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物探与化探, 2024, 48(4): 1125-1135 doi: 10.11720/wtyht.2024.1336

生态地质调查

水土流失区土壤硒、锌地球化学特征及其生物有效性——以福建省长汀县为例

唐志敏,1, 张晓东,1, 梅丽辉2, 湛龙1, 陈国光1, 刘红樱1, 周墨1, 张明1, 张洁1

1.中国地质调查局 南京地质调查中心,江苏 南京 210016

2.江西省地质局第一地质大队,江西 南昌 330200

Geochemical characteristics and bioavailability of selenium and zinc in soils in an area subjected to water and soil erosion : A case study of Changting County, Fujian Province

TANG Zhi-Min,1, ZHANG Xiao-Dong,1, MEI Li-Hui2, ZHAN Long1, CHEN Guo-Guang1, LIU Hong-Ying1, ZHOU Mo1, ZHANG Ming1, ZHANG Jie1

1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing 210016, China

2. The First Geological Brigade of Jiangxi Geological Bureau, Nanchang 330200, China

通讯作者: 张晓东(1981-),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为生态地质。Email:89476088@qq.com

第一作者: 唐志敏(1992-),男,硕士,工程师,主要研究方向为环境地球化学。Email:894431121@qq.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2023-07-28   修回日期: 2023-10-20  

基金资助: 中国地质调查局项目(DD20230103)
中国地质调查局项目(DD20230495)

Received: 2023-07-28   Revised: 2023-10-20  

摘要

水土流失影响着土壤中元素的分布与分配,土壤中硒、锌等微量有益元素在水土流失区的分布、分配规律及其生物有效性是衡量水土流失生态效应的重要因素。针对水土流失区硒、锌的地球化学特征及生物有效性,以福建省长汀县水土流失区为例开展了土壤及农作物地球化学调查,获取了水土流失区土壤及农作物Se、Zn的关键地球化学参数。结果发现:水土流失区土壤Se含量中位值为0.43×10-6,Zn含量中位值为46×10-6;Se富集于变质岩发育的土壤中,Zn富集于变质岩和花岗岩发育的土壤中;土壤Se、Zn在竹林地中含量相对其他土地利用类型更高;随着水土流失程度的增加,土壤Se含量呈递减趋势;Se、Zn的生物富集系数与土壤w(Si)/w(Al)值呈显著正相关,与土壤Se、Zn以及有机质等指标含量呈显著负相关。结果表明:长汀县水土流失区土壤Se、Zn的分布、分配主要受变质岩和花岗岩的控制;水土流失过程存在显著的土壤Se流失;土壤Se、Zn生物有效性受黏土矿物及有机质吸附的影响而呈现降低,水土流失区土壤中非活性态的Se、Zn可能存在较大比例。

关键词： 水土流失; 土壤; Se; Zn; 生物有效性

Abstract

Water and soil erosion affects the distribution and partitioning of elements in soils. The distribution and partitioning patterns and bioavailability of trace beneficial elements such as selenium (Se) and zinc (Zn) in water and soil erosion areas serve as significant factors for measuring the ecological effects of water and soil erosion. Through the geochemical survey of soil and crops, this study investigated the geochemical characteristics and bioavailability of Se and Zn in the water and soil erosion area of Changting County, Fujian Province, obtaining the critical geochemical parameters of Se and Zn in soil and crops in the study area. The results are as follows: (1) The soil Se and Zn contents in the study area show median values of 0.43×10-6 and 46×10-6, respectively; (2) Se is enriched in the soil developed from metamorphic rocks, whereas Zn is enriched in the soil developed from metamorphic rocks and granites; (3) The soil Se and Zn contents are higher in bamboo forests compared to other land-use types; (4) The soil Se content shows a decreasing trend as the water and soil erosion intensifies; (5) The bio-concentration factors of Se and Zn are significantly positively correlated with w(Si)/w(Al) ratios, and negatively correlated with Se, Zn, and organic matter. As indicated by the results above, the distribution and partitioning of soil trace beneficial elements like Se and Zn in the study area are primarily subjected to metamorphic rocks and granites. The water and soil erosion is accompanied by a significant soil Se loss. The bioavailability of soil Se and Zn is reduced by the adsorption of clay minerals and organic matter. Additionally, there may be a large proportion of inactive Se and Zn in the soil of the water and soil erosion area.

