南方丘陵區土壤硒空間分異特征及其影響因素*——以豐城市為例

朱 青，郭 熙?，韓逸，江葉楓，余慧敏，傅聰穎

南方丘陵區土壤硒空間分異特征及其影響因素*——以豐城市為例

朱 青1，2，郭 熙1，2?，韓逸1，2，江葉楓1，2，余慧敏1，2，傅聰穎1，2

（1. 江西農業大學國土資源與環境學院，南昌330045；2. 江西省鄱陽湖流域農業資源與生態重點實驗室，南昌330045）

江西省豐城市是典型的富硒土壤分布區，基于豐城市2015—2016年采集的699個表層（0～20 cm）土壤樣點數據，運用地統計分析、相關性分析、地理探測器等方法，系統分析了豐城市土壤硒的含量、空間分異特征及其影響因素，以期為土壤硒的涵養與富硒土地的生產功能提供有價值的參考。結果表明：豐城市土壤硒含量在0.13～0.69 mg?kg–1之間，平均值為0.33 mg?kg–1，是全國土壤硒元素背景值（0.29 mg?kg–1）的1.14倍，變異系數為27.27%，呈中等程度變異性。經半方差函數分析，土壤硒變程為12.86 km，空間自相關范圍較大；塊金效應值為44.30%，表明土壤硒空間變異主要受結構性因素影響。在空間分布上，熱點區（高值聚集）主要分布在泉港鎮西部、董家鎮東南部、尚莊街辦中部、上塘鎮西南部、曲江鎮西北部、洛市鎮中部和南部以及秀市鎮西南部。砷、銅、汞、氧化鉀、氧化鈣、pH、成土母質和高程對土壤硒空間變異均有顯著影響（<0.05），但影響程度不一。其中，砷的獨立解釋能力最高，為29%，對豐城市表層土壤硒的富集與遷移起到重要作用。

土壤硒；聚類特征；空間變異；影響因素；豐城市

硒是土壤微量元素之一，是植物生長發育必不可少的營養元素，在參與維持植物體內養分和離子平衡、增強植物抵抗重金屬污染、提高植物環境脅迫的抗逆性等方面發揮著重要作用[1]。更為重要的是，土壤中的硒主要是通過植物吸收轉移至食物鏈而進入人體，其豐缺程度與人體健康密切相關[2]，如人體缺硒會引起大骨節病、克山病等疾病發生，而攝入過量硒則會引起脫發脫甲病、高畸胎率等疾病[3]。我國是世界上缺硒嚴重的國家之一，72%的縣（市）表現出不同程度缺硒，缺硒省份多達22個，只有極少部分地區有較高的硒儲備量，被稱為足硒區或富硒區[4-5]。因此，了解土壤硒空間分布的內在規律，以充分發揮富硒地區的資源優勢顯得尤為重要。近年來，關于土壤中硒的含量、分布特征及影響因素等研究工作已廣泛開展[6-11]。但前人研究僅局限于了解土壤硒含量的空間分布特征[12-13]，對土壤硒的空間聚類特征研究較為缺乏，而了解土壤硒在空間上的聚集情況，對目前富硒產業規?；陌l展具有重要的現實指導意義。此外，目前學者們對土壤硒在空間分布影響因素的探究多停留在相關性分析[6-9，14-15]、經典回歸模型[10]等傳統分析方法，對于多因子影響及其交互作用的定量分析相對薄弱。而地理探測器是研究空間分異，以及揭示其背后驅動力的一組統計學方法[16]，可以全面地分析和評估影響因子對土壤硒空間分異的影響程度及交互作用，彌補了以往研究方法的不足。

