2020, Vol. 29
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2. 黑龙江省黑土地水土资源研究重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150036;
3. 黑龙江省自然资源调查院, 黑龙江 哈尔滨 150036
2. Heilongjiang Key Laboratory of Black Soil and Water Resources Research, Harbin 150036, China;
3. Heilongjiang Institute of Natural Resources Survey, Harbin 150036, China
硒(Se)是生态环境中重要的微量元素, 也是人体必需的一种微量元素.尽管硒在人体内含量非常少, 但却在人体机能中发挥着极其重要的作用, 硒缺乏很容易导致人体免疫能力下降, 威胁人体健康[1-2].研究表明, 硒有抗氧化、抗衰老、增强免疫力等功效[3-4].人体硒来源的途径主要依靠食物(农产品)摄取, 而农产品硒来源依赖于土壤.因此, 人体摄取硒的多少与当地土壤硒含量有直接的关系.我国国土面积72%的地区缺硒[5-8], 黑龙江省历史上曾发生过克山病和大骨节病[9-10], 被认为是我国严重缺硒的地区.基于黑龙江省以往土壤硒的调查现状, 查明局部地区富硒土地资源的分布状况、促进富硒农产品开发, 对保障土壤中硒供应能满足居民日常膳食需求, 增强体质具有重要的意义.
随着黑龙江省土地质量地球化学调查工作的推进, 越来越多富含对人体有益微量元素的土地资源被发现, 以近年来发现的大面积富硒土地资源最为典型. 2012年, 黑龙江省农业地质调查在松嫩平原和三江平原发现了两条富硒土壤带[11]. 2015年, 由原黑龙江省国土资源厅组织实施开展了1 : 5万富硒土地专项调查工作, 圈定富硒土地面积约20×104 hm2, 工作区覆盖绥棱县主要农田分布区.富硒土地资源调查、天然富硒农产品开发已成为地质工作服务于地方脱贫攻坚、生态文明建设的重要切入点, 成为提高农业经济效益、促进农村经济发展的重要举措[12].
近年来, 关于黑龙江土壤硒的研究较多, 但大多都基于小比例尺或少量样本对区域性土壤硒进行评价.如戴慧敏等[13]利用1 : 25万多目标区域地球化学调查数据对松辽平原中南部土壤硒调查研究发现, 表层土壤硒以足硒为主, 深层土壤以硒潜在不足为主; 迟凤琴等[14]基于400件样品对黑龙江省土壤硒进行研究, 认为总体处于缺硒及潜在缺硒的状况; 张哲寰等[15]通过对黑龙江省讷河市1 : 25万土地质量地球化学调查取得的土壤硒地球化学数据进行研究, 得出讷河市土壤硒含量以足硒为主, 不同土壤类型、不同土地利用类型土壤硒含量有一定差异的结论.鲜有关于中大比例尺土壤硒研究报道.笔者基于近期开展的绥棱县1 : 5万富硒土地资源调查取得的大量高精度地球化学数据, 以农田土壤为主要研究对象, 研究土壤硒的空间分布特征, 并探讨土壤性质对硒的影响作用, 以期为提升当地人均硒摄入量、发展富硒产业提供科学依据.
1 研究区概况研究区位于黑龙江省绥棱县主要农田分布区(126°59′~127°46′E, 47°02′~47°39′N), 地处黑龙江省中部, 小兴安岭南端西麓, 绥化市东北部.北与北安市相连, 南与绥化市北林区接壤, 西与海伦市连接, 东临伊春市和庆安县.研究区地势北高南低, 主要为冲积平原, 土壤类型有草甸土、黑土、暗棕壤、白浆土和风沙土, 以草甸土和黑土分布面积最广.境内诺敏河、泥尔根河和克音河均为呼兰河水系, 三大支流贯穿南北, 新曙光水库、向阳水库、东方红水库、平原水库分布其中.绥棱县是滨北寒地黑土中心地带, 耕地面积10.88×104 hm2, 是全国重要的商品粮基地, 主要盛产水稻、大豆、玉米、西瓜、香瓜、甜菜等粮食作物和经济作物.
