恩施州宣恩地區富硒土壤硒含量特征及影響因素研究

鄒 輝, 王 卉, 段碧輝, 王天一, 潘 飛

(湖北省地質科學研究院,湖北 武漢 430034)

硒(Se)是自然界一種微量元素,是人體和動物必需的重要元素之一,具有增強免疫力、抗癌、拮抗有害重金屬等作用[1]。根據1∶50萬《恩施州硒資源與生態農業地質調查》結果,宣恩縣(除個別區域外)表層土壤硒元素含量值均在0.4～3 mg·kg-1,土壤硒資源潛力巨大[2]。筆者在參與“湖北省宣恩縣土地質量地球化學調查項目”工作時,在宣恩縣萬寨鄉、珠山鎮、椒園鎮一帶發現優質富硒土壤區域,并對其表、深層土壤的硒含量特征、有效性、形態和土地環境質量等進行了初步總結。本研究以此為基礎,經過系統的取樣分析,對富硒區域土壤硒含量征及其影響因素進行了重點探討,以期為當地開發利用富硒土壤資源提供一定的科學依據。

1 研究區背景

宣恩縣地處鄂西南,位于恩施土家族苗族自治州南部。本次的研究區范圍為宣恩縣萬寨鄉、珠山鎮、椒園鎮,總面積529 km2(圖1)。研究區地貌以中低山為主,大地構造處于上揚子臺坪八面山臺褶帶北東緣。區內主要發育沉積型地層,由老—新依次為奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、白堊系。其中三疊系出露面積最廣,為巴東組、嘉陵江組和大冶組,巖性以砂巖、頁巖、白云巖為主,約占全區總面積的80%;富硒地層主要為二疊系地層,包括龍潭、下窯、大隆組并層、茅口孤峰組并層、梁山棲霞組并層,巖性以硅質巖、頁巖、灰巖為主,主要分布在研究區椒園鎮的中部和珠山鎮的南部,萬寨鄉西部有少量分布,占全區總面積約10%,巖性主要為炭質頁巖、灰巖和硅質巖。研究區分布的土壤類型有水稻土、潮土、石灰土、紫色土、黃壤、黃棕壤六種土類,其中黃棕壤和黃壤在全區分布最為廣泛,二者面積約占全區的75%。

圖1 研究區地理位置示意圖Fig.1 Sketch map of geographical location of the study area

2 樣品采集與分析測試

土壤樣品按照土地利用圖斑+網格布設,每平方千米平均采樣4件,由3～5個點采集0～20 cm 表層土壤組合而成,共采集2 159件樣品。土壤垂直剖面樣品布設綜合考慮土壤地質背景并結合土地利用,按土壤發生層次采集,采集土壤垂向剖面6條。巖石樣品共采集57件,樣品由50 m點距范圍內3～5個同一種類巖石子樣組合而成,樣品重量不低于500 g。

樣品分析測試由具有國家級資質認證的湖北省地質實驗測試中心承擔。巖石、土壤全硒采用原子熒光光譜法測定,pH采用電位法測定,有機質、氮采用容量法測定,錳、氧化鎂、氧化鈣、氧化鈉采用電感耦合等離子體原子發射光譜法測定,磷、氧化鋁、氧化鐵、氧化鉀采用X射線熒光光譜法測定,硫采用燃燒-碘量法測定。樣品分析準確度和精密度等質量要求按中國地質調查局《多目標區域地球化學調查規范(1∶250 000)》(DZ/T0258—2014)、《生態地球化學評價樣品分析技術要求》(DD2005—03)等相關技術標準有關規定執行。

3 土壤硒地球化學特征

3.1 土壤硒含量特征

目前,國內對于富硒土壤尚無統一的行業和國家標準,不同省份和地區硒元素含量差別較大。本次研究采用李家熙提出的富硒土壤劃分方案,即土壤硒含量≥0.4 mg·kg-1為富硒土壤[3]。

