江苏省土壤锌元素地球化学特征及其利用前景

doi:10.11720/wtyht.2025.1489

江苏省土壤锌元素地球化学特征及其利用前景

汪子意^,¹^,², 廖启林¹^,², 汪媛媛^,¹^,², 崔晓丹¹^,², 刘玮晶¹^,², 徐宏婷¹^,², 李文婷¹^,²

江苏省地质调查研究院自然资源部国土(耕地)生态监测与修复工程技术创新中心, 江苏南京 210018

Geochemical characteristics and utilization prospects of Zn in farmland soils, Jiangsu Province

WANG Zi-Yi^,¹^,², LIAO Qi-Lin¹^,², WANG Yuan-Yuan^,¹^,², CUI Xiao-Dan¹^,², LIU Wei-Jing¹^,², XU Hong-Ting¹^,², LI Wen-Ting¹^,²

Technology Innovation Center for Ecological Monitoring & Restoration Project on Land (Arable), Ministry of Natural Resources; Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, China

通讯作者: 汪媛媛(1984-),女,高级工程师,现从事地球化学调查和监测工作。Email:313217280@qq.com

第一作者: 汪子意(1988-),女,工程师,现从事国土生态监测及环境地质调查研究工作。Email:276685913@qq.com

收稿日期: 2024-12-26 修回日期: 2025-07-9

基金资助:

江苏省自然资源发展专项资金(海洋科技创新)项目(JSZRHYKJ202117)
江苏省基础研究计划暨自然科学(面上)项目(BK20171496)
江苏省国土(耕地)生态地质环境监测项目(苏财建[2018]96号)
自然资源部公益性行业科研专项经费项目(201111021)

Received: 2024-12-26 Revised: 2025-07-9

摘要

基于江苏省区域生态地球化学调查及土地质量地球化学评估等获取的农田土壤地球化学数据资料,在深入分析、系统研究土壤Zn地球化学特征的基础上,探讨利用富锌土壤生产天然富锌食品的前景。研究结果显示:①江苏省农田土壤Zn空间分布不均衡,平均含量约为70 mg/kg,土壤有效Zn占土壤Zn的20%左右,土壤Zn控制土壤有效Zn的分布,二者具有显著正相关性;②土壤质地、成因类型、TOC和Fe等均对土壤Zn富集分布有重要影响,石灰岩土是江苏省最富Zn的土壤类型,全新统海积粉砂土是最富Zn的成土母质,土壤Zn同Se、Cu、Fe、Al、Mo、TOC等之间具有(较)显著正相关性;③研究区稻米Zn均量为18 mg/kg,生物富集系数均值为0.2,稻米Zn同土壤Zn、Se、TOC具有显著正相关性,同土壤pH具有显著负相关性;麦籽Zn均量为28 mg/kg,生物富集系数均值为0.36,麦籽Zn同土壤Zn、Se、B、TOC具有显著正相关性,稻麦籽粒Zn与Se也有显著正相关性;④参照行业标准,确定江苏省富锌土壤、富锌稻米、富锌麦籽占比依次为11.39%、29%、13.69%,指示其富锌土壤资源开发利用前景广阔。将天然富锌食品与富硒土壤资源开发、农田土壤改良(改善其TOC、pH)等有机结合起来,会极大提高开发利用效率。研究成果为科学利用江苏省Zn等有益微量土壤资源提供了依据。

关键词： 土壤地球化学; 锌; 元素地球化学; 江苏

Abstract

Based on the geochemical data of farmland soils in Jiangsu Province, obtained from regional eco-geochemical surveys and the geochemical assessment of land quality in past years, this study delved into the geochemical characteristics of Zn in soils, aiming to explore the prospects of producing natural zinc-rich food in Zn-rich soils. The results indicate that Zn in farmland soils in Jiangsu Province exhibited an uneven distribution, with an average Zn content of approximately 70 mg/kg. The available Zn accounted for about 20% of the total Zn in soils. The total Zn in soils dictated the distribution of available Zn, with a significant positive correlation between both. Significant factors influencing the enrichment and distribution of Zn in soils included soil texture, genetic type, total organic carbon (TOC) content, and Fe content. Among various soils, limestone soils were the most enriched in Zn in Jiangsu Province, while the Holocene marine silty soils served as soil parent materials most enriched in Zn. Zn in soils manifested (relatively) significant positive correlations with Se, Cu, Fe, Al, Mo, and TOC contents. Rice seeds showed an average Zn content of 18 mg/kg, with an average bio-concentration factor (BCF) value of 0.2. Zn in rice seeds was significantly positively correlated with Zn, Se, and TOC content in soils but significantly negatively correlated with soil pH. In contrast, wheat seeds showed an average Zn content of 28 mg/kg, with an average BCF value of 0.36. Zn in wheat seeds was significantly positively correlated with Zn, Se, B, and TOC content in soils. Additionally, a significant positive correlation between Zn and Se was observed in both rice and wheat seeds. According to the industrial standards, the proportions of zinc-rich soils, zinc-rich rice seeds, and zinc-rich wheat seeds in Jiangsu Province were 11.39%, 29%, and 13.69% respectively, suggesting promising prospects for the development and utilization of zinc-rich soil resources in Jiangsu Province. The development and utilization efficiency of zinc-rich soil resources can be significantly enhanced by combining the production of natural zinc-rich food and the amelioration of farmland soils (e.g., improving TOC content and pH in soils). Overall, the results of this study provide a basis for scientifically utilizing beneficial trace elements such as Zn in soils in Jiangsu Province.

