2019, Vol. 28
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, 硒是人体和动物必需的微量元素.硒能提高人体抗癌、抗衰老能力和动物机体免疫力[1-2]，对镉、砷、汞、银等重金属毒性具有明显的抵抗作用[3].缺硒会引起人体和动物发生白肌病、克山病、大骨节病等多种疾病[4-6].人体需要的硒主要通过食物链从土壤中获取[7].因此，土壤中硒元素的地球化学特征及其影响因素成为近年来热点研究课题.在不同地区，众多学者从环境地球化学和生物地球化学特征等方面对硒进行了多角度的研究[8-12]，为富硒农产品开发提供了科学依据.内蒙古自治区通辽市科尔沁区在富硒土壤调查开发方面处在起步阶段，关于硒元素地球化学研究鲜见报道.本研究利用通辽地区多目标区域地球化学调查成果，分析表层和深层土壤样品、农作物样品的地球化学特征及其影响因素，为该区划定足硒－富硒土壤和开发富硒农产品提供科学依据.
1 研究区概况研究区通辽市科尔沁区，位于西辽河冲积平原中部.该区地势平坦，土壤肥沃，是以农业经济为主的地区，素有“内蒙古粮仓”之称，同时也是全国重要的商品粮基地及无公害蔬菜生产基地.
研究区成土母质主要为西辽河冲积物和风积物，主要土壤类型有草甸土、栗钙土和风沙土（图 1）.区内主要农作物为玉米.
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图 1 研究区土壤类型分布图 Fig.1 Distribution of soil types in the study area 1—草甸土（meadow soil）；2—栗钙土（chestnut soil）；3—风沙土（aeolian sandy soil） |
野外调查采用双层网格化形式，按照1个点/km2和1个点/4 km2的密度分别采集表层土壤（0~20 cm）样品和深层土壤（150~180 cm）样品.采样点一般布设于农用耕地、菜地、林地、岸坡等位置，避开污染地段、垃圾土及新近堆积土、田坎等.采样物质为采样单元内主要类型土壤.样品经自然风干后，过20目尼龙筛.按照等分法，将加工后的表层土壤与深层土壤分别按照1个点/4 km2和1个点/16 km2组合成分析样.分析测试由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所完成.所有样品分析测试pH、Se、Mn、P、Corg、Al2O3、CaO、TFe2O3等54项指标.样品测试的准确度、精密度和数据报出率等均符合《多目标区域地球化学调查规范（1: 250000）》（DZ/T0258－2014）质量要求，分析数据准确，分析质量可靠.
3 土壤中Se的地球化学特征及土壤－农作物迁移转化根据统计结果（表 1），通辽市科尔沁区表层土壤Se含量介于0.02×10－6~0.29×10－6之间，平均值为0.098×10－6，远低于全国土壤Se平均含量值（0.29×10－6）.按照《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T0295－2016）的划分标准（表 2），研究区表层土壤Se含量总体上处于硒不足和潜在不足状态，占比95.16%，足硒土壤范围仅占4.84%，不存在富硒与硒中毒土壤.足硒区零散分布在西辽河沿岸的清河镇、敖力布皋镇和大林镇东部（图 2）.
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表 1 主要土壤类型Se含量特征值对比 Table 1 Comparison of Se content eigenvalues in major soil types |
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表 2 土壤硒丰缺划分界限表 Table 2 Abundance and deficiency demarcation values of Se content in soil |
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图 2 研究区土壤硒含量等值线图 Fig.2 Contour map of Se content in the soil of study area |
土壤中硒含量水平与土壤类型关系密切.综合表 1和图 3可以看出，表层草甸土Se含量平均值高于研究区平均值，栗钙土和风沙土Se含量平均值低于研究区平均值，且三者Se含量水平表现为，草甸土＞栗钙土＞风沙土；深层Se含量特征与表层类似，草甸土中Se含量平均值高于研究区平均值，栗钙土和风沙土Se含量水平相近，低于研究区平均值.
