運城盆地土壤全硒空間變異特征及影響因素

張建杰，楊治平，程 濱，郭軍玲

（山西農業大學資源環境學院，山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，山西太原030031）

硒（Selenium，Se）廣泛分布于自然環境中，是人與動物生長所必需的一種微量元素[1]。硒由土壤通過植物進入食物鏈，其豐缺程度對人體健康具有重要的影響，硒缺乏或過量都會引發疾病，適量的硒攝入則可以改善人體機體的免疫，提高防癌、抗癌的能力[2]。研究區域尺度土壤硒元素的含量及空間分布特征對于功能農業的產業發展以及人體健康具有重要的意義[3]。

張慧等[4]以黑龍江產糧大縣泰來縣為例，研究了該縣耕地土壤硒元素的空間分布特征，分析了土壤硒與土壤成土母質、有機碳、總氮、Fe2O3、Al2O3及pH的相關性，結果表明，松嫩平原西部邊緣地帶土壤硒的分布與土壤母質、土壤有機質、總氮等有關。黃春雷等[5]在浙江省中部對富硒土壤區的系統調查研究表明，地質背景對土壤硒含量有控制作用；土地利用方式也是影響土壤硒遷移富集的重要因素，而土壤有機質是影響硒含量的重要因素。邵亞等[6]以西南典型巖溶區為研究對象，采用協同克里格模型，利用地理加權回歸模型對土壤硒空間分布進行預測，結果表明，土壤硒的分布與地形地貌及影響土壤硒化學行為的土壤屬性因子有關。徐強等[7]研究黑龍江水稻主產縣方正縣的土壤硒空間變異特征結果表明，該地區影響硒含量的主要因素為土壤有機碳、黏粒及粉粒含量。蔡立梅等[8]以廣東省揭陽市為研究對象，分析了該地土壤硒的空間分布特征，并探討了主要影響因素，結果表明，該地區土壤硒總體呈足硒或富硒特征，而不同的土壤成土母質是影響硒含量的主要因素，土壤硒含量與土壤有機碳、Fe2O3及Al2O3呈極顯著正相關，而與pH呈極顯著負相關。這些研究探討了我國不同省份區域尺度的土壤硒元素分布特征及影響因素，但我國幅員遼闊，區域間資源稟賦、生態環境存在較大差異，對于影響土壤硒元素的主導因素也不盡相同。

萬榮縣是山西省農業大縣，農業生產總值占整個經濟結構的30%左右，農業產業體系完整，糧食產量保持平穩，水果、蔬菜和中藥材種植面積及產量增幅均較快，特別是蘋果產業是萬榮縣最突出的特色優勢產業[9]。土壤硒含量及分布對于區域內農業快速轉型發展至關重要，而當前對于萬榮縣土壤硒的系統研究尚未見報道。

本研究利用地統計學和ArcGIS相結合的方法，對萬榮縣0～20 cm土壤硒的空間異質性進行分析，以探討硒含量與成土母質、海拔高度、pH、土壤有機質和全氮之間的關系，旨在為該區開發功能食品與發展特色農業提供數據支撐和科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

萬榮縣地處黃土高原，山西省西南部、運城市西北方。其位于東經110°25′56″～110°59′40″、北緯35°13′44″～35°31′42″，總面積1 081 km2。最高的孤山海拔為1 411.8 m，最低的黃河河灘海拔為357 m，相對高差達1 054 m。全縣東西長51 km，南北寬33 km。該地屬暖溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，春季干旱多風，夏季高溫多雨，但有伏旱，秋季陰雨連綿，四季分明。年降雨量分布極不均勻，主要集中在7、8、9月這3個月，年均降雨量為542.0 mm；年平均氣溫11.8℃，全年無霜期187.9 d，光能資源比較豐富，年平均日照為2 364.3 h。土壤母質主要有花崗片麻巖風化物、石灰巖風化物、白云巖風化物、黃土、洪積黃土和黃土狀母質、風積砂土、沖積物等。褐土是該縣的主要土壤類型，占縣域總面積的86.92%。