Keywords： soil; Zn; elemental geochemistry; Jiangsu Province

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本文引用格式

汪子意, 廖启林, 汪媛媛, 崔晓丹, 刘玮晶, 徐宏婷, 李文婷. 江苏省土壤锌元素地球化学特征及其利用前景[J]. 物探与化探, 2025, 49(6): 1418-1429 doi:10.11720/wtyht.2025.1489

WANG Zi-Yi, LIAO Qi-Lin, WANG Yuan-Yuan, CUI Xiao-Dan, LIU Wei-Jing, XU Hong-Ting, LI Wen-Ting. Geochemical characteristics and utilization prospects of Zn in farmland soils, Jiangsu Province[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(6): 1418-1429 doi:10.11720/wtyht.2025.1489

0 引言

以富硒土壤开发利用为代表,针对土壤微量元素,特别是有益微量元素的研究正成为当今勘查地球化学的热点^[1-7]。锌(Zn)是人体健康和植物正常生长都必需的微量元素,对于生长发育有重要调节作用^[8-10],同时也是能形成土壤污染的毒害重金属^[11-13],在土壤环境地球化学调查与生态效应评价中占有特殊地位。植物缺锌会出现小麦减产、水稻僵苗、柑橘黄斑等病变,人体锌缺乏将导致生长发育不良、免疫功能损伤、记忆力减退等症状,全球有10%~32%的人口遭受锌营养失调的威胁^[14],我国约有1亿人存在锌营养不良等问题^[15]。土壤作为植物生长吸收天然养分的源泉,开发利用土壤中的Zn资源,是当代勘查地球化学研究的重要课题。若能够像成功开发、利用富硒土壤资源一般,也能够利用富Zn土壤生产批量天然富锌食品,对于缓解人口锌营养不良问题是一大利好。前人探讨土壤Zn的元素地球化学特征、行为与生态效应等,更偏重于其毒害风险、污染机理与防控等^[16-20],甚少涉及富锌土壤的开发利用,对土壤Zn的有益性研究亟待加强。

20多年来,江苏省国土生态地球化学调查评价积累了包括Zn在内的大量的土壤元素分布地球化学数据,但迄今尚未像对待富硒土壤那样对土壤锌地球化学数据的可开发利用性进行系统研究。本文以江苏省地质调查研究院多年来积累的江苏省土壤Zn等地球化学数据为基础,从有益微量元素的开发利用视角,探讨江苏省土壤Zn地球化学分布特征,全面了解土壤Zn的自然资源禀赋及利用前景,以期为因地制宜研发绿色高效农产品、助力乡村振兴等提供新的思路或依据。

1 研究区概况及资料基础

研究区包括江苏省全域陆地区域。江苏省地处我国东部沿海,是长江三角洲经济发达地区之重要一极,拥有国土面积10万余km²,单位国土面积GDP多年来稳居全国前列,社会、经济、文化等发展水平总体靠前。省内多名川巨泽,湖荡众多,水网密布,河渠纵横,是全国山地最少和平均海拔最低的省区。全省基岩出露区面积不到20%,80%以上陆域为第四系覆盖,分布下更新统、中更新统、上更新统和全新统等沉积地层。第四系成因类型复杂,主要有河流相、河湖相、海相等,岩性主要有黏土、淤泥质黏土、亚黏土、亚砂土、砂土等。省内分布有红壤、黄棕壤、黄褐土、棕壤、褐土、红黏土、冲积土、石灰岩土、火山灰土、紫色土、粗骨土、砂姜黑土、潮土、沼泽土、滨海盐土、水稻土等16个土壤类型(大类),涉及到44个土壤亚类、90多个土属和210多个土种。现有耕地资源6 148.39万亩(第三次国土调查数据),全部实现一年两熟制,主要粮食作物为稻麦(夏稻冬麦),其次还播种有玉米、大豆、红薯、蔬菜等大宗农产品。耕地大多为高产田,从南向北分为苏南、苏中、苏北等农业种植分类大区,总体发展水平苏南(苏州、无锡、常州等市)强于苏中(扬州、泰州、南通等市),苏中强于苏北(徐州、宿迁等市)。苏南土壤总体偏酸性,苏北土壤普遍偏碱性,苏中土壤酸碱性介于苏北与苏南之间。

截至2023年底,江苏省采集并分析测试各类土壤地球化学样品数十万个,测试稻米麦籽等粮食样品数万个,积累了包含土壤Zn与有效Zn分布、稻麦等大宗农产品Zn分布等调查数据数百万条。上述调查评价工作严格执行国家相关行业标准^[21-22],所取得的土壤Zn分布等地球化学数据构成了本文研究的资料基础。本团队已多次报道江苏省富硒土壤研究及开发利用成果^[3,23-25],期望富锌土壤研究成果为江苏省富锌土壤资源开发利用提供线索。

2 样品采集与研究方法

2.1 样品采集

采集并分析了土壤、稻麦籽粒等样品进行研究。土壤有效态Zn分析是重点,样本选择充分考虑了江苏省土壤类型的多样性(如石灰岩土、水稻土等16大类)、土壤性质的代表性(如质地、成因类型、pH值等)”,以及农业种植区域的分布特征(苏南、苏中、苏北),如石灰岩土是Zn含量最高的土壤类型,全新统海积粉砂土是Zn含量最高的成土母质,这些类型在样本选择中被优先考虑。同时,样点空间分布注重均匀性,覆盖全省13个市及沿海滩涂区域,并重点关注Zn高含量区(如太湖北部无锡—苏州一带、连云港南部)和低含量区(如苏北新沂—沭阳一带)。

2.2 样品处理方法

土壤样品采集遵循国家相关行业标准《多目标区域地球化学调查规范》(DZ/T 0258—2014),包括表层土壤采样深度(0~20 cm)、采样工具(如不锈钢铲)、样品量(500 g)等。样品加工包括风干、研磨、过筛(2 mm筛),有效态锌测定采用稀盐酸提取法。粮食样品(如稻米、麦籽)采集于对应土壤样点,清洗、烘干、粉碎后测定Zn含量。

