0 引言
硒(Se)被喻为“主宰生命的微量元素”,具有保护心脏、抗氧化、防衰老、增强人体免疫力、解毒、防癌、抗癌等多种功用[1⇓⇓⇓-5],研究土壤Se分布及其地球化学特征是近期国内应用地球化学领域的一大热点[6⇓⇓⇓⇓⇓⇓-13]。富硒土壤作为一种特殊的自然资源,深受各地重视,围绕富硒土壤及其开发利用的环境地球化学评价更是中国地质调查局近期主导的一大民心工程,国内许多地区都有这方面的研究成果或文献报道[13⇓⇓⇓⇓⇓-19]。研究富硒土壤一方面可为了解我国土壤Se分布规律提供思路或依据,另一方面也可为科学利用珍贵的富硒土地资源提供技术支撑。中国地质调查领域在近20年来涌现出丰富的富硒土壤研究及开发利用成果,是缘于21世纪初开展的多目标区域地球化学调查及其后续的土地质量地球化学评价等工作,作为这一重大工程的组成部分,银川平原也完成了多目标区域地球化学调查,并通过对重点地区的土地质量生态地球化学评价在石嘴山地区发现了大片富硒土壤。与我国南方酸性环境下的富硒土壤有所不同,新发现的富硒土壤产于较典型的碱性环境,是黄河流域中上游富硒土壤的一个代表。之前也有过宁夏境内富硒土壤的报道[13],但甚少涉及富硒土壤对农作物的影响。在对宁夏石嘴山地区新获得的土壤Se等元素地球化学调查数据、农产品Se等微量元素分布数据进行系统分析整理的基础上,本文拟对当地富硒土壤元素地球化学特征及其开发利用前景等做进一步探讨,期望能为有效开发利用当地的富硒土地资源提供依据,也为外界了解银川平原的土壤富Se状况、丰富人们对黄河中上游碱性环境富硒土壤的生态地球化学认识等提供新的线索与借鉴。
1 区域背景及主要研究方法
1.1 区域背景
研究区位于银川平原北部,地处黄河中上游,隶属宁夏回族自治区石嘴山市,被誉为“塞上煤城”。石嘴山市还是宁夏唯一的荣获“国家森林城市”称号的地级市,总面积7 200 km2,地势西高东低,海拔在1 090~3 476 m之间,按地形地貌类型,从西向东依次分布有贺兰山东麓山前洪积扇、洪冲积平原、黄河冲积平原和鄂尔多斯台地。研究区属典型的中温带大陆性干旱气候,降水少,蒸发强,年平均降水量在167.5~188.8 mm,年蒸发量在1 708.7~2 512.6 mm,蒸发量是降水量的10~14倍。地表水体主要有黄河以及引黄灌渠及排水沟。境内有主干渠7条:唐徕渠、惠农渠、西干渠、昌滂渠、第二农场渠、官泗渠、工农大渠,引水量历年约10亿m3,灌溉面积约120万亩,是全市主要农业灌溉水源。农业灌溉以引黄自流灌溉为主,局部辅以地下水灌溉。全市农作物种植面积约164万亩,粮地约100万亩,稻田约23万亩。
2004年以来,先后在研究区及其附近完成了1∶250 000多目标区域地球化学调查、“银川平原环境中Se对人和动物健康的影响”等项目,特别是“富硒土地质量调查评价(1∶50 000)”项目的实施,系统取得了大量的当地富硒土壤元素分布基础数据,为本次研究提供了翔实的资料。新增的1∶50 000加密调查占地1 050 km2,分布于黄河与贺兰山之间,其成土母质类型以灌水淤积为主,主要的土壤类型有灌淤土、潮土、盐土、碱土、灰钙土和风沙土等,其中灌淤土分布面积最大,达到422 km2,占调查区面积的40.2%,其次为盐土265 km2,占调查区面积的25.25%。通过多年的各类地球化学调查工作,已在石嘴山市境内圈定了约705 km2的富硒土地(如图1所示)。相关区域内的大宗农产品包含水稻、小麦、玉米、蔬菜等。
图1
图1
研究区区域位置(a)及土壤富硒区分布(b)
Fig.1
Regional location (a) and distribution of Se-riched soil (b) in the study areas
1.2 主要研究方法
土壤采样:按照1∶50 000工作比例尺要求进行,实行近似网格化采样,采样网格为333 m×333 m,基本采样密度为9个样/km2。按“十字型”采集5个子样,等份组合成一个混合样,每个子样点的采样部位、样品质量、采样深度(0~20 cm)均一致。样品介质为耕层土壤,采样粒径-20目,样品质量≥400 g。每个样品采完后,清除干净采样工具上的泥土,再进行下一个样品的采集。采样时间选择在农作物收获后,主要在农用地中采集。
植物采样:植物样品采集于农作物收获盛期,一般集中在7~10月份。采样类型主要为小麦、玉米、水稻籽粒、枸杞、西红柿、芹菜、韭葱、葡萄、苜蓿、芥蓝等。通常在采样点地块内采用棋盘法进行多点取样,然后等量混匀组成一个样品。大型果实采集3~10个以上的植株(即分点样),小型果实采集10~20个以上的植株。采集量以满足实验室分析要求为准,一般是谷物类为0.3~1 kg/样(干重),水果、蔬菜类为1~2 kg/样(鲜重)。
