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  地质与资源 2020, Vol. 29 Issue (6): 585-591, 555  
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doi：10.13686/j.cnki.dzyzy.2020.06.013
引用本文
张哲寰, 赵君, 宋运红, 贺鹏飞, 魏明辉. 黑龙江省克山县土壤-作物系统硒元素地球化学特征[J]. 地质与资源, 2020, 29(6): 585-591, 555.  
ZHANG Zhe-huan, ZHAO Jun, SONG Yun-hong, HE Peng-fei, WEI Ming-hui. GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF SELENIUM IN THE SOIL-CROP SYSTEM OF KESHAN COUNTY, HEILONGJIANG PROVINCE[J]. Geology and Resources, 2020, 29(6): 585-591, 555.  
黑龙江省克山县土壤-作物系统硒元素地球化学特征
张哲寰1,2 , 赵君1,2 , 宋运红1,2 , 贺鹏飞1,2 , 魏明辉1,2     
1. 中国地质调查局 沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034;
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 130024
收稿日期：2020-08-25; 修回日期：2020-09-08
基金项目：中国地质调查局"兴凯湖平原及松辽平原西部土地质量地球化学调查"项目(编号DD20190520)。
作者简介：张哲寰(1968-), 女, 工程师, 主要从事环境地质调查与研究工作, 通信地址  沈阳市皇姑区黄河北大街280号, E-mail//601984163@qq.com。
摘要：黑龙江省克山县是我国克山病区.通过分析土壤表层（0~20 cm）样品809件，深层（150~200 cm）样品205件，对不同类型土壤中微量元素Se的含量、有效态含量、农作物籽实Se含量特征进行了研究.结果显示：土壤表层Se元素含量平均为0.249×10-6，低于全国平均值，高于世界、和东北平原黑龙江省土壤平均值，土壤表层Se含量以足硒为主要特征，足硒土壤面积达93.95%；土壤深层Se含量平均为0.167×10-6，明显低于土壤表层，Se含量不足或缺Se土壤面积占62.62%；不同类型土壤表层Se含量由高到低顺序为黑钙土=草甸土>黑土>暗棕壤，深层Se含量由高到低依次为暗棕壤>黑土>草甸土>黑钙土，与土壤表层高低顺序相反；不同土地利用类型Se含量显示建设用地和耕地Se含量较高，林地和水利用地含量较低，反映Se含量受人类活动影响明显；玉米、大豆、水稻主要农作物籽实Se含量平均为0.033×10-6，呈低Se特征.
关键词：土壤    硒含量    籽实    地球化学    克山县    黑龙江省    
中图分类号：S154.4;P595            文献标志码：A             文章编号：1671-1947(2020)06-0585-08
GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF SELENIUM IN THE SOIL-CROP SYSTEM OF KESHAN COUNTY, HEILONGJIANG PROVINCE
ZHANG Zhe-huan1,2 , ZHAO Jun1,2 , SONG Yun-hong1,2 , HE Peng-fei1,2 , WEI Ming-hui1,2     
1. Shenyang Center of China Geological Survey, Shenyang 110034, China;
2. Key Laboratory of Black Land Evolution and Ecological Effects, CGS, Shenyang 110034, China
Abstract: Keshan County in Heilongjiang Province is the place after which the endemic Keshan disease was named. By analyzing 809 topsoil samples(0-20 cm) and 205 deep-soil samples(150-200 cm), the paper studies the characteristics of selenium(Se) content in soil and crop seeds and available Se content by different soil types. The results show that the average Se content in surface soil is 0.249×10-6, lower than the national average and higher than that of the world and Heilongjiang Province in Northeast China Plain, mainly characterized by Se-sufficiency, with the area accounting for 93.95%. The average Se content in deep soil is 0.167×10-6, obviously lower than that in surface soil, with the Se-low and Se-deficient soil areas making up 62.62%. The Se content in surface layer of different soil types from high to low is chernozem and meadow soil(the same), followed by black soil and dark brown soil. On the contrary, the Se content in deep layer is dark brown soil, black soil, meadow soil and chernozem in order. The Se content of different land use types show that the Se content in construction land and cultivated land is high, that in forest land and water conservancy land low, indicating the Se content is obviously affected by human activities. The Se content in seeds of main crops such as maize, soybean and rice is 0.033×10-6 averagely, showing the characteristics of low-Se.
Key words: soil    Se content    crop seed    geochemistry    Keshan County    Heilongjiang Province    

0 引言

硒(Se)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].硒对人体具有多重作用, 人体缺硒会造成免疫机能下降, 引发克山病、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Se能预防癌症及心血管疾病、增加机体免疫力、抗氧化和延缓衰老[9-12].因此Se元素越来越受到人们的关注.

