0 引言
近年来,全国各地相继报道了一系列与富硒土地及富硒产品产业相关的研究成果和产业进展,如湖北恩施、陕西安康、江西丰城、贵州开阳等地。纵观各地域硒资源特征,既有优势又互为补充,成为了我国功能农业的一大亮点,也推动了健康中国战略的深入践行。恩施硒源主要是在二叠纪还原条件下沉积的一套黑色岩系,安康硒源主要是在寒武纪沉积的一套硅岩建造,丰城硒源主要是一套二叠纪煤系岩层,开阳硒源也是寒武纪缺氧陆棚环境沉积的黑色岩系[5-
1 天然富硒土壤成因类型及认识
1.1 富硒土地成因类型
成土母质是土地硒含量的关键因素[10]。刘道荣等[11]将富硒土壤的成因划分归纳为沉积岩型、岩浆岩型及变质岩型3类,并进一步细分为表生沉积型、黑色岩系型、含煤岩系型、碎屑岩型、碳酸盐岩型、侵入岩型、火山岩型、次火山岩型、浅变质岩型及中深变质岩型共10个亚类。其中,表生沉积型以浙江嘉兴、金华及广东石鼓一带大面积分布的第四系湖相沉积物成壤的富硒土地为代表,呈中酸性土壤、高有机质、低—中等总硒、低—中等有效硒、低重金属的特征;黑色岩系型以湖北恩施、陕西安康及贵州开阳等以寒武系、二叠系中统炭质、硅质岩类风化物成壤的富硒土地为代表,呈中—高量总硒、中—高量重金属特征;含煤岩系型以二叠系煤层风化成壤的福建长明、浙江长兴、江苏宜兴等地的富硒土地为代表,呈酸性土壤、高有机质、中等总硒、中等有效硒、重金属低—中等的特征;火山岩型以侏罗系、白垩系中酸性火山岩及玄武岩风化成壤的浙东沿海、海南岛等地的富硒土地为代表,呈酸性土壤、中等—高总硒、低—中等有效硒、重金属低等特征。
富硒土壤的关键性技术指标为土壤Se的有效性,其含量高低直接决定了Se对人体的健康效应,而土壤pH则是制约土壤Se有效性的直接指标[12-13]。东南地区富硒土壤处于高温、湿润环境,西北地区属低温、干旱环境,致其土壤呈现南酸北碱的空间格局。西北地区土壤pH在7.5~8.5间,属碱—强碱性,整体上具有高有效Se的地理优势[14]。在新疆焉耆盆地查明的富硒土地的硒源为湖积、沼泽沉积物,具有高有机质、中等总硒、Cd略高的特征,属典型碱性表生沉积型富硒土地[15]。宁夏石嘴山地区查明的富硒土地的硒源为含煤岩层,属典型碱性含煤岩系型富硒土地[16]。青海东部富硒土地的硒源来自古近系西宁群红色泥岩,具有中等总硒、高有效硒、低重金属的特征,古环境属干旱咸水湖沉积相,属典型碱性碎屑岩型富硒土地[17]。对西北干旱区碱性富硒土壤的有效Se赋存状态、产出农产品的富硒率、综合营养品质等指标进行评价,可以更好地凸显其开发优势。
1.2 干旱咸水湖沉积型富硒土壤
青海东部富硒土地核心区处于西宁盆地,调查表明盆地内古新世时期沉积的西宁组岩石及其发育的土壤Se均处于最高,高Se的民和组岩石及其发育的土壤在盆地内外形成特征不同的Se背景。这为我们指示出研究该区域Se富集机理的两个重点方向:一为古新世岩相古地理,二为盆地内外区域沉积环境差异。对比盆地、古咸水湖、富硒区域发现,土壤富Se区域受咸水湖边界控制,Se富集在干旱咸水湖相沉积形成的西宁组和民和组,而非中新世时期湿润的淡水湖相沉积的贵德群地层。同时,第四纪风成黄土和湟水河水流搬运作用对土壤 Se的空间格局进行了次生改造,低Se背景的黄土稀释了原生富Se岩石风化物的浓度,水流将富Se的岩石风化物一部分随水体搬运至河流谷地,一部分裸露在原地形成中低山丘陵区的残坡积物。洪水泉研究区即属于后者。
2 洪水泉富硒土地划定
2.1 研究区概况
图1
图1
研究区土地利用类型及土壤点位示意
Fig.1
Land use types and soil point locations in the study area
2.2 农产品富硒状况及产业现状
研究区主要产出小麦、油菜籽、马铃薯等大宗作物。小麦Se含量为(0.024~0.404)×10-6,均值为0.071×10-6,富集系数24%;油菜籽Se含量为(0.037~0.273)×10-6,均值为0.063×10-6,富集系数25%;马铃薯Se含量处于(0.005~0.123)×10-6,均值为0.019×10-6,富集系数7%。小麦、油菜籽具有较好的富硒潜力,可成为培育富硒产品的靶向产品。