Keywords： water and soil erosion; soil; Se; Zn; bioavailability

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本文引用格式

唐志敏, 张晓东, 梅丽辉, 湛龙, 陈国光, 刘红樱, 周墨, 张明, 张洁. 水土流失区土壤硒、锌地球化学特征及其生物有效性——以福建省长汀县为例[J]. 物探与化探, 2024, 48(4): 1125-1135 doi:10.11720/wtyht.2024.1336

TANG Zhi-Min, ZHANG Xiao-Dong, MEI Li-Hui, ZHAN Long, CHEN Guo-Guang, LIU Hong-Ying, ZHOU Mo, ZHANG Ming, ZHANG Jie. Geochemical characteristics and bioavailability of selenium and zinc in soils in an area subjected to water and soil erosion : A case study of Changting County, Fujian Province[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(4): 1125-1135 doi:10.11720/wtyht.2024.1336

0 引言

水土流失是我国最为重要的环境问题之一[1],由水土流失致使土壤层变薄、土壤肥力变瘦进而导致土地退化是制约区域生态环境质量的重要因素[2-3]。物质迁移是水土流失研究中的一个重要科学问题[4],作为一种表生地质作用,水土流失对土壤中元素的分布、分配具有重要影响[5]。水土流失过程中通常伴随土壤肥力的下降,前人开展的多数研究主要关注水土流失过程中土壤N、P、有机质等常量营养组分的迁移特征及生态效应[6-7],但同时土壤中微量元素也相应地发生迁移,关于水土流失过程中土壤微量元素地球化学特征和生态效应的研究相对薄弱。有少量研究针对水土流失过程中的微量重金属元素开展,如Liu等[8]从区域尺度对我国西南喀斯特地貌水土流失区的微量重金属元素时空变化开展了研究,发现水土流失过程中存在显著的重金属元素横向迁移。

Se、Zn为人体必需微量元素,土壤中Se、Zn通过生物地球化学作用对区域人体健康构成影响[9-10]。长汀县为我国南方红壤区水土流失最为严重的地区之一[11]。过去对于该区域的研究主要聚焦于土壤肥力特征[12-13],本次对长汀县水土流失区开展了土壤元素地球化学及土壤Se、Zn的生物有效性研究,查明水土流失区土壤Se、Zn分布分配特征、生物有效性及控制因素,为水土流失风险评估及精准治理提供思路。

1 材料与方法

1.1 地质背景

长汀县位于福建省龙岩市西部,县域面积约3 104 km2,西与江西省瑞金市接壤。长汀县地处我国南方低山丘陵区,气候常年温暖湿润,具典型的亚热带湿润季风气候特征,区内化学风化作用强烈,土壤成壤化程度高,红壤在区内广泛分布。在我国大地构造分区上,长汀县位于华夏板块内[14],地质历史时期经历了较为复杂的成岩、变质以及构造等地质过程,形成了自震旦纪至第四纪广泛出露的沉积岩、变质岩和岩浆岩。

岩石建造类型在一定程度上决定着其所形成的土壤的元素化学组成[15⇓-17]。为查明岩石建造类型对土壤Se、Zn分布的约束模式,按照岩石组合特征将成因相似的岩石建造类型进行归并,区内岩石建造类型可主要划分为第四系、红层、碎屑岩、碳酸盐岩、变质岩以及花岗岩6大类(图1)。其中第四系以冲洪积物为主,岩性呈砾、砂、亚砂土、亚黏土、黏土等,主要分布于河田镇—濯田镇、汀州镇、南山镇等山间盆地内;区内红层为白垩纪断陷盆地内沉积的一套陆源碎屑岩而区别于其他碎屑岩类,见于白垩系沙县组,岩性表现为红色、紫红色砾岩、砂砾岩、粉砂岩及泥岩;区内碎屑岩为除红层外的其他碎屑岩类,以侏罗系出露最为广泛,其次为石炭系、泥盆系和二叠系,岩性为灰色、灰白色砂岩、砾岩、泥岩,主要分布于长汀县东部地区;碳酸盐岩在区内出露较少,仅见于汀州镇和新桥镇,发育于二叠系以及石炭系中,岩性为灰岩、白云质灰岩;变质岩在长汀县西部低山丘陵区呈广泛出露,主要见于震旦系、南华系、寒武系,少量出露于奥陶系,变质类型复杂,岩性表现为变质砂岩、板岩、千枚岩、片岩以及变粒岩等岩石类型的组合;花岗岩主要出露于长汀县中部及南西部地区,成岩时代包括加里东期、印支期以及燕山期,岩性主要为二长花岗岩和正长花岗岩。

