王秋爽,羅 杰,蔡立梅,3*,穆桂珍,王涵植,蔣慧豪,王 碩,何明皇
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廣東省揭西縣土壤硒的分布特征及影響因素研究①
王秋爽1,2,羅 杰1,蔡立梅1,2,3*,穆桂珍1,王涵植1,2,蔣慧豪1,2,王 碩1,2,何明皇1
(1 長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,武漢 430100;2 長江大學(xué)國際水生態(tài)研究院,武漢 430100;3 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510640)
以揭西縣土壤為研究對(duì)象,系統(tǒng)采集了332個(gè)表層土壤樣品(0 ~ 20 cm)和86個(gè)深層土壤樣品(> 150 cm)。運(yùn)用Pearson相關(guān)分析、回歸分析、地統(tǒng)計(jì)分析和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法研究了揭西縣土壤中全硒的分布特征和影響因素。結(jié)果表明,揭西縣土壤全硒含量變幅為0.16 ~ 1.61 mg/kg,平均值為0.53 mg/kg,總體上以富硒土壤為主,不存在硒不足和硒過剩土壤。不同成土母質(zhì)中,凝灰?guī)r、花崗巖和頁巖發(fā)育的土壤全硒含量較高,砂巖發(fā)育的土壤全硒含量較低。不同土地利用方式中,未利用地土壤全硒含量最高,其次是農(nóng)用耕地,建設(shè)用地土壤全硒含量最低。Pearson相關(guān)分析和回歸分析表明,土壤全硒含量與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與鐵鋁氧化物含量、有機(jī)碳含量及海拔高度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。影響揭西縣土壤全硒含量的主要因素是成土母質(zhì)、土壤pH、有機(jī)碳、鐵鋁含量、海拔以及土地利用方式。
揭西縣;土壤全硒;分布特征;影響因素
硒(Se)是人體和動(dòng)物必需的營養(yǎng)元素之一[1-3]。硒元素主要存在于土壤中,植物吸收以后,以食物的形式進(jìn)入人體,對(duì)人體產(chǎn)生作用。適量的硒元素能夠提高人體免疫機(jī)能,防治心血管疾病、胃病,具有分解酒精、抗氧化延緩衰老、提高視力等功能,并且享有“天然解毒劑”的美名[4-6]。有研究表明硒元素過多和過少都會(huì)引發(fā)疾病[7]。低硒容易引起地球化學(xué)疾病,如低硒是誘發(fā)白肌病、克山病、大骨節(jié)病等多發(fā)病的基本因素[7-9]。硒元素又具有毒性,攝入過多或者攝入時(shí)間過長,會(huì)導(dǎo)致急性或慢性中毒[10-11]。近年來,隨著居民生活質(zhì)量提高,硒元素的營養(yǎng)保健作用逐漸受到人們的重視,并且天然富硒農(nóng)產(chǎn)品具有安全、科學(xué)、有效的特性,因此富硒農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)具有較好的前景和重要的經(jīng)濟(jì)意義[12-13]。揭西縣是廣東省唯一的小麥生產(chǎn)基地、國家商品糧建設(shè)縣和特色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。《揭西縣國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要(草案)》指出發(fā)展特色農(nóng)業(yè),全力打造生態(tài)揭西的新布局[14]。因此探究揭西縣土壤全硒含量的分布狀況及影響因素對(duì)當(dāng)?shù)鼐用窠】狄约稗r(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。然而至今,有關(guān)揭西縣土壤中硒含量的分布狀況及影響因素鮮見報(bào)道。因此本文借助揭西縣農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查結(jié)果,對(duì)揭西縣土壤中全硒的含量、分布特征及其影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究,結(jié)果可為該地區(qū)富硒資源的合理開發(fā)及保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
揭西縣(115°36′ ~ 116°11′E,23°18′~ 23°41′N)位于廣東省揭陽市西北部,面積為1 365 km2, 轄1個(gè)街道辦事處、15個(gè)鎮(zhèn)、6個(gè)林場,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年均溫21.1 ℃,年均降水量1 708.1 mm。該縣地處蓮花山支脈大北山南麓,主要有第四系、白堊系、侏羅系、三疊系四大地層。第四系主要分布在東南部的榕江南河附近,主要為桂洲群大灣鎮(zhèn)組地層,巖性為砂巖、粉砂巖;白堊系主要分布在北部山地(李望嶂附近),西部和南部有少量分布,區(qū)內(nèi)凝灰質(zhì)礫巖、砂巖、凝灰?guī)r分布廣泛,有少量侵入巖出露;侏羅系主要分布在北部的李望嶂、笨箕石、北山嶂附近,西部的峰仔巖凸、癩疴凸附近,南部的大廟山、牛頭馬面凸附近,中部的龍湖山附近,巖性主要為凝灰質(zhì)頁巖、泥巖、礫巖和少量侵入巖;三疊系主要分布在烏鷹崠附近,巖性主要為砂巖。研究區(qū)地貌類型主要有平原、丘陵和山地,土壤以水稻土、赤紅壤、黃壤為主。揭西縣農(nóng)用地面積占土地總面積的84.07%,主要種植水稻、小麥,盛產(chǎn)乒乓果、橄欖、荔枝、龍眼、彌胡桃、擂茶、冬瓜等特色農(nóng)產(chǎn)品。
