2021, Vol. 30
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2. 辽宁省第七地质大队有限责任公司, 辽宁 丹东 118000;
3. 辽宁省地质矿产调查院有限责任公司, 辽宁 沈阳 110032
2. Liaoning No.7 Geological Brigade Co., Ltd., Dandong 118000, Liaoning Province, China;
3. Liaoning Geological and Mineral Survey Institute Co., Ltd., Shenyang 110032, China
硒(Se)元素对于植物以及人体的有效性已经得到广泛的重视, 在中国东北地区越来越多的富硒土壤被发现和利用[1-3].在地学界, 对硒元素的研究多集中在土壤硒的含量、分布、存在形式及其转化, 以及土壤质量评价方面[4-12].辽宁北部铁岭地区地处松辽平原中段, 是辽宁省主要的产粮区, 素有"辽北粮仓"之称.笔者在铁岭地区开展1:25万生态地质调查, 将岩石-土壤-植物系统作为一个整体来研究硒元素的释放与迁移、植物吸收与积累及其分布的动态特征与数量规律, 分析了硒元素在岩石、土壤和植物中的含量、空间分布特征及其变化规律, 以期为土壤硒的生态环境演化研究提供科学依据, 为辽宁北部地区开发富硒农林产品起到有效的推动作用.
1 研究区概况 1.1 自然地理研究区地处辽宁省北部, 行政区主要包括铁岭市以及沈阳市的康平、法库两个县.该区属温带季风气候, 全年四季分明, 雨量适中, 在农业气候综合区划中属于辽北温和半湿润农业气候区, 适宜多种农作物生长.主要河流为辽河、秀水河.
研究区分为3个地貌单元: 东部低山丘陵区属长白山余脉, 是主要的林业基地, 该区地貌以丘陵为主, 少量低山及河谷平原, 海拔高度200~696 m; 中部为山前倾斜平原, 是东部低山丘陵向西部冲积平原过渡地带, 呈带状北东向分布; 西部冲积平原为辽河及秀水河等冲积而成, 发育有二级、一级阶地, 二级阶地海拔高度100 m左右, 一级阶地沿河谷边部近河床分布, 相对高度5~10 m, 为堆积阶地, 辽河河床内见有心滩和边滩.
1.2 区域地质研究区地层出露较全, 主要有太古宇, 中、新元古界, 古生界的寒武系、奥陶系、志留系、石炭系、二叠系, 中生界的侏罗系、白垩系和新生界的第四系.其中, 第四系较为发育, 出露面积接近全区总面积的一半, 主要分布于康平、昌图、开原以及铁岭至沈北一带的河漫滩、阶地以及两岸冲积平原处.基岩组成有沉积岩、岩浆岩和变质岩.研究区经历了长期复杂的构造和变质作用以及多期岩浆活动, 发育有多种矿产资源.新生代升降运动形成松辽拗陷、河谷阶地等现代构造特征和地貌景观.
1.3 土壤地质根据成土母质或成土母岩、地貌和第四纪地质等特征, 研究区内的土壤包括: 棕壤、褐土、草甸土、沼泽土、水稻土、风砂土以及新积土和盐碱土等.棕壤主要分布在低山丘陵区, 包括酸性岩质棕壤、中性岩质棕壤、基性岩质棕壤、碳酸盐质棕壤以及碎屑岩质棕壤等; 草甸土、沼泽土和风沙土主要分布在平原区、河漫滩、一级阶地等[13].
2 材料与方法本次研究, 采取岩石-土壤-植物综合取样法, 在采样点上进行植物、土壤和成土母岩取样.植物样品取地上部分的茎、叶和果实, 同时采集其立地土壤的A、B层土壤及其基岩的岩石样品(如果能够采到).采用五点取样法在20~200 m2范围内采集混合样.其中植物样品采集10~20株代表性植物并进行混合, 混合后的新鲜样品重量不少于500 g.室温下干燥, 干燥后样品重量不低于50 g.采样的样地尽量满足下列要求: ①样地内有足够的植物数量; ②同一样地内土壤条件基本一致; ③样地间采集植物类型尽量相同.
在研究区采集岩石样品60件, 土壤A层样品171件, 土壤B层样品169件, 植物样品189件(图 1).样品由中国地质调查局国家地质实验测试中心测试分析.数据统计分析使用Excel工作表.