图1

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图1   研究区岩石建造类型

Fig.1   Rock formation types in the study area


1.2 水土流失现状

据2019年遥感解译数据[18],长汀县水土流失总面积约230.18 km2,占全县总面积的7.41%,主要分布于区域中部汀州镇—濯田镇一带(图2),受地质背景的控制,水土流失区与侏罗纪碎屑岩和花岗岩的分布具有密切联系[19]。按照流失等级划分,其中轻度流失面积为100.61 km2,占全县总面积的3.24%,中度流失面积为91.98 km2,占全县总面积的2.96%,两者集中分布于研究区中部,强烈流失面积为37.58 km2,占全县总面积的1.21%,在研究区中部呈零星分布。

图2

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图2   长汀县水土流失区分布

Fig.2   Distribution map of soil erosive area in Changting County


1.3 样品采集方法

土壤样品采集充分考虑样点的代表性,以“控制最大汇水域”为基本原则进行点位部署,样点部署于汇水域的中下游部位。为确保土壤地球化学样品分布的空间均匀性,采用网格法对全县土壤样品进行部署采集,采样密度为1~2个/km2,采样深度范围为0~20 cm。考虑研究区地质、地貌等背景条件的复杂性,为保证不同地质背景或土地利用类型的样品代表性,在背景条件复杂的区域适当加密采样。样品采集过程中避开了明显的人为活动干扰区,单个土壤样品由空间上3~4个均匀分布的子样品组合而成。总计采集表层土壤样品4 893件。

为研究水土流失区土壤微量有益元素生物有效性,农作物样品采集研究区内的大宗农作物——水稻,同时采集对应的根系土,水稻样品选择其成熟期进行采集,确保元素在水稻籽实中有一定富集。水稻样品采集于区域内存在显著水土流失的地区,主要为花岗岩和碎屑岩分布区,总计采集农作物及配套根系土样品49组。

1.4 元素分析方法

土壤样品经阴干过10目尼龙筛后与水稻样品一同送至福建省地质测试研究中心进行检测。土壤样品主要分析SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、有机质、S、Se、Zn、pH值等指标,水稻样品主要分析Se、Zn两项指标,其中土壤及水稻中SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O等主量元素采用X射线荧光光谱法进行测定,有机质和S采用红外碳硫仪进行检测,Se采用原子荧光光谱法分析,Zn采用电感耦合等离子质谱仪进行分析,pH值采用离子选择电极法分析。样品分析方法参照《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD 2005-03)[20]执行,通过插入标准样品和密码样对分析质量进行控制,分析质量检验满足规范要求。

1.5 数据处理方法

采用GeoIPA V3.2对元素含量的平均值、中位值、最小值、最大值、标准差以及变异系数等描述统计量进行计算;通过SPSS 19检验数据是否符合正态分布,同时在该软件中采用单因素方差分析(ANOVA)对各类岩石建造、土地利用类型以及水土流失程度下的土壤元素含量差异的显著性进行检验;在Origin 2018中对测试指标进行主成分降维分析,以探究元素地球化学特征的约束因子;在Excel中采用相关性分析探讨元素生物有效性的影响因素;元素地球化学图通过ArcGIS10.2进行绘制,用于展示Se、Zn在水土流失区的空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 元素含量数据分布规律