植物根系土采样:在与植物样品对应的植株根部采集,农作物根系土样品采集深度为0~20 cm,样品粒径-20目,样品质量≥400 g。
样品分析测试:土壤样品测试Se、B、Mo、F、Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、As、Hg、pH、有机质、CEC、有效Se、有效B等指标,其中电位法测定土壤pH值,其余元素含量分析以电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)为基本手段,辅以原子荧光光谱法(AFS)、交流电弧—发射光谱法(ES)、离子选择性电极法(ISE)、高频燃烧红外吸收法(HFIR)、容量法(VOL)、催化分光光度法(COL)等。土壤Se及其有效Se均采用AFS分析,有效Se采用磷酸二氢钠标准液浸取。植物样品测试Se等10个指标,其测试方法及其元素含量检出限见表1。土壤样品与植物样品均按照规范要求进行预处理,制成清液后再上机测试。整个样品分析测试过程采用加标样、密码样、随机抽查等方式控制其分析质量。利用原始样品与对应重复样品分析数据之间的相对误差Dr进行测试分析质量评估:Dr=|A1-A2|/[1/2×(A1+A2)]×100,Dr为重复样相对双差,A1为原始样检测结果,A2为重复样检测结果。要求有效态Dr≤50为合格,合格率须达到85%。共采集有效态重复样192件,经计算重复样合格率为90%,符合规范要求。
表1 植物样品分析方法及检出限
Table 1
| 检测项目 | 检测方法 | 检出限 | 检出限要求 | |
|---|---|---|---|---|
| 大米、 稻谷 | 脱水 蔬菜 | |||
| Pb | 石墨炉原子吸收光谱法 | 0.005 | 0.1 | 0.1 |
| Cd | 石墨炉原子吸收光谱法 | 0.003 | 0.10 | 0.03 |
| Hg | 原子荧光光谱法 | 0.0001 | 0.010 | 0.005 |
| As | 电感耦合等离子体质谱法 | 0.005 | 0.3 | 0.3 |
| Cu | 火焰原子吸收光谱法 | 0.02 | 1.0 | 1.0 |
| Zn | 火焰原子吸收光谱法 | 0.4 | 1.0 | 1.0 |
| Ni | 石墨炉原子吸收光谱法 | 0.004 | 0.1 | 0.1 |
| Cr | 石墨炉原子吸收光谱法 | 0.01 | 0.5 | 0.2 |
| F | 离子色谱法 | 0.05 | 1.0 | 1.0 |
| Se | 氢化物原子荧光光谱法 | 0.005 | 0.005 | 0.005 |
2 样品分析结果与讨论
2.1 区域土壤Se分布
石嘴山地区土壤Se含量介于(0.018~1.8)×10-6,平均含量为0.26×10-6,与全国土壤Se均值相当,对应的土壤pH值介于7.5~10.4,属于典型的碱性土壤环境;土壤有机质(SOM)含量普遍不高,介于0.06%~10.26%,平均含量1.5%;其他元素的统计结果如表2所示。按照宁夏的地方富硒土壤标准[20],土壤Se含量≥0.222×10-6即可划分为富硒土壤,以此在研究区共圈定富硒土壤705 km2,分布范围如图2所示。渠口—头闸镇—灵沙—礼和一线之西北地区为当地富硒土壤的大片分布区,陶乐镇—红崖子一线之东南为主要的贫硒土壤分布区(其土壤Se含量普遍小于0.116×10-6)。富硒土壤主要由灌淤土、灰钙土加少量的盐土、潮土等组成,形成富硒土壤的成土母质为当地的黑色岩系风化所致。在新圈出的富硒土壤中,有一部分为耕地,不同地段富硒区的土壤Se含量及富硒耕地占比也不尽相同,例如大武口区土壤Se平均含量为0.372×10-6,其富硒耕地占比(耕地占整个富硒土壤区的比例,余同)为26%,而惠农区土壤Se平均含量为0.332×10-6,其富硒耕地占比为29%。富硒土地中的富硒耕地无疑具有更高的开发利用价值。
表2 石嘴山土壤Se等元素基本地球化学参数统计
Table 2
| 参数 | Se | Mn | Cu | Zn | Cd | Hg | As | Pb | Cr | 有机质 | pH |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最小值 | 0.018 | 4.69 | 7.44 | 0.91 | 0.03 | 0 | 2.90 | 11.40 | 2.86 | 0.06 | 6.88 |
| 最大值 | 1.800 | 1500.00 | 49.08 | 138.60 | 0.58 | 0.65 | 19.77 | 50.00 | 93.21 | 10.26 | 10.40 |