根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)估技術(shù)要求(試行)》(DD2008-06) 的相關(guān)要求,結(jié)合揭西縣的地形地貌、土壤類型、土地利用方式等因素采集了表層土壤樣和深層土壤樣。表層土壤樣品采樣密度為每km2一個(gè)點(diǎn),采樣深度為0 ~ 20 cm,在采樣方格中,一個(gè)樣品由主采樣點(diǎn)周圍100 m范圍內(nèi)3 ~ 5處多點(diǎn)采集組合,每4 km2一個(gè)點(diǎn)組合分析;深層土壤樣品采樣密度為每4 km2一個(gè)點(diǎn),采樣深度達(dá)到150 cm以下,每16 km2一個(gè)點(diǎn)組合分析。共采集332個(gè)表層組合樣、86個(gè)深層組合樣。在農(nóng)業(yè)區(qū),采樣點(diǎn)布置在農(nóng)田、菜地、林(果)地、草地及山地丘陵土層較厚地帶等;在城鎮(zhèn)區(qū),采樣點(diǎn)布置在公園、林地以及其他空曠地帶等堆積歷史較長的土壤,避開近期搬運(yùn)的堆積土和垃圾土。表層土樣采樣點(diǎn)位置離開主干公路、鐵路100 m以外,避開施肥期。深層土樣采樣位置偶爾布置在人工揭露剖面上,采樣時(shí)去除剖面表土。棄去動(dòng)、植物殘留體、礫石、肥料團(tuán)塊等雜物后,混勻收集約1 000 g土樣。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,風(fēng)干,磨碎,過20目尼龍篩,按要求將500 g分析樣裝瓶備用。
該研究區(qū)土壤樣品分析由廣東省物料實(shí)驗(yàn)檢測中心承擔(dān),并嚴(yán)格按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》(DD2005-01)進(jìn)行。氫氟酸–硝酸分解樣品,高氯酸冒煙,鹽酸溶解并入鐵鹽,硼氫化鉀還原,原子熒光光譜法測定硒元素的含量,方法檢出限為0.004 mg/kg;粉末壓片(稱樣量4 g、硼酸鑲邊墊底),X射線熒光光譜法(XRF)直接測定Fe2O3、Al2O3和Mn的含量,方法檢出限分別為0.02%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、4 mg/kg;硫酸、重鉻酸鉀氧化分解,硫酸亞鐵銨滴定測定土樣的有機(jī)碳含量,方法檢出限為0.09%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));稱取10 g土樣,加25 ml蒸餾水,攪拌1 min,靜置30 min,離子選擇電極測定土壤pH,方法檢出限為0.1。以國家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)控制精密度和準(zhǔn)確度,以空白樣和重復(fù)樣分析實(shí)驗(yàn)誤差。經(jīng)檢驗(yàn),所有樣品報(bào)出率為100%,精密度和準(zhǔn)確度合格率均為100%,重復(fù)性檢驗(yàn)合格率為100%,符合《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》(DD2005-01)要求,分析數(shù)據(jù)可靠準(zhǔn)確。
描述性統(tǒng)計(jì)、Pearson相關(guān)分析和回歸分析等借助Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0完成;半方差分析、空間分布圖分別運(yùn)用GS+、ArcGIS 10.0軟件完成。
揭西縣表層土壤中全硒含量的變化范圍為0.16 ~ 1.61 mg/kg,平均含量為0.53 mg/kg。與我國其他地區(qū)表層土壤全硒含量(表1)相比,該縣表層土壤全硒含量平均值與章丘地區(qū)[15]富硒土壤研究結(jié)果較為接近,高于三峽庫區(qū)克山病區(qū)[16]和西藏大骨節(jié)病區(qū)[17],低于恩施市[18]、紫陽縣[19]硒毒區(qū),與全國[20]和全球[21]土壤硒含量均值相比,分別是我國和全球土壤硒的1.8倍和1.3倍。根據(jù)譚見安[8]對(duì)我國硒元素生態(tài)景觀安全閾值的劃分(表2)可知,研究區(qū)表層土壤大部分屬于富硒土壤范疇,不存在硒不足和硒過剩土壤,其中,富硒土壤占82%,足硒土壤占18%。借助半方差分析和普通克里金插值得到揭西縣表層土壤全硒空間分布圖(圖1),由圖1可以看出,表層富硒土壤主要集中在揭西地區(qū)中部和北部(良田鄉(xiāng)、大洋鄉(xiāng)、五經(jīng)富鎮(zhèn)等),而在南部部分地區(qū)(上砂鎮(zhèn)、河婆街道辦事處、揭西縣城區(qū)、灰寨鎮(zhèn)、塔頭鎮(zhèn)、鳳江鎮(zhèn)、棉湖鎮(zhèn)等)土壤硒含量在0.4 mg/kg以下,可以考慮適當(dāng)給當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物補(bǔ)充外源硒,以提高當(dāng)?shù)鼐用裆眢w健康質(zhì)量。