采用Kolmogorov-Smirnov法对土壤Se含量数据进行正态分布检验,结果显示,研究区土壤Se、Zn均不符合正态分布或对数正态分布,均呈现为负偏态分布(图3)。一般认为,自然状态下,单一因素约束下的土壤中元素含量分布遵循正态分布或对数正态分布[21],而多种因素的干扰会改变元素含量的分布模式[22]。研究区土壤中Se、Zn的偏态分布指示了该区土壤中微量有益组分受多种因素的控制。

图3

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图3   研究区土壤中Se(a)、Zn(b)含量直方图

Fig.3   Histogram of soil selenium(a) and zinc(b) content in the study area


2.2 元素背景值特征

按照平均值加(减)3倍标准差的方法对研究区土壤Se、Zn含量数据进行迭代剔除,以异常剔除后的结果表征背景值(表1)。对迭代剔除后的数据进行正态分布检验,结果仍不符合正态分布或对数正态分布,因此以元素含量的中位值来表征背景值更为稳健。结果可见,长汀县土壤中Se含量中位值为0.43×10-6,显著高于全国和福建省表层土壤Se背景值[23],土壤中Zn含量中位值为46×10-6,显著低于全国和福建省表层土壤Zn背景值[23]。两者变异系数分别为44%、48%,数据离散程度中等。

表1   研究区土壤Se、Zn含量描述统计结果

Table 1  Descriptive statistical results of soil selenium and zinc content in the study area

元素平均值中位数最小值最大值标准差变异系数全国土壤背景值[23]福建省土壤背景值[23]
Se0.460.430.051.060.2044%0.220.32
Zn484661172348%6770

注:元素含量单位为10-6。

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2.3 不同岩石建造发育的土壤元素含量差异

岩石建造类型在一定程度上控制了土壤中Se、Zn等微量有益元素含量[24]。对比不同岩石建造类型发育的土壤Se含量,中位值大小依次为变质岩>碎屑岩>花岗岩>碳酸盐岩>第四系>红层,变质岩发育的土壤中Se含量显著高于其余岩石建造类型,其中位值为0.64×10-6,红层发育的土壤Se含量最低,其中位值为0.31×10-6(图4a)。土壤Zn含量大小遵循变质岩≈花岗岩>第四系>碳酸盐岩>红层>碎屑岩的规律,变质岩和花岗岩发育的土壤Zn含量最高,其中位值均为59×10-6,碎屑岩发育的土壤Zn含量最低,其中位值为28×10-6(图4b)。

图4

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图4   研究区不同岩石建造发育土壤的Se(a)、Zn(b)元素含量箱线图

Fig.4   Box plot of selenium(a) and zinc(b) content in soils developed from different rock formations in the study area


2.4 不同土地利用类型土壤元素的含量差异

土地利用类型反映人类活动对土壤的改造,土地利用方式对土壤中元素的分布与分配具有改造作用[25-26]。单因素方差分析显示长汀县土壤Se、Zn在耕地、园地、林地(包括乔木林地、竹林地、其他林地)和其他用地中的含量差异显著,长汀县耕地中Se含量相对最低,其中位值为0.24×10-6,竹林地中Se含量最高,其中位值为0.64×10-6(图5a)。土壤Zn含量在其他林地中最低,其中位值为38×10-6,耕地中Zn含量中位值为46×10-6,竹林地中Zn含量最高,中位值为65×10-6(图5b)。

图5

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图5   不同土地利用类型土壤Se(a)、Zn(b)含量箱线图

Fig.5   Box plot of soil selenium(a) and zinc(b) in different land use type


2.5 不同水土流失程度土壤元素的含量差异

水土流失作为一种表生地质作用,对土壤元素组成具有重要影响[27]。长汀县水土流失区主要分布于林地内,为考察水土流失对Se、Zn分配的影响,选择林地样本进行单因素方差分析,对比不同流失程度土壤Se、Zn含量差异。分析结果表明,土壤Se含量在不同程度水土流失区差异较显著,而土壤Zn含量无显著差异。土壤Se含量随水土流失程度加剧而含量递减,无水土流失区土壤Se含量中位值为0.47×10-6,强烈水土流失区土壤Se含量减至0.31×10-6(图6a);土壤中Zn含量在各区域中位值处于(40~47)×10-6(图6b),相对较稳定。

