2020, Vol. 29
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2. 中国地质调查局 黑土地演化与生态效应重点实验室, 辽宁 沈阳 110034;
3. 沈阳市鹏德环境科技有限公司, 辽宁 沈阳 110034
2. Key Laboratory of Black Land Evolution and Ecological Effects, CGS, Shenyang 110034, China;
3. Shenyang Pengde Environmental Technology Co., Ltd., Shenyang 110034, China
硒(Se)是人体及动物生长所需的微量元素, 适当剂量的Se对于生物体具有积极的促进作用.然而由于Se自身特殊的理化性质, 在表生地球化学循环过程中, 易发生次生富集与贫化[1], 这就导致Se的生物学功能具有明显的两面性[2], 国内外已经有多项研究报道Se缺乏或者过量都会引起人、畜产生多种不良病症.一方面, Se缺乏会导致人和动物发生克山病、白肌病和大骨节病等多种症状[3-4]; 另一方面Se过量会导致慢性或急性中毒, 如发生在家畜身上的"碱性病"与"盲跚症"等慢性中毒症以及引起人类皮肤褪色、指甲和手指变形、贫血, 出现神经症状及智力改变等症状[5-6].
土壤是表生系统元素地球化学循环的核心, 它作为元素的储库, 为植物生长所需营养成分提供保障[7].人体摄取的Se大多是通过食物链的方式最终从植物中获得[8], 土壤则是植物Se最主要的供给源[9].然而Se元素在土壤中的分布极不均匀, 存在很大的空间变异性[10].土壤中Se的含量不仅取决于土壤矿物质和有机质, 还受到土壤理化性质及外部环境的影响[11-12].基于此, 土壤Se含量及影响其分布特征因素的研究, 对于农产品生产、富Se土地的高效利用以及人体健康具有重要意义[2].
黑龙江省五常市因盛产优质水稻而闻名, 但该区土壤中硒含量的详细分布情况鲜有报道.本文在土地质量地球化学调查基础上, 系统总结研究区土壤中Se元素的分布特征及影响因素.
1 研究区概况研究区位于黑龙江省五常市东部的水稻种植区, 坐标范围为东经127°25′~127°42′, 北纬44°53′~45°02′, 面积约270 km2, 行政区范围主要隶属于小山子镇.研究区北、东、南三面环山, 岩性主要为不同时代的花岗岩、花岗闪长岩和正长花岗岩及少量中酸性火山熔岩(图 1).牤牛河和苇沙河分别从南部和东南向西北流经研究区.研究区主要地貌类型为黏土质垄岗状高平原、泥质砂砾石一级阶地及泥沙质漫滩.土壤类型有草甸土、白浆土、沼泽土和水稻土.其中草甸土分布面积较大, 主要分布于牤牛河-苇沙河两岸的漫滩地区, 白浆土主要分布于河流一级阶地上, 这两类土壤部分经过"旱改水"改造后, 黑土层有增厚趋势, 基础肥力逐渐增高, 适宜种植水稻.水稻土主要分布在牤牛河西岸以及苇沙河东岸的一级阶地上, 地势平坦, 土质肥沃.
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图 1 研究区地质简图 Fig.1 Geological sketch map of the study area 1-研究区范围(study area); 2-全新世冲洪积物(Holocene alluvium-diluvium); 3-更新世冲洪积物(Pleistocene alluvium-diluvium); 4-中生代花岗质岩石(Mesozoic granitoid); 5-古生代花岗质岩石(Paleozoic granitoid); 6-元古宙花岗质岩石(Proterozoic granitoid); 7-中酸性火山熔岩(acid-intermediate volcanic lava) |
土壤样品采集以1 : 5万地形图上的公里网格作为采样单元, 采样密度为8点/km2.采样点位置在保证代表性的前提下尽量均匀, 每一个采样点在30 m范围内采集3个子样品组合成一件测试样品.土壤采样深度为0~20 cm, 样品重量为1000 g.本次共计采集样品2126件, 全部为水田土壤.土壤样品晾晒干燥后充分混匀, 用"四分法"取约200 g送实验室测试.
2.2 分析项目与方法样品分析与质量要求依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)、《多目标区域地球化学调查规范》(DZ/T 0258-2014)执行.土壤Se的测定采用原子荧光法(AFS), 有机碳(TOC)采用氧还原容量法, Fe2O3采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES), K2O、SiO2采用原子X射线荧光光谱法, pH采用玻璃电极法测试.
