湖北省宜城市東南部地區土壤硒元素物質來源淺析

楊 波, 馮久林, 陳以春, 卞 超, 王本哲, 石 磊

(湖北省地質局 第八地質大隊,湖北 襄陽 441002)

元素在自然界的存在形式多種多樣,其存在形式也不是一成不變的,而是通過各種生態循環不斷轉換和遷移的,其中與人類息息相關的一組生態循環為“元素→土壤→植物→人體”。土壤中某些元素的豐缺對動植物和人類的遺傳、生長發育、新陳代謝有著重要影響。元素硒是對生命體極為重要的一個微量營養元素,在大陸地殼中含量很低,且分布極不均勻。中國處于低硒地帶,全國有72%的國土面積存在不同程度的缺硒現象。缺硒能直接導致癌癥、肝病、心血管病、糖尿病、前列腺病、白內障等40多種疾病,間接導致多達400多種疾病。

本次工作以湖北省宜城市作為研究對象,在多目標區域地球化學調查的基礎上開展土地質量地球化學評價,工作比例尺為1∶5萬,可以基本查明區內富硒優質土地資源。宜城是全國重要的糧油生產基地,屬全國糧食生產先進縣市。區內土地資源豐富,土壤及農產品中硒含量高[1-2]。因此,分析土壤中富硒物質來源,對于科學合理利用富硒資源、改善人類健康具有重大意義。

1 研究區概況

宜城市位于湖北省西北部、漢水中游,交通位置十分便利,素有“五邑要道、八省通衢”之稱。調查區位于宜城市東南部,涉及鄭集和孔灣2個鎮,調查面積310 km2;該區地處“荊襄走廊”北部,整體地勢自西北向東南微傾斜,總體地貌以沖積平原、崗地和丘陵為主;區內氣候溫和,雨量適中,四季分明,屬北亞熱帶季風性濕潤氣候;主要土壤類型為水稻土、潮土,其次為黃褐土、石灰土等;地層比較簡單,第四系覆蓋區面積約占95%,主要由漢江及其支流蠻河的沖積物、洪積物組成,西南部零星出露中元古界崆嶺群及震旦系地層。

2 樣品采集與分析測試

湖北省地質局第八地質大隊于2015年在研究區開展土地質量地球化學評價工作,采集表層土壤樣1 776件,土壤水平剖面樣250件,土壤垂直剖面樣200件,土壤形態樣20件(圖1)。其中表層土壤樣與水平剖面樣為0～20 cm的耕作層土壤;深層土壤為20～200 cm的土壤,垂向剖面土壤樣的深度為地下水層面以下50 cm(枯水期)或100 cm(豐水期),土壤分層明顯時分層采樣,若分層不明顯,按照20～50、50～100、100～150、150～200 cm的規格采集樣品;土壤形態樣按1點/15 km2的密度采集0～20 cm的耕作層土壤。樣品的采集和加工等環節嚴格按照《區域生態地球化學評價規范》(DZ/T 0289-2015)執行。

樣品的分析測試工作由湖北省地質實驗測試中心承擔。各類樣品分析測試采用氫化物—原子熒光光譜法(HG-AFS),測試土壤樣品的全量硒和形態樣品的分量硒(七步形態分析)。所有的測試結果都滿足《生態地球化學評價樣品分析技術要求》(DD2005-03)等規范規定的分析準確度和精密度等質量要求。所有樣品分析合格率100%,重復樣、異常抽查檢驗的合格率99.66%。

圖1 宜城評價區表層土壤及剖面采樣點位圖Fig.1 Bitmap of surface soil and profile sampling sites in Yicheng evaluation area1.表層土壤樣點采樣點位;2.土壤水平剖面樣點采樣點位;3.土壤垂直剖面樣點采樣點位。

3 表層土壤中Se含量特征

土壤作為巖石圈表面的疏松表層,是土地的重要載體,是最基本的農業生產要素,為作物生長提供必需的營養和水分。

(1) 通過對樣品化驗結果統計分析,全區1 776件表層土壤樣品中硒元素含量變化范圍為0.08～2.25 mg/kg,均值為0.31 mg/kg,變異系數為0.35,在整個評價區呈分異分布(表1)。