2 样品采集与分析测试土壤样品采样方法参照DZ/T 0295-2016《土地质量地球化学评价规范》执行.按照网格化的方法进行样点布设, 采样密度为4个点/km2, 采样深度为0~20 cm.以GPS定点, 子样点位距中心点位距离约20 m, 由3~5个等量子样混合组成一件样品, 样品重量约1 kg.共采集土壤样品7701件.土壤样品经自然风干后, 破碎、过0.084 mm (20目)尼龙筛, 混合均匀后称重500 g装入牛皮纸袋备用.
样品分析测试工作由黑龙江省地质矿产实验测试研究中心完成, 所有样品进行单样分析.样品分析方法与质量要求依据DD2005-03《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》执行.土壤全硒分析采用原子荧光光谱法(AFS), 有机碳(TOC)分析采用容量法, pH分析采用玻璃电极法.分析过程中插入国家土壤Ⅰ级标准物质GSS-1~GSS-24进行质量监控, 分析方法准确度、精密度合格率达98%以上, 检出限、报出率均满足规范要求.
数据处理过程中, 描述性统计分析、相关性分析、散点图的绘制运用Microsoft Excel 2016和SPSS 19软件完成, 土壤硒空间分布图采用ArcGIS 10.2软件完成.
3 结果与讨论 3.1 土壤硒含量特征分析结果显示, 研究区土壤硒含量范围为0.05×10-6 ~0.87×10-6, 平均含量为0.27×10-6, 变异系数25.93%, 分布较均匀.对原始分析数据采用三倍标准差法剔除离群值, 直至符合正态分布, 得到研究区土壤硒元素背景值0.26×10-6.与其他地区相比, 略低于中国土壤硒背景值0.29×10-6 [16-18], 高于东北平原土壤硒平均值0.184×10-6 [13]、黑龙江省土壤硒平均值0.147×10-6 [14]和松嫩平原南部土壤硒背景值0.204×10-6 [19].根据中国地质调查局最新发布的DD 2019-10 《天然富硒土地划定与标识(试行)》中的界定, 将pH≤7.5、Se≥0.4×10-6或pH>7.5、Se≥0.3×10-6划分为富硒土地, 其他硒的等级评价参照谭见安[1]对我国硒元素生态景观界限值的划分, 评价结果见表 1.结果显示, 绥棱县农田土壤以足硒土壤为主(占比88.00%), 达到富硒土壤等级的土地面积占比3.90%, 硒潜在不足的土壤占比7.24%, 几乎不存在缺硒土壤(占比0.86%).
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表 1 土壤硒含量划分界限值及统计结果 Table 1 Limit values and statistical results of soil Se content |
研究区5种土壤类型中, 以草甸土分布面积最大, 约占研究区面积的55.01%, 其次为黑土(占比38.07%), 暗棕壤(占比3.91%)和白浆土(占比2.80%)分布面积较小, 风沙土(占比0.21%)仅有一处小面积分布.对各土壤类型硒含量特征进行了统计对比(表 2), 结果显示, 不同土壤类型硒含量略有所不同, 硒含量平均值由高到低依次为:黑土>草甸土>暗棕壤>白浆土>风沙土.硒元素在迁移过程中易被黏土矿物或有机碳吸附, 沉积在质地黏重、有机碳含量高的黑土中[20].研究区黑土和草甸土绝大部分由冲积、洪积物的成土母质发育而来, 草甸土自然植被被破坏, 土壤有机质分解速率较黑土快, 有机质含量有所降低, 对硒元素的吸附作用较弱于黑土.风沙土黏粒和有机质含量较低, 导致了其土壤含硒量偏低.从变异程度来看, 各土壤类型硒含量均为中等变异, 存在局部富集的可能.
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表 2 不同土壤类型硒含量特征 Table 2 Characteristics of Se content in different soil types |
以地块为评价单元, 利用ArcGIS软件对绥棱县农田土壤硒含量进行空间插值, 以直观反映出研究区土壤硒的空间分布特征(图 1).从图 1可以看出, 研究区土壤硒空间分布总体表现为西高东低, 绝大面积为足硒土壤分布, 达到富硒等级的土壤呈条状分布在绥棱县与海伦市接壤的克音河流域, 北部双岔河流域部分地区也达到富硒土壤的等级, 南部诺敏河下游上集镇地区也有较大面积富硒土壤区.硒潜在不足和缺硒的地区分布面积较小, 呈近南北向条带状分布于诺敏河流域低漫滩.结合研究区水系分布与河流走向, 土壤硒高含量区分布与河流分布较一致, 在河流域中、下游高漫滩, Se元素易形成富集, 表明河流的冲积、灌溉作用对Se的累积有重要的影响.