| 平均值 | 0.260 | 597.60 | 22.54 | 65.56 | 0.19 | 0.03 | 11.98 | 21.57 | 60.69 | 1.50 | 8.61 |
| 标准差 | 0.120 | 124.80 | 5.00 | 14.43 | 0.06 | 0.02 | 3.04 | 3.47 | 11.92 | 0.68 | 0.31 |
| 变异系数 | 0.46 | 0.21 | 0.22 | 0.22 | 0.31 | 0.73 | 0.25 | 0.16 | 0.20 | 0.46 | 0.04 |
注:有机质含量单位为%,pH无量纲,其余元素含量单位为10-6。
图2
对研究区富硒土壤有关元素含量进行相关性统计分析(表3),证实土壤中Se与SOM、B、Mo等之间存在显著正相关性,在参与统计的8 835个土壤样品中,Se与SOM的相关系数r=0.643,Se与B的相关系数r=0.642,Se与Mo的相关系数r=0.695,均为显著正相关关系,但Se与pH的相关系数r=-0.376,说明Se与pH之间存在较显著的负相关性(或弱负相关性)。此外,还发现当地土壤Se与Zn、Pb、Cr、N等元素之间也存在显著正相关关系,其相关系数r全部大于0.5,土壤Se与Cd、Cu、Mn等元素之间存在较显著的正相关关系,其相关系数r介于0.37~0.45之间。上述相关性统计分析结果说明,石嘴山地区的富硒土壤中聚集了一定量Se的同时,聚集了相当数量的B、Mo、Mn、Cu、Zn等植物生长必需的矿质元素或有益微量元素,还可能同步富集了少量Pb、Cr、Cd等重金属元素,因其土壤环境中包含Pb、Cr、Cd在内的毒害重金属总体未超标,在开发利用富硒土地时可不考虑土壤重金属污染问题。关于富硒土壤(或土地)的成因及其土壤Se富集的地球化学控制因素一直是富硒土地利用潜力评价所不可回避的现实问题,前人已在富硒土壤成因及其影响因素研究方面留下了大量可查的文献[21⇓⇓⇓⇓⇓⇓-28],基本证实了在富硒区土壤中SOM和N等养分元素同Se之间多存在正相关性,pH与Se之间可能存在负相关性,土壤矿质元素、重金属元素和Se之间的相关性是受具体的成土母质、Se物质来源与迁移途径等控制。在石嘴山地区的富硒土壤中,Se除了与SOM、N等养分元素呈显著正相关性、与pH呈较显著负相关性外,还与多种矿质元素、有益微量元素、重金属等呈(较)显著正相关性,这在之前报道的类似文献中并不常见,推测石嘴山富硒土壤的形成与黄河中上游局部存在特殊的富硒地球化学背景有关。
表3 土壤硒与各土壤理化指标之间的相关关系(n=8835)
Table 3
| 指标 | 相关系数 | 指标 | 相关系数 | 指标 | 相关系数 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Li | 0.803 | N | 0.514 | Ge | 0.256 | ||
| Mo | 0.693 | F | 0.505 | MgO | 0.148 | ||
| B | 0.648 | 阳离子交换量 | 0.500 | S | 0.119 | ||
| 有机质 | 0.642 | Mn | 0.444 | As | 0.069 | ||
| TFe2O3 | 0.622 | K2O | 0.434 | 全盐量 | -0.030 | ||
| Pb | 0.582 | Cd | 0.398 | CaO | -0.035 | ||
| Zn | 0.56 | P | 0.329 | pH | -0.382 | ||
| Cr | 0.529 | I | 0.290 | ||||
| Co | 0.516 | Hg | 0.275 |
石嘴山地区的土壤有效Se含量普遍相对较高,介于(0.001 9~0.029 3)×10-6,其中介于(0.008~0.02)×10-6的有效Se占比约为70%,平均含量为0.012 9×10-6;土壤Se有效度(土壤有效Se/全Se的百分数)介于0.62%~11.48%,均值为5.05%,这部分有效Se相对容易为农作物所吸收。也就是说,在目前测试土壤有效Se的技术条件下,本地区(包括非富硒区)土壤Se中的有效Se占比为5%左右,在国内名列前茅[29]。
2.2 农作物根系土有效Se分布
1)农作物根系土有效Se含量与正常土壤的有效Se分布特征基本一致,含量介于(0.001 9~0.027 5)×10-6;农作物根系土Se有效度最大值为6.98%,平均为4.76%,与正常土壤Se有效度(5.05%)相近(表4)。
表4 石嘴山地区主要农作物及其根系土Se分布特征对比
