常 彬，郭忠華，劉根驛，孫彥偉

（1. 山東省物化探勘查院，山東·濟(jì)南 250013；2. 山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，山東·濟(jì)南 250013）

硒（Se）元素在自然環(huán)境中分布廣泛，作為人體必需的微量元素之一，與人體健康密切相關(guān)，在增強(qiáng)人體抗癌能力、重金屬解毒排毒、延緩衰老和提高免疫力等生物學(xué)方面表現(xiàn)顯著[1-2]。在表生地球化學(xué)循環(huán)過程中，硒作為親硫元素和親生物元素次生富集作用明顯[3]。以往研究表明，硒元素化學(xué)性質(zhì)活潑，生物及人體中的硒含量過低或過高均會(huì)引發(fā)不良反應(yīng)。人體缺硒會(huì)直接導(dǎo)致免疫力低下，容易受細(xì)菌及病原體的入侵和感染，已發(fā)現(xiàn)的克山病、大骨節(jié)病以及心腦血管疾病等多種病癥均與缺少硒有密切關(guān)系，硒攝入過量也會(huì)引起反作用導(dǎo)致硒中毒[4-6]，適量攝入硒既可以增強(qiáng)人體免疫能力，也可以提高人體抵御疾病、防癌抗癌等能力[7-8]。

硒元素在世界各地土壤中分布不均，土壤硒含量的變化范圍介于0.01～2.0 mg/kg，平均0.2 mg/kg，普遍表現(xiàn)為缺乏狀態(tài)[9]。據(jù)調(diào)查，在我國(guó)約有72%的地區(qū)為國(guó)際公認(rèn)的硒缺乏地區(qū)，其中1/3的地區(qū)為嚴(yán)重缺硒地區(qū)[10-11]。鑒于硒對(duì)人體健康的重要性和全球土壤硒分布的不均勻性，土壤硒含量地球化學(xué)特征以及影響因素研究已成為學(xué)者研究和社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。開展土壤硒調(diào)查，加快富硒土壤的研究和開發(fā)，對(duì)于保障人體硒元素的日攝取量和闡述中國(guó)土壤硒地域差異性具有重要的意義。

黃河下游流域河長(zhǎng)786 km，流域面積2.3萬(wàn)km2，本次研究是以“山東省茌平縣農(nóng)業(yè)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目為依托，結(jié)合相關(guān)研究成果，對(duì)黃河下游沖積平原茌平地區(qū)表層土壤中硒元素的空間分布、含量分布等地球化學(xué)特征以及影響因素等內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)分析和總結(jié)，為研究區(qū)土壤資源合理開發(fā)、特色農(nóng)業(yè)發(fā)展以及國(guó)土空間規(guī)劃提供地球化學(xué)依據(jù)，也對(duì)平原區(qū)合理開發(fā)富硒特色農(nóng)產(chǎn)品問題具有重要科學(xué)指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

茌平地區(qū)位于山東省西部，隸屬山東省聊城市，南北縱向最大距離42 km，東西橫向最大距離47 km，總面積為1003.37 km2。境內(nèi)屬典型暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季變化明顯，年均氣溫為13.6℃，年均降水量為560.88 mm，主要河流為徒駭河和馬頰河。茌平區(qū)地處黃河下游流域黃河沖積平原，地勢(shì)平緩，地面自西南向東北隨河流流向微傾，高處標(biāo)高35.0m，低處標(biāo)高26.5m，平均坡降1/15000。在黃河沖擊作用下該地區(qū)微地貌表現(xiàn)為崗、坡、洼相間的形態(tài)，形成緩平坡地、淺平洼地、河灘高地以及決口扇型地等地形地貌類型。

研究區(qū)全部為第四紀(jì)地層覆蓋，無(wú)基巖出露，自中生代末期，特別是新生代喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)以來(lái)，區(qū)內(nèi)地殼運(yùn)動(dòng)以沉降為主，巨厚的新生界新近紀(jì)—第四紀(jì)松散沉積物覆蓋在太古界—下古近系基底地層之上。構(gòu)造發(fā)育，以聊考斷裂為主。土壤類型主要以潮土為主，占研究區(qū)總面積的95.61%，風(fēng)沙土（4.37%）和鹽土（0.02%）零星分布（圖1）。土地利用類型主要有水澆地、林地和建設(shè)用地等。

