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  地质与资源 2020, Vol. 29 Issue (1): 38-43  
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引用本文
张哲寰, 赵君, 戴慧敏, 贺鹏飞, 魏明辉. 黑龙江省讷河市土壤-作物系统Se元素地球化学特征[J]. 地质与资源, 2020, 29(1): 38-43.  
ZHANG Zhe-huan, ZHAO Jun, DAI Hui-min, HE Peng-fei, WEI Ming-hui. GEOCHEMISTRY OF SELENIUM IN SOIL-CROP SYSTEM OF NEHE CITY, HEILONGJIANG PROVINCE[J]. Geology and Resources, 2020, 29(1): 38-43.  
黑龙江省讷河市土壤-作物系统Se元素地球化学特征
张哲寰 , 赵君 , 戴慧敏 , 贺鹏飞 , 魏明辉     
中国地质调查局 沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034
收稿日期：2019-04-01; 修回日期：2019-07-04
基金项目：中国地质调查局“东北黑土地1：25万土地质量地球化学调查”项目（编号121201007000161312）。
作者简介：张哲寰(1968—), 女, 工程师, 主要从事环境地质研究工作, 通信地址 辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街280号, E-mail//601984163@qq.Com。
编辑：张哲
摘要：根据东北黑土地1：25万土地质量地球化学调查资料，采集黑龙江省讷河市表层土壤（0~20 cm）样品1627组，深层（150~200 cm）样品415组.对不同类型土壤微量元素Se的全量、有效态含量、农作物籽实Se含量，以及Se在剖面中的分布特征进行了分析研究.结果显示：1）表层土壤Se元素含量平均为0.239×10-6，低于全国和世界土壤平均值，高于黑龙江省和东北平原平均值，表层土壤Se含量以足硒为主要特征，足硒土地面积达84.21%；2）不同类型土壤硒含量有一定差异，黑土、黑钙土、草甸土Se含量高于暗棕壤、沼泽土和新积土；3）不同土地利用类型Se含量表现为交通用地、建设用地和耕地Se含量高于林地、草地和水利用地，反映出与人类活动强度关系密切；4）在土壤剖面中Se含量随深度增加呈现降低的趋势，表层土壤Se含量最高；5）玉米、大豆、水稻主要农作物籽实Se元素平均含量0.035×10-6，呈低Se特征，可依靠农业科技开发富硒产品，提高粮食质量.
关键词：土壤    作物    硒元素    地球化学    黑龙江省讷河市    
中图分类号：S151.9;P595            文献标志码：A             文章编号：1671-1947(2020)01-0038-06
GEOCHEMISTRY OF SELENIUM IN SOIL-CROP SYSTEM OF NEHE CITY, HEILONGJIANG PROVINCE
ZHANG Zhe-huan , ZHAO Jun , DAI Hui-min , HE Peng-fei , WEI Ming-hui     
Shenyang Center of Geological Survey, CGS, Shenyang 110034, China
Abstract: According to the 1:250 000 scale land quality geochemical survey data of black soil in Northeast China, 1627 groups of surface soil (0-20 cm) samples and 415 groups of deep soil (150-200 cm) samples are collected from Nehe City of Heilongjiang Province to study the Se total content, available content in different types of soil, Se content in crop seeds and distribution characteristics in soil profiles. The results are shown as follows:1) The average Se content in topsoil is 0.239×10-6, which is lower than that of China and world, and higher than that of Heilongjiang Province and Northeast China Plain. It is characterized by Se sufficiency, and the Se-sufficient land area reaches 84.21%. 2) The Se contents vary in different types of soil. The Se contents in black soil, chernozem and meadow soil are higher than those in dark brown soil, bog soil and alluvial soil. 3) In terms of land use types, the Se contents in traffic land, construction land and cultivated land are higher than those in forest, grassland and water conservancy land, reflecting its close relation with human activity intensity. 4) The Se content in soil profiles decreases with the increase of depth, and that in topsoil is the highest. 5) The average Se content in main crop seeds of corn, soybean and rice is 0.035×10-6, characterized by low Se. The agricultural technology can be applied to develop Se-rich products and improve grain quality.
Key words: soil    crop    Se    geochemistry    Nehe City of Heilongjiang Province    

0 引言

硒（Se）虽然不是植物必需，但却是人和动物必需的微量元素，其丰缺与人体健康关系密切[1].硒具有多重作用，人体缺硒会造成免疫机能下降，引起人发生克山病、大骨节病等多种缺硒疾病[2-6].人体过量摄入硒则会引起硒中毒[7-8].而适量摄入硒能预防癌症及心血管疾病、增加机体免疫力、抗氧化和延迟衰老等生物功能[8-12].因此Se元素越来越受到人们的关注.