土壤中的Se主要来源于成土母质, 众多研究表明Se的形态、含量及分布受土壤pH值、黏粒、有机质及铁铝化合物等因素影响[13-17]. Se在土壤中的含量、形态以及在土壤-植物的迁移转化等是影响籽实中Se含量的主要因素, 因此, 有必要将土壤-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, 可以为改善土壤生态环境质量、开发富硒农产品提供依据.

1 研究区概况

黑龙江省克山县位于松嫩平原北部高平原区, 小兴安岭南缘向松嫩低平原的过渡地带, 面积3189.26 km2, 地貌为侵蚀堆积沙、土波状高平原.克山县气候属寒温带大陆性季风气候, 一年四季分明, 主要河流有乌裕尔河与润津河, 主要土壤类型有黑土、草甸土、暗棕壤、黑钙土, 主要土地利用类型为耕地和林地.克山县是黑龙江省产粮大县, 有耕地2530 km2, 占土地面积的78.0%.主要农作物有玉米、大豆、水稻、马铃薯及杂粮.克山县曾是我国克山病的重病区, 1907~1945年这里流行过3次大的无名疾病, 1935年把这种病因不明的无名疾病命名为克山病[18].

2 样品分析 2.1 样品采集

以克山县全域为研究区, 网格式定位采样.土壤表层(0~20 cm)每1 km2采集一个土样, 共采集土样3244件.按照2 km × 2 km的格网, 将4个土样混合成一个分析样品, 共组合土壤表层分析样品809件.深层样(150~200 cm)每4 km2采集一个样品, 共采集824件深层样品, 按照4 km × 4 km的格网, 将每4件土样混合组成一个分析样品, 共组合深层分析样品205件.另采集根系土样品3件, 籽实样品24件.

2.2 分析测试

土壤表层样品Se元素全量、有效态Se含量采用HG-AFS方法测试, 籽实样品Se元素含量采用ICP-AES方法测试.样品分析由具有MA认证资质的辽宁省地质矿产研究院有限责任公司实验室测试完成.

2.3 数据处理方法

采用ArcGIS软件和SPSS25进行数据处理和分析.

3 结果与讨论 3.1 土壤Se地球化学特征 3.1.1 土壤表层Se含量及比较

克山县土壤表层Se含量范围值0.098×10-6~0.460×10-6, 平均0.249×10-6, 变异系数0.185, 属弱分异型(见表 1).按照谭见安对Se生态效应评价划分的标准[4], 克山县土壤表层Se含量以足Se为主, 足Se土壤面积占全县总面积的93.95%.与其他地区相比, 克山县土壤Se含量平均值略低于全国土壤, 而高于世界、黑龙江省、松嫩平原南部、吉林省西部、东北平原、中国东北土壤Se含量平均值, 也高于黑龙江省克山病区和青藏高原克山病区.

表 1 研究区与其他地区土壤表层Se含量对比 Table 1 Topsoil Se contents in the study area and other areas
3.1.2 不同类型土壤Se含量

克山县土壤类型主要有黑土、草甸土、暗棕壤和黑钙土, 其面积分别占全县面积的61.86%、31.69%、5.27%和0.95%.不同类型土壤表层Se含量在0.191×10-6~0.254×10-6, 平均0.249×10-6(见表 2), 由大到小的顺序依次是黑钙土、草甸土>黑土>暗棕壤.从变异系数(CV)上看, 暗棕壤和草甸土属于中分异型, 黑土、黑钙土为弱分异型, 表明不同类型土壤Se元素含量空间分布差异不大.