Table 4
| 作物 | 土壤Se | 土壤Se均值 | 土壤有效Se | 有效Se均值 | 有效度/% | 作物Se | 作物Se均值 | Se生物 富集系数 | 富硒作物 样占比/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 玉米(40) | 0.12~0.31 | 0.252 | 0.0024~0.0268 | 0.0140 | 5.56 | 0.013~0.041 | 0.0225 | 0.089 | 2.50 |
| 小麦(30) | 0.10~0.48 | 0.261 | 0.0042~0.0178 | 0.0116 | 4.44 | 0.011~0.167 | 0.0453 | 0.174 | 33.33 |
| 稻籽(30) | 0.10~0.28 | 0.182 | 0.0045~0.0221 | 0.0127 | 6.98 | 0.011~0.076 | 0.0288 | 0.158 | 13.33 |
| 葡萄(20) | 0.17~0.42 | 0.272 | 0.0029~0.0196 | 0.0113 | 4.15 | 0.009~0.021 | 0.0152 | 0.056 | 40.00 |
| 枸杞(15) | 0.17~0.48 | 0.289 | 0.0072~0.0261 | 0.0158 | 5.47 | 0.013~0.024 | 0.0160 | 0.055 | 40.00 |
| 苜蓿(15) | 0.19~0.72 | 0.370 | 0.0053~0.0245 | 0.0136 | 3.68 | 0.010~0.024 | 0.0163 | 0.044 | 66.67 |
| 芹菜(15) | 0.22~0.34 | 0.263 | 0.0099~0.0171 | 0.0129 | 4.91 | 0.014~0.040 | 0.0213 | 0.081 | 46.67 |
| 西红柿(15) | 0.21~0.76 | 0.405 | 0.0019~0.0254 | 0.0116 | 2.86 | 0.008~0.020 | 0.0105 | 0.026 | 26.67 |
| 芥蓝(15) | 0.08~0.41 | 0.246 | 0.0043~0.0275 | 0.0109 | 4.43 | 0.009~0.032 | 0.0180 | 0.073 | 33.33 |
| 韭葱(15) | 0.18~0.28 | 0.254 | 0.0088~0.0212 | 0.0131 | 5.16 | 0.013~0.029 | 0.0181 | 0.071 | 46.67 |
注:Se含量单位为10-6;生物富集系数=作物Se/土壤Se;富硒作物样占比=富硒样品数/总抽检样品数;参考GB/T 22499—2008和DB/T 1221—2016,玉米、小麦、稻籽等粮食作物富硒标准为籽粒Se大于0.04×10-6,枸杞、葡萄、芹菜等果蔬作物富硒标准为食品Se大于0.01×10-6。
2)土壤有效Se同全量Se之间呈现较显著的正相关性,相关系数r=0.39,而有效Se同土壤SOM、CEC、N呈显著正相关性,相关系数r分别达到0.50、0.334、0.535(如图3所示)。
图3
图3
根系土壤有效Se与土壤全Se、SOM、CEC、N相关性统计分析结果
Fig.3
Scatter plots of effective selenium content vs Se, SOM, CEC and N in root soil
3)不同农作物根系土的有效Se含量存在一定差异,种植区域的不同可能是影响因素之一,如枸杞产地的土壤有效Se含量最高,一般为(0.007 2~0.026 1)×10-6,平均达到0.015 8×106(表4),应与其种植区域的土壤pH值相对较高有关。
2.3 相关农作物Se分布特点
采集小麦、水稻样品各30件,在局部富硒耕地中检测到天然富硒稻籽4件、富硒小麦籽粒10件,由天然富硒稻籽与小麦籽粒的系统采样分析结果(表5),可基本断定小麦籽粒吸收土壤Se的能力要强于水稻籽粒。由该表可以看出,稻籽的Se含量为(0.043~0.076)×10-6,所对应土壤样品的Se介于(0.17~0.25)×10-6,可见富硒稻籽样本所对应的土壤Se含量并非全部达到富硒土壤标准(足硒标准为(0.175~0.222)×10-6);小麦籽粒的Se含量为(0.04~0.167)×10-6,所对应土壤样品的Se含量介于(0.24~0.48)×10-6,总体而言这批富硒小麦籽粒样品所对应的土壤Se含量全部达到了当地富硒土壤标准[20](土壤Se含量≥0.222×10-6)。根系土壤有效硒含量相差不大,但作物硒与土壤有效硒含量关系不明显。另外,富硒稻籽与小麦籽样品中,Cd、Hg、As、Pb、Cr等毒害重金属的含量均不超标,表明当地所产的天然富硒稻籽与小麦不仅是营养食品,还属于绿色安全食品,这与当地富硒土壤中重金属含量均不超标是一致的,也更加证实了这些天然富硒食品的利用价值。