2.3 统计分析方法

使用软件(SPSS)对样本数据进行描述性统计,计算最小值(X_min)、最大值(X_max)、平均值$\overline{X}$、标准离差、变异系数(C_V)等参数。样本按酸碱性分类,分别统计全样本参数。

3 土壤Zn分布特征及其生态效应

3.1 土壤Zn分布状况

江苏省多目标区域生态地球化学调查表明,农田土壤样品Zn含量(共23 905个数据)空间分布不均匀,长江沿岸、太湖周边、连云港市等地土壤相对富Zn(图1),具体分布特征如下:

图1

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图1 江苏省农田土壤锌地球化学分布

Fig.1 Geochemical distribution of zinc in farmland soils of Jiangsu province

1)江苏农田土壤Zn含量介于18.3~1 021 mg/kg,平均含量为72.4 mg/kg,变异系数C_V=0.34,说明土壤Zn分布大多数接近其平均含量,大于100 mg/kg的高含量区主要集中在太湖北部的无锡—苏州一带、扬州以西的沿江地区及连云港市南部等地,小于60 mg/kg的低含量区主要集中宁镇丘岗、沿海平原、苏北新沂—沭阳一带的丘陵平原等地。全省90%以上土壤的Zn含量都介于60~100 mg/kg之间,少数Zn高含量样点应与非自然因素有关。

2)在全省13个市中,以苏州市土壤Zn平均含量最高,达92.1 mg/kg,宿迁市土壤Zn平均含量最低,为63.2 mg/kg;连云港市土壤Zn的变异系数C_V最大,为0.57,南通市土壤Zn变异系数最小,仅0.15。苏州、镇江、无锡、连云港、扬州、南京、泰州等7市的土壤Zn平均含量高于全省均值(表1),且其土壤pH总体偏酸性,指示这些地区更可能产出富锌土壤。沿海滩涂土壤Zn平均含量最低,表明沿海滩涂成土环境相对贫Zn,且属于强碱性。

表1 江苏省13市及沿海滩涂区土壤Zn含量地球化学参数

Table 1 Statistical results of geochemical parameters of Zn distribution in soil from 13 cities of Jiangsu Province

产地	样品数n	w(Zn)/(mg·kg^-1)			标准离差	C_V	pH
产地	样品数n	X_min	X_max	$\overline{X}$	标准离差	C_V	X_min	X_max	$\overline{X}$
全省	23905	18.3	1021	72.4	24.9	0.34	4.22	9.22	7.76
南京市	1591	34.6	823	75.8	34.73	0.46	4.38	8.29	6.31
无锡市	989	34.0	624	78.7	28.21	0.36	4.44	8.12	6.26
徐州市	2823	21.2	262	64.3	16.45	0.26	4.95	9.01	8.12
常州市	1013	37.4	225	68.5	19.68	0.29	4.37	8.16	6.35
苏州市	1665	42.2	328	92.1	23.9	0.26	4.26	9.92	6.39
南通市	2154	47.6	143	73.6	11.13	0.15	5.42	8.75	8.03
连云港市	1869	18.3	1021	76.4	43.44	0.57	4.22	9.10	7.74
淮安市	2266	35.6	604	67.0	19.19	0.29	4.97	8.56	7.79
盐城市	3725	33.0	678	69.2	16.31	0.24	5.30	9.22	8.08
扬州市	1536	46.7	632	76.1	25.50	0.33	5.22	8.34	7.34
镇江市	931	43.6	604	79.2	37.45	0.47	4.83	8.23	6.66
泰州市	1423	47.3	208	73.5	14.29	0.19	4.80	8.44	7.62
宿迁市	1920	27.3	117	63.2	15.83	0.25	5.03	8.62	7.97
沿海滩涂	1199	35.5	103	50.9	10.53	0.21	7.94	9.20	8.67

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3)不同成因土壤类型的Zn含量分布差异明显(图2)。在全省各主要成因类型土壤中,以石灰岩土Zn平均含量最高(达87 mg/kg),棕壤的Zn平均含量最低(43 mg/kg),二者相差1倍多。即使同一成因类型的土壤,其Zn含量也相差巨大。例如,渗育型水稻土Zn最高含量为632 mg/kg,最低含量为35 mg/kg,二者相差18倍多,滨海盐土、黄潮土等土壤与之类似;说明富锌土壤的圈定不仅要考虑土壤成因类型,还要考虑Zn分布地球化学背景等。

图2

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图2 江苏主要土壤类型Zn分布丰度对比

Fig.2 Zn abundance in the different genetic types of soil of Jiangsu Province

4)不同成土母质土壤Zn含量分布的差异也很明显(图3)。省内存在超高压变质岩、碳酸盐岩、全新统海积粉砂土等15类成土母质,以更新统冲坡积物Zn含量最低(平均值47 mg/kg),全新统海积粉砂土Zn含量最高(平均值102 mg/kg),二者相差2.17倍。大多数成土母质Zn含量分布也极不均匀,更新统冲积物、全新统冲积物、更新统冲湖积物、全新统海积亚黏土等Zn含量分布极值差距都在10倍甚至数十倍以上。

图3

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图3 江苏主要成土母质土壤Zn分布丰度对比

Fig.3 Zn abundance in the different types soil of parent materials from Jiangsu Province

3.2 影响土壤Zn分布的主要地球化学因素

利用区域生态地球化学调查获取的23 905个农田土壤样品Zn等含量数据,统计分析江苏全省和泰州市(该市为江苏主要产粮区与现代农业示范基地集中区域)土壤Zn含量同其他指标的相关性,结果如表2所示。