江西省豐城市是我國富硒產業較為發達的地區之一。近年來，馬迅等[17]以豐城市生態硒谷為研究區，發現全硒較高的土壤能夠向作物提供較多的有效硒；韓笑等[18]以豐城市為例，系統闡述了農田土壤中硒含量與土壤理化性狀之間的關系。但在涉及不同類型土壤硒的含量、空間分異特征及影響因素等綜合信息仍未見相關報道。為此，本研究基于豐城市2015—2016年采集的699個表層（0～20 cm）土壤樣點數據，運用地統計分析、相關性分析、地理探測器等方法，結合土地利用方式、距離因子、成土母質、地形因子、土壤重金屬、堿性氧化物、土壤pH和有機質，對豐城市土壤硒空間分異特征及其影響因素進行研究，以期為調節土壤硒水平、開發利用富硒土地資源、預測和防止硒環境問題提供強有力的地球化學依據和技術支持，為當地富硒特色產業的發展提供有力保障。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究以豐城為案例區，研究區位于江西省中部、贛江中下游，鄱陽湖盆地南端，地理坐標介于115°25′～116°27′E、27°42′～28°27′N之間，總面積2 845 km2。2017年末，全市人口總數為129.8萬人。豐城地勢南高北低，由西南向東北逐漸傾斜。南部為低山區，約占總面積的17%；中部相對低平，為河谷沖擊平原，約占總面積的24%；西北和東南地形起伏，為丘陵地區，約占總面積的59%，是典型的南方丘陵區。豐城地處亞熱帶濕潤氣候區，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，光照充足，霜期較短，生長期長，是全國主要糧食生產基地，享有“煤海糧倉金豐城”之稱。2018年，全市完成生產總值達到382.22億元，財政總收入達到70.47億元。

豐城市富硒土地資源豐富，土地利用類型以耕地、林地和園地為主（圖1a），多數水田土層深厚，土壤滲而不漏、漬面不滯，富有較多的有機質，土質良好。成土母質主要是泥質巖類風化物、第四紀紅色黏土、紅砂巖類風化物和河流沖積物（圖1b）。

1.2 數據來源與測定方法

研究區表層（0～20 cm）土壤樣點（共699個）于2015—2016年采用網格法（1 km×1 km）完成土樣采集（圖1c）。豐城市成土母質類型來自于第二次土壤普查數據。豐城市土地利用類型來自于2015年1︰10 000土地利用變更調查數據庫。土壤樣品主要分析了硒（Se）、砷（As）、汞（Hg）、銅（Cu）、鎘（Cd）、氧化鉀（K2O）、氧化鈣（CaO）、pH、有機質（Soil Organic Matter，SOM）等元素指標。Se采用原子熒光法測定；K2O、CaO等采用X射線熒光光譜法測定；pH采用玻璃電極法測定；As、Hg采用原子熒光法測定；Cd采用火焰原子吸收法測定；Cu采用X熒光法測定；SOM采用重鉻酸鉀容量法測定。所有測試結果均滿足（DD2005-3）《生態地球化學評價樣品分析技術要求》所規定分析方法的精密度和準確度要求，所有樣品合格率均超過85%，檢測結果可信。

注：壤質河流沖積物；砂質河流沖積物；石英巖類風化物；碳酸鹽類風化物；泥質巖類風化物；紅砂巖類風化物；第四世紀紅色黏土；酸性結晶巖類風化物Note：Loamy river alluvial，Sandy river alluvial，Weatherings of quartzite，Weatherings of carbonate，Weatherings of argillaceous rock，Weatherings of red sandstone，Quaternary red clay，Weatherings of acidic crystalline rock

1.3 數據處理與分析方法

為確保數據準確性，本文采用拉依達準則進行異常值和缺失值的剔除，剔除后土壤樣點為667個?；谘芯繀^30 m分辨率的數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數據（圖1c），通過Arc GIS 10.5 軟件提取出高程、坡度、坡向、曲率、地形起伏度等地形因子，具體計算公式見文獻[19]。借助IBM SPSS Statistic 24.0 軟件對土壤樣點數據進行描述性統計分析和相關性分析，并在地理探測器軟件進行因子探測和交互探測分析。運用半方差函數在GS+7.0軟件進行空間結構分析。普通克里格插值、全局空間自相關和熱點分析均在Arc GIS 10.5 軟件平臺上進行。