1.2 數據來源

研究獲取到所需基礎圖件行政區劃圖、土地利用現狀圖來源于萬榮縣國土資源局；DEM數字高程圖來源于中國科學院資源環境科學數據中心；土壤圖、土壤母質分布圖來源于山西農業大學資源環境學院（山西省農業科學院農業環境與資源研究所）。

1.3 樣品采集

土壤樣品于2019年9月采集于山西省運城市萬榮縣。采集前將行政區劃、土地利用現狀、數字高程模型、土壤圖、土壤母質分布圖等進行疊加，結合當地的主要種植作物等因素確定樣點代表性，同時兼顧了樣點的均一性進行樣點布設；在采樣過程中使用GPS記錄樣點的經緯度及海拔信息，并記錄了作物種植類型、主要農事管理措施等信息，共采集樣點101個，采樣深度為0～20 cm表層土壤（圖1）。將采集的土壤樣品進行自然風干，剔除植物根系、砂礫、動物殘體等雜物，經研磨后過0.84 mm尼龍篩備用。

1.4 測定項目及方法

在室內分析測定土壤全硒、pH、全氮、有機質含量等指標。其中，土壤全硒含量采用鹽酸-硝酸-高氯酸-氫氟酸消解，使用原子熒光光度計測定；土壤pH測定采用離子選擇性電極法（ISE）；全氮含量采用全自動凱氏定氮儀測定；有機質含量測定采用外熱源加熱-重鉻酸鉀氧化-容重法[10]。

1.5 數據處理

使用地統計學分析的先決條件是數據必須滿足正態分布。采用Kolmogorov-Smirnov（K-S）檢驗對所有元素數據進行正態分布檢驗，表明土壤硒含量原始數據不滿足正態分布（D值為0.54，雙截尾概率小于0.05，且偏度系數Skewness為0.65，峰度系數Kurtosis為3.68），經對數轉換后滿足正態分布。采用單因素方差分析（ANOVA）不同成土母質、土壤有機質、全氮和pH等理化性狀及海拔高度對土壤硒含量的影響。

采用R3.6.2進行描述性統計分析和正態分布檢驗[11]，并繪制相關圖件；采用地統計學分析土壤硒的空間異質性[12-13]（基于GS＋5.0完成），采用ArcGIS 10.3繪制土壤硒元素的空間分布圖；分級標準來源于TAN等[14]的研究結果。

2 結果與分析

2.1 萬榮縣土壤全硒含量的描述性統計

萬榮縣土壤全硒含量服從對數正態分布（表1、圖2），偏度系數為-0.05，峰度系數為3.12；土壤全硒的平均含量為0.20 mg/kg，非常接近我國土壤硒含量水平[15]（0.21 mg/kg），整體處于足硒水平；表層土壤全硒含量范圍為0.11～0.35 mg/kg，極差為0.24 mg/kg，土壤硒在表層土壤含量范圍變化幅度較大；變異系數為0.22，為中等變異程度。

表1 萬榮縣表層土壤全硒含量的描述性統計分析

2.2 萬榮縣土壤全硒分布的空間自相關性分析

從表2可以看出，萬榮縣土壤硒元素的理論模型采用球狀模型擬合較好，其決定系數為0.940，殘差為7.73×10-5，表明理論模型能夠較好地反映土壤硒元素的空間結構特征。塊金值反映系統內由隨機因素引發的空間異質性，基臺值反映整個系統的變異。塊基比則反映由隨機因素所導致的異質性占整體空間異質性的比例[16-17]，如果該值小于0.25，表明系統內具有強烈的空間自相關性，其空間變異受母質、土壤類型、氣候、地形、等結構性（自然）因素影響較大；如果該值大于0.75，則表明其空間變異受施肥、耕作等隨機（人為）因素影響較大。萬榮縣土壤硒的塊基比為0.385，接近0.25，表明其具有較強的空間自相關性，其空間變異受自然因素影響較人為因素大。土壤全硒的變程為18.050 km，說明土壤硒在較大的空間尺度范圍內空間自相關。

