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物探与化探, 2024, 48(1): 245-254 doi: 10.11720/wtyht.2024.2403

生态地质调查

内蒙古土默特左旗典型草甸土中硒赋存形态特征

刘金宝,, 徐宏国, 袁宏伟, 张晓峰

内蒙古自治区地质调查研究院,内蒙古 呼和浩特 010020

Speciation of selenium in typical meadow soils in Tumed Left Banner, Inner Mongolia, China

LIU Jin-Bao,, XU Hong-Guo, YUAN Hong-Wei, ZHANG Xiao-Feng

Geological Survey and Research Institute of Inner Mongolia, Hohhot 010020, China

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2022-08-8   修回日期: 2023-04-14  

基金资助: 内蒙古自治区自然资源厅土地专项“内蒙古呼包平原富硒耕地开发及重金属污染治理示范”

Received: 2022-08-8   Revised: 2023-04-14  

作者简介 About authors

刘金宝(1968-),男,1992年毕业于中国地质大学(武汉)地球化学与勘查专业,高级工程师,从事金属矿产、环境、农业生态等地球化学勘查工作。Email: nmgljb@126.com

摘要

以内蒙古土默特左旗塔布赛乡表层土壤、土柱剖面等样品为研究对象,测定了土壤硒形态、有效态、理化性质等指标,据此研究了土壤硒形态、有效态组成特征及其影响因素。结果表明,表层土壤硒形态主要以腐殖酸结合态、强有机结合态和残渣态为主;阳离子交换量(CEC)、有机质、磷、钾含量与腐殖酸结合态硒含量呈正相关,全量硒含量与腐殖酸结合态硒、铁锰氧化物结合态硒、强有机结合态硒、残渣态硒含量呈正相关,均表现为促进作用;硫含量与水溶态硒含量呈负相关,表现为抑制作用;由表层至深层,各形态硒含量具有由高趋低特征;有效硒含量与全量硒、有机结合态硒、水溶态硒含量呈正相关,与硫含量呈负相关性。研究区土壤中水溶态硒含量处于高硒等级状态,生物有效性处于较高水平,适合种植、开发富硒农产品。

关键词： 硒形态; 草甸土; 土默特左旗; 内蒙古

Abstract

This study determined the speciation, available content, and physicochemical properties of selenium in soils using samples of topsoil and soil column profiles from Tabusai Township, Tumed Left Banner, Inner Mongolia, China. Accordingly, this study investigated the compositions of the speciation and available content of soil selenium, as well as their influencing factors. The results indicate that: (1) the major forms of selenium in topsoil include humic acid bound, strong organic bound, and residue forms; (2) the concentration of in the humic acid bound selenium correlates positively with the cation exchange capacity (CEC) and the concentrations of organic matter, phosphorus, and potassium; the total selenium concentration correlates positively with the concentrations of humic acid bound selenium, Fe-Mn oxide bound selenium, strong organic bound selenium, and residue selenium, all of which exhibit promotion effects; (3) the sulfur concentration correlates negatively with the concentration of water-soluble selenium, demonstrating an inhibitory effect; (4) the concentrations of selenium in various forms tend to decrease from the surface layer to the deep layer; (5) the concentration of bioavailable selenium correlates positively with the total selenium concentration, organic-bound selenium, and water-soluble selenium and correlates negatively with the sulfur concentration. The soils in the study area, featuring a high concentration of water-soluble selenium and fairly high bioavailability, are suitable for planting selenium-rich agricultural products.

Keywords： selenium speciation; meadow soil; Tumed Left Banner; Inner Mongolia

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本文引用格式

刘金宝, 徐宏国, 袁宏伟, 张晓峰. 内蒙古土默特左旗典型草甸土中硒赋存形态特征[J]. 物探与化探, 2024, 48(1): 245-254 doi:10.11720/wtyht.2024.2403

LIU Jin-Bao, XU Hong-Guo, YUAN Hong-Wei, ZHANG Xiao-Feng. Speciation of selenium in typical meadow soils in Tumed Left Banner, Inner Mongolia, China[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(1): 245-254 doi:10.11720/wtyht.2024.2403

0 引言

硒是自然界中广泛分布的一种准金属元素,具有抗氧化、增强免疫等功能[1⇓⇓-4],是人和动物必需的微量元素之一,其摄入不足或过量均会对人体及动物健康产生不良影响[5⇓⇓-8]。适量的硒还对铅、镉、汞、砷、铊等重金属元素有拮抗作用[9⇓-11]。土壤是作物硒的主要来源,土壤硒通过食物链影响人和动物的硒供应。因此,研究土壤中硒的含量分布状况及其赋存形态特征,对硒生态地球化学与生命健康具有重要意义。