由于地理探測器輸入的自變量要求為類別數據，需要對連續性變量做離散化處理。本文結合前人研究[16，20]及先驗知識，將坡度按照<5°、5°～10°、10°～15°、15°～20°、20°～25°、25°～30°、30°～35°、>35°劃分為8類；坡向以45°為間隔劃分為8類。其他連續變量通過自然斷點法劃分為8類，以確保在同樣空間分層條件下，結果具有可比性。

2 結果與討論

2.1 豐城市土壤硒描述性統計

研究區土壤硒含量描述性統計特征如表1所示，豐城市土壤硒含量平均值為0.33 mg?kg–1，是全國土壤硒元素背景值[21]（0.29 mg?kg–1）的1.14倍，變幅處于0.13～0.69 mg?kg–1；變異系數為27.27%，呈中等程度變異性。整體數據分布呈偏左態，經自然對數變換后，土壤硒服從正態分布，符合地統計學分析的要求。

根據我國對硒元素安全閾值的劃分[22]，從表2可看出，98.20%的土壤硒采樣點含量高于0.125 mg?kg–1，不存在缺硒和硒過量的現象。總體來看，豐城市土壤硒含量普遍處于較高水平，足硒和富硒土地資源豐富。

表1 土壤硒含量描述性統計特征

表2 豐城市土壤硒含量不同級別面積比例

2.2 豐城市土壤硒空間結構特征

半方差函數可研究土壤硒空間分布格局的隨機性和結構性特征[23]。從半方差函數擬合結果可以看出（表3），土壤硒空間分布的最優模型為球狀模型，決定系數2為 0.953，殘差RSS為8.316×10–5，趨近于0，表明其擬合精度較高，能夠較好地反映土壤硒的空間結構特征。硒的塊金效應為44.30%，屬于中等空間變異性，表明硒具有較強空間相關性，主要受結構性因素影響。土壤硒變程為12.86 km，說明硒的空間自相關范圍較大。

表3 土壤硒的半方差函數模型及相應參數

①Spherical model，②Exponential model，③Gaussian model，④Linear model

2.3 豐城市土壤硒空間分異特征

為直觀反映土壤硒的空間分布特征，在半方差函數模型擬合的基礎上，對土壤硒進行普通克里格插值，得出豐城市土壤硒含量的空間分布圖。由圖2可知，豐城市整體土壤硒含量較高，部分地區硒含量超過0.40 mg?kg–1（富硒土壤劃分值[22]），主要呈塊狀分布在洛市鎮北部、麗村鎮西南部、橋東鎮西南部、尚莊街辦北部、泉港鎮西北部和董家鎮南部。

本研究為進一步探測土壤硒在整個研究區域的空間聚集狀態與相關程度，采用全局統計量Moran’s指數對土壤硒含量分布進行全局空間自相關分析；利用熱點分析指標（Getis-OrdGi）進行局部空間自相關分析。分析結果表明，研究區土壤硒具有顯著空間自相關性，其Moran’s指數值為0.32，<0.05，score為12.01>1.96，具有統計學意義，表明研究區土壤硒具有顯著的空間自相關性，這與半方差函數分析結果（表3）一致。在對研究區土壤硒進行熱點分析時，發現Gi（）值<0.05以下共有81個行政村（如表4），其中熱點區（高值聚集）為秀市鎮座山村、尚莊街辦侯塘崗村等57個行政村，比例達10.84%（共有526個行政村），占研究區總面積的12.63%，平均硒含量為0.49 mg?kg–1；冷點區（低值聚集）有鐵路鎮青峰村、石江鄉上舍村等24個行政村，比例達4.56%，占研究區總面積的5.61%，平均硒含量為0.21 mg?kg–1。

為直觀顯示研究區土壤硒面積分布的熱點區域空間位置，繪制了Gi（）值<0.05的空間分布圖（圖3）。土壤硒在空間分布上呈現出顯著的聚集特征，其中在泉港鎮西部、董家鎮東南部、尚莊街辦中部、上塘鎮西南部、曲江鎮西北部、洛市鎮中部和南部以及秀市鎮西南部均有較大面積的熱點區分布，而冷點區行政村主要分布在蕉坑鄉、石江鄉南部和袁渡鎮東北部、段潭鄉西北部。