研究区属青海高原硒都的农牧业核心区,富硒产业10年规划以发展富硒粮食、牧草与培育富硒牦牛为重点,打造“中国首个超净富硒区”和“中国高原富硒养生区”,以实现富硒农业到富硒畜牧业的转变。现已建成富硒牦牛产业园、富硒饲草基地和富硒荞麦基地三个示范性产业区,成为首批以富硒农畜产品融合发展为重点的富硒产业带,在富硒种养业领域具有典型性和先驱性。
2.3 土壤硒背景分析
研究区土壤数据兼顾不同土地利用类型和空间网格均一化双重原则,在耕地区加密、林草地区放稀,样点平均密度为19个点/km2,共获取1 447个数据,点位空间示意见图1。
土壤样品采用“梅花法”采集,采取主副点混合法取表层0~20 cm土柱体装入布袋阴干,过2 mm尼龙筛取筛下物研磨至0.075 mm以下检测。依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[18]要求,选用原子荧光法测定Se,X射线荧光光谱法测定K、Cr、Pb、P,等离子质谱法测定Cd,原子荧光光谱法测定As、Hg,氧化还原容量法测定有机质,pH计电极法测定pH, 酸碱滴定容量法测定N;按照《绿色食品 产地环境质量》(NY/T 391—2021)要求[19],测定土壤有效磷、速效钾。对测定数据采取标准样随机插入和异常点复测方式进行质量评价,计算准确度和精密度均达标。经综合认定,数据质量合格。
研究区土壤Se含量为(0.037~6.544)×10-6,均值为0.352×10-6,高于全国表层土壤背景值(0.170×10-6)[20]和平安区土壤Se背景值(0.225×10-6)[21],Se空间分级见图2。研究区土壤Se整体呈现西北部高、东南部低的特征。分析土壤Se的7种形态,水溶态Se含量为0.010 ×10-6,离子交换态Se含量为0.007×10-6,碳酸盐态Se含量为0.007×10-6,腐殖酸态Se含量为0.055×10-6,铁锰氧化态Se含量为0.006×10-6,强有机态Se含量为0.085×10-6,残渣态Se含量为0.114 ×10-6。前三者之和(0.024×10-6)可认定为有效态Se,后四种之和(0.26×10-6)可用来判定无效态Se[22],即有效Se占比为8.5%。
图2
另外,不同成土母质、土地利用类型及土壤类型造就了土壤Se不同的表生富集特征。表1列出了各类型土壤Se的统计值。从研究区成土母质分布来看,以西宁群岩石风化物为主形成的残坡积成壤区土壤Se含量较高,黄土堆积较厚的地区土壤Se含量较低,进一步证实了成土母质是决定土壤中Se含量的重要因素。研究区土壤pH为7.71~9.70,平均值为8.34,属碱性土壤。依据《天然富硒土地划定与标识》(DZ/T 0380—2021),推荐将w(Se)≥0.3×10-6作为富硒土地判定。
表1 研究区不同分区单元土壤Se含量平均值
Table 1
| 分类 | 分项 | w(Se)/10-6 |
|---|---|---|
| 成土母质 | 风成黄土 | 0.25 |
| 西宁群泥岩风化物 | 0.36 | |
| 民和组砂泥岩风化物 | 0.29 | |
| 土地利用 类型 | 耕地 | 0.38 |
| 草地 | 0.35 | |
| 林地 | 0.34 | |
| 土壤类型 | 淡栗钙土+红黄土 | 0.24 |
| 黄土性暗栗钙土+耕种暗栗钙土 | 0.31 | |
| 耕种栗钙土 | 0.34 |
2.4 土壤肥力水平
依据研究区土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾实测值,参照《绿色食品 产地环境质量》(NY/T 391—2021)中土壤肥力评价标准,研究区80%以上的土地有效磷、速效钾达到旱地Ⅰ级肥力水平,60%以上的土地全氮和有机质达到旱地Ⅰ级肥力水平(表2)。有机质和全氮可通过耕作施肥进行适量补给,土壤肥力满足绿色食品土壤肥力要求。
表2 研究区土地肥力评价结果(n=299)
Table 2
| 指标 | 等级 | 标准值域 | 样品数 | 占比/% |
|---|---|---|---|---|
| 有机质 | Ⅰ | >15 | 182 | 61 |
| Ⅱ | 10~15 | 95 | 32 | |
| Ⅲ | <10 | 22 | 7 | |
| 全氮 | Ⅰ | >1.0 | 188 | 63 |
| Ⅱ | 0.8~1.0 | 66 | 22 | |