圖1 研究區(qū)土壤類型分布Fig.1 Distribution of soil types in the study area

2 樣品采集及分析方法

2016年，在研究區(qū)進(jìn)行了1:50000農(nóng)業(yè)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)，主要針對(duì)茌平地區(qū)農(nóng)田、菜地、林（果）地、草地等土地利用類型開展野外調(diào)查及樣品采集工作。根據(jù)采樣地塊形狀，采用“S”形、“X”形或“棋盤”形采樣。共計(jì)在全區(qū)范圍采集表層土壤樣品1222件，采樣深度為0～20 cm，采樣密度為農(nóng)用地區(qū)域2～3個(gè)點(diǎn)/km2，建設(shè)用地區(qū)域1個(gè)點(diǎn)/2 km2；采集深層土壤樣品27件，采樣深度為150～200 cm 的土柱，樣長(zhǎng)50 cm，采樣密度為1個(gè)點(diǎn)/36 km2。樣品為混合樣，是由4～6個(gè)分樣點(diǎn)樣品等份組合形成的，分樣點(diǎn)的布設(shè)是以GPS定位點(diǎn)為中心向四周擴(kuò)展50～100 m確定。對(duì)采集的各分樣點(diǎn)土壤進(jìn)行充分混合揉搓，清除其中殘留的蟲體、巖石碎塊、秸稈以及植物根系等影響測(cè)試結(jié)果的雜物，采用四分法留取1.0 kg土壤放入樣品袋封存。為避免樣品膠結(jié)，在土壤樣品日光曬干或自然風(fēng)干的過程中要經(jīng)常進(jìn)行揉搓，加工（過篩）前為使干燥后的土壤樣品能順利過篩，土壤應(yīng)恢復(fù)至自然粒級(jí)狀態(tài)，可使用木槌對(duì)樣品輕輕敲打，再用20 目尼龍篩過篩，過篩后留取樣品重量應(yīng)不小于500 g，送往實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析樣品要大于200 g。

山東省物化探勘查院巖礦測(cè)試中心承擔(dān)了本次所有樣品分析測(cè)試工作，分析測(cè)試方法技術(shù)嚴(yán)格按照中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《1:50000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求》要求執(zhí)行。分析測(cè)試指標(biāo)（元素）包括Cd、Hg、Pb、As、Ni、Cr、V、Co、有 機(jī) 質(zhì)、Se、Zn、Cu、N、P、K、B、Mn、Mo、pH、I等。各分析指標(biāo)分析方法與檢出限見表1。

表1 各項(xiàng)指標(biāo)的分析方法及檢出限Table 1 The analysis method and detection limit of target elements

3 研究區(qū)土壤硒元素分布特征

3.1 土壤硒含量分布特征

研究區(qū)表層土壤樣品的分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，土壤硒元素含量變幅為0.08～1.51 mg/kg，平均值為0.18 mg/kg，41%的變異系數(shù)表明了該區(qū)土壤硒元素分布的不均勻性。通過研究區(qū)表層土壤硒元素地球化學(xué)特征值（表2）可知，茌平地區(qū)土壤硒含量的平均值高于山東省均值，略低于聊城市均值，遠(yuǎn)低于全國(guó)的土壤硒元素背景值，是山東省土壤硒元素背景值的1.38倍。1989年譚見安對(duì)我國(guó)硒元素生態(tài)景觀界限值進(jìn)行了系統(tǒng)劃分[12]，將土壤硒含量劃分5個(gè)等級(jí)，分別為硒缺乏（＜0.125 mg/kg）、潛在硒不足（0.125～0.175 mg/kg）、足硒（0.175～0.4 mg/kg）、富硒（0.4～3.0 mg/kg）、硒中毒（＞3.0 mg/kg）。參照此劃分依據(jù)，結(jié)合研究區(qū)0.18 mg/kg硒含量平均值，該區(qū)土壤屬于足硒狀態(tài)。

表2 表層土壤硒元素地球化學(xué)特征值Table 2 Geochemical characteristics of selenium contents in topsoil