對評價區表層土壤中Se含量進行等級劃分,采用累計頻率0.5、1.5、4、8、15、25、40、60、75、85、95、97、98.5、99.5(%)分級間隔對應的含量作等量線[3],劃分出五個標準15個色區(圖2),即富足(0.48～0.59)、

較富足(0.37～0.48)、適度(0.24～0.37)、較缺乏(0.14～0.24)、缺乏(0.12～0.14)。

表1 宜城評價區表層土壤中硒元素含量特征表Table 1 Characteristics of Se elements in surface soil of Yicheng evaluation area

評價區硒元素的地球化學分帶性非常明顯,Se的低背景區(藍色區域)分布在遠離河岸的平原區(槐營—蔣灣村一帶)、崗地區(呂崗—鐘崗—許崗村一帶);背景區(黃色區域)沿漢江、蠻河流域分布,走向與河流流向一致;高背景區(紅色區域)集中在蔣灣—王洲村一帶,蠻河的河道轉彎處;特高背景區(深紅色區域)零星分布在研究區西南部邊緣,震旦系碳酸鹽巖地層中,璞河一帶河流沖積物中也有分布。

圖2 宜城評價區Se地球化學圖Fig.2 Se geochemical map of Yicheng evaluation area

(2) 各地層單元中的硒元素呈現不同的富集現象,表現為震旦系>第四系全新統沖積物>中元古界崆嶺群>第四系更新統沖積物>第四系更新統殘坡積物,即硒在震旦系與第四系全新統沖積物中呈富集,濃集比例K(K=Se在各地層單元的平均含量/表層土壤中的平均含量)分別為1.74、1.06,而在其他地層中呈現一定的虧缺(表2)。

(3) 在不同的土壤類型中,硒元素在灰潮土和石灰土中含量最高,平均含量為0.35 mg/kg(表3)。通過宜城縣土壤分布圖[4]可以看出,灰潮土的分布幾乎與河流走向一致,系河流作用的產物。而石灰土則分布在震旦系碳酸鹽巖區,與其成土母巖密切相關。

表2 宜城評價區主要地層中硒元素含量統計Table 2 Statistics of the content of Se elements in the main strata of the Yicheng evaluation area

表3 宜城評價區各類土壤中硒元素含量統計Table 3 Statistics of the content of Se elements in various soils in Yicheng evaluation area

圖3 土壤剖面中Se的含量變化特征Fig.3 Change characteristics of Se content in soil profile

4 深層土壤中Se含量特征

農田生態系統是自然地質地球化學作用和人類生產活動共同作用的產物。農田生態系統中土壤Se元素自然來源主要為巖石的風化產物,土壤中Se元素含量與母質巖性和成土過程密切相關[5]。為研究硒元素在不同土壤發生層位的變化規律,在研究區各不同類型功能區測制了8條土壤水平剖面,在水平剖面上按照500 m的間距測制了50條土壤層垂直剖面,主要利用“橫拉縱切”的“T”型剖面追蹤法,即采用表層土壤水平剖面測量加深層垂直剖面測量的方法。針對研究區Se異常分布、所處地質環境背景等地質地球化學特點及地貌形態,在研究區各功能區隨機選擇了8條剖面來剖析。

測量結果表明,各垂向剖面中Se的含量變化趨勢非常相似,80%的剖面在土壤層垂向上由深部至地表整體表現為逐漸上升的特征,且在第二層次—第一層次變化趨勢明顯,往深層次三—五層顯得比較平緩(圖3)。研究區硒元素表現為地表富集而在深部貧化,即評價區成土母質對表層土壤中硒的貢獻很小,表層硒元素主要來自外源物質輸入,深部硒可能與地表富硒物質風化淋濾作用和植物生長擾動改造有關。