圖2 研究區土壤硒含量空間分布

圖3 研究區冷熱點區分布

表4 土壤硒熱點分析結果

2.4 豐城市土壤硒空間變異的影響因素

本文在結合前人研究[7-8，11，24-26]的基礎上，選取土地利用方式、距離因子、成土母質、地形因子、土壤理化性質指標等因素對影響研究區土壤硒的空間變異展開分析與討論。

2.4.1 土地利用方式 通過對研究區667個表層土壤硒含量進行統計分析（表5）可知，不同土地利用方式的土壤硒平均含量大小依次為：林地（0.34 mg?kg–1）=園地（0.34 mg?kg–1）>旱地（0.33 mg?kg–1）>水田（0.32 mg?kg–1）?？煽闯隽值睾蛨@地土壤硒含量最高，水田硒含量最低，這主要是因為林地與園地生態系統受到人為干擾要小于水田，長期耕作的水田使土壤中有機質被大量消耗，有機結合態的硒在土壤中的遷移和吸收速率增加，導致硒含量相對較低[27]。但在不同土地利用方式下，土壤硒含量的差異較小，這與以往研究結果基本一致[9,14]。

2.4.2 距離因子 本研究從土壤采樣點到河流距離、道路距離（公路、鐵路、農村道路）和農村居民點距離三個方面進行Pearson相關性分析。土壤硒與農村居民點距離呈顯著正相關關系（0.05），為0.090。說明硒的含量隨著農村居民點的距離增大而提高，從側面反映出人類活動對土壤硒的含量具有一定的影響。土壤硒與河流距離和道路距離遠近無顯著相關關系，說明研究區表層土壤硒的分布與水的流動以及交通流的關系不大。

表5 不同土地利用方式土壤硒描述性統計特征

2.4.3 成土母質 成土母質是表層土壤硒含量的主要來源[10]，在本次研究的八種成土母質類型中（表6），從變異系數來看，研究區中不同成土母質類型的土壤硒變異系數在6.25%～32.14%之間，處于弱變異和中等變異程度。從平均含量來看，紅砂巖類風化物（0.37 mg?kg–1）>石英巖類風化物（0.36 mg?kg–1）>泥質巖類風化物（0.34 mg?kg–1）>第四世紀紅色黏土（0.33 mg?kg–1）>碳酸鹽類風化物（0.32 mg?kg–1）>壤質河流沖積物（0.30 mg?kg–1）>砂質河流沖積物（0.29 mg?kg–1）>酸性結晶巖類風化物（0.28 mg?kg–1），不同成土母質類型土壤硒含量呈現出較大差異，其中紅砂巖類風化物最高，酸性結晶巖類風化物最低，兩者相差0.09 mg?kg–1，說明成土母質是土壤硒含量的重要影響因素，這與前人研究保持一致[10,13,25]。江西省豐城地區以紅壤居多，其主要由泥質巖類風化物、紅砂巖類風化物發育而來[19]，而這類母質形成的土壤硒含量會顯著高于碳酸鹽類土壤[28]，因此在開發富硒產品中具有巨大潛力和利用前景。

2.4.4 地形因子 地形條件是引起地表水熱條件、成土母質和土壤養分含量重新分配的重要因素，其對土壤硒含量有一定的影響[26]。Pearson相關性分析結果表明，研究區土壤硒與高程呈顯著正向相關性（0.05），為0.065，這與商靖敏等[7]研究結果相一致，表明海拔較高處土壤的整體硒含量較低海拔處高。究其原因：①豐城市海拔相對較高處多為丘陵和低山地區，約占總面積的76%，植被覆蓋密集，其枯枝落葉經腐殖化和礦化等過程循環作用后，形成土壤硒富集[25]；②在海拔較高處的氣溫較低，有機質分解速率緩慢，利于有機結合態的硒累積，硒不易被淋溶和植被吸收[8,24]。但在圖3中發現相對較高處海拔的南部為低值聚集區，硒含量相對較低，平均含量為0.20 mg?kg–1。原因可能是：①該地區成土母質主要以酸性結晶巖類風化物為主，其形成的土壤硒含量相對偏低，與本文研究結果一致；②該地為玉華山風景帶，處在揚子板塊和華夏板塊的結合部位，地質構造復雜，地球化學特征異常明顯[29]，土壤硒易發生變化和轉移。