為了解研究區(qū)土壤硒含量的空間分布情況，繪制了茌平地區(qū)表層土壤硒地球化學(xué)圖（圖2）和表層土壤硒含量分布特征圖（圖3）。由圖2可見，研究區(qū)土壤硒整體表現(xiàn)為中部、南部高，東高西低的分布趨勢(shì)，高值區(qū)以面狀分布于研究區(qū)西南部洪官屯鎮(zhèn)，最高值為1.51 mg/kg；中高背景區(qū)以面狀、條帶狀分布于研究區(qū)的中部、南部；中低背景區(qū)普遍發(fā)育，主要分布在研究區(qū)東部；低值區(qū)呈面狀分布在研究區(qū)的西部，其他地區(qū)零星分布。

圖2 表層土壤硒地球化學(xué)圖Fig.2 Geochemical map of selenium contents in topsoil

圖3 表層土壤硒含量分布特征Fig.3 Distribution characteristics of selenium content in topsoil

由圖3可見，研究區(qū)土壤中硒元素等級(jí)大多數(shù)以足硒土壤為主，分布廣泛，占整個(gè)調(diào)查區(qū)的54.16%，主要分布在研究區(qū)中部胡屯鎮(zhèn)、信發(fā)街道辦事處及振興街道辦事處和南部的洪官屯鎮(zhèn)、樂平鋪鎮(zhèn)；潛在硒不足次之，面積占整個(gè)調(diào)查區(qū)的42.58%；主要分布在研究區(qū)西部肖莊鎮(zhèn)、博平鎮(zhèn)等地；富硒類土壤占整個(gè)調(diào)查區(qū)的2.04%，主要分布在洪官屯鎮(zhèn)；硒缺乏類土壤面積占整個(gè)調(diào)查區(qū)的1.22%，主要分布研究區(qū)西北部菜屯鎮(zhèn)、肖莊鎮(zhèn)、楊官屯鄉(xiāng)等地，分布較少。

根據(jù)茌平地區(qū)表層土壤硒含量分布特征分析，研究區(qū)富硒類土壤主要分布在洪官屯鎮(zhèn), 面積7.03 km2，可在富硒種植區(qū)內(nèi)進(jìn)行大面積富硒特色農(nóng)產(chǎn)品的種植，打造以農(nóng)業(yè)旅游為主體的特色種植園區(qū)。

3.2 不同土壤類型硒含量特征

茌平地區(qū)土壤類型主要以潮土為主，占研究區(qū)總面積的95.61%，草甸風(fēng)沙土和鹽土零星分布。表3為不同類型土壤硒元素地球化學(xué)背景值對(duì)比，茌平區(qū)潮土中硒元素的平均值為0.19 mg/kg，屬于足硒（0.175～0.4 mg/kg）級(jí)別，接近于山東省同類土壤的平均值，明顯高于全國(guó)同類土壤平均值；草甸風(fēng)沙土中硒元素的平均值為0.15 mg/kg，接近于山東省同類土壤的平均值，遠(yuǎn)高于全國(guó)同類土壤平均值。通過上述分析可知，茌平地區(qū)潮土中硒含量明顯高于草甸風(fēng)沙土中硒含量，達(dá)到了足硒級(jí)別。不同土壤類型硒含量平均值存在一定差異，該地區(qū)潮土屬于黃河沖積物土，其形成受到地下潛水作用以及耕作熟化的影響，表明硒元素的含量受人類耕作活動(dòng)的影響較大。

表3 不同土壤類型硒元素地球化學(xué)背景值對(duì)比Table 3 Geochemical characteristics of Se content in different soil types

3.3 不同土地利用方式硒含量特征

茌平地區(qū)主要有水澆地、林地和建設(shè)用地等土地利用方式，對(duì)幾種主要土地利用方式表層土壤硒含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，水澆地硒含量最高，平均含量為0.19 mg/kg，建設(shè)用地次之，平均含量為0.17 mg/kg，林地硒含量最低，平均含量為0.15 mg/kg?？梢钥闯鲅芯繀^(qū)不同土地利用方式中土壤硒平均含量有所差異，與研究區(qū)表層土壤硒含量的平均值（0.18 mg/kg）接近。林地的人類活動(dòng)程度較弱，硒元素的富集接近自然狀態(tài)，水澆地因施肥、打藥等人類耕作活動(dòng)影響硒元素富集，是導(dǎo)致硒含量平均值高的主要因素。