河套平原是我国重要的商品粮和油料作物生产基地,多年来,研究、保护、开发土地资源一直是该区的工作重点。2016~2017年,内蒙古自治区地质调查院根据“内蒙古河套农业经济区生态地球化学调查”[12]项目取得的成果,选择在土默特左旗足硒土壤区40 km2内开展“内蒙古呼包平原富硒耕地开发及重金属污染治理示范”[13]工作。通过该项目调查发现,研究区土壤pH值的变化范围介于7.08~10.37,平均值为8.26,属于碱性—强碱性土壤;土壤硒含量介于(0.07~0.58)×10-6。按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[14]及文献[15⇓⇓⇓-19],采用0.4×10-6作为富硒土壤划分标准,研究区富硒、足硒土壤面积分别为6.385 5 km2和32.289 2 km2,分别占研究区总面积的15.96%和80.72%,表明研究区多为富硒或足硒土壤。富硒土壤集中分布于塔布赛乡小雨施格气等3个村庄的农田中。富硒土壤中种植的农作物,如玉米、打籽西葫芦和向日葵等,参照宁夏富硒农产品标准[20]中相应的农作物富硒标准,富硒率分别为55.56%、100%和100%。富硒率高的现象,重点分析和讨论研究区碱性土壤环境下硒的形态、有效态特征及影响因素,为天然碱性草甸土区硒的科学利用、富硒农产品种植开发提供科学依据。

目前,研究区工作偏重于富硒耕地开发调查评价,对于碱性土壤环境下草甸土中硒形态分布特征则涉及较少。笔者以土默特左旗天然富硒草甸土为研究对象,针对研究区草甸土富硒、作物富硒率高的现象,重点分析和讨论研究区碱性土壤环境下硒的形态、有效态特征及影响因素,为天然碱性草甸土区硒的科学利用、富硒农产品种植开发提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古中部呼包平原区,东南临大黑河,北靠阴山山脉,面积40 km2,行政隶属内蒙古呼和浩特市土默特左旗塔布赛乡,属准温带大陆性季风气候,半干旱地区,年均温度6.3 ℃,年降水量400 mm。区内主要种植玉米、打籽西葫芦和向日葵等农作物,是呼包平原粮食主产区。区内土地利用方式相同,均为水浇地。土壤质地均为粉砂质黏土,为全新统冲湖积层砂、软泥,成土母质单一。土壤类型主要为草甸土,局部为潮土(图1)。

图1

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图1   研究区土壤类型及样品点位

Fig.1   Sampling points and land type of study area


2 样品采集与分析

2.1 样品采集

研究区表层土壤样品采集及测试工作已在项目前期完成,得出研究区土壤硒含量为(0.07~0.58)×10-6,本次重点在塔布赛乡小雨施格气等3个村庄的富硒农田中采集表层土壤形态分析样、土柱剖面样品和农作物样品,采样点位如图1a、b、c所示。

表层土壤硒形态样品采集:采集农田耕作层(0~20 cm)土壤,在GPS定点点位周围10 m范围内,根据地块形状,采用梅花点法或蛇形法进行多点取样,由5个子样等量混合组成一件样品。采样时在0~20 cm上下均匀采集,以保证样品的代表性[14,21]。样品除去杂草、草根、砾石、砖块、肥料团块后装入写有编号的干净布样袋,套上聚乙烯塑料袋,以避免样品间交叉污染[21-22]。共采集形态样品14件,每件样品质量不小于1 kg。

土壤垂直剖面硒形态样品采集:在上述地区部署了23条土壤垂直剖面,其中CP18和CP22两条剖面中采集了硒形态样品。剖面由地表向下每20 cm采集1件样品,控制深度1.6 m,样品质量1 kg,共采集14件样品(表层样品除外)。采样时观察发现,土壤物质成分在垂向上变化不大。

土壤—农作物套配样品采集:研究区作物简单,主要有玉米、向日葵和打籽西葫芦。分别在玉米、向日葵和打籽西葫芦成熟期,选择研究区土壤硒含量不同地段,多点采集籽实组合成了一件样品,共采集作物样品54件,样品干质量均大于1 kg;同点位采集配套根系土样品54件,与形态样品采集方法相同。

2.2 野外加工制备

土壤样品在自然条件下晾干,使用木槌轻轻敲打、破碎,过10目(2 mm)尼龙筛,然后将样品混匀,按四分法称取200 g装入样品袋分别送至实验室,用于土壤硒形态、有效态、理化性质的测定。