表5 石嘴山地区天然富硒粮食及其根系土采样分析结果
Table 5
| 样号 | 粮食 | 根系土 | ||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Se | Cd | Hg | As | Pb | Cr | Cu | Zn | Se | Se-B | pH | SOM | |||||||||||
| 稻籽 | 0.076 | 0.0076 | 未检出 | 未检出 | 0.1870 | 未检出 | 52.1 | 25.1 | 0.24 | 0.0119 | 8.59 | 1.25 | ||||||||||
| 稻籽 | 0.050 | 0.0031 | 未检出 | 未检出 | 0.0689 | 未检出 | 53.2 | 17.4 | 0.25 | 0.0196 | 8.33 | 6.84 | ||||||||||
| 稻籽 | 0.044 | 0.0038 | 0.0034 | 未检出 | 0.0816 | 未检出 | 20.2 | 19.2 | 0.20 | 0.0116 | 7.98 | 1.31 | ||||||||||
| 稻籽 | 0.043 | 0.0022 | 未检出 | 未检出 | 0.0508 | 未检出 | 20.4 | 13.0 | 0.17 | 0.0103 | 8.17 | 1.06 | ||||||||||
| 小麦 | 0.167 | 0.0095 | 未检出 | 0.020 | 0.0214 | 未检出 | 6.52 | 20.8 | 0.24 | 0.0177 | 9.17 | 1.91 | ||||||||||
| 小麦 | 0.083 | 0.0172 | 0.0064 | 0.303 | 0.4570 | 0.2800 | 21.6 | 26.4 | 0.27 | 0.0132 | 8.56 | 2.40 | ||||||||||
| 小麦 | 0.074 | 0.0102 | 未检出 | 未检出 | 0.0179 | 0.0405 | 5.41 | 24.2 | 0.44 | 0.0178 | 8.41 | 3.49 | ||||||||||
| 小麦 | 0.073 | 0.0149 | 未检出 | 未检出 | 0.0120 | 未检出 | 5.54 | 20.2 | 0.48 | 0.0130 | 8.52 | 2.06 | ||||||||||
| 小麦 | 0.052 | 0.0111 | 未检出 | 未检出 | 0.0167 | 0.0429 | 6.40 | 21.0 | 0.27 | 0.0102 | 8.56 | 1.79 | ||||||||||
| 小麦 | 0.047 | 0.0119 | 未检出 | 未检出 | 0.0120 | 未检出 | 5.44 | 17.5 | 0.29 | 0.0131 | 8.41 | 2.28 | ||||||||||
| 小麦 | 0.045 | 0.0152 | 0.0171 | 0.0085 | 0.0509 | 0.0830 | 11.7 | 27.0 | 0.24 | 0.0119 | 8.47 | 2.06 | ||||||||||
| 小麦 | 0.044 | 0.0194 | 未检出 | 未检出 | 0.0295 | 0.0724 | 4.98 | 14.8 | 0.31 | 0.0073 | 8.72 | 1.03 | ||||||||||
| 小麦 | 0.042 | 0.0100 | 未检出 | 未检出 | 0.0166 | 0.0410 | 6.43 | 24.2 | 0.27 | 0.0110 | 8.52 | 1.97 | ||||||||||
| 小麦 | 0.040 | 0.0089 | 0.0082 | 未检出 | 0.0095 | 0.0501 | 7.11 | 17.8 | 0.35 | 0.0147 | 8.63 | 1.85 | ||||||||||
注:“Se-B”为土壤有效Se,含量单位为10-6,pH无量纲,SOM(有机质)含量单位为%。目前国内富硒米、麦的标准是籽粒Se大于0.04 ×10-6,参见GB/T 22499—2008;表中所列小麦是为小麦籽粒,余同。