图6

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图6   不同水土流失程度区土壤Se(a)、Zn(b)含量箱线图

Fig.6   Box plot of soil selenium(a) and zinc(b) content in soil erosive area with different extent


2.6 元素生物有效性

研究区水稻籽实中Se平均含量为0.052×10-6,含量范围(0.038~0.084)×10-6,变异系数为18%。参照《富硒稻谷》(GB/T 22499—2008)[28],共有48件样品满足富硒标准((0.04~0.3)×10-6),水稻富硒率高达98%。水稻Zn平均含量为21.6×10-6,含量范围(16.3~28.9)×10-6,变异系数为14%。

生物富集系数(BCF)反映作物对土壤元素的吸收利用情况,是衡量元素生物有效性的重要参数,以作物中的元素含量与根系土中相应的元素含量之比进行表征[29]。对研究区水稻BCF的统计显示,水稻中Se的BCF平均值为0.27,变化范围0.14~0.45,水稻中Zn的BCF平均值为0.48,变化范围0.23~1.02。

3 讨论

3.1 元素空间分布规律

采用反距离权重法对土壤Se、Zn进行插值分析,按照数据累积频率0.5%、1.5%、4%、8%、15%、25%、40%、60%、75%、85%、92%、96%、98.5%、99.5%、100%的分级间隔划分地球化学图色阶。地球化学图清晰显示了土壤Se、Zn的空间分布趋势(图7),其中Se总体呈中部低、东西两部高的分布趋势,Se含量低值区呈带状分布于中部新桥—策武—河田—三洲—濯田一带,该地带岩石建造类型主要为侏罗纪碎屑岩和花岗岩,地貌呈低缓丘陵,为长汀县重要的水土流失区。Se含量高值区则主要分布于长汀县海拔较高的区域,与区内变质岩的分布密切相关。土壤Zn空间分布总体呈西高东低的趋势,其高值区与区内变质岩和花岗岩的分布吻合度较高,其低值区则主要分布于碎屑岩区。

图7

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图7   研究区土壤Se(a)、Zn(b)地球化学分布

Fig.7   Geochemical map of soil selenium(a) and zinc(b) in the study area


3.2 元素空间分布的制约因素

表生环境下土壤中微量元素的组成及分布受岩石建造、风化过程、生物作用、人类活动等多种因素的约束[30]。水土流失区由于土壤侵蚀扰动了原生土壤,导致土壤元素分布的控制因素演变为一个更为复杂的问题。对表层土壤数据进行主成分降维分析,结果显示,数据可降维成4个主成分,4个主成分的累积方差占比为77.1%,能够较好地解释数据的主控因子(表2)。从各指标的载荷系数来看,第一主成分(PC1)包含SiO2、TFe2O3、MgO等造岩元素以及Se、Zn、S、有机质等指标,第二主成分(PC2)包含Al2O3、Na2O、K2O等指标,两个主成分中造岩元素均具有较高载荷,共同反映了地质背景对土壤元素分布的约束。其中PC2中较高的K2O载荷反映了花岗岩对土壤元素分布的影响,PC1则反映了其他岩石建造类型对元素分布的控制。第三主成分(PC3)包含pH值和CaO,表明了土壤酸碱度对元素分布的控制。大部分指标在第四主成分(PC4)中的载荷系数较小,仅Na2O和有机质的载荷系数相对较高。土壤有机质含量的降低是表征水土流失程度的一个重要指标,PC4可能反映了水土流失作用对土壤元素分布的影响。

表2   主成分分析结果

Table 2  Results of principal component analysis

指标PC1PC2PC3PC4
pH值-0.2010.1540.794-0.352
S0.644-0.4490.3310.182
Se0.779-0.313-0.1320.122
Zn0.6630.3610.255-0.199
SiO2-0.886-0.3310.1620.163
Al2O30.4790.626-0.289-0.353
TFe2O30.853-0.155-0.045-0.258
MgO0.654-0.1500.168-0.083
CaO-0.0100.0920.864-0.014
Na2O0.0500.6330.1760.594
K2O0.1640.815-0.0080.304
有机质0.687-0.2960.1330.521
方差的百分比/%34.818.014.79.6
累积百分比/%34.852.867.577.1