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图 1 绥棱县农田土壤中硒的空间分布 Fig.1 Spatial distribution of Se in the farmland of Suiling County 1-富硒(Se-rich); 2-足硒(Se-sufficient); 3-硒潜在不足(potential Se-deficient); 4-缺硒(Se-deficient) |
Se元素是典型的亲生物元素, 易在富含有机质的土壤中累积.研究区土壤有机碳变化范围为0.07%~17.59%, 平均含量3.12%, 变异系数41.99%, 含量差异较大, 空间分布不均匀.以土壤类型为统计单元, 对研究区土壤Se与TOC做散点图(图 2), 5种土壤类型硒含量与TOC有显著的正相关关系(p < 0.01), 这说明Se元素易与土壤中的腐殖质结合, 在土壤中迅速固定下来形成累积.从相关系数来看, 风沙土和暗棕壤与TOC的相关系数最高, 因风沙土样本很少, 分析统计结果仅具有参考意义.暗棕壤中腐殖质较多, 表明暗棕壤中TOC对Se元素的吸附作用更明显.从TOC含量变化对Se含量的影响来看, 当TOC含量在0~6%时, 随着TOC含量的增加, 各土壤类型中Se含量显著增高; 当TOC含量大于6%时, 随着TOC含量的增加, 草甸土中Se含量增加幅度较小, 暗棕壤、白浆土和黑土虽然TOC含量大于6%的样本较少, 但也有Se含量增加幅度变小的趋势.表明在土壤TOC含量较低阶段, 土壤TOC对土壤Se含量的控制较高, 而在土壤TOC含量较高时, 对土壤Se含量影响不大.这与研究区相邻的海伦市耕地土壤TOC对Se的影响研究结果相同[11].
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图 2 土壤TOC与硒含量关系 Fig.2 Relation between TOC and Se content in soil a-暗棕壤(dark brown soil); b-白浆土(albic soil); c-草甸土(meadow soil); d-风沙土(aeolian sandy soil); e-黑土(black soil) |
研究区土壤pH范围为4.52~8.85, 平均值为5.92, 变异系数8.45%, 整体呈现为酸性土壤, 空间分布较均匀.同样以土壤类型为统计单元, 对研究区土壤Se含量与pH进行相关性分析(图 3).结果显示, 仅暗棕壤和风沙土与土壤Se有一定的负相关关系, 其他土壤类型pH与土壤Se含量无显著相关关系, 如白浆土和黑土.以往大部分研究表明, 酸性、中性土壤中的Se主要是以SeO32-的形式存在, 碱性土壤中的Se主要以SeO4-2的形式存在, SeO42-比SeO32-更易被植物吸收[21-22], 因此, 碱性土壤中Se的含量会降低.由于研究区土壤pH较低, 绝大部分为酸性土壤, 土壤中Se大部分以SeO的形式存在, 因而土壤pH的变化对土壤Se含量影响不明显.
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图 3 pH与土壤硒含量关系 Fig.3 Relation between soil pH and Se content a-暗棕壤(dark brown soil); b-风沙土(aeolian sandy soil); c-白浆土(albic soil); d-黑土(black soil) |
1) 绥棱县农田土壤硒平均含量为0.27×10-6, 以足硒土壤为主, 不同土壤类型硒平均含量由高到低依次为:黑土>草甸土>暗棕壤>白浆土>风沙土.富硒土壤主要分布在克音河流域的中、下游高漫滩; 足硒土壤在全区广泛分布; 硒潜在不足和缺硒的地区分布面积较小, 呈近南北向条带状分布于东部诺敏河流域低漫滩.
2) 土壤TOC是影响土壤Se含量的主要因素.当TOC含量在0~6%时, 随着TOC含量的增加, 土壤Se含量显著增高; 当TOC含量大于6%时, 随着TOC含量的增加, 草甸土中Se含量增加幅度较小, 暗棕壤、白浆土和黑土虽然TOC大于6%的样本较少, 但也有Se含量增加幅度变小的特征.研究区土壤pH较低, 绝大部分为酸性土壤, 土壤中Se大部分以SeO32-的形式存在, 因而土壤pH的变化对土壤Se含量影响不明显.
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