土壤的Se主要来源于成土母质.土壤中Se的含量、形态及土壤-植物的迁移转化等均是籽实中Se含量的影响因素.因此，将土壤-作物系统作为一个整体来研究Se元素的分布、迁移转化和积累等特征，旨在为合理开发富硒产品提供依据.

1 材料和方法 1.1 研究区概况

讷河市位于松嫩平原北端，面积6660 km2，属于温带大陆性季风气候区，气候特点是积温不足，雨量偏少，无霜期短，昼夜、冬夏温差较大.讷河市主要地貌类型，北部为砂砾石倾斜台地，南部为砂、土坡状高平原，沿讷谟尔河河谷为砂、土阶地和漫滩（图 1）讷河市是黑龙江省重要的农业基地，有耕地47.3×104 hm2，占土地面积的71.0%.土壤类型有黑土、草甸土、暗棕壤、黑钙土、沼泽土和新积土，面积分别占土地面积的44.8%、31.5%、10.7%、7.2%、1.0%和0.8%.主要土地利用类型是耕地和林地，农作物类型以玉米、大豆、水稻为主.

图 1 讷河市地貌图 Fig.1 Landform map of Nehe City 1—玄武岩台地（basalt flatform）；2—砂、土微起伏低平原（sand-soil microrelief low plain）；3—砂、土波状高平原（sand-soil wavy high plain）；4—砂、土阶地、漫滩（sand-soil terrace and floodplain）；5—砂砾石倾斜台地（sand-gravel inclined platform）
1.2 样品采集

本研究以讷河市全域为研究区，网格式定位采样.表层土壤（0~20 cm）每1 km2采集一个土样，共采集6508件样品.按照2 km × 2 km的格网，将4个土样混合成一个分析样品，共组合表层土壤分析样品1627个.深层样（150~200 cm）每4 km2采集一个样品，共采集1660个深层样品，按照4 km × 4 km的格网，将每个格网的4个土样混合组成一个分析样品，共组合深层分析样品415个.共采集3条剖面，剖面深度0~200 cm，每20 cm采一个样品.采集6组根系土样品分析元素有效态含量.采集籽实样品8个.

1.3 样品的分析测试

表层土壤样品Se元素全量、有效态量及剖面样品Se全量采用HG-AFS方法进行测试，籽实样品Se元素含量采用ICP-AES方法进行测试，样品分析由具有MA认证资质的原国土资源部沈阳矿产资源监督检测中心测试完成.

1.4 数据处理方法

采用ArcGIS软件和Excel2016进行数据处理和分析.

2 分析结果与讨论 2.1 表层土壤Se元素地球化学特征 2.1.1 全区表层土壤Se含量及分布

讷河市表层土壤Se含量范围值为0.034×10-6 ~0.49×10-6，平均0.239×10-6（表 1），低于全国土壤[13]和世界土壤[14]Se含量平均值，高于黑龙江省[15]、黑龙江省松嫩平原南部[16]、吉林省西部[17]和东北平原[18]土壤Se含量平均值.依据谭见安[4]对我国Se元素生态景观安全阈值的划分标准，讷河市84.2%的表层土壤Se含量属于足硒（表 2），面积5467 km2；Se含量潜在不足占12.35%，面积808 km2；硒不足占2.88%，面积188 km2；富硒占0.55%，面积36 km2；全区没有Se过量土壤.富硒区零星分布在讷谟尔河河谷，硒适量区则广泛分布于讷谟尔河以南的高平原和以北的倾斜台地.硒不足和潜在不足区主要分布在境内东北的侵蚀比较严重的台地区和嫩江、讷谟尔河河谷新积土分布区（图 2）.