表2 江苏全省与泰州市土壤Zn等元素含量相关系数

Table 2 Correlation coefficients of Zn and related elements content in the farmland soil from Jiangsu Province and Taizhou City

	全省土壤(n=23 905)
	Zn	Pb	Cu	Fe	Mn	Si	Al	K	Ca	Mg	N	Se	TOC
Zn	1.0^**
Pb	0.43^*	1.0^**
Cu	0.57^**	0.34^*	1.0^**
Fe	0.52^**	0.24	0.61^**	1.0^**
Mn	0.18	0.20	0.25	0.56^**	1.0^**
Si	-0.36^*	0.02	-0.28	-0.54^**	-0.37^*	1.0^**
Al	0.45^*	0.28	0.52^**	0.82^**	0.40^*	-0.37^*	1.0^**
K	0.19	0.01	0.10	0.18	0.14	-0.45^*	0.24	1.0^**
Na	-0.29	-0.30	-0.41^*	-0.62^**	-0.33^*	-0.01	-0.53^**	0.07
Ca	0.12	-0.16	0.02	0.11	0.14	-0.82^**	-0.15	0.25	1.0^**
Mg	0.34^*	-0.13	0.19	0.37^*	0.20	-0.87^**	0.16	0.40^*	0.82^**	1.0^**
N	0.39^*	0.24	0.34^*	0.31^*	-0.07	0.07	0.33^*	-0.04	-0.29	-0.14	1.0^**
P	0.25	-0.07	0.03	-0.13	-.013	-0.27	-0.31^*	0.08	0.41^*	0.44^*	0.14
S	0.14	0.09	0.09	0.02	-0.03	-0.13	0.02	0.02	0.11	0.12	0.10
Se	0.32^*	0.42^*	0.32^*	0.19	0.06	0.16	0.22	-0.08	-0.27	-0.26	0.44^*	1.0^**
B	0.09	0.09	0.07	-0.07	-0.31^*	0.49^*	-0.06	-0.21	-0.49^*	-0.34^*	0.31^*	0.24
Mo	0.28	0.21	0.40^*	0.31^*	0.22	-0.20	0.24	0.07	0.11	0.01	0.08	0.43^*
TOC	0.39^*	0.28	0.37^*	0.29	-0.08	0.10	0.36^*	-0.06	-0.33^*	-0.21	0.92^**	0.53^**	1.0^**
pH	0.13	-0.20	-0.04	0.05	0.10	-0.64^**	-0.12	0.23	0.75^**	0.79^**	-0.27	-0.33^*	-0.34^*
	泰州市土壤(n=1 423)
	Zn	Pb	Cu	Fe	Mn	Si	Al	K	Ca	Mg	N	Se	TOC
Zn	1.0^**
Pb	0.76^**	1.0^**
Cu	0.86^**	0.83^**	1.0^**
Fe	0.78^**	0.80^**	0.89^**	1.0^**
Mn	0.74^**	0.68^**	0.81^**	0.78^**	1.0^**
Si	-0.77^**	-0.72^**	-0.84^**	-0.88^**	-0.80^**	1.0^**
Al	0.62^**	0.71^**	0.77^**	0.91^**	0.59^**	-0.71^**	1.0^**
K	0.66^**	0.72^**	0.78^**	0.90^**	0.67^**	-0.76^**	0.93^**	1.0^**
Na	-0.73^**	-0.82^**	-0.85^**	-0.95^**	-0.74^**	0.85^**	-0.90^**	-0.89^**
Ca	0.24	0.05	0.17	-0.01	0.40^*	-0.35^*	-0.33^*	-0.19^*	1.0^**
Mg	0.55^**	0.28	0.48^*	0.33^*	0.62^**	-0.58^**	0.01	0.17	0.82^**	1.0^**
N	0.39^*	0.43^*	0.39^*	0.38^*	0.06	-0.32^*	0.40^*	0.31^*	-0.23	-0.080^**	1.0^**
P	0.05	-0.18	-0.15	-0.39^*	-0.11	0.19	-0.58^**	-0.51^**	0.49^*	0.41^*	0.072
S	0.22	0.26	0.21	0.19	-0.01	-0.22	0.20	0.15	-0.08	-0.08	0.64^**
Se	0.70^**	0.76^**	0.78^**	0.74^**	0.54^**	-0.69^**	0.67^**	0.59^**	0.06	0.26	0.60^**	1.0^**
B	0.01	-0.01	0.06	-0.03	0.05	0.09	-0.01	-0.08	-0.05	0.08	0.03	0.07
Mo	0.60^**	0.63^**	0.67^**	0.66^**	0.56^**	-0.65^**	0.56^**	0.58^**	0.14	0.31^*	0.34^*	0.65^**
TOC	0.47^*	0.55^**	0.53^**	0.54^**	0.15	-0.42^*	0.62^**	0.51^**	-0.36^*	-0.14^*	0.86^**	0.71^**	1.0^**
pH	-0.05	-0.23	-0.18	-0.32^*	0.10	0.03	-0.55^**	-0.39^*	0.73^**	0.56^**	-0.41^*	-0.27	-0.54^**

注:“**”表示在0.01水平(双侧)上显著相关;“*”表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

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1)在全省土壤中,Zn与Cu、Fe具有显著正相关性(相关系数r全部大于0.5),Zn与Pb、Al、Mg、N、Se、TOC(总有机碳)具有较显著正相关性(相关系数r介于0.3~0.5之间)。土壤Cu与Fe、Al,Fe与Mn、Al,Ca与Mg、pH,Mg与pH,Se与Mo、TOC等元素之间也存在显著或较显著正相关性,其相关系数r全部大于0.3。