表2 萬榮縣土壤全硒的半方差函數模型

2.3 萬榮縣土壤硒分布特征

根據擬合的半方差函數曲線及參數，使用Kriging插值法繪制了土壤硒元素的分布圖（圖3），以期直觀地反映萬榮縣土壤硒元素的分布特征。交叉驗證結果顯示，其誤差平均值（7.87×10-4）與標準平均值（-2.86×10-2）均接近于0；均方根預測誤差值（3.89×10-2）非常小，且與平均標準誤差值（4.31×10-2）很相近；此外，標準均方根預測誤差值（1.01）最接近于1，表明插值精度能夠用來預測該區域土壤硒的空間分布特征[18]。

從萬榮縣土壤全硒含量的分布圖來看（圖3），土壤硒空間分布特征明顯，總體呈現中部高、東西兩端低的格局。根據土壤硒元素含量的分級標準[12]：缺硒土壤（＜0.125 mg/kg）、低硒土壤（0.125～0.175 mg/kg）、足硒土壤（0.175～0.450 mg/kg）、富硒土壤（0.450～2.000 mg/kg）、高硒土壤（2.000～3.000 mg/kg）、過量硒土壤（＞3.000 mg/kg），萬榮縣土壤硒含量共分為缺硒、低硒、足硒3個等級，其中，缺硒土壤主要分布在裴莊鄉沿黃河區域一帶以及王顯鄉及漢薛鎮的零星地帶，所占面積90.80 km2，占萬榮縣國土面積的8.44%；低硒土壤主要分布在縣域西部沿黃流域一帶的裴莊鄉、光華鄉和榮河鎮，以及縣域東部的皇甫鄉、漢薛鎮、解店鎮和西村鄉，所占面積240.07 km2，占萬榮縣國土面積的22.31%；足硒土壤主要分布在縣域中部，所占面積745.31 km2，占萬榮縣國土面積的69.26%。

2.4 萬榮縣土壤硒分布的影響因素分析

2.4.1 成土母質的影響 一般來講，對于自然成因的土壤，其含硒量與成土母質有直接關系[5，19]，成土母質是表層土壤硒含量的主要來源[20]。將土壤樣本的分布數據與成土母質圖進行疊加，提取了所有樣點的成土母質信息，基于ANOVA法，對不同成土母質類型區的土壤全硒含量進行統計，結果顯示（表3），萬榮縣主要4種成土母質發育的土壤中土壤硒含量存在明顯差異，由洪積黃土（0.211 mg/kg）、黃土（0.199 mg/kg）和黃土狀成土母質（0.214 mg/kg）發育的土壤硒含量顯著高于風積砂土（0.161 mg/kg）（P＜0.05），但洪積黃土、黃土和黃土狀成土母質發育的土壤硒含量間差異不顯著（表3）。主要原因可能是由于風積砂土的土質較砂，多為砂壤，發育形成的土壤透水透氣性能良好，但保肥保水能力較差；而黃土土壤一般土層深厚，養分含量比較豐富，洪積黃土與黃土狀母質一般土質較黏，多為中壤或重壤，透水透氣性能較差，反而有利于土壤硒的富集。

表3 萬榮縣不同成土母質發育土壤全硒含量方差分析

2.4.2 土壤理化性質的影響 本研究通過分析萬榮縣土壤有機質含量與土壤硒含量之間的關系結果發現，二者具有顯著的線性正相關性（圖4-A）；萬榮縣土壤全硒含量隨著土壤全氮含量的增加而增加，二者也存在顯著的線性正相關關系（圖4-B），土壤有機質和全氮本身具有很好的相關性[21]，這與陳娟等[22]、李杰等[23]的研究結果一致。黃春雷等[5]研究認為，土壤有機質對硒具有吸附和固定作用，一般有機質含量豐富的土壤，對于土壤中硒的吸附能力較強，土壤中的含硒量也相對較高，這使得其成為影響土壤硒含量的重要因素之一。遲鳳琴等[20]、陳娟等[22]、商靖敏等[24]研究也得出類似的結論，與本研究結果相似。