2.3 数据处理分析指标参数统计、描述性统计分析、Pearson相关分析、散点图的绘制运用Microsoft Excel 2016和IBM SPSS Statistics 19软件完成, 地图的绘制采用ArcGIS 10.2软件完成.
3 结果与讨论 3.1 土壤Se含量特征对研究区全部土壤样品测试数据进行异常值剔除, 统计2126个有效土壤样品的测试结果表明, 区内表层土壤中Se含量为0.03×10-6~0.5×10-6, 算数平均值0.245×10-6, 标准离差为0.07×10-6, 变异系数0.27, 说明Se含量分布较均匀.土壤Se含量水平高于黑龙江省土壤Se含量平均值(0.147×10-6) [2], 但低于全国(0.29×10-6)水平[13].目前, 国内关于土壤Se含量等级多数是参考谭见安[14]1989年提出的划分标准. 2018年, 黑龙江省发布了富Se土壤评价的地方标准[15], 将土壤pH值作为参考指标, 更突出Se的生物有效性及地域性.因此本次评价参考该标准, 结果见表 1、图 2.
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表 1 黑龙江省土壤硒含量分级标准及统计结果 Table 1 Classification criteria and statistics of soil Se content in Heilongjiang Province |
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图 2 研究区土壤硒含量分布图 Fig.2 Distribution map of soil Se content in the study area 1-富硒土壤(Se-rich soil); 2-足硒土壤(Se-sufficient soil); 3-低硒土壤(Se-low soil); 4-缺硒土壤(Se-deficient soil); 5-剖面位置(section location); 6-河流(river) |
研究区土壤Se含量总体上属于低Se和缺Se状态, 面积占90.37%, 足Se面积占9.48%, 富Se面积仅0.15%.富Se和足Se土壤区的地形相对低洼, 土壤黏粒含量高, 其中东北角的富Se区被当地人称为"筏子地"和"红眼筏子地", 是由沼泽地改变成的水田.低Se土壤区广泛分布于牤牛河及苇沙河的一级阶地上, 地势相对平缓, 以白浆土为主.缺Se土壤区沿河床和河漫滩分布, 土壤中含砂量高.
成土母质是土壤中Se的主要来源.研究区成土母质以全新世冲积物和更新世冲洪积物为主, 其物质来源主要为周围山区的Se含量低的花岗质岩石[9].因此低Se的成土母质可能是研究区土壤Se含量整体较低的主要原因.
3.2 土壤Se空间分布的影响因素众多研究表明, 成土母质决定了研究区内土壤Se的整体含量水平, 而地形、水文条件等因素使Se在土壤表层发生空间再分布, Se元素容易被黏粒、氧化物、有机质吸附而发生表生富集[1-2, 7, 9].
3.2.1 土壤质地对Se含量的影响侯少范等[16]在暖温带景观土壤Se的分异特征研究中, 认为黏粒、含Se次生化合物以及有机、无机产物和砂粒的垂直运动和分选作用, 在土壤Se的地理分异过程中具有重要的作用, 也是影响低Se带土壤Se含量的重要因素之一.戴慧敏等[1]对东北平原土壤Se分布特征及影响因素的研究中指出, 土壤Se含量与K2O表现出明显的负相关关系, 缺Se区域与砂化区空间分布吻合, 即砂化对Se具有贫化作用.对研究区土壤K2O和SiO2进行升序排列, 分别以含量0.1%和1%的分段间隔对样品的Se含量取平均值做散点图, 结果显示研究区土壤Se含量与土壤中K2O和SiO2呈明显负相关关系(图 3、4), 负相关系数均达到-0.92(p < 0.01).说明砂质土壤有利于Se在土壤中的迁移, 相反对Se的吸附作用极弱.
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图 3 土壤Se与K2O散点图 Fig.3 Scatter diagram of Se vs. K2O in soil |
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图 4 土壤Se与SiO2散点图 Fig.4 Scatter diagram of Se vs. SiO2 in soil |
对研究区土壤TFe2O3进行升序排列, 以0.1%的含量间隔对样品的Se含量取平均值, 得到26组数据.对其做散点图(图 5), 结果显示土壤Se含量与TFe2O3呈现显著正相关关系, 相关系数为0.46 (p < 0.01), 表明土壤中铁的氧化物对Se具有明显富集作用. Se在土壤中以多种价态存在, 其中硒酸盐和亚硒酸盐是土壤Se的主要存在形态[17], 但四价的硒酸盐更容易被金属氧化物吸附.金属氧化物的吸附能力是氧化铁>氧化铝>氧化锰[18].土壤中Se的可溶性和移动性在很大程度上取决于氧化物的含量和活度[19].土壤中亚硒酸盐易与铁形成水溶性极低的氧化物和水合氧化物, 不易被植物吸收利用[20].尤其是在稻田淹水条件下, 土壤中的硒酸盐可被还原为亚硒酸盐, 有利于土壤中Se的固定和吸附[21].铁、锰、铝氧化物对硒酸盐的吸附随着pH值降低而升高, 且当pH在4~6时, 吸附率最高[22].研究区以水田为主, 土壤pH平均值为5.69, 整体上呈酸性, 这些因素都促进了氧化物对Se的吸附.