农作物样品用蒸馏水冲洗1~2次,在无污染、无扬尘、通风的条件下自然风干后,凭借硬木搓板与硬木块进行手工脱粒;将脱粒后的样品反复混合均匀、缩分,将缩分好的样品装袋,用于作物硒测定;根系土样品处理方法与土壤样品相同。

2.3 分析测试方法

土壤硒形态、有效态及理化性质的测试工作由自然资源部合肥矿产资源监督检测中心完成。根据《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD2005-03)[23],土壤硒形态划分为水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸(弱有机)结合态、铁锰氧化物结合态、强有机结合态和残渣态等7种;有效态分析指标为浸提性硒,理化性质分析指标为阳离子交换量、有机质和pH值。

土壤硒形态采用分步提取法,分别用水、氯化镁溶液、醋酸—醋酸钠溶液、焦磷酸钠溶液、盐酸羟胺溶液、过氧化氢溶液、氢氟酸溶液等连续提取水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化物结合态、强有机结合态、残渣态,然后用氢化物发生—原子荧光光谱法(HG-AFS)测定;土壤有效硒(指浸提性硒)用硝酸溶液浸提,采用HG-AFS法测定;土壤pH值采用离子选择性电极法(ISE)测定;土壤有机质用重铬酸钾—硫酸溶液、砂浴加热消煮后,采用氧化还原容量法(VOL)测定;采用CEC400阳离子交换量前处理系统对样品进行前处理,Hanon K1160凯氏定氮仪对阳离子含量进行测试。

土壤硒形态、有效态采用国家一级标准物质(GBW07442、GBW07444)进行监控,精密度控制采用重复分析的方法进行监控,由自然资源部合肥矿产资源监督检测中心以密码形式插入在每一分析批次中。经检查,所有样品报出率均为100%,准确度和精密度监控样总体合格率100%,达到文献[14]的要求,数据真实可靠。土壤各形态硒及理化指标分析方法与检出限见表1。

表1   土壤中各形态硒及理化指标的分析方法与检出限

Table 1  Analysis methods and detection limits of selenium forms and physicochemical indexes in soil

指标规范要求分析方法检出限指标规范要求分析方法检出限
水溶态硒0.005AFS0.005有效硒AFS0.005
离子交换态硒0.010AFS0.010农产品硒0.005AFS0.005
碳酸盐结合态硒0.005AFS0.005根系土硒0.010AFS0.010
腐殖酸结合态硒0.005AFS0.005pH0.1*ISE0.1*
铁锰氧化物结合态硒0.010AFS0.010有机质0.1**VOL0.02**
强有机结合态硒0.005AFS0.005CEC2.5***VOL2.5***
残渣态硒0.010AFS0.010

注:“*”表示无量纲;“**”表示含量单位为10-2;“***”表示含量单位为mmol/L;其余指标含量单位为10-6;AFS为原子荧光光谱法;ISE为离子选择性电极法;VOL为容量法。

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根据测试分析数据统计,土壤连续提取的各形态硒含量之和与全量硒(全量分析硒含量)的比值介于80%~105%,表明连续分步提取过程中硒的损失符合文献[23]的要求,能够反映土壤各项结合态硒的组成特征。通过SPSS 19.0软件对各形态硒含量之和与全量硒进行Spearman等级相关系数分析,各形态硒含量之和与全量硒在置信度(双测)在0.01水平上,相关系数为0.992 3,为显著正相关,说明连续分步提取后分级测定的结果具有较高的可信度。

农产品及根系土样品中硒的测试由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所实验室完成。作物硒采用微波消解溶样,根系土硒采用HF-HNO3-HClO4溶样,采用HG-AFS法测定硒的含量,作物硒和根系土硒的检出限见表1。选择国家一级标准物质(GBW10014、GBW10015)对作物硒进行平行分析,相对误差值(RE)均≤15%,达到了内部质量控制及质量水平。根系土中硒的分析质量控制与作物硒相同,其分析质量水平达到文献[14]的要求,数据真实可靠。

2.4 数据处理

原始数据及文中表格数据利用Microsoft Excel 2016和IBM SPASS Statistics 19.0软件进行处理与统计分析,图件使用ArcMap 10.2绘制。

3 结果与讨论

3.1 土壤硒形态与有效态含量组成特征

土壤中硒形态通常是按其与土壤结合组分的不同而划分的,因此其被植物利用的难易程度也不同。土壤中硒的各形态间是可以相互转化的,与土壤结合疏松的硒是植物硒的直接来源,而与土壤结合紧密的硒也是植物可利用硒的潜在来源[24]。土壤中有效硒是指能够被植物直接吸收和利用的部分,它是决定生物体内硒含量多少的关键因素。研究区表层土壤中各形态硒及有效硒含量统计见表2。