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图 1 研究区采样点分布示意图 Fig.1 Distribution sketch map of sampling sites in the study area 1-土壤A层、B层、植物采样点(sampling sites for soil layers A, B and plants); 2-土壤A层、B层、植物、岩石采样点(sampling sites for soil layers A, B, plants and rocks); 3-公路(highway); 4-河流(river) |
本次研究的60件岩石样品分别来自碳酸盐岩、花岗岩、火山岩、碎屑沉积岩和变质岩.分析结果表明, Se在不同类型的岩石中分布不均匀, 同类岩石, 不同样品的Se含量差别也较大(表 1).岩石Se含量介于0.22×10-6~0.62×10-6, 平均值为0.08×10-6.其中, 火山岩中的Se含量最高, 平均值为0.14×10-6; 其次为碳酸盐岩, 平均值为0.11×10-6; 最低为变质岩, 平均值为0.05×10-6.Se元素含量最大值出现在碳酸盐岩类中, 岩性为灰岩, 达0.62×10-6.
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表 1 研究区岩石中硒元素含量特征表 Table 1 Characteristics of Se content in rocks of the study area |
地壳中Se元素的丰度为0.05×10-6 [14], 在研究区除变质岩Se元素平均值为0.05×10-6外, 其他各类岩石Se元素的平均含量均高于地壳中Se元素的丰度值, 总体上岩石中Se质量分数呈现火山岩>碳酸盐岩>花岗岩/沉积岩>变质岩的规律.
3.2 土壤Se元素地球化学本次研究的171件土壤A层样品和169件土壤B层样品, 分别采自棕壤、草甸土、水稻土和风砂土.分析结果表明, 硒元素在不同类型的土壤中分布不均匀, 同类土壤不同深度的Se元素的含量差别也较大(表 2).A层土壤Se含量介于0.1×10-6~0.30×10-6, 平均值为0.24×10-6; B层土壤Se含量介于0.08×10-6~0.22×10-6, 平均值为0.19×10-6.在A层土壤样品中, 棕壤中的Se含量最高, 平均值为0.30×10-6; 其次为水稻土, 平均值为0.23×10-6; 最低为风砂土, 平均值为0.1×10-6.Se元素含量最大值出现在碳酸盐岩类棕壤中, 达0.85×10-6.在B层土壤样品中, 仍然是棕壤中的Se含量最高, 平均值为0.22×10-6; 其次为水稻土, 平均值为0.18×10-6; 最低为风砂土, 平均值为0.08×10-6.在A层土壤中Se元素平均含量0.24×10-6, 明显高于B层土壤中Se元素平均含量0.19×10-6.在研究区, 土壤中Se含量总体上呈现棕壤(A、B层)>水稻土(A、B层)>草甸土(A、B层)>风砂土(A、B层)的规律.
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表 2 研究区土壤中硒元素含量特征表 Table 2 Characteristics of Se content in soils of the study area |
世界范围内大部分土壤Se含量为0.10×10-6~2.00×10-6, 缺Se土壤Se含量平均为0.15×10-6, 个别土壤Se含量低于0.01×10-6, 而高Se土壤Se含量高达30×10-6~324×10-6, 大多数土壤中Se平均含量为0.20×10-6 [15].中国东北平原土壤Se含量为0.01×10-6~5.30×10-6, 平均含量为0.184×10-6 [2].在辽宁北部地区, 土壤A层Se含量平均为0.24×10-6, 略高于全球大多数土壤Se含量平均值, 明显高于东北平原土壤Se含平均值.
关于富硒土壤的定义国内外并未有统一的标准[16-18], 谭见安[17]以我国地方病与低硒环境为依据提出了中国硒元素生态景观界限值, 将土壤中Se含量低于0.125×10-6的土壤称为低硒土壤; 土壤中Se量高于0.4×10-6时, 称其为富(高)硒土壤.辽宁北部地区除风沙土外, 土壤A层Se含量变化范围均介于0.125×10-6~0.4×10-6之间, 相当于足硒土壤的水平.
3.3 植物Se元素地球化学本次研究的187件植物样品包括玉米(果实)、水稻(果实)、榛子(果实)和杂草(叶部)4类植物.榛子主要产自棕壤, 杂草主要产自棕壤和风砂土, 水稻主要产自水稻土和草甸土, 玉米主要产自棕壤、草甸土、水稻土和风砂土.