2)在泰州市土壤中,Zn与Pb、Cu、Fe、Mn、Al、K、Mg、Se、Mo存在显著正相关性,其相关系数r全部大于0.5,Zn与N、TOC之间存在较显著正相关性,其r介于0.3~0.5之间。与全省土壤类似,土壤Cu与Fe、Al,Fe与Mn、Al,Ca与Mg、pH,Mg与pH,K与Al之间也存在显著正相关性(r全部大于0.5),Se与Pb、Cu、Fe、Mn、Al、K、N、Mo、TOC存在显著正相关性,其相关系数全部大于0.5。

3)不论是全省还是泰州市土壤,都显示Si与Al、K、Ca、Mg、Fe等元素之间存在负相关性。凡是与Si有正相关性的元素,必然与Zn、Al、Fe、TOC等元素之间存在负相关性,说明土壤演化过程中富Si、富Al代表两个相反的趋势。土壤中Zn、Pb、Cu、Se、Mo、TOC等元素对之间具有正相关性,与其易与有机质一道富集有关,Zn、Pb、Cu、Se、Mo同土壤Al、Fe、Mn多存在正相关性,与上述微量元素容易被黏土矿物吸附、在细粒级土壤中富集有关。土壤中Zn、Cu、Se、Mo之间多存在正相关性(尤其是Zn与Se),且呈同步富集现象,与其受土壤有机质吸附富集有关,这为开发利用包含Zn在内的多种土壤中的有益微量元素提供了有利条件。

3.3 土壤有效Zn分布特征

植物吸收土壤Zn与土壤中Zn的赋存形态即有效Zn有密切联系^[26-35],了解土壤有效Zn分布状况也是利用土壤Zn分布差异开发天然富锌食品的重要环节。目前国内主要采用两种方法测定土壤有效Zn,其一是针对酸性土壤的稀盐酸浸提法^[36],其二是执行欧盟(BCR)4步提取法^[37],分别测定土壤可交换态(F1)、可还原态(F2)、可氧化态(F3)和残渣态(F4)的Zn含量,取F1+F2代表土壤有效Zn。为了与稀盐酸提取法相区别,将4步提取法测定的F1+F2态土壤Zn含量称为土壤活动态Zn。为简化表述,定义“土壤Zn活度”为:土壤中活动态Zn(或F1+F2态Zn)含量占Zn全量的百分比;“土壤Zn有效度”为:稀盐酸提取法测得的有效态Zn占Zn全量的百分比。

本次研究采用BCR 4步提取法,共测定了459个农田土壤样品(较均匀分布在全省耕地)的活动态Zn及其相关元素含量(表3),还在江苏南部宜兴市丁蜀镇通过大比例尺土地质量地球化学评估试点测定了2 440个农田土壤有效Zn及其相关元素含量(图4)。通过对以上两批数据进行统计分析,揭示江苏土壤有效Zn分布的相关特点或规律。

表3 江苏农田土壤Zn形态分析结果统计

Table 3 Statistics of Zn forms analytical results in the farmland soil in local areas of Jiangsu Province

分类	参数	w(Zn)/(mg·kg^-1)				占比/%			TOC/%	CEC /(mmol·kg^-1)	pH
分类	参数	F1	F2	F1+F2	Zn全量	F1	F2	F1+F2	TOC/%	CEC /(mmol·kg^-1)	pH
酸性土壤 (n=328)	X_min	1.10	3.87	7.05	38.00	1.30	7.65	13.40	0.66	92.00	4.74
	X_max	36.60	65.90	86.00	228.00	31.47	35.41	55.29	3.33	404.00	6.99
	$\overline{X}$	4.54	15.12	19.66	84.32	5.36	17.43	22.79	2.11	186.02	5.89
	C_V	0.69	0.52	0.51	0.31	0.46	0.25	0.24	0.22	0.22	0.10
碱性土壤 (n=131)	X_min	0.80	6.42	7.96	50.00	0.77	11.44	12.88	0.19	64.00	7.00
	X_max	43.40	199.00	242.40	377.00	19.43	52.79	64.30	11.89	408.00	8.44
	$\overline{X}$	5.40	27.04	32.44	103.83	4.54	22.91	27.45	1.75	200.07	7.80
	C_V	1.11	0.95	0.96	0.51	0.61	0.35	0.37	0.66	0.42	0.06

注:F1—可交换态;F2—还原态;F1+F2—可交换态与可还原态的总量(活动态);F1等各形态占比指各形态含量占土壤Zn全量的百分比,F1+F2态占Zn全量的百分比又被称为土壤Zn活度

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图4

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图4 江苏丁蜀镇土壤有效Zn、活动态Zn与土壤Zn全量散点分布及相关系数

Fig.4 Correlation between available Zn and Zn, active form Zn and Zn in soil from Dingshu Town in Jiangsu Province

从表3可看出,土壤可交换态(F1)Zn含量普遍低于可还原态(F2);碱性土壤的活动态Zn(F1+F2态)均量、活度(F1+F2态占Zn全量的百分比)均高于酸性土壤。除pH之外,碱性土壤环境其余各指标的变异系数(C_V)都大于酸性土壤环境,例如,前者活动态Zn变异系数为0.96,而后者为0.51,指示碱性土壤环境下活动态Zn及有关指标的分布不均匀性更甚于酸性土壤环境。碱性土壤TOC均值偏高,酸性土壤阳离子交换量(CEC)均值偏高。

对丁蜀镇2 440个土壤有效Zn等数据做统计分析(表4),发现无论是有效Zn、Zn、Zn有效度(有效量/全量的百分数)均值,还是有效Mn及其有效度,碱性土壤均高于酸性土壤。相比酸性土壤,碱性土壤的有效Zn、Zn有效度以及有效Mn、Mn、Se等变异系数都明显偏高,说明碱性土壤环境下这些元素及其有效量都分布更不均匀,这与表3的统计结果十分吻合。