表2   表层土壤中各形态硒及有效硒含量统计(n=14)

Table 2  Statistics content of each form of selenium and effective selenium in the surface soil(n=14)

硒形态最小值/10-6最大值/10-6算术平均值/10-6标准离差/10-6变异系数
水溶态硒0.00730.01430.00960.00180.1920
离子交换态硒0.00400.00570.00490.00050.1009
碳酸盐结合态硒0.00370.00650.00550.00080.1503
腐殖酸结合态硒0.06100.10900.08240.01710.2081
铁锰氧化物结合态硒0.00540.01090.00710.00140.2024
强有机结合态硒0.07800.15500.11100.02010.1809
残渣态硒0.08730.22160.13430.03150.2349
有效硒0.01020.01900.01360.00310.2281

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3.1.1 表层土壤有效硒含量特征

有效硒作为衡量土壤中硒有效性的指标,其含量高低反映植物对土壤硒的吸收情况。从表2可知,研究区表层土壤有效硒含量范围在(0.010 2~0.019 0)×10-6,平均含量为0.013 6×10-6,相较于浙江省中部典型富硒土壤区土壤有效硒含量[(0.016~0.020)×10-6]和武汉市侏儒—消泗地区土壤有效硒含量(0.018×10-6)略低[25-26]。

3.1.2 表层土壤各形态硒含量特征

1)水溶态硒包括可溶性无机硒和有机硒,是最易被作物吸收的有效硒。从表2、3可知,研究区表层土壤水溶态硒含量范围在(0.007 3~0.014 3)×10-6,平均含量为0.009 6×10-6,仅占表层土壤各形态硒含量之和的1.88%~3.86%。

表3   表层土壤中各形态硒所占比例

Table 3  Proportion of each form of selenium in the surface soil %

指标水溶态离子
交换态		碳酸盐
结合态		腐殖酸
结合态		铁锰氧化
物结合态		强有机
结合态		残渣态可溶态有机态难溶态三项
累加和
最大值3.862.032.3828.012.3836.2144.987.8260.0373.5593.40
最小值1.880.971.1019.081.6726.5933.204.5848.1065.2190.00
平均值2.761.441.6123.272.0131.3137.605.8054.5868.9292.19

注:可溶态硒为水溶态硒、离子交换态硒、碳酸盐结合态硒之和;有机态硒为腐殖酸结合态硒和强有机结合态硒之和;难溶态硒为强有机结合态硒和残渣态硒之和;三项累加和为腐殖酸结合态硒、强有机结合态硒和残渣态硒之和。

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谭见安等[15,27]以土壤水溶态硒的含量差异来划定土壤硒背景所属级别,将土壤水溶态硒含量区间<0.003×10-6、(0.003~0.006)×10-6、(0.006~0.008)×10-6、(0.008~0.020)×10-6和>0.020×10-6对应的土壤环境硒效应划定为缺乏、边缘、中等、高硒和硒中毒。武少兴等[28]研究认为中国土壤水溶态硒的含量均值为0.010×10-6,研究区水溶态硒平均含量(0.009 6×10-6)略低于中国土壤含量均值。按照谭见安等[15,27]分级标准,高硒临界值为0.008×10-6。研究区水溶态硒含量略低于临界值的[(0.007 3~0.007 6)×10-6]占14.29%,高于临界值的[(0.008 3~0.014 3)×10-6]占85.71%,多数属于高硒等级,能较好反映研究区的高硒土壤环境。

水溶态硒占有效硒的49.71%~95.00%,平均占比72.88%,说明水溶态硒占有效硒比例较高,可以认为研究区作物吸收的硒主要取决于土壤中的水溶态硒含量。

2)离子交换态硒主要是指吸附于土壤胶体表面的硒酸根和亚硒酸根离子,在一定条件下可释放并被植物吸收利用。从表2、3可知,研究区表层土壤离子交换态硒含量范围在(0.004 0~0.005 7) ×10-6,平均含量为0.004 9×10-6,仅占表层土壤各形态硒含量之和的0.97%~2.03%。因此,离子交换态硒对作物的富硒效应作用有限。

3)碳酸盐结合态硒一般可通过较为温和的酸将硒释放出来。研究区表层土壤属碱性—强碱性土壤,很难释放出作物可吸收利用的硒,对作物的作用极小。

4)有机结合态硒包括腐殖酸结合态硒和强有机结合态硒,主要由土壤中含硒生物体腐烂分解释放形成,主要成分为胡敏酸结合态硒(HA-Se)和富里酸结合态硒(FA-Se)[29]。表2、3数据表明,研究区表层土壤腐殖酸结合态硒含量范围在(0.061 0~0.109 0)×10-6,平均含量为0.082 4×10-6,占表层土壤各形态硒含量之和的19.08%~28.01%;强有机结合态硒含量范围在(0.078 0~0.155 0)×10-6,平均含量为0.111 0×10-6,占表层土壤各形态硒含量之和的26.59%~36.21%。