分析结果表明, 硒元素在不同种类的植物中分布不均匀, 同类植物不同植株的Se含量差别较大(表 3).植物中Se含量介于0.004×10-6~0.19×10-6之间, 平均含量为0.07×10-6.其中, 灌木植物榛子的Se元素含量最高, 平均值达0.11×10-6; 水稻籽实中的Se元素含量均值为0.05×10-6; 玉米籽实中的Se元素含量最低, 平均值达0.02×10-6.在研究区, 植物中硒质量分数总体上呈现榛子>杂草>水稻>玉米的规律.
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表 3 研究区植物中硒元素含量特征表 Table 3 Characteristics of Se content in plants of the study area |
根据我国粮食卫生标准[19-20], 研究区除玉米籽实外, 杂草、榛子和水稻的籽实中Se含量均满足0.04×10-6~0.30×10-6富Se的标准范围, 但远远低于国家富Se粮食限量上限标准0.30×10-6.
研究表明[21-23], Se作为生态系统中一种重要的微量元素, 也是人体必须的微量元素之一, 对人体有重要的生理作用, 适量的Se能改善人体的免疫力, 提高机体抗氧化能力.长期食用低于0.1×10-6的含Se食物会导致人体Se缺乏反应症, 长期食用Se含量高于1.0×10-6的食物则会引起硒中毒.辽宁北部地区, 野生植物榛子的Se含量介于0.08×10-6~0.13×10-6之间, 农作物水稻的Se含量介于0.02×10-6~0.12×10-6之间, 农作物玉米的Se含量介于0.004×10-6~0.09×10-6之间, 均小于1.0×10-6硒中毒值范围, 处于长期食用安全值范围内.
4 讨论 4.1 岩石-土壤中的Se元素迁移Se元素在土壤A层中的均值为0.24×10-6, 在土壤B层中的均值为0.19×10-6, 在岩石中的均值为0.08×10-6.Se元素在土壤中的含量明显高于在岩石中的含量(图 2), 这表明土壤中的Se元素与成土母岩之间既存在成因上的联系也存在明显的区别, 成土母质决定了土壤中Se的最初含量.
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图 2 岩石-土壤-植物中硒元素的含量变化 Fig.2 Variations of Se content in rock-soil-plant A1-棕壤(A层)(brown soil of layer A); A2-风砂土(A层)(sandy soil of layer A); A3-水稻土(A层)(paddy soil of layer A); A4-草甸土(A层)(meadow soil of layer A); B1-棕壤(B层)(brown soil of layer B); B2-风砂土(B层)(sandy soil of layer B); B3-水稻土(B层)(paddy soil of layer B); B4-草甸土(B层)(meadow soil of layer B); C1-碳酸盐岩(carbonate rock); C2-花岗岩(granite); C3-火山岩(volcanic rock); C4-变质岩(metamorphic rock); C5-沉积岩(sedimentary rock); D1-杂草(weed); D2-榛子(hazelnut); D3-玉米(corn); D4-水稻(paddy rice) |
研究区成土母岩主要有泥质粉砂岩、细砂岩、砂岩、泥晶灰岩、白云岩、二长花岗岩、玄武岩, 各种岩石类型中Se元素含量有所差别, 导致其土壤母质层(风化层)中Se元素含量不同.由其母岩风化而来的表层土壤既继承了成土母岩中Se含量特征, 又进一步产生富集作用.同时, 从垂向看由深层至浅层, Se元素的含量总体上呈逐渐升高的趋势, 硒质量分数呈现土壤A层>土壤B层>成土母岩的变化规律.表明在成土过程中硒元素在有机质等物质参与的物理、化学作用下, 逐步向表层土壤富集, 形成硒元素深部低、地表富集的迁移特征.
有关Se元素在土壤中迁移富集的影响因素, 前人做过大量的研究[24-27].研究结果表明, 土壤Se含量受控于成土母质, 成土母质是土壤Se元素的主要物质来源, 土壤表层Se主要是母质风化和植物富集的结果.同时, 土壤理化性质(包括有机质、pH值、黏粒含量)、土地利用方式、海拔高度及外源输入组分(如施肥、喷洒)等对土壤Se的迁移富集都具有一定的影响作用.