5 土壤中硒元素各相態含量特征

對調查區土壤中各相態硒的平均含量分析顯示(表4),硒的含量特征為殘渣態>強有機結合態>腐殖酸結合態>水溶態>離子交換態>碳酸鹽結合態>鐵錳結合態,其中殘渣態和強有機結合態硒累計占70%,表明土壤中硒主要為難溶態,即硒主要以穩定形式賦存于土壤中[6]。分析結果還顯示,碳酸鹽巖結合態硒平均含量是鐵錳結合態的2.6倍,這與Se的特高背景區位于震旦系碳酸鹽巖成土母質區的特點相一致。

表4 宜城評價區土壤中各相態硒含量統計Table 4 Statistics of each phase selenium content in the soil of Yicheng evaluation area 單位:ng/g

6 土壤中硒元素遷移規律解析

綜上所述,評價區土壤中硒元素具備以下三個特征:

(1) 硒元素在地表富集,深部貧化;

(2) 硒的(極)高背景區位于評價區西南端震旦系碳酸鹽巖地層中;

(3) 硒元素主要以穩定的形式賦存于土壤中,且碳酸鹽結合態的硒高于鐵錳結合態的硒。

結合本地區的地貌特征——西高東低,可以從空間上對硒的來源作出推測(圖4):西部地勢較高的碳酸鹽巖系提供了富硒物質,自西向東的蠻河為富硒物質遷移提供了搬運力。據宜城縣土壤圖記載,璞河一帶在20世紀80年代之前曾為一處與蠻河聯通的水庫(綠色區域),為硒元素提供了富集的空間位置。河流長期反復沉積、淋濾作用在蠻河與漢江的河流交匯部位形成了特定的物理化學環境,為硒元素就地富集提供了一處地球化學障,人類長期的耕作活動為硒元素在表層土壤中的活化富集起到了促進作用。

圖4 宜城評價區硒元素遷移路線推測圖Fig.4 Speculating diagran of migration route of Se element in Yicheng evaluation area1.震旦系上統燈影組白云巖、含燧石條帶白云巖;2.震旦系下統陡山沱組含磷薄層白云巖夾磷塊巖;3.硒元素地球化學高背景區;4.硒元素遷移路線。

7 結論與建議

(1) 研究區富硒異常為第四系全新統沖積物Se的富集所致,富硒物質系富硒巖層風化產物在河流搬運作用下,于特定的沉積環境、特定的物理化學條件(如pH、Eh等)下沉積、富集而成。

(2) 研究區富硒土壤處于漢江流域、漢江與蠻河的交匯部位,對富硒土壤是源自漢水沖積物還是其支流蠻河沖積物存在異議。多目標地球化學調查成果顯示,在宜城市西南部、蠻河中下游雷河鎮一帶地區也發現有60多平方千米的富硒土壤異常,異常區與本次調查區域位置相鄰,地質地理環境非常相似,因此,可以初步得出結論,研究區內富硒土壤應該源自蠻河流域的河流沖積物。

(3) 因本次調查工作范圍的限制,震旦系地層只在工區西南角有零星出露,評價工作并未對該層位的基巖作相關的化學分析,對其作出富硒物質來源的推理,主要是根據該層位基巖風化產物——石灰土中Se元素平均含量高達0.35 mg/kg,單樣點的最高含量為2.25 mg/kg的特征得出。建議加強對該區域震旦系、寒武系等地層的研究,追根溯源,從長遠角度可持續利用其富硒資源。

參考文獻：

[1] 胡瑞春,張元培,張海強,等.湖北省襄樊—隨州地區多目標區域地球化學調查報告[R].武漢：湖北省地質調查院,2011.

[2] 楊波,馮久林,卞超,等.湖北省宜城市土地質量地球化學評價(一期)報告[R].襄陽：湖北省地質局第八地質大隊,2016.

[3] 中華人民共和國國土資源部.地球化學普查規范(1∶50 000):DZ/T 0011-2015[S].北京:地質出版社,2015.

[4] 湖北農牧業廳.湖北省分縣土壤圖集[M].武漢:湖北省農牧業廳,1986.

[5] 文幫勇,張濤亮,李四周,等.江西龍南地區富硒土壤資源開發可行性研究[J].中國地質,2014,41(1):256-263.

[6] 黃淇,成杭新,陳出新,等.北京市房山區富硒土壤調查與評價[J].物探與化探,2013,37(5):889-894.