對研究區2 159件表層土壤樣品進行分析,統計結果見表1。研究區土壤硒含量平均值0.665 mg·kg-1,遠高于恩施州土壤硒背景值,也大幅超過中國表層土壤(A層)硒含量均值0.29 mg·kg-1[4],含量變化范圍為0.103～10.800 mg·kg-1,變異系數為1.1407,起伏變化較大,空間差異明顯。2 159件土壤樣品w(Se)區間統計直方圖見圖2,大部分樣品的w(Se)高于0.20 mg·kg-1,其中1 568件樣品達到富硒土壤標準。

表1 研究區表層土壤硒含量參數(單位:mg·kg -1)Table 1 Selenium content parameters of surface soil in study area

3.2 不同成土母質硒元素含量特征

通常認為土壤硒含量與成土母質或地質背景密切相關,而恩施地區豐富的富硒巖石和煤層,是富硒土壤形成的重要條件。本研究統計了研究區內不同成土母質土壤硒含量水平見表2。

從土壤硒含量均值來看,除了三疊系巴東組(0.322 mg·kg-1)發育土壤硒含量水平較低外,其余地層土壤硒含量均>0.4 mg·kg-1,其中龍潭、下窯、大隆組并層最高,土壤硒含量均值達到1.853 mg·kg-1,茅口孤峰組并層次之,巴東組土壤硒含量水平最低。綜合來看,研究區富硒地層和非富硒地層發育的土壤硒含量水平均較高,因此其硒來源不僅受控于成土母質,也與母巖在風化和成土過程中造成硒的不斷遷移、淋失和富集有關。

圖2 研究區表層土壤w(Se)頻數分布圖Fig.2 w(Se) frequency distribution of surface soil in the study area

表2 研究區不同成土母質土壤硒含量參數(單位:mg·kg -1)Table 2 Selenium content parameter of soils with different parent materials in the study area

地層名稱樣本數平均值最大值最小值巴東組5370.3220.560.10嘉陵江組6170.550.940.19大冶組4750.5570.920.19龍潭、下窯、大隆組并層681.85310.800.24茅口孤峰組并層790.8431.590.31梁山棲霞組并層990.7361.190.31黃龍大埔組并層130.7061.010.29云臺觀寫經寺組并層390.6111.080.32紗帽組670.5940.880.29羅惹坪組1070.5891.020.17龍馬溪組420.6150.920.27寶塔組70.6361.060.21南津關—牯牛潭組并層80.6791.500.47

3.3 不同土壤類型硒元素含量特征

表層土壤硒含量除與成土母質有關外,還與氣候、地形、土壤質地等有關。本研究統計了區內不同土壤類型土壤硒含量水平見表3。

可以看出,硒在不同類型土壤中的分布主要受到成土母質的影響。區內紫砂土硒含量較低,均低于0.40 mg·kg-1,其母巖是巴東組紫紅色砂巖,黃壤、黃棕壤硒含量水平較高,其母巖主要是研究區富硒地層二疊系和三疊系的頁巖、灰巖。

3.4 土壤硒含量的垂向變化特征

王美珠等對中國一些主要土壤含硒量的分析測定表明[5],由于生物積累作用和淋溶作用相對強弱的差別,硒在土壤剖面中的分布可歸結為3種形式:①上高下低,生物積累大于淋溶作用;②上低下高,生物積累小于淋溶作用;③上下相近,生物積累等于淋溶作用。

表3 研究區不同土壤類型硒含量參數(mg·kg-1)Table 3 Selenium content parameters of different soil types in the study area

為厘清土壤硒與成土母質之間的關系,查明硒從母質層至表層的含量變化特征,在研究區內依據不同成土母質布設了6個典型的土壤剖面,硒含量隨深度變化曲線見圖3。

由圖可知,6條剖面的土壤硒質量分數均呈現出表聚性的特征,即表層土壤具有相對較高的硒質量分數;其中剖面XECP01、XECP04、XECP06表現為上高下低型,說明生物積累作用較強;剖面XECP02、XECP04、XECP05表現為上下高中間低的特征,表明硒的表聚性外,在剖面深部也相對富集,即表層生物積累作用與淋溶作用強度相當。