3.4 不同成土母質(zhì)硒含量特征

成土母質(zhì)是巖石風(fēng)化過程的產(chǎn)物，也是土壤發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)和主要形成因素[14]。土壤中元素含量差異的重要影響因素取決于發(fā)育土壤成土母質(zhì)成分上的差別[15]。茌平地區(qū)地處黃河下游流域沖積平原，地勢(shì)平緩，發(fā)育的主要地層有第四紀(jì)全新世魚臺(tái)組、巨野組、單縣組和晚更新世晚期寒亭組[16]，土壤常受河流的侵蝕沖刷改造，黃河早期沖積物是當(dāng)?shù)赝寥乐饕奈镔|(zhì)來(lái)源。因此，土壤硒元素含量與成土母質(zhì)關(guān)系密切。

通過對(duì)比研究區(qū)幾種主要母質(zhì)發(fā)育的土壤中硒元素含量（表4）。可以明顯看出，土壤硒元素含量平均值表現(xiàn)為茌平區(qū)巨野組地層發(fā)育的最高，平均值為0.20 mg/kg，高于研究區(qū)表層土壤硒元素含量平均值（0.18 mg/kg），略高于寒亭組、魚臺(tái)組、單縣組地層土壤的硒元素含量平均值。物質(zhì)來(lái)源于黃河早期沉積，巖性主要為褐黃色粉砂土和棕紅色黏土。寒亭組地層土壤硒含量最低，平均值為0.17 mg/kg，略低于研究區(qū)表層土壤硒元素含量平均值，物質(zhì)來(lái)源為黃河河道、決口扇的早期沖積物，巖性主要以黏土質(zhì)細(xì)砂為主。魚臺(tái)組、單縣組地層土壤的硒元素含量平均值與表層土壤硒元素含量平均值一致。

表4 不同成土母質(zhì)土壤硒元素地球化學(xué)特征值Table 4 The geochemical characteristics of selenium contents in soils of different parent material

綜上所述，茌平區(qū)土壤硒元素含量受成土母質(zhì)的影響顯著，在不同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤中存在一定差異，與黃河早期沖積物形成的同期異相地層密切相關(guān)。

4 土壤硒元素影響因素分析

4.1 全量Se對(duì)土壤硒元素影響

相關(guān)系數(shù)值按其相關(guān)性可分為6個(gè)級(jí)別，分別為強(qiáng)相關(guān)（r≥0.8）、中強(qiáng)相關(guān)（r=0.6～0.8）、中等相關(guān)（r=0.4～0.6）、弱相關(guān)（r=0.2～0.4）、不相關(guān)（r=-0.2～0.2）、負(fù)相關(guān)（r＜-0.2）[9]。通過土壤中活動(dòng)態(tài)Se及總量Se作相關(guān)性關(guān)系圖（圖4）可見，總量Se與活動(dòng)態(tài)Se表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，r=0.9219，為強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。表明了Se總量的增加是導(dǎo)致土壤中活動(dòng)態(tài)Se含量迅速增加的重要影響因素，外源Se進(jìn)入土壤主要是以活動(dòng)態(tài)形式輸入。

圖4 土壤Se活動(dòng)態(tài)含量與總量相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation diagram between active Se content and total Se content in soil

4.2 pH值對(duì)土壤硒元素影響

生物有效硒作為土壤硒眾多形態(tài)的一種是能夠被植物直接利用和吸收的。土壤硒的存在形態(tài)、生物有效性以及土壤硒元素含量受到土壤pH值高低的顯著影響[17]。在土壤中，硒主要是通過陰離子交換機(jī)制而被專性吸附，當(dāng)pH值升高時(shí)，有利于硒的解吸。

