中国营养学会于1988年将微量元素硒(Se)列为人体不可或缺的一种元素, 是人体饮食必须的营养元素之一[1-3], Se元素摄入不足会导致克山、甲状腺、大骨节和帕金森等疾病, 但摄入过量会引起各种跟Se有关的急性或慢性中毒[4-10].
Se是典型的亲生物元素[11-12], 在表土化学元素迁移变化过程中, 有机质等生物活性高的物质对Se的积聚影响强烈, 王美珠等[13]研究认为, 有机质的积累可促使地表Se的大量富集, 生物、气候、地形对土壤Se也有一定的富集作用; 王松山等[14]研究认为黏粒含量可有效的吸附Se元素; 李杰等[15]认为成土母质, 土壤pH、有机碳及铁和铝的含量影响南宁市土壤Se的分布规律. 可见影响Se含量的因素较多.
迟凤琴等[16]研究指出, 黑龙江省土壤Se平均含量为0.147×10-6, 处于缺硒及潜在缺硒水平. 近些年开展全国范围的1:25万多目标地球化学研究数据显示, 三江平原西部表层土壤Se含量多达到足硒等级(Se>0.3×10-6) [17]. 宝清县位于三江平原腹地, 是全国粮食主产区, 其富硒土地分布情况、含量对当地特色农业产业发展意义重大. 笔者以2021年"三江平原宝清地区黑土地地表基质层调查项目"为依托, 探讨宝清县万金山乡土壤Se的含量分布特征, 以期为该地区硒农产品产业的形成提供科学依据.
1 研究区概况宝清县位于黑龙江省东部, 处于三江平原核心, 北大荒腹地, 北与友谊县、富锦市相邻, 西与双鸭山市、七台河市接壤, 南与密山市、虎林市相连, 东与挠河县相邻; 东、南、西三面环完达山脉. 万金山乡位于宝清县中部地区, 海拔65~170 m, 地貌类型主要为丘陵漫岗、平原和低平原, 万金山乡面积181.99 km2, 占宝清县全县面积的1.82%, 却发育了全县已有的所有土壤类型: 暗棕壤、白浆土、黑土、草甸土、沼泽土、水稻土. 区内水系以挠力河水系为主, 贯穿万金山乡全域. 气候为湿润—半湿润大陆性季风气候, 具有冬季严寒干燥、春季气温回升快, 多大风的特点, 年均气温2.3~2.4 ℃, 平均无霜期143 d. 土地利用类型主要为耕地和林地, 种植作物主要为水稻和玉米, 其次为大豆.
2 材料与方法 2.1 样品采集本研究土壤硒数据来源为"三江平原宝清地区黑土地地表基质层调查"项目, 按照网格法进行样点布设, 兼顾不同图斑均匀分布的原则, 土壤样品采集密度为4个点/km2, 每个样品由1个主采样坑、3个子采样坑组合而成, 子样点位距主样点位20~30 m, 以GPS定位主采样坑坐标. 样品为0~20 cm耕层土壤. 样品主要布设在万金山乡耕地及林地区. 采样时避开新近搬运的人工填土、低洼地、高岗及田埂等, 确保样品具有代表性, 共采集万金山乡土壤样品628件.
2.2 测试分析样品分析测试依据DZ/T0145—2017《土壤地球化学测量规程》标准, 由黑龙江省地质矿产实验测试研究中心承担样品测试工作, 共分析包括Se在内的28项地球化学指标, 分析方法、测试精度和检出限等均满足规范要求.
2.3 数据处理数据统计分析采用IBM SPSS Statistics 25软件完成测试数据参数的统计和Pearson相关性分析, 使用Origin 2021软件绘制元素含量散点图, 使用ArcMap 10.5软件绘制相关元素地球化学图.
3 结果与讨论 3.1 土壤Se分布特征万金山乡表层土壤中Se含量波动区间在0.065×10-6~0.51×10-6, 平均值为0.28×10-6, 中位数为0.27×10-6, 标准离差0.081, 变异系数0.29, 表明Se元素在表生环境下经长期的熟化作用后趋于稳定, 分布较均匀. Se含量平均值低于宝清县东部平均值0.326×10-6 [18], 高于三江平原西部平均值0.25×10-6[17], 与中国土壤Se元素平均值0.29×10-6[19]基本持平. 依据谭见安[20]对Se元素等级划分, 将土壤Se元素划定为缺乏、边缘、适中、高、过剩5个级别. 万金山乡土壤Se含量统计结果见表 1, 划定万金山乡表层土壤中, 富硒土地总面积5.75 km2, 占万金山乡的3.16%, 主要分布在测区东部; 足硒土地广泛分布, 总面积167.98 km2, 占万金山乡的92.30%;硒潜在不足和缺硒土地分别占万金山乡的4.3%和0.24%, 主要分布在研究区西部挠力河沿岸区域(图 1).