表 1 研究区与其他地区表层土壤Se含量 Table 1 Se contents in topsoil of the study area and other areas
表 2 表层土壤Se含量等级 Table 2 Grading of Se content in topsoil
图 2 讷河市表层土壤Se元素等级评价图 Fig.2 Grade evaluation of Se content in topsoil of Nehe City 1—缺乏，≤ 0.125×10-6（deficient）；2—边缘，0.125×10-6~0.175×10-6（marginal）；3—适量，0.175×10-6~0.40×10-6（appropriate）；4—高，0.40× 10-6~3.0×10-6（high）
2.1.2 不同类型土壤表层Se含量特征

不同类型土壤Se含量有一定差异，Se含量由高到低依次为：黑钙土>黑土>草甸土>沼泽土>暗棕壤>新积土（表 3）.除新积土外，其他5种类型土壤Se含量平均值均达到中等水平.新积土Se含量最低，与黑龙江省松嫩平原南部土壤硒元素特征研究结果一致[16].从变异系数（Cv）看，全区没有Cv大于0.5的高分异土壤.暗棕壤和草甸土属于中分异型，黑土、黑钙土、沼泽土和新积土均属于弱分异型，说明各类土壤硒含量空间变化不大.

表 3 不同类型土壤表层Se含量特征 Table 3 Characteristics of Se content by types of topsoil

不同类型土壤表层Se效应见表 4.可以看出，黑钙土和黑土足硒率分别为96.61%和94.42%，属于足硒状态，草甸土、沼泽土和暗棕壤足硒比率分别为76.17%、70.0%、57.83%，新积土Se含量属于潜在不足和不足状态.

表 4 不同类型土壤表层Se含量等级 Table 4 Grading of Se content by types of topsoil
2.1.3 不同土地利用类型表层土壤Se含量特征

不同土地利用类型Se含量变化特征是，建设用地、交通用地和耕地Se含量高于林地和水利用地Se含量（见表 5），呈现受人类活动影响大的土地利用类型Se含量显著高于受人类活动影响小的类型，这与前人研究成果一致[18-21].

表 5 不同土地利用类型土壤表层Se含量特征 Table 5 Characteristics of Se content in topsoil by types of land use
2.2 深层土壤Se元素地球化学特征

深层土壤采样深度为150~200 cm，深层土壤中的Se含量基本代表了原生自然成土环境下Se的背景值.测试结果Se含量范围值为0.018×10-6~0.032×10-6，平均0.126×10-6（见表 6），低于表层土壤Se含量.不同类型深层土壤Se含量由高到低的顺序为：黑土>沼泽土>暗棕壤>草甸土>新积土>黑钙土.与表层土壤Se含量分布规律差异最明显的是黑钙土，表层含量最高，而深层含量最低.从变异系数（Cv）看，除了新积土属于弱分异型外，其余均属中分异型.

表 6 深层土壤Se元素含量 Table 6 Se contents in deep soil

用表层土壤Se含量实测值与深层土壤Se含量实测的比值，作为衡量土壤Se富集程度的指标，即环境富集系数[22].富集系数越大，说明Se越趋于在土壤表层富集，反之则为贫化.从表 6中环境富集系数看，黑钙土、黑土和草甸土属强烈富集.将土壤类型与土地利用类型进行空间分析得知，这3种类型土壤耕地和建设用地所占比例高，分别达91.05%、91.91%和76.33%（表 7）.暗棕壤、沼泽土和新积土属弱富集，这3种类型土壤的耕地和建设用地分别占60.64%、51.07%和38.99%.林地、草地和水利用地所占比例明显增大.土壤Se元素的表层富集呈现与人类活动强度关系密切，即建设用地和耕地环境富集系数大，林地和水利用地环境富集系数低，这与前文分析结果一致，说明人类活动对硒元素具有表生富集作用.

表 7 不同类型土壤的土地利用情况 Table 7 Land use of different types of soil
2.3 表层土壤Se有效态含量

在土壤中元素Se以不同形态存在，能被植物吸收的形态称为有效态，它反映土壤中Se对植物的供应水平. Se的有效态主要是硒酸盐和亚硒酸盐.讷河市土壤Se的有效态含量在0.976×10-9~9.890×10-9，平均含量3.964×10-9（表 8），有效态Se含量为高分异型，空间变化较大. Se的平均活化率（有效态含量与全量比值）为1.66%，低于黑龙江省松嫩平原南部土壤Se的活化率[23]，说明讷河市土壤Se元素生物地球化学可利用率较低.

