Se值为0.134×10-6。该值满足《青海省农产品硒含量分类标准》(T/QAS 011—2020)[23]中牧草富硒含量下限值0.1×10-6的要求。
全国已发布的富硒土壤标准中,多数富Se推荐值为0.4×10-6。但青海中酸性土壤更加偏中性并倾向碱性,且产出的农产品以强聚Se的牧草为主,建议青海中酸性土壤的富Se推荐值为0.25×10-6。此值符合高原牧草产业实际,且更加凸显青海富硒土壤的天然优势。
5.2 基于人群Se摄入量估算的土壤富硒标准确定
综上所述,基于人体对Se的摄入量要求,综合小麦能供给成年居民对碳水化合物日需求量和小麦—根系土线性模型推算土壤Se含量下限值为 0.224×10-6。
6 结语
基于全文中关于富硒土壤硒含量标准值的讨论结果,以富硒土壤服务富硒产业发展为指导,青海有85%的土壤处于碱性,且强碱性土壤广泛分布,青海省富硒土壤标准建议在碱性条件下大于(等于) 0.23×10-6,在中酸性条件下大于(等于)0.25×10-6。建议青海尽快出台相关的富硒地方标准,科学认定富硒土壤,高效指导富硒产业发展,为高原农牧业高质量发展提供技术支撑。
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