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图 3 表层与深层土壤Se含量均值柱状图 Fig.3 Histogram of average Se content in surface and deep soil 1—表层土壤（surface soil）；2—深层土壤（deep soil） |
土壤类型不同，表层土壤Se富集贫化趋势也不同（图 4）.富集系数（表层土壤Se含量与深层土壤Se含量比值）最高的是栗钙土，为1.98；其次是草甸土，富集系数1.93；风沙土富集系数1.49.土壤表层硒相对于深层硒明显富集，达到强烈富集程度[13]，表明表层土壤中Se元素在继承深层Se含量的同时，又受到生物、气候、人类活动等其他因素的影响，使得表层Se富集趋势更加强烈[14].
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图 4 不同土壤类型Se表层/Se深层比值图 Fig.4 Ratios of Se content in different types of surface and deep soil |
化学行为则可能与如下两种因素有关：其一是土壤中的腐殖质类有机质，Se能够与土壤中的腐殖酸形成稳定的络合物而存在于土壤上部，造成表层土壤Se含量较深层高；其二是在本研究区半干旱气候、通气良好的条件下，Se以亚硒酸盐，甚至硒酸盐的形式存在于土壤中，有利于Se向土壤表层迁移，从而使Se随着水分的蒸发而富积于土壤表层[15].
研究区足硒区（＞0.175×10－6）土壤硒平均含量达到0.192×10－6（表 3），是研究区平均值的1.96倍.且硒含量稳定，变化范围小.足硒区土壤硒含量平均值略高于东北平原表层土壤Se含量平均值[13].
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表 3 足硒区土壤Se含量参数统计表 Table 3 Parameters of Se content in Se-sufficient soil area |
在足硒区内采集玉米样品及对应根系土样品各45件进行分析.结果表明，玉米样品全硒含量与对应的根系土样品全硒含量相关性不明显（图 5）.根据粮食类富硒划分标准0.04×10－6（GBT/22499－2008），研究区内有15件玉米样品达到富硒标准，占比33.3%.由相关关系图可以看出，当根系土全硒含量大于0.14×10－6时，开始大量出现富硒玉米样品.这表明，富硒农作物并不严格产出在富硒土壤环境中（DZ/T0295－2016标准将大于0.4×10－6视为富硒土壤）.一般认为，可供植物吸收利用的是土壤硒活性较高的水溶态硒和离子交换态硒，而不是全量硒[16].研究区土壤呈碱性、氧化环境，硒元素多以硒酸盐形态存在，易于溶解在土壤中被植物吸收利用[17-18].因此，对于通辽科尔沁区开发富硒农产品，除了参考国家标准划定足硒－富硒土壤以外，还应该综合考虑非富硒土壤区农作物富硒调查结果及土壤理化性质、土壤硒有效态水平等，提出适合研究区的富硒土壤划分标准.
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图 5 玉米样品硒含量与相应根系土样品硒含量相关关系图 Fig.5 Correlation between Se content in corn samples and corresponding root soil samples |
成土母质是形成土壤的物质基础和大多植物矿质养分元素的最初来源，成土母质元素含量是决定土壤元素含量的重要因素.由于成土母质成因及其化学组成的差别，土壤中部分元素含量存在显著的差异性[18].研究区成土母质以西辽河冲积物和第四系风沙土为主，属低硒成土母质类型[14]（表 4），造成研究区整体硒含量水平处于偏低状态.然而，不同土壤类型间硒含量特征又不尽相同，这主要与不同类型土壤化学组成差异有关.研究表明，铁锰铝等氧化物含量对Se有显著影响.由表 5可以看出，在TFe2O3、Al2O3、CaO、Mn、P较高的草甸土中Se含量同样较高，在TFe2O3、Al2O3、CaO、Mn、P较低的风沙土中Se含量同样较低.这主要是由于土壤中黏土矿物、铁锰氧化物及磷灰石等对Se具有较强的吸附作用造成的[19].