石嘴山富硒土壤调查中除了检测天然富硒稻籽、小麦等粮食样本外,还检测了枸杞、葡萄、芹菜、韭葱等果蔬类富硒食品,表5对比了当地最新检出的主要富硒作物有关样本的Se分布情况及其相关参数统计结果,从该表所列统计数据中不难看出:
1)富硒农作物大多产于富硒土壤中,表明土壤富硒是导致农作物富硒的物质基础;各类农作物根系土有效Se含量范围较宽(极值相差十几倍),但其均值却相差不大(介于(0.010 9~0.015 8)×10-6)。
2)不同农作物吸收土壤Se的能力是不同的,各类农作物吸收土壤Se的生物富集系数(植物Se/土壤Se之比值,余同)平均值排序是小麦﹥水稻﹥玉米﹥芹菜﹥芥蓝﹥韭葱﹥葡萄﹥枸杞﹥苜蓿﹥西红柿,说明农作物籽粒的富硒能力明显高于果蔬类,其中稻籽与小麦吸收土壤Se的能力最强,作为富硒土壤所在地的主要农作物,这对于开发利用当地的富硒土壤资源是很有利的。
3)抽检的农作物中,小麦籽粒的最高Se含量与平均Se含量都是最高的,进一步证实了小麦吸收土壤Se的能力最强,与其生物富集系数均值排在第一位是一致的。
4)富硒农作物样占比排在前三名的依次为苜蓿、芹菜、韭葱,其中芹菜与韭葱并列第二;在小麦、水稻、玉米这3类主要粮食作物中,其富硒样品占比排序也是小麦﹥水稻﹥玉米。本地区的主要粮食作物富硒样品占比普遍低于果蔬类作物(与其富硒能力是矛盾的),可能与粮食作物的富硒食品标准远高于果蔬类作物有关系(本次执行的富硒食品标准中,粮食富硒的限定标准比果蔬类作物高出4倍)。
5)小麦种植区多分布于西部(贺兰山),水稻种植区多分布于东部(黄河),而土壤硒含量分布特征在区域上呈明显的西高、东低,造成作物采样点土壤硒含量的差异(小麦0.261×10-6、水稻0.182×10-6)很大,应是稻籽富硒占比偏低的原因之一。
除此之外,通过相关性统计分析还发现,粮食样品(稻籽、小麦、玉米)的Se含量与土壤Se之间存在较显著正相关性,其相关系数r大于0.3,但粮食样品Se含量与其土壤有效Se之间的正相关性反而不显著,相关系数r小于0.1;果蔬类样品Se含量与其土壤Se、土壤有效Se之间均未发现显著相关性,其相关系数的绝对值全部小于0.1。这可能与参与统计的样本数量偏少有关,也可能与本地区不同农作物吸收土壤Se控制机制的特殊性有关,有待做进一步的专题研究。
3 富硒土壤利用前景
开发富硒土地资源对于宁夏这个西部少数民族地区而言,具有特别重要的现实意义,但在有效开发富硒土地资源之前,我们必须对富硒土壤的成因、产出条件及影响富硒土地资源开发的主要因素等做一个客观全面的分析。依据前人的有关经验,地质、地球化学背景及成土母质[15,24]、土壤富硒的先天物质来源[11,19,25]、土地利用类型[33]、降雨(尘)[34]、水土流失[35]、土壤成因及农作物品种[36]等都可能成为影响富硒土地资源开发利用的重要因素,尤其是当今强调绿色发展和乡村振兴的时代,更应该加强对石嘴山地区这类天然富硒土壤的开发应用与研究。石嘴山地区分布的天然富硒土壤既是银川平原新圈定的富硒土地资源的一部分,更是我国黄河流域中上游地区碱性土壤环境下值得开发的珍贵富硒土地资源的一个代表,其土壤富硒的物质来源目前还不能完全确定,但基本能确定当地富硒土壤主要是自然形成,土壤中聚集的Se可能来自某些天然富硒地层的风化与搬运沉积。本地区的富硒土壤具有分布广、基本不存在重金属超标、Se与多个有益元素之间存在显著正相关性、产有多种富硒作物等优势,其基本特征总结列于表6。可以推断,石嘴山及其附近的大面积天然富硒土地资源具有极高的开发利用价值,可望为当地乡村振兴提供重要助力。
表6 石嘴山地区富硒土壤资源基本特征
Table 6
| 资源属性 | 主要特征 | 代表性参数 | 影响因素或其他 |
|---|---|---|---|
| 富硒土壤分布 | 石嘴山及所属银川平原存在大片优质富硒土地,富硒土地占比超过已调查面积的67%,其中包含大面积的耕地 | 土壤Se含量范围介于(0.0018~1.8)×10-6,平均含量0.26×10-6,与全国土壤硒平均含量相当;土壤硒有效度约为5%,高于国内多数地区 | 与贺兰山煤系地层关系密切,是黄河中上游地区代表性的天然富硒土壤之一 |
| 产出环境 | 碱性土壤环境下的多个土类同时相对富硒,富硒土类包含灌淤土、灰钙土、盐土、潮土等,土壤Se分布不均衡 | pH>7.5,w(SOM)<10.26%,土壤Se同有效Se的相关系数r=0.39;重金属元素含量低 | 土壤Se同SOM、B、Mo、Mn、Cu、Zn、Pb、Cr等存在显著正相关性 |