有机结合态硒占表层土壤各形态硒含量之和的48.10%~60.03%,平均占比为54.58%,因此,有机结合态硒是表层土壤硒形态的主要结合形态,与Mao等[30]、Sharmasarkar等[31]的结论相吻合,说明研究区土壤中硒的富集与有机质的活动密切相关。有关研究[32⇓-34]认为,土壤中有机态硒约占各形态硒含量之和的25%~30%,表明研究区有机结合态硒明显高于平均水平。

5)铁锰氧化结合态硒和残渣态硒二者在一般情况下极难转化成可供作物吸收利用的形态,因此对作物生长的影响甚微。

在研究区表层土壤各形态硒中,水溶态、离子交换态和碳酸盐结合态三者属于可溶态硒[35],其中水溶态硒为有效硒的主要来源,离子交换态硒和碳酸盐结合态硒在一定条件下可转化为有效硒;有机结合态硒是可溶性硒的重要来源,可视为潜在的有效硒[32]。

3.1.3 表层土壤硒赋存形态特征

从表2、3可知,表层土壤中硒的7种形态含量排序为残渣态>强有机结合态>腐殖酸结合态>水溶态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>离子交换态。土壤中各形态硒的含量差异较大,其中腐殖酸结合态、强有机结合态和残渣态的硒含量较高,均占各形态硒含量之和的20%以上;而水溶态、离子交换态、铁锰氧化物结合态、碳酸盐结合态的硒含量较低,占比皆低于3%。

水溶态硒、离子交换态硒、碳酸盐结合态硒三者之和所占比例为4.58%~7.82%,平均值为5.80%,高于成都平原区酸性—中性土壤(±3%)[36]。碳酸盐结合态硒和铁锰氧化结合态硒之和占各形态硒含量之和比例为3.62%,高于浙江省富硒水稻土(2.6%)。强有机态硒、腐殖酸结合态硒和残渣态硒这三者硒形态加和所占比例为92.19%,低于浙江省富硒水稻土(93.15%)[37]。以上对比数据说明,土默特左旗碱性富硒土壤中硒形态特征显著区别于我国东部、南部等酸性—中性富硒土壤,表现出碱性土壤比酸性—中性土壤中的硒更易于被作物吸收的特征,与张亚峰等[38]对青海东部碱性土壤中硒的形态分布特征研究一致。

研究区表层土壤中残渣态硒和强有机结合态硒累计占各形态硒含量之和的65.21%~73.55%,表明研究区表层土壤中硒形态主要为难溶态,即硒主要以稳定形式赋存在表层土壤中,与唐玉霞等[39]所得出河北地区土壤硒以强有机结合态和残渣态为主的结论相符。

3.2 土壤硒形态的垂向变化规律及其影响因素

根据研究区布设的两条土壤硒形态垂直剖面(CP18、CP22)分析数据(表4),可以看出,两条垂直剖面的含量特征基本一致。下面以CP22垂直剖面为例(图2、3),结合表4分析土壤硒形态的垂向变化规律及其影响因素。

表4   垂直土壤剖面中各形态硒含量及所占比例(n=16)

Table 4  Selenium content and proportion of each form in vertical soil profiles(n=16)

硒形态ZH6ZH10
平均值/10-6范围/10-6所占比例/%平均值/10-6范围/10-6所占比例/%
水溶态0.00680.0049~0.00922.760.00840.0048~0.01433.30
离子交换态0.00480.0040~0.00611.960.00470.0037~0.01061.85
碳酸盐结合态0.00560.0039~0.00662.260.00530.0047~0.00612.09
腐殖酸结合态0.05360.0270~0.085021.660.06130.0340~0.109023.96
铁锰氧化物结合态0.00500.0035~0.00842.000.00460.0025~0.00821.78
强有机结合态0.08790.0310~0.155035.490.07830.0380~0.128030.61
残渣态0.08390.0413~0.159833.880.09310.0318~0.167936.41
各形态硒含量之和0.24760.1179~0.4281100.000.25560.1234~0.4352100.00

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图2

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图2   CP22垂直土壤剖面中硒各形态特征对比

Fig.2   Characteristic comparison of different selenium forms in the vertical soil section CP22


图3

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图3   CP22土壤各形态硒含量随剖面深度变化特征

Fig.3   Distribution of selenium contents of various forms in the vertical soil section CP22