表 8 表层土壤Se元素有效态含量 Table 8 Available Se content in topsoil

土壤Se生物有效性是多种因素综合作用的结果，其中主要的影响因素包括土壤pH值、土壤有机质、土壤胶体、硝酸盐和土壤水分等[1].多数研究报道，土壤pH值与Se植物有效性呈显著相关[24-29]，土壤pH值是通过影响Se在土壤中的价态和土壤胶体对Se的吸附能力达到影响Se的植物有效性.研究区土壤呈弱酸性（pH平均6.19），亚硒酸盐（SeO32-）是主要存在形态.亚硒酸盐容易被铁、铝水合氧化物吸附.此外，降低pH值还能提高土壤胶体对Se的吸附能力，从而显著降低Se的植物有效性.有机质对土壤中Se的植物有效性影响比较复杂[24]，它可以吸附固定Se，降低Se的有效性，也可以在有机态Se较多且有利于有机物质矿化的条件下释放Se.土壤胶体物质能够以配位吸附的方式固定Se，主要胶体类型包括铁铝氧化物、黏土矿物、非晶态二氧化硅和碳酸盐.这种固定吸附Se的能力很强，可以显著降低土壤Se的植物有效性.

2.4 土壤剖面Se含量变化

本研究在黑土和草甸土中采集2个剖面样品，结果显示在土壤剖面上Se含量随深度增加呈逐渐降低（图 3），表层Se含量明显高于深层，Se元素在土壤表层发生富集.变化特征是草甸土Se含量逐渐降低，而黑土Se含量在表层20 cm处出现陡降，在20~180 cm呈波动变化.表层土壤有机质含量较高，对硒元素具有富集作用[20].

图 3 讷河市Se元素土壤剖面特征 Fig.3 Characteristics of Se content in soil profiles of Nehe City 1—黑土（black soil）；2—草甸土（meadow soil）
2.5 籽实Se元素含量

籽实中Se的含量是土壤-植物-人食物链中Se转化的重要环节，人和动物获得Se均直接或间接地来自各种食物.相关研究表明，人和动物缺Se和Se中毒之间的范围很窄，如果食物中的Se含量小于0.04×10-6，就会造成人体缺Se，大于3.0×10-6，又会产生中毒，最安全的范围是0.100×10-6~0.360×10-6之间[21].本次在研究区采集了玉米、大豆、水稻3种农作物，Se元素平均含量分别为0.022×10-6、0.033×10-6、0.041×10-6，呈现水稻具有富集Se的作用. 3种作物Se含量平均为0.035×10-6，属于低Se作物（< 0.04×10-6），远低于国家富硒粮食限量上限标准0.30×10-6.

3 结论

（1）讷河市表层土壤Se含量平均值0.239×10-6，低于全国土壤和世界土壤平均值，而高于黑龙江省和东北平原.表层土壤Se含量以足硒状态为主要特征，占84.21%，硒潜在不足占12.38%，硒含量不足仅为2.88%.此外有0.55%的富硒土壤，零星分布在讷谟尔河河谷平原.

（2）不同类型土壤Se含量由高到低依次为黑钙土>黑土>草甸土>沼泽土>暗棕壤>新积土.黑钙土和黑土足硒率分别为96.61%和94.42%，属于足硒状态，草甸土、沼泽土和暗棕壤足硒比率分别为76.17%、70.0%和57.83%，新积土硒含量属于潜在不足和不足状态.

（3）不同土地利用类型Se含量由高到低的顺序是交通用地>建设用地>耕地>草地>其他用地>水利用地>林地，呈现出Se含量受人类活动强度影响较大.

（4）研究区土壤Se元素剖面随深度增加呈现逐渐降低的趋势，表层Se含量高于深层，Se元素在土壤表层产生富集.

（5）讷河市土壤有效态Se含量在0.976×10-6 ~9.890×10-6之间，平均含量3.964×10-6. Se的活化系数为1.66%，Se元素生物有效性较低.建议通过土壤改良提高Se的生物有效性.

（6）研究区玉米、大豆、水稻主要农作物籽实Se元素平均含量0.035×10-6，属于低Se作物，应依靠农业科技提高农作物Se元素含量.

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