| 与农作物关系 | 在富硒区分析稻籽、小麦、玉米、葡萄、苜蓿、芹菜等10种天然富硒作物,以小麦吸收土壤Se能力最强。粮食样品与土壤Se之间存在较显著正相关性,但其与土壤有效Se相关性却不明显 | 麦籽Se生物富集系数最高达到0.71、平均值为0.174,天然富硒小麦样品占比达到33.33% | 富硒稻米样品占比低于小麦,可能同部分抽查样品未落在真正富硒土壤区有关,土壤富硒是农作物富硒的前提或物质基础 |
| 利用前景或潜力 | 大面积开发利用还没有真正开始,天然富硒小麦、稻米可作为最基本的开发产品,目前的天然富硒稻米选区不够理想 | 通过调整种植规划、改良土壤,提高天然富硒稻米占比(现为13.33%) | 调整规划、优选品种、改良土壤(有机质与酸碱度等),提高富硒土壤利用效率 |
结合石嘴山地区富硒土壤产出的实际特点及当前开发利用现状,今后在开发利用当地丰富的天然富硒土地资源时,需注重以下事宜:一是要提高大宗作物富硒小麦,尤其是特色作物富硒稻米(宁夏大米)的开发力度,由于目前的稻米检测数据与其所占有的富硒土地资源比例不适配,必要时可借助水稻品种优选、合理规划及土壤改良等让当地的富硒土壤生产出更多、更优质的富硒稻米和富硒小麦;二是要加强对当地富硒土地资源的整体开发保护与利用,充分利用富硒土壤促进当地的枸杞、葡萄、苜蓿等特色农作物经济效益的提升,打造具有宁夏特色的天然绿色富硒食品生产基地;三是要在开发利用这片富硒土壤时,充分利用其土壤Se与Mn、Mo、Cu、Zn等有益元素呈显著正相关的属性,综合开发利用其他相关有益元素;四是要进一步加大对地方富硒标准的研制,目前在土壤Se同有效Se之间、农作物Se同土壤有效Se之间均建立不了确切的正相关关系,这些都有可能在完善地方富硒土壤系列标准研制中得到解决,同时,针对这些问题我们已经申请了相应的系列科研项目,必定能找到其内在的特殊规律。
4 结论
1)石嘴山地区及其所属的银川平原产有丰富的天然富硒土壤资源,据不完全统计:新圈定的天然富硒土地资源总面积约为705 km2(宁夏地方富硒土壤标准0.222×10-6),包含大面积的富硒耕地;土壤有效Se占比在5%左右。
2)本区富硒土壤具有独特表征:pH大于7.5,土壤有机质含量(SOM)小于10.26%,重金属基本不超标;Se与有机质、B、Mn、Mo、Cu、Zn等呈显著正相关性,与pH呈负相关性(相关系数r=-0.38);有效Se与全Se的相关系数r=0.39,有效Se与SOM、CEC、N的相关系数在0.33~0.50。
3)在局部富硒土壤环境中发现10类富硒农产品,以小麦籽粒吸收土壤Se的能力相对最强,小麦富硒样品占比在33%以上,其吸收土壤Se的生物富集系数为0.05~0.71,均值为0.174。
4)在石嘴山地区富硒土地资源的开发利用过程中,首先应对存在问题进行系统的研究,以保护性、可持续开发为原则,以宁夏特色富硒作物(小麦、稻米、枸杞、葡萄等)为基础,制定合理的产业规划,同时加快相关地方富硒标准的研制。
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The essential trace mineral, selenium, is of fundamental importance to human health. As a constituent of selenoproteins, selenium has structural and enzymic roles, in the latter context being best-known as an antioxidant and catalyst for the production of active thyroid hormone. Selenium is needed for the proper functioning of the immune system, and appears to be a key nutrient in counteracting the development of virulence and inhibiting HIV progression to AIDS. It is required for sperm motility and may reduce the risk of miscarriage. Deficiency has been linked to adverse mood states. Findings have been equivocal in linking selenium to cardiovascular disease risk although other conditions involving