3.2.1 土壤硒形态的垂向变化规律

由表4可知,CP22剖面中各形态硒平均含量为残渣态>强有机结合态>腐殖酸结合态>水溶态>碳酸盐态>离子交换态>铁锰氧化物结合态。由图2可知,不同深度各形态硒比例分布基本一致,以残渣态、强有机结合态、腐殖酸结合态为主(占比累加和90.98%),其他4种形态所占比例累加和不足10%,表明CP22剖面中的硒主要赋存在腐殖质和残余晶格中[40]。

随着土壤由表层至深层,各形态硒所占比例变化较小(图2),说明受土层深度影响不明显,且土壤各形态硒含量之和随采样深度的增加而呈总体减少的趋势(图3)。

3.2.2 土壤硒形态的垂向影响因素

从图3可以看出,随着土壤由深层至表层,土壤各形态硒含量在垂向的变化趋势一致,即呈现出表层富集的特征,与宋明义等[41]的研究结论一致,这是因为成土过程中硒趋向于在高铁铝、富泥炭和腐殖质的土壤中富集。其中20~40 cm土层各形态硒含量之和(0.435 2×10-6)高于0~20 cm土层(0.370 3×10-6),表明由于淋溶作用,0~20 cm土层的各形态硒含量都有不同程度的淋失。

由表5可以看出,水溶态、腐殖酸结合态、强有机结合态、残渣态含量与全量硒、有效态硒、有机质、磷、钾、硫等含量在置信度(双测)为0.01(或0.05)水平上,相关性均为正相关,达到显著水平,说明这4种形态硒含量随以上6种指标含量升高而升高;水溶态、腐殖酸结合态、铁锰氧化物结合态、强有机结合态、残渣态含量与pH值在置信度(双测)为0.01(或0.05)水平上呈负相关,达到显著水平,说明以上5种形态硒含量随pH值升高而降低,并且随着采样深度逐渐增加,各形态硒含量也逐渐降低(图3)。

表5   CP22土壤理化指标、有效硒、全量硒与各形态硒含量Spearman等级相关系数(r)统计

Table 5  Statistical of Spearman's rank correlation coefficients (r) between soil physicochemical indicators, effective selenium, total selenium and each form of selenium in the vertical soil section CP22

指标水溶态硒离子
交换态硒		碳酸盐
结合态硒		腐殖酸
结合态硒		铁锰氧化物
结合态硒		强有机
结合态硒		残渣态硒
有效硒0.9341**0.1905-0.07190.9701**0.66670.9524**0.7619*
全量硒0.9461**0.0476-0.09580.9940**0.66671.0000**0.8810**
有机质0.8253*0.34730.00000.8916**0.46710.8743**0.6108
pH值-0.9940**-0.1190-0.0120-0.9461**-0.7381*-0.9524**-0.7619*
CEC0.15570.1429-0.11980.2156-0.28570.19050.0238
P0.9102**0.1667-0.22750.9940**0.69050.9762**0.8095*
K0.9515**0.1205-0.08490.9940**0.67470.9880**0.8314*
S0.7545*0.0238-0.22750.9102**0.59520.8810**0.8095*

注:“**”表示在置信度(双测)为0.01时,相关性是显著的;“*”表示在置信度(双测)为0.05时,相关性是显著的。

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3.3 土壤硒形态与有效态影响因素分析

3.3.1 土壤硒形态影响因素分析

土壤理化性质影响着土壤中硒赋存形态及其转化,硒在有机质、黏土矿物、铁锰氧化物等土壤组分中不断发生着吸附—解吸、沉淀—溶解、(生物)氧化—还原等过程,而这些过程均受到土壤理化性质等各种因素的影响[24]。土壤理化指标包括全量硒、有机质、pH值、阳离子交换量(CEC)、黏土矿物、宏量化学组分及质地等,讨论分析土壤理化指标与土壤硒形态含量之间的关系,可以更深入地了解土壤硒形态影响因素。研究区土壤质地为粉砂质黏土,对土壤硒形态影响有限。

土壤全量硒在很大程度上决定了土壤中各形态硒的含量。由表6可以看出,全量硒与腐殖酸结合态硒、铁锰氧化物结合态硒、强有机结合态硒、残渣态硒含量在置信度(双测)为0.01水平上,相关性为正相关,达到显著水平,说明以上4种形态硒随全量硒的升高而升高,表明全量硒对这4种形态硒的含量起决定作用。

表6   土壤理化指标、有效硒与各形态硒含量Spearman等级相关系数(r)统计

Table 6  Statistical of Spearman's rank correlation coefficients (r) between soil physicochemical indicators, effective selenium and each form of selenium in soils