表 2 不同类型土壤表层和深层Se含量 Table 2 Se contents in surface soil and deep soil by soil types

深层土壤Se含量变化范围值在0.124×10-6~0.173×10-6, 平均值0.167×10-6, 均低于同类型土壤表层Se含量.深层土壤中Se含量基本代表了原生自然成土环境下Se的背景值, 不同类型土壤深层Se含量由高到低依次是暗棕壤>黑土>草甸土>黑钙土, 这一顺序恰好与土壤表层Se含量高低顺序相反(图 1).从元素变异系数上看, 各类土壤深层Se含量均属中分异型.用环境富集系数[27](土壤表层Se含量实测值与深层土壤Se含量实测值的比值)作为衡量土壤Se富集程度的指标, 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.计算结果显示黑钙土和草甸土属强烈富集, 黑土属弱富集, 暗棕壤属自然状态.其中, 黑钙土富集系数最高为2.016, 说明土壤Se元素发生了显著的地表富集, 人类活动对该地区土壤Se含量影响较大.

图 1 土壤表层与深层Se含量均值柱状图 Fig.1 Histogram for average Se contents in surface and deep soil 1-表层土壤(surface soil); 2-深层土壤(deep soil)
3.1.3 不同土地利用类型土壤表层Se含量

不同土地利用类型土壤Se含量平均值变化范围在0.216×10-6~0.266×10-6, 其由高到低的顺序依次是建设用地>耕地>草地>林地>水利用地(表 3), 显示土壤Se分布与人类活动强度关系密切, 人类活动强越, Se含量越高, 这与前人研究成果一致[28-30].

表 3 不同利用类型土壤表层Se含量 Table 3 Topsoil Se content by land use types
3.1.4 土壤Se含量等级评价

根据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)中Se元素养分等级标准和谭见安对Se生态效应评价标准[4], 评价克山县土壤表层Se含量养分等级.结果显示全区土壤表层Se含量以适量为主, 样品足Se率达93.95%(表 4).从不同土壤类型看, 黑钙土、黑土、草甸土属足Se状态, 足Se率分别为100%、96.43%和93.80%;暗棕壤足Se率为62.50%, 属于潜在Se不足状态.

表 4 不同类型土壤Se含量等级 Table 4 Grading and percentage of Se content by soil types

由于样品是网格化采集, 也就说明全县有93.95%的土壤面积Se含量养分等级适量, 面积为299 631 hm2; Se含量潜在不足样品占5.43%, 面积为17 318 hm2; Se含量不足样品占0.37%, 面积为1 180 hm2; 富Se样品占0.25%, 面积797 hm2.克山县土壤表层Se元素含量等级评价结果见图 2, 从图中可以看出全县土壤表层基本不缺Se, 缺Se土壤只零星分布在研究区的东北部.

图 2 克山县土壤表层Se含量评价图 Fig.2 Evaluation map of Se content in the surface soil of Keshan County 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)

土壤深层样品足Se率为37.38%, 面积94 970 hm2; 潜在Se不足占50.97%, 面积172 370 hm2; Se缺乏占11.65%, 面积51 560 hm2.克山县深层土壤总体处于Se潜在不足或不足状态, 克山县土壤深层Se元素含量等级评价如图 3.

图 3 克山县土壤深层Se含量评价图 Fig.3 Evaluation map of Se content in the deep soil of Keshan County 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)
3.2 土壤表层Se含量影响因素

研究表明, 土壤pH和土壤有机质含量(SOM)对Se含量有影响, 研究区pH值介于5.02~8.50之间, 不同酸碱度土壤中Se含量变化不大, 均属弱分异型(见表 5、图 4).克山县土壤Se在碱性土壤中含量相对较高, 在酸性土壤中的含量相对较低, Se含量与pH呈正相关关系(图 5), 这与其他地区研究结果有所不同, 原因有待于进一步研究.土壤Se含量与SOM呈正相关关系(图 6), 这与多数学者研究结果一致[1, 13, 18, 21].