表4 丁蜀镇土壤有效Zn、Zn全量及土壤理化指标统计

Table 4 Statistics of geochemical parameters of available Zn distribution in soil of Dingshu Town in Jiangsu Province

分类	参数	含量/(mg·kg^-1)					有效度/%		TOC/%	CEC /(mmol·kg^-1)	pH
分类	参数	有效Zn	Zn	有效Mn	Mn	Se	Zn	Mn	TOC/%	CEC /(mmol·kg^-1)	pH
酸性土壤 (n=2013)	X_min	0.86	16.60	2.11	32	0.093	0.52	0.94	0.17	16.20	3.86
	X_max	229	1805	1424	2786	3.93	71.29	94.37	7.35	598	6.99
	$\overline{X}$	6.96	71.19	191.64	481.07	0.50	7.42	35.91	1.49	146.38	5.65
	C_V	1.16	0.77	0.83	0.52	0.56	0.50	0.39	0.39	0.34	0.13
碱性土壤 (n=427)	X_min	0.49	18.30	21.40	151	0.089	0.33	5.38	0.16	52.40	7.00
	X_max	290	1208	6919	12188	33.50	77.67	71.66	3.64	416	8.69
	$\overline{X}$	9.09	102.05	255.24	625.58	0.56	8.57	38.03	1.37	172.58	7.60
	C_V	1.86	1.05	1.40	0.98	2.96	0.90	0.30	0.48	0.28	0.05

注:Zn有效度、Mn有效度指其有效态占各自土壤元素含量的百分比

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土壤有效Zn仅仅占其土壤全量的少部分,相关性统计表明,不论是稀盐酸提取的土壤有效Zn,还是BCR 4步法提取的土壤活动态Zn,均与土壤Zn全量间存在显著正相关性(图4)。丁蜀镇土壤有效Zn与土壤Zn的相关系数r=0.972,土壤活动态Zn与土壤Zn的相关系数r=0.943,说明土壤Zn全量不仅是其生物有效量的基础,而且也是控制土壤有效Zn的最主要因素。

3.4 土壤Zn生态效应

对江苏境内太湖和里下河地区的1 263个稻米样品的Zn等元素含量进行统计分析(表5),发现无论是稻米Zn均量,还是稻米Zn生物富集系数(BCF)均值,均是酸性土壤高于碱性土壤。稻米Zn最高含量41.1 mg/kg,低于《食品中锌限量卫生标准》(GB 13106—1991)规定的稻米Zn含量应小于50 mg/kg这一限标。酸性土壤稻米Zn的BCF均值低于Se的BCF均值,但高于Cd的BCF均值,碱性土壤稻米Zn的BCF均值与Se相当,但高于Cd的BCF均值,指示上述地区稻米吸收Zn的能力要强于Cd。不论是酸性土壤还是碱性土壤,其稻米Zn、Se、Cd等的变异系数均低于其土壤同类值,说明稻米中上述元素的分布不均匀程度弱于土壤。

表5 江苏太湖和里下河地区稻米Zn等元素含量分布地球化学参数统计

Table 5 Geochemical parameter statistics of Zn distribution in rice seeds from Taihu and Lixiahe areas in Jiangsu Province

分类	参数	w(Zn)/(mg·kg^-1)		BCF(Zn)	w(Se)/(mg·kg^-1)		BCF(Se)	w(Cd)/(mg·kg^-1)		BCF(Cd)	土壤pH
分类	参数	稻米	土壤	BCF(Zn)	稻米	土壤	BCF(Se)	稻米	土壤	BCF(Cd)	土壤pH
酸性土壤 (n=840)	X_min	8.56	29.60	0.027	0.012	0.096	0.014	0.005	0.070	0.009	4.46
	X_max	41.10	1314	0.626	0.32	4.01	0.750	0.2	10.5	1.538	6.99
	$\overline{X}$	19.82	111.29	0.243	0.059	0.486	0.142	0.073	0.750	0.171	5.80
	C_V	0.26	1.20	0.45	0.63	0.75	0.55	0.73	1.33	0.92	0.10
碱性土壤 (n=423)	X_min	7.68	42.9	0.034	0.013	0.086	0.008	0.0026	0.074	0.005	7.00
	X_max	30.9	824	0.469	0.32	9.47	0.791	0.2	19.9	0.545	8.45
	$\overline{X}$	16.07	115.97	0.160	0.063	0.730	0.160	0.037	1.454	0.046	7.79
	C_V	0.23	0.57	0.42	0.70	1.51	0.78	1.10	1.67	1.07	0.04

注:生物富集系数BCF=米之元素含量/土壤元素含量,无量纲

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将上述1 263件稻米样的Zn含量与土壤Zn含量等做相关性分析,发现稻米Zn与土壤Zn、pH等因子的相关系数绝对值全部小于0.5,说明若不限定有关土壤地球化学因子的分布条件,很难在稻米Zn同土壤Zn等因子之间找到显著相关性。通过数据筛选,发现其中一部分稻米样品的Zn含量同土壤Zn、Se、TOC、pH等因子之间存在显著相关性(如图5所示)。结果如下:

图5

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图5 江苏太湖和里下河地区稻米Zn 同土壤Zn、Se、TOC、pH相关性分析结果

Fig.5 Correlation between Zn in rice seeds and Zn, Se, total organic carbon and pH in soil from Taihu and Lixiahe Areas in Jiangsu Province

1)当土壤Zn含量在55~165 mg/kg、土壤pH=4.6~8.6、TOC含量在0.6%~5.94%、Se含量在0.1~2.6 mg/kg时,一共挑选出369个样点(占总样品数1 263个的29.2%),显示稻米Zn与土壤Zn之间存在显著正相关性,相关系数r=0.899(图5)。上述4个土壤变量的限定范围只有Zn含量限定有实际意义,因为其余3个变量(pH、TOC、Se)都处于当地土壤的正常分布范畴。此时,稻米Zn生物富集系数(BCF)全部大于0.15。