4.2 土壤-植物中的Se元素吸收从表 2、3和图 2的对比结果看, Se元素在土壤A层中的均值为0.24×10-6, 在植物中的均值为0.07×10-6, Se元素在土壤A层的中含量明显高于在植物中的含量.研究表明, 植物对土壤中Se的吸收与土壤中Se的有效性密切相关, 同时也与植物对土壤中元素的吸收率有关, 土壤中Se含量高并不意味着植物对Se的吸收高.
在土壤-植物系统Se元素吸收的研究中, 采用了生物富集系数BAC (Biological Accumulating Coefficient), 即植物灰烬中Se的含量与土壤中Se含量的比值[28], 表示Se元素在植物和土壤之间富集、浓缩、积累、放大和吸收能力与程度的数量关系, 即植物对土壤Se元素的富集能力.富集系数越大则表示富集能力越强.
分析统计结果(表 4)表明, 不同的植物在相同的土壤类型下Se富集能力不同, 相同的植物在不同的土壤类型下Se富集能力亦不同.其中, 玉米对Se元素的富集能力在风砂土中(A层)>水稻土(A层)>棕壤(A层)>草甸土(A层), 杂草对Se元素的富集能力风砂土(A层)>棕壤(A层), 水稻对Se元素的富集能力水稻土(A层)>草甸土(A层).研究区的4种植物Se富集系数平均值较低, 除去杂草外, 均在0.40以下, 富集能力大小依次为杂草>榛子>水稻>玉米.
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表 4 研究区不同土壤条件下植物硒富集系数参数表 Table 4 Se enrichment coefficients of plants by soil conditions in the study area |
对研究区的土壤和立地植物Se含量进行相关性分析.土壤和水稻Se含量的11组对应数据的相关性分析结果表明两者之间存在极显著的正相关关系(图 3a).土壤和杂草Se含量的27组对应数据相关性分析结果表明两者之相关性不明显(图 3b).土壤和榛子Se含量的12组对应数据的相关性分析结果表明两者之间存在显著的正相关关系(图 3c).土壤和玉米Se含量的132组对应数据相关性分析结果表明两者之相关性不明显(图 3d).由于土壤中的Se存在不均匀性, 不同植物对硒富集程度亦不同.上述研究结果表明, 通过进一步研究土壤Se含量与不同种类农林产品Se含量的相关关系, 对开发富Se农林产品可以起到有效的指导作用.
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图 3 土壤含硒与立地植物含硒量关系 Fig.3 Scatter plots showing the correlation between Se content in plants and soils |
1) 研究区东部为低山丘陵区, 基岩风化物质搬运距离较近, 土壤基本保留了当地母岩的元素地球化学特征.岩石样品Se含量平均值高于地壳中Se元素的丰度值, 总体上岩石中Se质量分数呈现火山岩>碳酸盐岩>花岗岩/沉积岩>变质岩的规律.土壤Se含量受控于成土母质, 与成土母岩之间存在成因上的联系, 垂向上由深层至浅层, Se质量分数呈现土壤A层>土壤B层>成土母岩的变化规律.
2) 研究区土壤表层Se平均含量略高于全球大多数土壤Se含量平均值, 明显高于中国东北平原土壤Se含量平均值.土壤中Se质量分数总体上呈现棕壤(A、B层)>水稻土(A、B层)>草甸土(A、B层)>风砂土(A、B层)的规律.除风沙土外, 土壤A层Se含量相当于足Se土壤的水平.
3) 研究区植物中Se含量平均值处于长期食用安全值范围内.植物中Se质量分数总体上呈现榛子>杂草>水稻>玉米的规律.除玉米籽实外, 杂草、榛子和水稻的籽实中Se含量介于富Se的标准范围内.
4) 不同的植物在相同的土壤类型下对Se的富集能力不同, 相同的植物在不同的土壤类型下对Se的富集能力亦不同.研究区植物对土壤中Se富集能力大小依次为杂草>榛子>水稻>玉米.
5) 对研究区的土壤和立地植物Se含量进行相关性分析结果显示, 土壤与水稻、土壤与榛子之间存在显著的正相关, 土壤与杂草、土壤与玉米之间相关性不明显.
致谢: 沈阳地质调查中心卞雄飞高级工程师, 郑月娟、高飞、张春晖、张志斌教授级高级工程师, 共同参加完成野外工作, 特此致谢!
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