表1 揭西縣及其他地區(qū)土壤硒含量
表2 表層土壤硒豐缺劃分界限值
表層土壤硒的富集程度可用富集系數(shù)()來表示,即:
其中,每4 km2的表層土壤樣和其所處的16 km2單元格深層土壤樣相對(duì)應(yīng)。分別以1.0≤k < 1.5、1.5 ≤ k< 2.0和k≥ 2.0作為土壤硒弱富集、中富集和強(qiáng)富集3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的劃分依據(jù)[22]。揭西縣表層土壤硒的富集系數(shù)平均值為1.46,變化范圍為0.09 ~ 10.06,標(biāo)準(zhǔn)離差為1.25,變異系數(shù)達(dá)86%,屬于中等變異。富集系數(shù)均值屬于弱富集,表明揭西縣表層土壤硒的富集程度相對(duì)較低,中等變異反映了不同區(qū)域富集程度差異較大。其中弱富集、中等富集和強(qiáng)富集區(qū)面積分別占揭西縣總面積的24%、11%、22%。圖2中強(qiáng)富集區(qū)(k ≥ 2.0)主要分布在侏羅系凝灰?guī)r、花崗巖、頁巖和白堊系凝灰?guī)r、花崗巖為母質(zhì)的土壤區(qū)。
Fig. 1 Spatial distribution of total selenium content in topsoil in Jiexi County
圖2 揭西縣表層土壤全硒富集系數(shù)分布圖
2.3.1 成土母質(zhì) 土壤中的硒主要受成土母質(zhì)的影響[23]。圖3為揭西縣深層土壤全硒的空間分布圖,從圖1和圖3可以看出,表層土壤和深層土壤中全硒的空間分布較為吻合,而且表層土壤全硒含量與深層土壤(相當(dāng)于成土母質(zhì)層)全硒含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(= 0.603,< 0.01),表明成土母質(zhì)對(duì)表層土壤硒含量影響較大。不同成土母質(zhì)發(fā)育的表層土壤硒含量具有差異性(表3),這與劉曉波等[24]在四川省屏山縣關(guān)于土壤硒含量影響因素的研究一致。除第四系砂巖發(fā)育的土壤全硒含量低于0.40 mg/kg外,其余母質(zhì)發(fā)育的土壤全硒含量都高于富硒土壤臨界值0.40 mg/kg。不同母質(zhì)發(fā)育的土壤全硒含量由高到低的順序?yàn)椋嘿_系凝灰?guī)r(0.73 mg/kg)> 白堊系花崗巖(0.65 mg/kg)> 白堊系凝灰?guī)r(0.63 mg/kg)> 侏羅系頁巖(0.53 mg/kg)> 侏羅系花崗巖(0.50 mg/kg)> 三疊系砂巖(0.46 mg/kg)> 第四系砂巖(0.36 mg/kg),可見凝灰?guī)r、花崗巖和頁巖發(fā)育的土壤硒含量較高。其原因可能是在火山巖區(qū)(凝灰?guī)r和花崗巖為主),各類金屬硫化物和金屬礦床分布廣泛,而硒和硫有相似的地球化學(xué)性質(zhì),兩者易形成類質(zhì)同像存在于硫化物礦物中,使得火山巖區(qū)硒的含量較高[25]。在侏羅系黑色頁巖分布區(qū)由于富含泥質(zhì)、碳質(zhì)和有機(jī)質(zhì),會(huì)增強(qiáng)對(duì)硒的吸附作用從而使硒含量增加。第四系和三疊系砂巖發(fā)育的土壤硒含量較低,可能是因?yàn)樯皫r的結(jié)構(gòu)和孔隙都不利于富硒環(huán)境的形成。本研究區(qū)域地質(zhì)背景復(fù)雜,使得研究區(qū)不同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤中硒含量具有差異性。
圖3 揭西縣深層土壤全硒空間分布圖
表3 揭西縣不同類型成土母質(zhì)發(fā)育土壤全硒含量
2.3.2 土壤理化性質(zhì) 通過對(duì)表層土壤全硒含量與Fe2O3、Al2O3、pH、SOC進(jìn)行回歸分析,得到圖4,并且運(yùn)用Pearson相關(guān)分析得出土壤全硒含量與土壤理化性質(zhì)和組分之間的相關(guān)性。結(jié)果表明,揭西縣表層土壤全硒含量與Fe2O3(圖4A)、Al2O3(圖4B)有極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為= 0.468(< 0.01)和= 0.360 (< 0.01),可能由于鐵鋁氧化物對(duì)硒具有吸附作用,但是Fe2O3與硒的相關(guān)性高于Al2O3,這是由于鐵鋁氧化物對(duì)硒的親和力和吸附能力不同引起。同時(shí),pH會(huì)影響鐵鋁氧化物對(duì)硒的吸附,最大吸附量在pH = 4 ~ 6之間[20]。另一方面,經(jīng)過鹽基離子淋失后的Fe和Al會(huì)相對(duì)富集[24],這些因素促使該區(qū)域形成了富硒的環(huán)境。