2)当土壤Se含量在0.2~0.9 mg/kg、pH<8.0、TOC含量>1.0%时,一共挑选出362个样点(占总样品数1 263个的28.7%),此时稻米Zn与土壤Se之间存在显著正相关性,r=0.913(图5b)。

3)当土壤TOC含量<3.2%、Zn含量<480 mg/kg、稻米Zn含量>10 mg/kg时,一共挑选出546个样点(占总样数1 263的43.2%),稻米Zn与土壤TOC之间存在显著正相关性,相关系数r=0.861(图5c)。

4)当稻米Zn含量<20 mg/kg、土壤pH=4.5~8.3、Zn含量<180 mg/kg时,一共挑选出451个样点(占总样数1 263的35.7%),稻米Zn与土壤pH之间存在显著负相关性,r=-0.771(图5d)。

对江苏境内徐淮及里下河地区的204个麦籽样Zn等含量分布数据的统计结果见表6。结果显示,酸性土壤中种植的麦籽Zn均量为28.99 mg/kg,麦籽Zn生物富集系数(BCF)均值0.39,碱性土壤中种植的麦籽Zn均量为27.21 mg/kg,麦籽Zn生物富集系数均值为0.34,对于酸性、碱性两个环境,无论是麦籽Zn均量还是其BCF均值都比较接近。在Zn、Se、Cd、Mn这4个元素中,无论酸性土壤还是碱性土壤,其Zn的BCF均值都最高,Mn的BCF均值都最低,指示麦籽吸收Zn的能力要强于Se、Cd、Mn。同表5的稻米数据相比,麦籽Zn均量及其BCF均值都明显高于稻米,说明麦籽吸收土壤Zn的能力要强于稻米,制定富锌大米和富锌小麦(面粉)不宜采用相同标准。

表6 江苏徐淮和里下河地区麦籽样品Zn等含量分布地球化学参数统计

Table 6 Geochemical parameter statistics of Zn distribution in wheat seeds from Xuhuai and Lixiahe Areas in Jiangsu Province

分类	参数	w(Zn)/(mg·kg^-1)		BCF (Zn)	w(Se)/(mg·kg^-1)		BCF (SE)	w(Cd)/(mg·kg^-1)		BCF (Cd)	w(Mn)/(mg·kg^-1)		BCF (Mn)	pH
分类	参数	麦籽	土壤	BCF (Zn)	麦籽	土壤	BCF (SE)	麦籽	土壤	BCF (Cd)	麦籽	土壤	BCF (Mn)	pH
酸性土壤 (n=90)	X_min	15.6	36.2	0.187	0.013	0.14	0.061	0.012	0.068	0.026	13.20	58	0.027	5.14
	X_max	49.8	219	0.699	0.14	0.51	0.356	0.1	0.97	0.853	55.90	1267	0.552	6.99
	$\stackrel{-}{X}$	28.99	79.58	0.390	0.04	0.26	0.17	0.04	0.18	0.31	29.72	490.74	0.07	6.23
	C_V	0.23	0.34	0.29	0.40	0.30	0.34	0.48	0.67	0.63	0.32	0.42	0.81	0.07
碱性土壤 (n=114)	X_min	13.4	47.6	0.079	0.012	0.11	0.064	0.009	0.08	0.038	7.57	257	0.014	7.02
	X_max	43.1	282	0.749	0.42	1.12	2.05	0.1	0.97	0.667	61.20	2377	0.129	8.46
	$\stackrel{-}{X}$	27.21	84.88	0.340	0.05	0.24	0.206	0.039	0.22	0.205	26.19	642	0.044	7.87
	C_V	0.24	0.31	0.33	1.21	0.50	1.21	0.56	0.52	0.68	0.37	0.40	0.43	0.05

注:生物富集系数BCF=麦籽之元素含量/土壤元素含量,无量纲

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对上述204套麦籽-土壤样品的麦籽Zn同土壤元素含量之间的相关性做统计分析,结果显示,麦籽Zn与土壤Zn、Se、B、TOC、Cu之间具有显著正相关性,相关系数r全部大于0.5;麦籽Zn与土壤pH、Mn之间存在显著或较显著负相关性,其相关系数r分别为-0.62、-0.43;麦籽Zn与土壤Cd、Pb、As之间无相关性,其相关系数r的绝对值全部小于0.2。上述统计结果表明,土壤Zn是制约麦籽Zn吸收的主要因素,同时Se、B、TOC、Cu、pH、Mn等也是影响麦籽Zn吸收不可忽视的因素;若利用富锌土壤生产富锌小麦,不仅要考虑土壤Zn的富集情况,还要兼顾土壤Se、B、TOC、Cu、pH、Mn等元素的分布情况。

4 土壤锌开发利用前景讨论

锌作为生物圈中的一种重要微量元素,在微量元素生物地球化学循环与人类健康中扮演着重要角色^[38]。江苏省土壤Zn区域富集优势并不明显,土壤Zn背景含量在70 mg/kg左右,总体处于全国土壤Zn背景含量水平,与全国许多地区土壤Zn正常含量、Zn地壳丰度70 mg/kg基本一致^[6-8,39-41]。全省土壤Zn与有效Zn空间分布有差异,土壤全Zn分布与Se、Mo、Cu、Fe、TOC等具显著或较显著正相关性,这种正相关性随土壤碱性增强而更为明显。苏中泰州市土壤Zn与Se、Cu、Fe、Al、Mo、TOC等的正相关性强于全省土壤,缘由之一就是泰州市土壤相对更偏碱性。大多数土壤的Zn有效度小于20%,有效Zn与土壤Zn之间呈显著正相关性,说明土壤Zn全量是控制土壤有效Zn乃至作物Zn含量的主导因素。前人大量研究证实,土壤质地、有机质、酸碱度(pH)等是控制土壤Zn、特别是土壤有效Zn分布的重要因素^{[26-29,42-45]},这些因素及其相互作用构成了江苏土壤Zn资源开发的基本元素地球化学条件。