圖3 典型土壤剖面硒含量分布特征圖Fig.3 Distribution characteristics of selenium content in typical soil profiles

4 區內富硒土壤形成影響因素分析

前人對于土壤硒含量的影響因素已有諸多的研究[6],富硒土壤的形成,很大程度取決于成土母質(母巖)類型,而土壤質地、pH值、有機質也會對土壤中的硒含量產生影響。因此,本研究主要針對影響土壤硒含量水平的因素進行討論。

4.1 成土母巖

前人研究表明高硒土壤主要來源于富硒巖石和煤系地層,而恩施地區巖石中的較高的硒含量,是高硒土壤形成的重要條件[7]。筆者在研究區共采集了不同地質時代的巖石樣品57件,對不同地層單元巖石中硒含量進行了分析,分析結果(表4)表明:元素硒普遍存在于各類巖石,其含量卻與巖石的形成時代和巖性密切相關。在各個時代形成的巖石當中,二疊系地層所賦存的硒含量最高,富硒巖石主要為硅質巖和頁巖,其中龍潭、下窯、大隆組并層硅質巖硒含量達到10.680 mg·kg-1,其次為茅口孤峰組并中的頁巖,硒含量為2.052 mg·kg-1,三疊系嘉陵江組中的灰巖硒含量也較高,其余時代地層硒含量均<0.1 mg·kg-1。此外區內發育的巖石地層中,二疊系和三疊系出露面積占總區的70%左右。由此可見,研究區二疊系和三疊系中含硒量較高的硅質巖、頁巖和灰巖是區內土壤中硒的主要來源之一,而硒經過母質風化和成土過程中不斷遷移,形成了宣恩地區大面積的富硒土壤。

4.2 土壤性質和組分

表4 不同時代地層巖石中硒含量特征Table 4 Characteristics of selenium content in strata of different ages

表5 研究區表層土壤硒含量與pH及其他元素含量間的相關性Table 5 Correlation between selenium content in surface soil and pH and other elements contents in the study area

注:**在0.01水平(雙側)上顯著相關;*在0.05水平(雙側)上顯著相關。

研究區土壤硒與OrgC有顯著的正相關關系(p<0.01),將土壤類型作為統計單元,土壤Se含量與有機碳做相關關系圖(圖4所示),不同類型土壤中有機碳與土壤硒呈明顯的正相關關系,且有機碳與硒均可擬合為一條較好的直線。前人研究表明[10],有機質對硒具有一定的吸附和固定作用,硒能夠以腐殖質締合的形態存在并在土壤中固定下來 。但是當土壤中有機質含量較高時,有機質會通過靜電吸附大量硒,抑制硒向植物遷移,從而導致硒的生物有效性下降。

硒與P(p<0.01)、S(p<0.01)、和N(p<0.01)呈顯著的正相關關系。研究表明,土壤中P多數以磷灰石形式存在,而磷灰石主要吸附 Se4+,而幾乎不吸收 Se6+,說明研究區內土壤中的硒主要以亞硒酸鹽形式存在。硒屬于親硫元素,與硫具有相似的地球化學性質,因此兩者相關性顯著。硒與Al(p<0.01)、Na(p<0.01)和K(p<0.01)呈顯著負相關關系。研究表明,Se和 Al地球化學來源不同,前者屬于親硫元素,后者屬于親石元素,因而在含量上互為消長[11];硒與Na、K也存在顯著相關,但相關系數較低。

5 結論

(1) 研究區內的土壤硒含量水平較高,均值0.665 mg·kg-1,遠高于恩施州土壤硒背景值,總體達富硒水平。

(2) 地質背景對土壤硒含量有控制作用 。二疊系與三疊系地層分布區的土壤硒含量都明顯高于其他地質背景區,這多與這些地層中含硒量較高的硅質巖、頁巖和灰巖有關。

(3) 土壤中有機碳、N、P、Al與硒含量具有明顯的相關性,反映了區內硒的多因素富集特征。其中有機質對硒含量影響較大,表現為對硒的吸附與固定作用;此外研究區大面積酸性土壤也是土壤中硒易累積的重要因素。