表6 不同成土母質類型土壤硒描述性統計特征

①Quaternary red clay，②Weatherings of red sandstone，③Weatherings of argillaceous rock weathering，④Loamy river alluvial， ⑤Sandy river alluvial，⑥Weatherings of quartzite，⑦Weatherings of acidic crystalline rock，⑧Weatherings of carbonate

2.4.5 土壤理化性質 土壤硒含量與土壤理化性質有著密切的關系[14]。研究區土壤硒與土壤重金屬中的砷、銅含量具有顯著的正相關性（<0.01），分別為0.404和0.212。研究表明[15,30-31]，硒與砷、銅在來源、富集、遷移等方面具有相似的地球化學行為，存在伴生關系，且砷對硒具有吸附作用。Tao等[32]在研究影響綿陽市土壤硒分布的控制因素時，發現砷、銅、汞等元素和硒有著相似的空間分布，認為硒在土壤形成過程中與這些元素密切相關，并指出硒和砷、銅、鎘之間有著密切的共生關系。但本研究發現硒與汞、鎘之間沒有顯著的正相關性，這可能與研究區地理環境和采樣點數量有關。

土壤硒與有機質呈現顯著正相關關系（< 0.01），為0.141。根據研究[35-36]可知，有機質在腐質化過程中可促進硒的活化，使土壤硒能夠與腐殖質結合為有機復合體的難溶化合物，對土壤硒的吸附與固定起到了重要作用。但值得一提的是，有機質對硒的生態效應具有雙重性，當它作為陰離子的環境宿體時，則會抑制硒的遷移能力和傳輸，植物便難以吸收[33]。因此在農業生產過程中，合理科學施肥，改善有機質對土壤硒元素的影響是提高經濟效益和維持農業可持續發展的重要手段之一。

2.4.6 各影響因子影響程度 為定量分析各影響因素對土壤硒空間變異的獨立解釋能力和交互作用狀況，本研究利用地理探測器對土地利用方式、距離因子、地形因子、成土母質、土壤重金屬（As、Cd、Cu、Hg）、堿性氧化物（K2O、CaO）、pH、有機質進行因子探測和交互探測分析。由因子探測分析（表7）可知，砷、銅、汞、氧化鉀、氧化鈣、pH、成土母質和高程對土壤硒空間變異的影響程度均顯著（<0.05），但影響程度不一。在所有因素中，砷對土壤硒的空間變異獨立解釋能力最高，為29%；銅和汞的獨立解釋能力分別為11%和6%。堿性氧化物中，氧化鉀的獨立解釋能力為14%，氧化鈣次之，為8%。高程、pH和成土母質對土壤硒空間變異的獨立解釋能力較低，分別為8%、7%、6%。

從交互探測結果（表7）可看出，影響因子兩兩交互作用均會大于各單因子對土壤硒變異的影響，但不同因子之間交互作用強度有所不同。其中，砷與pH的交互作用影響最強，為44%；與高程的交互作用次之，為43%。此外，砷的疊加可大大增加單因子對土壤硒空間變異的解釋力。這在一定程度上表明砷與土壤硒的分布具有緊密的關聯性，對土壤硒的富集與遷移起到重要作用。這與2.4.5一節分析結果相一致，論證了砷對硒具有較強的吸附作用。