oxidative stress and inflammation have shown benefits of a higher selenium status. An elevated selenium intake may be associated with reduced cancer risk. Large clinical trials are now planned to confirm or refute this hypothesis. In the context of these health effects, low or diminishing selenium status in some parts of the world, notably in some European countries, is giving cause for concern.
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Kashin-Beck disease (KBD), which is still active and severe in the Tibetan Plateau, is considered to be a kind of selenium (Se)-deficient disease. Highland barley as the most popular staple food in the Tibetan Plateau is one of the dominant Se sources for local people. To improve Se levels in crops in the Tibetan Plateau KBD area, the distribution and translocation of Se from soil to highland barley in both non-KBD and KBD endemic areas were investigated. The results showed that Se levels in highland barley were too low to meet the minimum requirements of human for daily intake of Se. The total Se concentrations of highland barley fractions in KBD areas were lower than that in non-KBD areas (grain P = 0.238; straw P = 0.087; root P = 0.008). However, no significant difference was observed in corresponding cultivated soil Se between the two areas (P = 0.993). The calculation of Se transfer factors indicated that the restricting step for Se translocation was from soil to root. Water-soluble, exchangeable and fulvic acid-bound Se fractions in the soil are key species dominating in this transfer process, according to their significant correlations with root Se. Se transfer from soil to root significantly increases as the pH value of soil increases (P = 0.007), and soil organic matter content decreases (P = 0.019). The information obtained may have considerable significance for proposing effective agricultural measures to increase grain Se in KBD endemic areas.
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