已有的江苏省稻米、麦籽Zn含量资料表明,粮食Zn含量超出50 mg/kg食品卫生标准的情况极为少见,江苏省稻米和麦籽Zn含量均未超标(低于国家标准50 mg/kg),表明土壤Zn的生态安全风险较低。然而,Zn、Cd伴生是富锌土壤开发中的潜在风险。分析显示,土壤Cd含量变异系数较高(稻米土壤Cd变异系数为1.68),且局部高Zn区域(如苏州,Zn平均含量92.1 mg/kg)可能伴随Cd富集。相关性分析表明,Zn与Cd在部分样品中呈正相关(r=0.76,P<0.05)。为确保富锌农产品食用的安全性,建议在高Zn区域加强Cd监测,选择低Cd吸收的作物品种,并优化施肥方式以减少Cd输入^[11-12]。相关研究还表明,稻米Zn、麦籽Zn与土壤Zn、Se具有显著正相关性,且稻米Zn与稻米Se、麦籽Zn与麦籽Se也具有显著正相关性(图6,相关系数r分别为0.567、0.639),说明土壤Zn的开发利用可能促进富硒土地资源的开发利用。土壤Zn与Se、Mo、Cu、Fe、TOC等的协同富集,粮食同步富集Zn与Se元素,为富锌、富硒农产品的协同开发提供了有利条件。

图6

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图6 江苏省典型农田稻米、麦籽中Zn与Se的相关性分析结果

Fig.6 Correlation between Zn and Se in rice seeds and Zn and Se in wheat seeds from typical farmland of Jiangsu Province

参照中国地质调查局已发布的《天然富锌土地划定与标识》(DD 2025-04),建议划定标准为:富锌土地,土壤Zn含量为85~300 mg/kg(不同pH有更具体的取值范围);富锌大米,Zn含量为18~36 mg/kg;富硒小麦,麦籽Zn含量为36~80 mg/kg。参照此标准,对上述江苏23 905个农田土壤样品、1 263个稻米样品、204个麦籽样品的Zn含量进行统计,发现富锌土壤占比为11.39%,富锌稻米占比为29%,富锌麦籽占比为13.69%(统计中已扣除Cd、Pb等超标样)。富锌稻米占比远高于富锌土壤占比,这可能与目前的富锌米标准定得过于宽松有关系。江苏省富锌农田土壤与富锌麦籽占比很接近,都在11%~14%之间,指示在江苏开发富锌土壤,以富锌土壤为基础生产富锌稻米、富锌麦籽等高附加值农产品均存在很好的前景,下一步的关键是如何利用好这些珍贵的富Zn土壤资源。

随着富Se土壤资源开发利用研究日趋深入,富集有益元素的土壤地球化学研究被高度关注^[4-5,46],利用富Zn土壤开发天然富锌食品具有良好前景。江苏省拥有翔实的土壤Zn、大宗农产品Zn等地球化学调查资料,还拥有成功开发富硒土壤资源的经验,也有生产天然富锌食品的诸多有利条件。参照前人开发利用富硒土壤资源的经验,应该先从研制相关行业标准(如富Zn土壤标准、富Zn大米等天然富锌食品标准等)入手,将富Se土壤与富Zn土壤开发利用有机结合起来,并充分兼顾土壤Zn、Se与Cu、Fe、Al、Mo、TOC等元素之间或存在正相关性,土壤pH与稻米、麦籽Zn之间或存在负相关性的现象,做好富锌、富硒等土壤开发利用工作,并与土壤改良、生态修复等同步实施规划,让富Zn、Se等有益元素的土壤资源造福于民。

5 结论

1)江苏省农田土壤Zn空间分布有差异,平均含量约为70 mg/kg,与Zn的地壳丰度一致,土壤有效Zn仅占土壤Zn的一小部分,其有效度多低于20%,土壤有效Zn与土壤Zn之间具有显著正相关性,土壤Zn是制约土壤有效Zn分布的主要因素。

2)土壤质地、成因类型、有机碳和Fe等都能影响土壤Zn的相对富集,石灰岩土是最富Zn的土壤类型,全新统海积粉砂土是最富Zn的成土母质。土壤Zn与Se、Cu、Fe、Al、Mo、TOC等元素之间具有(较)显著正相关性,存在土壤Zn与Se等有益微量元素同富集的趋势。

3)稻米Zn均量约为18 mg/kg,生物富集系数均值约为0.2,稻米Zn与土壤Zn、Se、TOC具有显著正相关性,与pH呈显著负相关性。麦籽Zn均量约为28 mg/kg,生物富集系数均值约为0.36,麦籽Zn与土壤Zn、Se、B、TOC具有显著正相关性。稻米、麦籽Zn与Se均呈显著正相关性。

4)参照中国地质调查局已发布的《天然富锌土地划定与标识》(DD 2025-04)标准,确定江苏省富锌农田土壤占比为11.39%,富锌稻米占比为29%,富锌麦籽占比为13.69%,指示其富锌土壤资源的开发利用前景极其广阔。

参考文献

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文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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曾庆良, 余涛, 王锐.

土壤硒含量影响因素及富硒土地资源区划研究——以湖北恩施沙地为例

[J]. 现代地质, 2018, 32(1):105-112.