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从主成分载荷图上分析,研究区土壤元素地球化学特征主要受变质岩、花岗岩以及碎屑岩的控制,不同的岩石建造类型对元素含量的约束程度存在显著差异(图8)。其中碎屑岩控制了SiO2的分布,花岗岩主要控制了土壤K2O、Na2O、Al2O3的分布,变质岩控制了土壤TFe2O3、MgO、有机质、S、Se等指标的分布。土壤Se在主成分载荷图上与变质岩呈密切相关,表明研究区高Se背景的变质岩控制了土壤Se的富集,土壤Zn的载荷分布介于花岗岩和变质岩之间,与两者均呈现一定的相关,表明土壤Zn的富集同时受变质岩和花岗岩的控制。

图8

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图8   土壤元素主成分载荷

Fig.8   Soil element loading of the principal component


3.3 有益元素生物有效性控制因素

对采集的数据进行相关性分析,以Pearson相关系数表征各变量间的相关程度,结果显示(表3),Se的生物富集系数(BCFSe)与SiO2以及w(Si)/w(Al)比值呈显著正相关,与Al2O3、CaO、TFe2O3、MgO、有机质以及土壤Se、Zn等指标呈显著负相关。与Se相似,Zn的生物富集系数(BCFZn)与土壤中w(Si)/w(Al)比值、Zn、SiO2呈显著正相关,与土壤中Al2O3、CaO、TFe2O3、K2O、MgO、Na2O、有机质、Se、Zn等指标呈显著负相关。

表3   水稻Se、Zn含量与根系土指标相关系数

Table 3  Correlation coefficient between rice selenium and zinc contents and root soil indexes

指标Zn-RSe-RSiO2Al2O3CaOTFe2O3K2OMgONa2OpHS有机质Se-TZn-TBCFSeBCFZnw(Si)/
w(Al)		CIAw(Fe)/
w(Mg)
Zn-R1.000
Se-R0.346*1.000
SiO20.007-0.503**1.000
Al2O30.0510.506**-0.963**1.000
CaO-0.1220.387**-0.526**0.416**1.000
TFe2O30.0520.563**-0.733**0.576**0.600**1.000
K2O-0.295*-0.163-0.494**0.455**0.1690.1351.000
MgO-0.1060.158-0.2680.0390.545**0.710**0.1341.000
Na2O-0.310*-0.216-0.1790.0980.2720.0610.765**0.2811.000
pH-0.140-0.2300.426**-0.539**0.335*-0.037-0.1720.396**0.1831.000
S-0.0190.055-0.351*0.447**0.187-0.1630.119-.388**-0.104-.368**1.000
有机质0.0490.258-0.597**0.620**0.466**0.2150.180-0.040-0.020-.297*0.774**1.000
Se-T0.0420.649**-0.739**0.661**0.700**0.788**0.0350.386**-0.036-0.0580.1890.575**1.000
Zn-T-0.1470.290*-0.719**0.582**0.661**0.732**0.541**0.631**0.494**0.069-0.0350.349*0.633**1.000
BCFSe0.289*0.0050.613**-0.513**-0.556**-0.582**-0.238-0.379**-0.140-0.027-0.216-0.520**-0.729**-0.611**1.000
BCFZn0.533**-0.0550.649**-0.511**-0.573**-0.576**-0.613**-0.540**-0.544**-0.041-0.056-0.346*-0.495**-0.839**0.664**1.000
w(Si)/
w(Al)		0.096-0.349*0.939**-0.909**-0.466**-0.606**-0.637**-0.236-0.327*0.412**-0.315*-0.547**-0.617**-0.679**0.605**0.696**1.000
CIA0.2810.615**-0.532**0.618**0.1660.416**-0.370**-0.141-0.611**-.455**0.315*0.414**0.588**0.069-0.307*0.060-0.392**1.000
w(Fe)/
w(Mg)		0.1800.516**-0.575**0.676**0.0920.345*-0.026-0.384**-0.251-.553**0.2640.304*0.505**0.088-0.269-0.019-0.478**0.735**1.000