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表 4 不同土壤成因类型Se含量特征值 Table 4 Eigenvalues of Se content in different genetic types of soil |
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表 5 主要土壤类型中Fe2O3、Mn、Al、Ca、P、Se含量平均值 Table 5 Average contents of Fe2O3, Mn, Al, Ca, P and Se in major soil types |
有研究表明，土壤腐植酸结合态硒高达60%~90% [20].因此土壤中有机质含量对Se含量水平有重要影响[21].对研究区表层土壤硒与Corg相关关系研究也证实了这一点.由图 6可以看出，表层土壤中Se含量与Corg含量呈显著正相关关系.表明硒在土壤中的地球化学行为受控于土壤中有机质含量.从空间分布来看，有机质高含量区与Se高含量区空间分布高度一致，均分布在西辽河沿岸.由于有机质对Se具有较强的吸附能力[22]，这种吸附作用对西辽河沿岸足硒土壤的形成起了关键作用.研究区Se高含量区属于灰色草甸土亚类，从组成上看，腐殖质以富里酸为主，胡敏酸为辅，富/胡比较高[23]，有利于对Se的吸附[20].但过高的有机质在增加土壤Se含量同时，也抑制了有效硒的含量，不利于植物吸收利用[19].
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图 6 研究区土壤中Se与Corg相关关系图 Fig.6 The correlation between Se and Corg contents in the soil of the study area |
土壤酸碱度是土壤的重要理化指标之一，其强弱对土壤中众多元素的形态、分布有重要影响.研究区土壤呈碱性—强碱性，pH值主要介于6.5~9.5之间.从pH与Se相关关系图可以看出，研究区内土壤中Se含量与pH值相关性不明显（图 7）.这与戴慧敏等人关于东北平原Se与pH值相关性研究相一致[13].研究区高Se含量值（＞0.175×10－6）对应的pH值主要介于8~9之间.这说明，高含量硒更倾向于富集在碱性—强碱性土壤中.在pH值介于6.5~8的中性和碱性土壤中，Se含量很低，且变化范围不大，土壤Se基本不受pH值制约，这与杨忠芳等人的研究结果一致[19]；而当pH＞9时，基本不出现高Se值，这可能与极强碱性条件下铁锰氧化物、有机质等吸附活性受到抑制（图 8），导致硒元素被吸附量下降有关.
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图 7 土壤中pH值与Se含量相关关系图 Fig.7 The correlation between pH value and Se content in the soil of the study area |
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图 8 土壤中pH值与TFe2O3、Al2O3、Mn、Corg含量相关关系图 Fig.8 The correlation between pH value and contents of TFe2O3, Al2O3, Mn and Corg in the soil of the study area |
1）通辽市科尔沁区表层土壤Se含量平均值为0.098×10－6，远低于全国土壤Se含量平均值.土壤中Se含量总体上处于硒不足和潜在不足状态，足硒土壤范围仅占4.84%.
2）表层土壤硒含量水平与土壤类型关系密切，表现为草甸土＞栗钙土＞风沙土.土壤类型不同，表层土壤Se富集程度也不同，表现为栗钙土＞草甸土＞风沙土.表层土壤Se含量明显高于深层土壤，呈现表聚性特征.西辽河沿岸局部草甸土与栗钙土达到足硒水平，具备较好开发潜力.
3）表层土壤Se含量水平受成土母质、化学组成、pH值等多种因素影响.研究区低硒成土母质特性是导致土壤硒含量普遍偏低的主要原因. Fe2O3、Al2O3、Corg、Mn与Se呈现良好的正相关关系. pH值与Se含量相关性不显著，高Se含量值对应的pH值主要介于8~9之间.
4）富硒农作物并不严格产出在富硒土壤环境中.土壤全硒含量低的地区，农作物硒含量也可能达到富硒标准.因此在富硒农产品开发过程中，应特别重视非富硒土壤区农作物富硒调查情况，不必严格按照0.4×10－6标准统一圈定富硒土壤，要兼顾考虑农作物硒含量、地理景观特征及土壤理化性、土壤有效态硒水平等，提出适合研究区情况的富硒土壤划分标准.
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