指标水溶态硒离子
交换态硒		碳酸盐
结合态硒		腐殖酸
结合态硒		铁锰氧化物
结合态硒		强有机
结合态硒		残渣态硒
全量硒0.45650.0330-0.03520.8405**0.8490**0.9493**0.7877**
有机质0.10800.1716-0.32120.7107**0.50060.42730.4158
CEC0.08620.0540-0.32520.6108*0.46410.26270.2514
pH0.4823-0.4141-0.0220-0.18500.0077-0.0584-0.3612
P0.47240.1167-0.27970.6806**0.37420.44980.3216
S-0.6615**-0.13420.1276-0.2992-0.1808-0.4053-0.2772
K0.0796-0.0993-0.26930.5464*0.42370.22320.2351
黏土矿物0.1610-0.1034-0.29920.4224-0.02430.17180.1628
有效硒0.5254*-0.0859-0.11230.46480.33220.5865*0.5198

注:“**”表示在置信度(双测)为0.01时,相关性是显著的;“*”表示在置信度(双测)为0.05时,相关性是显著的。

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有机质含量与腐殖酸结合态硒含量在置信度(双测)为0.01水平上,相关性为正相关,达到显著水平,说明腐殖酸结合态硒含量随有机质含量的升高而升高,表明有机质具有吸附或富集硒而防止硒流失的能力。

阳离子交换量(CEC)与腐殖酸结合态硒含量在置信度(双测)为0.05水平上,相关性为正相关,达到显著水平,说明腐殖酸结合态硒含量随CEC的升高而升高,表明CEC高的土壤,其缓冲能力、保肥能力都较高,有利于腐殖酸结合态硒的积累。

磷、钾与腐殖酸结合态硒含量分别在置信度(双测)为0.01(或0.05)水平上,相关性为正相关,达到显著水平,说明腐殖酸结合态硒含量随磷、钾含量的升高而升高;硫含量与水溶态硒含量在置信度(双测)为0.01水平上,相关性为负相关,达到显著水平,说明水溶态硒含量随硫元素含量的升高而降低。

pH值、黏土矿物与各形态硒含量相关性不明显,可能与样品数较少(14件)以及pH值范围较小(8.33~8.85)有关。

由以上分析可知,全量硒与腐殖酸结合态硒、铁锰氧化物结合态硒、强有机结合态硒、残渣态硒含量存在正相关,起决定作用;有机质、CEC、磷和钾含量与腐殖酸结合态硒含量存在正相关,有一定的促进作用;硫含量与水溶态硒含量存在负相关,有一定的抑制作用;pH值、黏土矿物与各形态硒含量相关性不明显,影响有限。

3.3.2 土壤有效硒影响因素分析

研究表明,硒的生物有效性不仅与土壤全量硒有关,更取决于硒的形态分布特征[24,42-43]。此外,土壤硒有效性还受其他因素的影响,比如黏土矿物、pH值、CEC、宏量元素等指标(表7)。

表7   土壤理化指标与有效硒含量Spearman等级相关系数(r)统计

Table 7  Statistical of Spearman's rank correlation coefficient (r) between soil physicochemical indicators and effective selenium in soils

指标全量硒黏土矿物有机质pHCECPSK
有效硒0.6161*0.41290.33780.03960.00550.2511-0.5853*0.0916

注:参与计算样品数据为14个;“*”表示在置信度(双测)为0.05时,相关性是显著的。

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土壤全量硒是有效硒的来源,对土壤有效硒具有直接的制约作用[44]。由表7可以看出,有效硒含量与全量硒含量在置信度(双测)为0.05水平上,相关性为正相关,达到显著水平,说明硒含量较高的土壤能够提供多的可溶性无机硒和有机硒,进而作物可吸收更多的有效硒。

由表6可以看出,有效硒含量与水溶态硒、有机结合态硒含量在置信度(双测)为0.05水平上,相关性为正相关,达到显著水平,说明有效硒含量随水溶态硒、强有机结合态硒含量的升高而升高,硒的有效性随之增强。

研究表明[45],硫在作物吸收有效硒的过程中存在拮抗作用。由表7可以看出,有效硒含量与硫含量在置信度(双测)为0.05水平上达到显著性负相关,说明硫的存在对有效硒的吸收起到了明显的抑制作用。

有效硒含量与黏土矿物、有机质、pH值、CEC、磷及钾含量相关性不明显。

3.4 土壤硒形态、有效态与作物硒含量关系

根据文献[13],研究区采集了54件农作物(包括玉米籽粒18件,向日葵籽粒19件,打籽西葫芦籽粒17件)。对比以上3种农作物,选择大宗农作物玉米为研究对象,分析农作物中的硒与土壤硒形态、有效态含量的关系。