| Ⅲ | <0.8 | 45 | 15 | |
| 有效磷 | Ⅰ | >10 | 247 | 82 |
| Ⅱ | 5~10 | 47 | 16 | |
| Ⅲ | <5 | 5 | 2 | |
| 速效钾 | Ⅰ | >120 | 239 | 80 |
| Ⅱ | 80~120 | 54 | 18 | |
| Ⅲ | <80 | 6 | 2 |
注:有机质、全氮含量单位为10-3;有效磷、有效钾含量单位为10-6。
2.5 土壤环境质量
天然富硒土地划定的前提是土壤环境质量良好,无污染和污染风险。研究区土壤pH均大于7.5,为碱性土壤,故采用《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)[23]中适宜碱性土壤的Cd、Hg、As、Pb和Cr含量筛选值评价土壤环境质量。结果表明,除研究区南部局部地块土壤As含量大于筛选值外,其余元素指标均属于安全状态。
3 结果和讨论
基于划定富硒土地用途的视角,高效利用富硒资源、生产富硒产品和发展富硒产业是目的,土壤无风险是基础条件。土壤环境质量是考量富硒土地的第一条件。研究区存在土壤As超筛选值的区域,且As超标点具有空间连续性。划定富硒土地的靶向区域应剔除风险区,形成绿色土地区域。
其次,在土壤无生态风险的前提下,依据土地硒总量、有效量等级划定富硒土地,相当于“优中选优”,那么土壤硒总量和有效量是考量富硒土地的第二条件。王惠艳等[9]基于全国土地调查获取的土壤硒和配套农产品数据,以达到富硒水平的农产品占比作为主要评价依据,提出了不同酸碱土地中富硒的厘定建议值。研究区土壤pH呈碱性—强碱性,总硒不高的背景下应侧重有效硒的评价。土壤总硒以《天然富硒土地划定与标识》(DZ/T 0380—2021)推荐的w(Se)≥0.3×10-6为评价标准。判定土壤有效硒水平可采用两种方法:一种是直接评价法,如利用水溶态硒、浸取性硒或可利用态硒分级评价;另一种是间接法,如利用农产品富硒率高低来反映土壤硒的活性程度。李永华等[13]将土壤水溶态硒按w(Se)<3×10-9、3×10-9~6×10-9、6×10-9~8×10-9、8×10-9~20×10-9和w(Se)≥20×10-9对应评价为硒缺乏、缺硒边缘、硒适中、高硒和硒中毒5种生态效应。研究区土壤水溶态硒平均含量为0.010×10-6,属于高硒环境。另外,研究区可利用态硒(8.5%)也显著高于成都平原区(3.0%),表现为高活跃度。根据硒总量和有效量的值域限制,进一步圈定了富硒土地靶区。
再者,从开发利用的角度出发,集中连片是富硒土地划定的第三条件。一般以300亩为界,剔除小于300亩或更零散分布的富硒地块,保留集中连片且富硒土地在300亩以上的富硒土地。
土壤肥力是培育富硒作物的营养基础,在以上圈定的富硒土地上,需进一步根据土壤肥力指标评价养分是否充足,对施肥做出科学建议。因此,土壤肥力评价和施肥建议是富硒土地划定的第四条件。
依照以上讨论条件,圈定研究区天然绿色富硒土地43 591亩,主要分布在硝水泉、沟滩、洪水泉、黄鼠湾、韭菜沟、井尔沟、北岭和永固等8个村庄(图3),其中耕地13 513亩,草地17 001亩,林地13 077亩,分别占天然富硒土地的31%、39%和30%。耕地属于可直接利用的富硒土地,而林地和草地属于潜在可利用富硒土地。
图3
图3
研究区天然富硒土地划定范围
Fig.3
Delimited range of natural selenium-rich land in the study area
4 结论及意义
1)通过研究区碱性富硒土地的评价和划定方法探讨,总结出天然富硒土地划定的构建条件,即土壤环境质量为第一条件,土壤总硒和有效硒水平为第二条件,集中连片为第三条件,土壤肥力和施肥建议为第四条件。
2)依照此条件逻辑,共划定青海平安区洪水泉地区集中连片的天然绿色富硒土地43 591亩,其中可直接利用的耕地13 513亩,潜在可利用林草地30 078亩。
3)进一步结合区域农牧业基础条件和土地规划,提出适宜当地发展的农牧融合产业模式,以划定的富硒土地为核心,辐射区域外缘硒适中区开展青饲草、粮食种植,结合散养放牧,形成“高硒宜粮、中硒宜牧”的产业布局。
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