圖4C表明有機(jī)碳與硒存在極顯著正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為= 0.456(< 0.01)。以往的研究也發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳與土壤全硒含量存在相關(guān)性[26],主要是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)對(duì)硒有強(qiáng)烈的吸附和固定作用。圖4D表明揭西縣表層土壤酸堿度與全硒含量存在極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為= – 0.593(< 0.01)。土壤中Se的主要存在形式有元素硒、有機(jī)硒、硒化物、亞硒酸鹽和硒酸鹽等,pH是控制亞硒酸鹽和硒酸鹽轉(zhuǎn)化的主要因素[27],硒在酸性和中性(pH = 4 ~ 8)條件下主要以亞硒酸鹽的形式存在,遷移淋溶作用較弱;在堿性條件下主要以硒酸鹽形式存在,容易遷移,且被植物吸收利用[26, 28-30]。因此有機(jī)碳對(duì)硒的吸附作用和大面積酸性土壤是揭西縣土壤中硒累積的重要因素。
2.3.3 海拔 海拔是影響土壤中硒含量的重要因素[31]。Pearson相關(guān)分析表明,海拔高度與表層土壤全硒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(= 0.505,< 0.01),海拔高度的變化對(duì)表層土壤全硒含量的影響較大。這與羅友進(jìn)等[16]、商靖敏等[32]、Yu等[33]關(guān)于土壤硒與海拔關(guān)系的研究結(jié)果一致。表4為不同海拔高度(0 ~ 200、200 ~ 400、400 ~ 600、600 ~ 800、800 ~ 1 000 m)全硒含量的變化情況,可以看出隨著海拔升高土壤硒含量逐漸增大。其原因是海拔主要通過氣溫對(duì)有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生作用,從而影響土壤全硒含量。在低海拔區(qū),氣溫較高,加快了有機(jī)質(zhì)的分解速率,在分解過程中會(huì)將自身固定和吸附的部分硒釋放出來,同時(shí)分解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物也可能促進(jìn)硒的活化,使得表層土壤中硒淋溶和植物吸收速率增加[34],進(jìn)而導(dǎo)致土壤中全硒含量較低。
圖4 揭西地區(qū)表層土壤硒含量與Fe2O3 (A)、Al2O3 (B)、SOC (C)、pH (D)的相關(guān)性
表4 揭西縣不同海拔高度發(fā)育土壤的全硒含量
2.3.4 土地利用方式 土地利用方式對(duì)土壤中全硒含量的影響是綜合作用的結(jié)果[32, 35-37],主要是改變土壤性質(zhì)和土地生產(chǎn)力,進(jìn)而影響土壤中全硒的含量。本研究根據(jù)揭西縣土地利用方式的特點(diǎn),將揭西縣土地利用方式分為三類:未利用地、農(nóng)耕用地、建設(shè)用地。并且分別統(tǒng)計(jì)了3種土地利用方式中全硒的含量(表5),其中未利用地土壤全硒含量平均值最高,為0.56 mg/kg;農(nóng)耕用地土壤全硒含量均值次之;建設(shè)用地的全硒含量平均值最低,為0.46 mg/kg。這可能是因?yàn)樵谖蠢玫刂?,硒被土壤有機(jī)質(zhì)吸附,不斷在土壤表層累積,輸入量大于輸出量,導(dǎo)致硒含量較高。在農(nóng)耕用地中,農(nóng)作物持續(xù)從土壤吸收硒元素,如果常規(guī)的施肥不能充分地補(bǔ)充硒元素,會(huì)使土壤中硒含量減少,而且長期的耕作改變了土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu),降低了土壤保肥、供肥能力,也會(huì)使土壤中部分硒元素流失。對(duì)于建設(shè)用地,土壤中硒含量大小的影響因素較為復(fù)雜,有待進(jìn)一步研究。
表5 揭西縣不同土地利用類型土壤硒含量
研究結(jié)果表明揭西縣土壤總體上屬于富硒土壤。不同成土母質(zhì)中,白堊系凝灰?guī)r、花崗巖和侏羅系凝灰?guī)r、花崗巖、頁巖為母質(zhì)發(fā)育的土壤中全硒含量較高,第四系砂巖和三疊系砂巖為母質(zhì)發(fā)育的土壤中全硒含量較低。不同土地利用方式中,未利用地土壤全硒含量最高,其次是農(nóng)耕用地,建設(shè)用地土壤全硒含量最低。揭西縣土壤全硒含量在區(qū)域分布上具有差異性,主要與成土母質(zhì)、土壤pH、有機(jī)碳含量、鐵鋁氧化物含量、海拔以及土地利用方式等因素有關(guān)。因此在揭西縣農(nóng)業(yè)發(fā)展的過程中,建議依據(jù)因地制宜的原則,在富硒地區(qū),合理利用富硒土壤,種植富硒農(nóng)產(chǎn)品,發(fā)展富硒農(nóng)業(yè),促進(jìn)該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展;在硒含量較少地區(qū),適當(dāng)補(bǔ)充外源硒或者通過調(diào)節(jié)土壤的理化性質(zhì)、人類活動(dòng)來改善土壤硒含量。
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Distribution of Soil Selenium and Its Influential Factors in Jiexi County, Guangdong Province