土壤pH值對(duì)Se形態(tài)的影響具有特殊性。從土壤Se活動(dòng)態(tài)含量與pH相關(guān)關(guān)系圖（圖5）可以看出，硒與pH值具有較好的相關(guān)性，當(dāng)土壤在中性（7.5)時(shí)，離子活動(dòng)態(tài)Se含量處于最低，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的危害很小。當(dāng)土壤開始酸化（pH ＜7.5)時(shí)，離子活動(dòng)態(tài)Se含量略微增加。而當(dāng)土壤堿化（pH ＞7.5)時(shí)，離子活動(dòng)態(tài)Se的含量迅速上升，呈正相關(guān)關(guān)系。在通氣良好、堿性氧化環(huán)境中土壤Se具有較高的生物溶解性，在土壤溶液中Se主要是以水溶陰離子形式存在，水溶態(tài)Se含量的增多是土壤堿性增強(qiáng)所導(dǎo)致的。因此，土壤硒元素生物有效性在堿性條件下更高，形成的離子活動(dòng)態(tài)Se較多，有利于農(nóng)作物對(duì)硒元素的吸收。

圖5 土壤Se活動(dòng)態(tài)含量與pH相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation diagram between active Se content and pH in soil

4.3 有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤硒元素影響

土壤中有機(jī)質(zhì)是土壤重要的理化指標(biāo)，對(duì)土壤中硒元素含量具有重要影響。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中含碳有機(jī)化合物的總稱，主要來(lái)源于動(dòng)物、植物以及微生物殘?bào)w[18]。硒的生物有效性受到土壤有機(jī)質(zhì)的影響十分復(fù)雜，有學(xué)者提出，硒的生物有效性的提高是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)受到礦化作用影響使有機(jī)硒大量釋放導(dǎo)致[19]；另有學(xué)者認(rèn)為，在有機(jī)質(zhì)含量豐富的土壤中，土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤中硒元素的吸附與固定起重要作用，土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，對(duì)土壤中硒的吸附能力越強(qiáng)，土壤中硒的總含量相對(duì)越高，從而降低硒的遷移能力和活性，導(dǎo)致土壤中離子活動(dòng)態(tài)Se含量及生物有效性降低[17,20]。

從土壤Se活動(dòng)態(tài)含量與有機(jī)質(zhì)相關(guān)關(guān)系圖（圖6）可以看出，有機(jī)質(zhì)含量增加時(shí)，土壤中Se的水溶態(tài)或離子交換態(tài)有減少趨勢(shì)，但離子活動(dòng)態(tài)Se含量與有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性并不明顯，這可能是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)對(duì)離子活動(dòng)態(tài)Se含量的影響機(jī)理比較復(fù)雜，會(huì)涉及到土壤氧化還原電位、礦物以及其他常量元素等多元環(huán)境因子的綜合作用的影響，還有待進(jìn)一步探究。

圖6 土壤Se活動(dòng)態(tài)含量與有機(jī)質(zhì)相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation diagram between active Se content and organic matter in soil

5 結(jié)論

（1）山東聊城茌平地區(qū)表層土壤硒含量變化范圍為0.08～1.51 mg/kg，平均值為0.18 mg/kg，屬于足硒狀態(tài)，主要分布在該區(qū)中部和南部地區(qū)，占整個(gè)調(diào)查區(qū)的54.16%。富硒類土壤主要分布在洪官屯鎮(zhèn), 面積7.03 km2，其中耕地6.62 km2、林地0.41 km2，地形地貌以淺平洼地為主，土壤類型多為潮土。建議結(jié)合國(guó)土空間規(guī)劃，在洪官屯鎮(zhèn)富硒種植區(qū)內(nèi)，進(jìn)行大面積富硒特色農(nóng)產(chǎn)品的種植，打造以農(nóng)業(yè)旅游為主體的特色種植園區(qū)。

（2）茌平地區(qū)潮土中硒元素的平均值為0.19 mg/kg，高于全國(guó)同類土壤平均值，明顯高于草甸風(fēng)沙土中硒含量，達(dá)到了足硒級(jí)別。表明硒元素的含量受人類耕作活動(dòng)的影響較大，且土壤硒元素含量與成土母質(zhì)關(guān)系密切。

（3）茌平地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤中硒含量的影響較小，呈不明顯相關(guān)性，與土壤pH值有著密切的聯(lián)系，土壤普遍呈弱堿性。硒的離子活動(dòng)態(tài)更加穩(wěn)定，在弱堿性條件下含量較多，生物有效性也較高，有利于農(nóng)作物對(duì)硒元素的吸收。