表 5 不同酸碱度土壤表层Se含量特征 Table 5 Topsoil Se content by pH values
图 4 不同酸碱度土壤表层Se含量分布箱式图 Fig.4 Box diagram of Se content distribution in topsoil by pH values
图 5 土壤表层Se含量与pH值关系散点图 Fig.5 Scatter diagram of topsoil Se content vs. pH value
图 6 土壤表层Se含量与SOM关系散点图 Fig.6 Scatter diagram of topsoil Se content vs. SOM
3.3 土壤表层Se有效态含量

元素Se在土壤中以不同形态存在, 而能被植物吸收的Se的形态称为有效态, 它反映土壤对植物供应Se的能力. Se的有效态主要是亚硒酸盐和硒酸盐.克山县土壤硒的有效态含量在0.235×10-9~3.01×10-9, 平均1.488×10-9, 变异系数0.772 (表 6).有效态Se含量为高分异型, 空间变异大. Se的活化系数(有效态含量与全量比值)为0.60%, 活化率低, 低于黑龙江省松嫩平原南部土壤Se的活化率(4.7%) [31], 表明克山县土壤Se元素有效态转化程度较弱.

表 6 土壤表层Se元素有效态含量 Table 6 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、土壤有机质、土壤胶体、硝酸盐和土壤水分, 多数研究认为土壤pH与Se植物有效性显著相关[32-36].

土壤pH是通过影响Se在土壤中的价态和水溶性来影响Se的植物有效性.研究区土壤呈弱酸性(pH平均6.48), 酸性土壤有利于Se的还原, 能增加亚硒酸盐(SeO32-)在土壤中Se的形态所占的比例, 但亚硒酸盐容易被与铁、铝水合物吸附, 从而降低Se的植物有效性.此外, 降低pH还能提高土壤胶体对Se的吸附能力, 从而显著降低硒的植物有效性.

土壤中有机质对Se的植物有效性影响比较复杂, 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.

在硝酸盐含量较高的土壤中, 硒酸的还原受到抑制, 从而增加土壤Se的植物有效性.

3.4 籽实Se含量

人和动物获得Se主要来自各种食物, 籽实中Se是食物链中Se转化的重要环节.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0.05×10-6, 就会造成人体缺Se, 而大于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[35].本研究采集了玉米、大豆、水稻3种主食农作物, 测得Se平均含量分别为0.022×10-6、0.042×10-6和0.038×10-6, 3种作物Se含量平均为0.033×10-6, 属于低Se植物(< 0.04×10-6), 低于硒含量安全范围, 远低于国家富硒粮食限量上限标准0.30×10-6.因此, 克山县玉米、大豆、水稻中Se含量偏低, 应通过农业土壤改良和科技创新提高农产品中硒的含量.

4 结论

1) 克山县土壤表层Se含量平均为0.249×10-6, 低于全国土壤平均值, 高于世界土壤平均值.土壤表层Se含量以足Se状态为主, 占总面积93.95%; Se潜在不足占5.43%; Se含量不足占0.37%;富Se土壤占0.25%, 面积797 hm2.土壤深层Se含量平均为0.167×10-6, 足Se率为37.38%, 其余为Se潜在不足或缺乏.

2) 不同类型土壤Se含量由高到低的顺序是黑钙土、草甸土>黑土>暗棕壤. Se含量空间变化差异不大, 暗棕壤和草甸土属于中分异型, 黑土、黑钙土属于弱分异型.

3) 不同土地利用类型Se含量由高到低的顺序是建设用地>耕地>草地>林地>水利用地, 显示人类活动越强, Se含量越高, 表明人类活动对Se含量有影响.

4) 土壤深层Se含量平均为0.167×10-6, 低于土壤表层含量.不同类型土壤深层Se含量由高到低依次是暗棕壤>黑土>草甸土>黑钙土, 与表层土壤高低顺序相反.

5) 克山县土壤有效态Se含量在0.235×10-9~3.01×10-9之间, 平均含量1.488×10-9. Se的活化系数为0.60%, 活化率较低, Se元素有效态转化程度弱.

6) 研究区玉米、大豆、水稻等主要农作物籽实Se元素平均含量0.033×10-6, 属于低Se作物, 应通过农业科技创新, 土壤改良, 提高农产品中硒的含量.

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