WANG Qiushuang1,2, LUO Jie1, CAI Limei1,2,3*, MU Guizhen1, WANG Hanzhi1,2, JIANG Huihao1,2, WANG Shuo1,2, HE Minghuang1
(1 College of Resources and Environment, Yangtze University, Wuhan 430100, China; 2 International Institute of Aquatic Ecology, Yangtze University, Wuhan 430100, China; 3 Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)
A total of 332 topsoil samples (0 – 20 cm) and 86 deep soil samples (> 150 cm) were collected in Jiexi County, Guangdong Province to study the characteristics of total selenium contents, spatial distribution and its influential factors by Pearson correlation analysis, regression analysis, geostatistical analysis and GIS technology. The results showed that the concentration of total selenium ranged from 0.16 to 1.61 mg/kg with a mean value of 0.53 mg/kg. The whole region was concentrated in the category of abundance of selenium content. Among the different types of parent materials, selenium contents were higher in soils developed from tuff, granite, and shale, while selenium concentrations were lower in soils developed from sandstone. Among the different land use types, the highest Se content was found in unused land, followed by agricultural arable land, and total selenium content was the lowest in construction land. Regression analysis and Pearson correlation analysis showed that soil total selenium content was significantly negatively correlated with pH, but significantly positively correlated with iron-aluminum oxide content, organic carbon content, and altitude. The parent material was the main influential factor of soil total selenium content in Jiexi County, while soil pH, organic carbon, iron and aluminum content, altitude, and land use type also had certain effects on the distribution and enrichment of soil total selenium content.
Jiexi County; Soil total selenium; Distribution characteristic; Influential factors
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41203061)、湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015CFB603)、湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(D20161301)、有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(OGL-201408)和長江大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(2016006, 2017223)資助。
(clmktz88@yangtzeu.edu.cn)
王秋爽(1992—),女,山東陽信人,碩士研究生,主要從事環(huán)境地球化學(xué)研究。E-mail: cjdxqsw@163.com
10.13758/j.cnki.tr.2018.06.010
S159.2;S153.6
A