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表 1 万金山乡土壤Se元素含量划分界限值及统计结果 Table 1 Threshold values and statistical results of soil Se content in Wanjinshan area |
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图 1 万金山乡土壤Se元素含量分布特征 Fig.1 Distribution of soil Se content in Wanjinshan area 1—富硒(Se-rich); 2—足硒(Se-sufficient); 3—硒潜在不足(potential Se-deficient); 4—缺硒(Se-deficient) |
万金山乡土壤类型具有6类, 即黑土、白浆土、草甸土、水稻土、暗棕壤和沼泽土, 不同土壤类型Se元素含量统计结果见表 2. 结果显示, 黑土赋存Se元素最多, 其次为白浆土, 草甸土和水稻土赋存Se元素较为相近, 暗棕壤和沼泽土赋存Se元素最低. 研究区黑土赋存Se元素最多, 主要是由于有机质促使亲生物元素Se在土壤中的聚积, 黑土中黏土矿物和有机碳易于淀积, 故黑土类型Se元素含量最高. 白浆土主要发育于山前漫川漫岗地带, 成土母质主要为第四系残坡积物, Se含量较高主要是因为残坡积物在岩石成土过程中继承了原始地层中的Se元素, 而且漫川漫岗区易于发生Se元素的二次富集. 草甸土和水稻土是万金山乡分布面积最大的土壤类型, 该区域由于耕作开垦, 草甸植被已被改造, 加快了表土有机质的分解, 有机质含量减少, 但仍居于较高水平, 故而土壤Se含量仍处于较高水平. 暗棕壤成土母质主要为船底山组和松木河组火山岩, 成土母质中Se含量原本就较低. 研究区沼泽土主要发育挠力河沿岸, 经过水运迁移等过程造成Se元素流失, 再加上人为活动的双重影响, 致使沼泽土Se含量最低.
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表 2 不同土壤类型Se元素含量参数统计表 Table 2 Parameter statistics of Se content by soil types |
不同土地利用类型对表土Se元素的聚积有一定影响. 万金山乡土地开发利用较晚, 主要以大规模的农垦耕作为主, 旱田、水田和乔木林地为该地区主要的土地利用方式, 草地、灌木林地和其他地类分布较少, 在研究区零星存在. 不同土地利用方式Se元素含量统计情况见表 3. 结果显示, 不同土地利用方式下Se元素赋存顺序为旱田>水田>灌木林地>乔木林地>草地、其他地类. 旱田表土Se含量最高, 主要受成土母质与土壤类型影响. 万金山乡旱田成土母质以坡积物及冲-洪积物为主, 土壤类型主要为白浆土型、黑土型, 该类型成土母质和土壤类型Se含量本就较高. 水田为该地区开发程度较高的土地利用方式, 表层土壤经过长期的水耕熟化作用, 有机质分解速度快, 分解程度高, 表土中Se元素流失, 造成Se元素有所降低.
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表 3 不同土地利用方式Se元素含量参数统计表 Table 3 Parameter statistics of Se content by land use patterns |
万金山乡表土各元素和Se元素相关关系结果见表 4. 相关分析表明, 表土全硒量与有效硒表现显著的正相关关系; Se元素属于典型的亲生物元素, TOC与其能够拟合为较好的一条直线, TOC与土壤Se呈显著的正相关关系, 这表明土壤TOC能有效地促进Se元素的富集; 表征表土黏粒含量的铁、铝、镁氧化物指标均与Se相关系数较大, 表明土壤中的铁、铝、镁氧化物促进Se元素的富集, 以黏粒含量与Se含量做相关关系图(图 2)可见, 相关系数r=0.267, 进一步表明土壤黏粒含量对硒影响显著; 由表 5可以发现pH对Se元素的制约效应不明显, 但是pH对Se元素的有效性影响较大(图 3), 即pH越大, 土壤Se有效率越高, 这主要是由于碱性条件下, Se的生物活性强, 易被植物吸收. 另外Na2O、SiO2、K与Se表现出明显的负相关关系, 对Se元素的富集具有抑制作用.
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表 4 表层土壤各种成分与土壤Se相关系数 Table 4 Correlation coefficients of surface soil compositions and soil Se |
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图 2 土壤全量硒与黏粒含量关系 Fig.2 Relationship between total soil Se and clay content |
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图 3 不同pH对有效Se/总Se值关系图 Fig.3 Relationship between pH and available Se/total Se |
1) 万金山乡土壤Se平均含量为0.28×10-6, 足硒和富硒土壤占万金山乡总面积的95.46%, 富硒区域主要集中在万金山乡东部, 未见硒中毒区域.
2) 各土壤类型中黑土赋存Se元素最多, 沼泽土赋存Se元素最低; 不同土地利用方式下Se元素赋存顺序为旱田>水田>灌木林地>乔木林地>草地、其他地类.
3) 通过相关性分析, 万金山乡土壤Se含量主要影响因素为TOC; 同时表征表土黏粒含量的铁、铝、镁氧化物促进Se元素的富集; pH对Se元素制约效果不明显, 但对Se元素有效性影响显著; Na2O、SiO2、K对Se元素的富集有抑制作用.
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