本研究結果表明，土壤硒含量與pH的相關系數較低，相關系數僅為-0.044（圖4-C），與李杰等[23]對南寧土壤的研究結果類似，但與其他研究結果存在差異[5，8]，這可能是由于在不同區域，不同地理環境使得硒在土壤中賦存狀態存在差異[23]。有研究認為，土壤全硒含量與土壤pH值呈負相關關系，表現為隨著土壤pH值的降低，土壤全硒含量有增加的趨勢[5，23]。有學者[8，25]研究表明，pH是控制土壤硒價態轉化的關鍵因素，在酸性和中性土壤中，土壤全硒主要以亞硒酸鹽（SeO32-）的形態存在，而在通氣良好的堿性土壤中，土壤全硒則主要以硒酸鹽（SeO42-）的形態存在，一般情況下，亞硒酸鹽形態的硒容易受黏粒礦物和倍半氧化物固定，而硒酸態硒則與吸附質之間的親和力較弱，溶解度大，所以pH值越高，土壤中的硒越容易受到淋洗，使得硒含量較低。這與本研究結果類似。

2.4.3 海拔高度的影響ANOVA統計結果表明（表4），萬榮縣的海拔高度與土壤硒含量相關關系不顯著（P＞0.05），說明不同區域海拔高度對于土壤硒含量的影響不盡相同。商靖敏等[24]在洋河流域的研究結果表明，土壤硒含量隨著海拔高度的增高顯著增加，與蔡立梅等[8]、章海波等[25]在香港的研究結果一致，認為隨著海拔高度的升高，土壤有機質分解變緩，有利于土壤硒的富集。陳娟等[22]在山東淄博市博山區的研究結果表明，洪流等沖刷作用將有機質及硒元素帶到低洼處，使得區域內土壤硒含量隨海拔升高而降低，與上述研究結果相反。

表4 不同海拔高度范圍內土壤全硒含量的變化特征

3 結論與討論

萬榮縣土壤硒含量變幅在0.11～0.35 mg/kg，平均值為0.20 mg/kg，非常接近全國平均水平，研究區土壤總體上屬于足硒水平，土壤硒含量呈現中部高、東西兩端低的空間分布格局，絕大多數土壤處于足硒水平，不存在富硒及以上水平的土壤。鑒于萬榮縣是山西省重要的農業生產縣，也是農業農村部第二批“農業綠色發展先行先試支撐體系建設縣”，進一步提高土壤中的硒含量，對于改善農產品品質，提升農業產業水平特別是該縣的水果產業水平具有重要作用。因此，可以考慮通過施用硒肥等外源途徑來提高土壤中硒的含量，以使其逐步提升富硒水平。

本研究結果表明，土壤母質是影響土壤硒含量的主要因素，不同成土母質中以風積砂土的含硒量最低（0.161 mg/kg），而黃土母質的土壤全硒含量顯著高于風積砂土的土壤硒含量，主要是前者的保水保肥能力較差，而后者土層深厚、質地相對較黏，有利于土壤硒的積累。相關性分析表明，土壤有機質和全氮與土壤硒含量存在顯著正相關關系，一般認為，土壤有機質含量越高，對硒的吸附能力越強[5]；而土壤pH值與土壤硒含量存在負相關關系，這是由于pH是控制土壤硒形態的關鍵因素，而不同形態的硒與土壤中吸附質的親和能力不同，一般是pH值越高，土壤硒越容易被淋洗[23]；海拔高度與土壤硒含量間相關關系不顯著。

本研究通過對萬榮縣的土壤硒含量的空間分布特征及影響因素進行定量分析，探討研究區農田土壤硒元素與成土母質、有機質含量、全氮含量、pH及海拔高度等因素的相關性，并且按照土壤硒含量的分級標準進行了區劃。但發展功能農業還需要明確土壤硒的形態及不同作物對于土壤硒的吸收轉化規律；需要明確增加土壤中硒元素含量的有效管理措施以及為產業發展提出空間布局規劃。這還有待于進一步研究。