表7 各影響因子對土壤硒的因子探測和交互探測分析結果

①Terrain factor，②Parent material

3 結 論

豐城市土壤硒平均含量為0.33 mg?kg–1，是全國土壤硒元素背景值（0.29 mg?kg–1）的1.14倍，不存在缺硒和硒過量的現象。其在空間分布上呈現出顯著的聚集特征，熱點區集中分布在泉港鎮西部、董家鎮東南部、尚莊街辦中部、上塘鎮西南部、曲江鎮西北部、洛市鎮中部和南部以及秀市鎮西南部，占總面積的12.63%，平均含量為0.49 mg?kg–1，屬于富硒土壤聚集區，可以考慮將該區發展為富硒產業基地，打造富硒產業生態鏈，以有效推動當地的經濟發展。砷、銅、汞、氧化鉀、氧化鈣、pH、成土母質和高程對土壤硒空間變異的影響程度均顯著（<0.05）。其中，砷的獨立解釋能力最高，與土壤硒的分布具有緊密的關聯性，對土壤硒的富集與遷移起到重要作用。

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Spatial Differentiation of Soil Selenium in Hilly Regions of South China and Its Influencing Factors: A Case Study in Fengcheng City

ZHU Qing1,2, GUO Xi1,2?, HAN Yi1,2, JIANG Yefeng1,2, YU Huimin1,2, FU Congying1,2

(1.,,330045,; 2.,330045,)

In Jiangxi Province, Fengcheng City is a typical area rich in soil selenium. Based on the data of the 699 soil samples collected from the surface layer (0-20 cm) of farmlands in Fengcheng City in 2015—2016, geostatistical analysis, correlation analysis and geographic detectors were applied to systematically analyze spatial differentiation of soil selenium in distribution and its influencing factors. The research was done in an attempt to provide certain valuable reference for conservation of soil selenium and the production function of the selenium-rich land. Results show that soil selenium contents of Fengcheng City ranged from 0.13 to 0.69 mg?kg–1with coefficient of variation being 27.27% or moderate in level and averaged 0.33 mg?kg–1, about 1.14 times as high as the soil selenium background value (0.29 mg?kg–1) of the country. Semi-variogram function analysis shows that the range of soil selenium was 12.86 km and quite large for spatial autocorrelation, and that its nugget effect value was 44.30%, which indicates that spatial variation of soil selenium was mainly affected by structural factors. In the spatial distribution, hot spot areas (area where high values concentrate) were distributed mainly in the west of Quangang Town, the southeast of Dongjia Town, the center of the Shangzhuang Neighborhood, the southwest of Shangtang Town, the northwest of Qujiang Town, the center and south of Luoshi Town and the southwest of Xiushi Town. Arsenic, copper, mercury, potassium oxide, calcium oxide, pH, soil parent material and elevation are factors affecting spatial variability of the soil selenium but vary in extent (<0.05). Arsenic is the highest in the effect, explaining 29% of the variability, and plays an important role in the enrichment and migration of selenium in the topsoil of Fengcheng City.

Soil selenium; Clustering characteristics; Spatial variation; Influencing factor; Fengcheng City

S158.5；S159.2

A

10.11766/trxb201904280083

朱青，郭熙，韓逸，江葉楓，余慧敏，傅聰穎. 南方丘陵區土壤硒空間分異特征及其影響因素——以豐城市為例[J]. 土壤學報，2020，57（4）：834–843.

ZHU Qing，GUO Xi，HAN Yi，JIANG Yefeng，YU Huimin，FU Congying. Spatial Differentiation of Soil Selenium in Hilly Regions of South China and Its Influencing Factors：A Case Study in Fengcheng City[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（4）：834–843.

* 國家重點研發計劃資助項目（2017YFD0301603）、江西省贛鄱英才“555”領軍人才項目（201295）Supported by the National Key R＆D Program of China（No. 2017YFD0301603），the Gan Po“555”Talent Research Funds of Jiangxi Province（No. 201295）

，E-mail：guoxi@jxau.edu.cn

朱青（1995—）男，江西都昌人，碩士研究生，主要從事土地資源開發與保護研究。E-mail：jzzc0504@163.com

2019–04–28；

2019–07–30；

2019–09–06

（責任編輯：檀滿枝）