从表8可以看出,玉米籽粒中硒含量与水溶态硒、有效硒含量在置信度(双测)为0.05水平上,相关性为正相关,达到显著水平,与其他形态硒含量相关性不明显,说明玉米籽粒中硒含量随水溶态硒、有效硒含量的升高而升高,玉米吸收利用的硒主要是土壤中水溶态硒与有效硒,有利于研究区种植富硒玉米。

表8   土壤硒形态、有效硒与玉米籽粒硒含量Spearman等级相关系数(r)统计

Table 8  Statistical of Spearman's rank correlation coefficient (r) between soil selenium form, effective state and selenium content of maize seeds

指标水溶态硒离子
交换态硒		碳酸盐态硒腐殖酸
结合态硒		铁锰氧化物
结合态硒		强有机
结合态硒		残渣态硒有效硒
玉米籽粒硒0.7289*0.03610.07190.0361-0.1818-0.08430.08380.8024*

注:参与计算样品数据为8个;“*”表示在置信度(双测)为0.05时,相关性是显著的。

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一般认为在碱性土壤中,可溶性的硒酸盐较多,有利于植物对硒的吸收,生物有效性高[46-47]。研究区碱性土壤中水溶态硒含量高于临界值的比例达到85.71%,土壤中赋存了大量的可被作物吸收的有效硒,说明研究区土壤中可溶性硒含量较高,硒的生物有效性处于较高水平,适合开发种植富硒农产品。

4 结论

1)研究区草甸土各形态硒含量具有残渣态>强有机结合态>腐殖酸结合态>水溶态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>离子交换态的特征。

2)土壤中全量硒与腐殖酸结合态硒、铁锰氧化物结合态硒、强有机结合态硒、残渣态硒含量存在显著正相关性,CEC、有机质、磷、钾含量与腐殖酸结合态硒含量存在显著正相关,有一定的促进作用;硫含量与水溶态硒含量存在显著负相关,有一定的抑制作用;土壤中全量硒、水溶态硒、有机结合态硒含量与有效硒含量存在显著正相关,硫则相反。

3)随着土壤由表层至深层,各形态硒含量由高趋低。硒形态以腐殖酸结合态、强有机结合态和残渣态为主;全量硒、有效硒、磷、钾、硫、有机质等含量与水溶态、腐殖酸结合态、强有机结合态、残渣态等硒含量呈正相关;pH值与各形态硒含量呈负相关。

4)土壤中水溶性硒、有效硒含量与玉米籽粒中硒含量呈显著正相关;研究区土壤硒的生物有效性处于较高水平,适合种植开发富硒农产品。

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郦逸根, 徐静, 李琰, 等.

浙江富硒土壤中硒赋存形态特征

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张亚峰, 苗国文, 马强, 等.

青海东部碱性土壤中硒的形态特征

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Distribution characteristics of Se speciation of alkaline soil in eastern Qinghai

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唐玉霞, 王慧敏, 刘巧玲, 等.

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陈铭, 谭见安, 王五一.

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Chen M, Tan J A, Wang W Y.

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宋明义, 冯雪外, 周涛发, 等.

浙江典型富硒区硒与重金属的形态分析

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通过对浙江西部龙游地区富硒土壤中Hg、Cd、Pb、As等重金属含量的研究表明，成土母岩中与硒伴生的重金属含量较高，由于特殊的地形地貌、母岩风化物质搬运条件以及有利的土壤理化性质等，土壤中重金属大为减少。异常地段重金属形态分析结果表明：土壤中仅有Cd的全量、离子交换态、碳酸盐结合态和弱有机态较高，分别为0.6mg/kg、22.1%、26.5%、11.4%;Se全量平均为0.89 mg/kg，离子交换态、弱有机态含量分别为1.12%、26.4%，碳酸盐结合态仅为0.62%。尽管如此，区内莲子、稻米等农产品仍表现出高硒低重金属等特点，居民健康长寿，发硒含量高，从而为龙游县开发富硒农产品提供了有利条件。

Song M Y, Feng X W, Zho T F, et al.

Chemical species of heavy metals and selenium in representative Se-rich area,Zhejiang Province

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Tolu J, Di Tullo P, Le Hécho I, et al.

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Peng Q, Guo L, Ali F, et al.

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江苏省典型茶园土壤硒分布特性及其有效性研究

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江西省鄱阳湖流域根系土硒形态分析及其迁移富集规律

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Wei R, Hou Q Y, Yang Z F, et al.

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