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图 5 土壤Se与TFe2O3散点图 Fig.5 Scatter diagram of Se vs. TFe2O3 in soil |
以往研究发现, 土壤有机碳(TOC)与硒含量呈显著正相关关系[23].中国低Se带土壤中80%以上的Se以有机物结合形式存在, Se可以与腐殖酸结合成复合体, 可以经微生物和植物合成氨基Se和蛋白质[19].杨忠芳等[13]对海南岛土壤的研究结果表明, 表层土壤中Se含量与有机碳含量具有显著的正相关关系, Se能够与腐殖质缔合从而在土壤中快速固定下来, 并且发现土壤有机碳含量较低时, 土壤有机碳对有效Se含量的控制程度强于土壤有机碳含量高的土壤, 也即土壤有机碳含量增加超过某一界限后, 有效Se含量随之增加的幅度不大.
对研究区土壤TOC进行升序排列, 以0.1%的含量间隔对样品的Se含量取平均值, 得到44组数据.对其做散点图(图 6), 显示研究区土壤Se与TOC含量整体呈正相关.尤其当TOC含量低于4%时, 正相关性更加明显(Se=0.043×TOC+0.1562, R=0.48, n=1973);而当土壤TOC含量大于4%时, 二者呈散点分布无相关性.研究发现TOC大于4%的采样点多位于由沼泽改水田的区域, 土壤中含有较多分解不完全的有机质, 这可能是有机碳与土壤Se没有显著相关性的原因.结果显示研究区有机碳对Se具有明显的富集作用, 但由于Se在土壤中通常以与腐殖质缔合的形态存在, 所以在有机碳含量较高的土壤中, Se的生物有效性反而会下降[24-25].
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图 6 土壤Se与有机碳散点图 Fig.6 Scatter diagram of Se vs. TOC in soil |
在表生环境下, Se是一个活泼元素, 地形及淋失条件的微小变化会影响土壤Se的分布[26].以志广乡西侧一处剖面为例(图 2), 从土壤Se含量和高程的关系图(图 7)可以看出, 随着高程降低, 土壤Se含量整体呈升高趋势, 并且与坡度关系密切.以水平距离2500 m为界, 坡的上部坡度约为3°, 土壤Se含量稳定在0.24×10-6左右; 坡下部变缓, 坡度约为1.5°, 含量迅速升至0.3×10-6, 增长了25%.这表明, 在其他条件类似时, 坡度越平缓, 越有利于Se的再分配, 越有利于土壤Se的富集[27].原因在于较高地势土壤中的Se(土壤水不饱和)易于氧化、淋溶流失而贫化, 处于低地势土壤中的Se(土壤水相对饱和)则容易积累而富集[28].
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图 7 土壤Se含量与高程关系图 Fig.7 Relationship between soil Se content and elevation 1-高程(elevation); 2-土壤硒含量(soil Se content) |
研究区以农田为主, 植物对Se的长期吸收导致土壤Se的耗竭也是造成低Se环境形成的原因[29].农田生态系统中, 虽然短时间内作物对Se的吸收并不严重, 但因为长期耕作, 农产品收获后形成Se大量支出; 同时常规施肥没有补施足量的Se, 致使Se的收支失衡, 形成低Se土壤.
4 结论(1) 五常东部地区土壤Se含量为0.03×10-6~0.5×10-6, 算数平均值0.245×10-6, 属于低Se和缺Se土壤面积占90.37%, 足Se面积占9.48%, 富Se面积仅0.15%.研究区成土母质以全新世冲积物和更新世冲洪积物为主, 其物质来源为周边低Se的花岗质岩石.因此, 成土母质是导致研究区土壤低Se的主要原因.
(2) 土壤Se的表生富集受土壤质地、有机碳和氧化铁影响.微地形也是造成土壤Se空间再分布的重要因素.坡度越缓, 越有利于Se在土壤中富集.
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