注:“*”表示在α=0.05水平(双侧)上显著相关;“**”表示在α=0.01水平(双侧)上显著相关;Zn-R、Se-R表示水稻中Zn、Se的含量;Se-T、Zn-T表示土壤中Se、Zn的含量。

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3.3.1 生物有效性与w(Si)/w(Al)值

Al在土壤中主要赋存于黏土矿物中,土壤中w(Si)/w(Al)值在一定程度上反映黏土矿物的含量水平[31],其比值越大表明黏土组分越少,Se、Zn的生物富集系数均呈现与w(Si)/w(Al)值显著正相关(图9),这可能与土壤中黏粒吸附了大量Se而使得Se的生物有效性下降有关。Al2O3、CaO、TFe2O3、MgO、K2O为黏土矿物的主要化学组分,BCFSe、BCFZn与上述指标呈显著负相关也进一步说明了土壤黏土矿物对该区土壤微量元素生物有效性的制约。

图9

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图9   研究区水稻BCFSe(a)、BCFZn(b)与土壤w(Si)/w(Al)值散点图

Fig.9   Scatter plot of rice BCFSe (a)、BCFZn (b) vs soil w(Si)/w(Al) values in the study area


3.3.2 生物有效性与有机质

土壤有机质对元素生物有效性的约束作用较复杂,在土壤元素或有机质不同含量水平下其约束模式有所不同。在以固相有机质为主体的情形下,有机质通过吸附、螯合等作用固定土壤微量元素可导致微量元素的生物有效性降低[32]。研究区Se、Zn生物富集系数均与有机质呈显著负相关(图10),表明该区土壤中有机质的增加降低了微量有益元素的生物有效性。

图10

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图10   研究区水稻BCFSe(a)、BCFZn(b)与土壤有机质散点图

Fig.10   Scatter plot of rice BCFSe (a)、BCFZn (b) vs soil organic matter in the study area


3.3.3 生物有效性与元素含量

农作物中Se、Zn等有益元素的富集与土壤中相应元素的含量水平具有一定关系[33]。土壤中有益元素含量越高通常意味着农作物从中可吸收的量越高,然而并不能表明农作物对元素的吸收能力越强,相比土壤有益元素含量总量,其化学形态是影响生物富集系数更为关键的因素,作物对元素的吸收利用率主要取决于其活性态的含量[34-35]。研究区土壤Se、Zn的生物富集系数与土壤Se、Zn含量呈显著负相关(图11),显示了随着土壤Se、Zn含量的增加,水稻对Se、Zn的吸收利用率呈下降趋势,可能指示了水土流失区土壤中Se、Zn等有益微量元素的富集是非活性态Se、Zn增加的结果,该区土壤具有较大比例的Se、Zn赋存于非活性态中。

图11

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图11   研究区水稻BCFSe(a)、BCFZn(b)与土壤Se、Zn散点图

Fig.11   Scatter plot of rice BCFSe (a)、BCFZn (b) vs soil selenium、zinc in the study area


4 结论

1)长汀县土壤Se含量中位值为0.43×10-6,Zn含量中位值为46×10-6。土壤中Se、Zn含量在不同的岩石建造类型、土地利用类型以及水土流失程度等背景下存在显著差异。Se显著富集于变质岩发育的土壤中,Zn显著富集于变质岩和花岗岩发育的土壤中;竹林地中土壤Se、Zn含量显著高于其余土地利用类型;土壤Se含量随水土流失程度的加剧而递减。

2)长汀县土壤Se、Zn的空间分布主要受成土母岩岩石建造类型的约束。土壤Se高值区分布于变质岩区,土壤Zn高值区分布于花岗岩区和变质岩区,变质岩和花岗岩控制了水土流失区土壤Se、Zn的分布。

3)长汀县土壤Se、Zn的生物有效性受黏土组分、有机质以及元素活性组分的影响。黏土组分以及有机质含量的增加降低了土壤Se、Zn的生物有效性,土壤Se、Zn生物富集系数随其含量增加而降低的趋势表明了水土流失区土壤中非活性态的Se、Zn可能存在较大比例。

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