海南西部土壤和水稻中銅和硒含量現狀評價

陳帥 章倩 韓妙杰 鐘萍 王登峰 汪秀華

(1澄邁縣農業技術推廣中心海南澄邁571900;2中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所海南海口571101;3海南大學農學院海南海口570228)

近年來，酸雨頻率和氮肥施用量的逐年增加導致我國農田土壤pH的降低進程加快，遠高于自然狀態下的土壤酸化速率［1-3］，且氮肥施用量增加對農田土壤酸化的貢獻程度顯著高于酸雨［1，4］。土壤酸堿性是土壤多種化學性質的綜合反映，農田土壤酸化不僅對其微生物活性、元素的轉化與釋放、微量元素的生物有效性、土壤養分保持能力等一系列性質及變化有深刻的影響，還可導致土壤中銅和硒等微量元素的含量分布及遷移能力發生變化，進而降低農產品的產量和質量，對人類健康構成威脅［2，5-6］。

我國熱帶地區土壤pH普遍偏低，微量元素的有效性、遷移轉化特征對土壤酸化尤為敏感［7］。20世紀90年代以來，海南農田的氮肥投入量逐年增加［8-9］，大量的氮肥投入導致土壤表現酸化特征［10］。近期調查結果與二次土壤普查數據相比，海南島農用地耕層土壤pH顯著降低，且分布范圍變窄，部分農田土壤pH降低較為顯著［3］，因此酸化背景下的熱帶農田土壤-水稻系統內微量元素的分布、遷移轉化等環境行為特征亟待深入研究。本研究以海南西部為研究區，分析土壤和水稻（秸稈和精米）硒和銅的分布特征及其影響因素，為進一步研究土壤水稻系統中其他微量元素的分布規律奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

水稻、土壤。

1.2 方法

1.2.1 樣品采集與處理

研究區位于海南島西部儋州、白沙、昌江和東方4個市縣，研究區內地形整體上呈東南高、西北低的趨勢，其中東南部主要為丘陵山地地形，西部為平原地區。在土壤母質分布上，區內東南部主要為碎屑沉積巖風化物母質，約占區域面積的12%，西部沿海地區主要為海相沉積物（17%），北部則為火山堆積物（2%），而中部平原區則主要為酸性火成巖風化物（45%），部分地區則夾雜分布有河流沖積物（5%）和酸性變質巖（7%）等母質。在研究區內布置樣點，采集對應的土壤和水稻作物樣品，共計布設63個調查點位（圖1）。在每個調查點位采集土壤和早稻作物樣品，其中59個點位為2014和2015年采集，4個點位為2017年采集，共計獲取63個土壤樣品和126個水稻作物樣品（秸稈和精米各63個）。土壤樣品采樣深度為0～20 cm，單個土壤樣品由多點（5～10個）混合，充分混勻后四分法取樣2 kg。水稻樣品分部位采集秸稈和籽粒，采樣10～15株，采集于對應土壤樣點周圍。

圖1 采樣點位分布圖

土壤樣品均在室內風干，過2 mm尼龍篩后置于塑料密封袋保存，編號備用；水稻樣品用去離子水清洗干凈后，105℃殺青30 min，于60℃烘干至恒重，秸稈粉碎，籽粒人工脫粒后經糙米機脫殼，精米機加工，密封待測。

1.2.2 項目測定

土壤pH、有機質和土壤陽離子交換量（CEC）均采用相關標準方法［11］，其中土壤pH采用電位法測定；土壤有機質含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定；CEC采用醋酸銨-蒸餾法測定。

稱取磨細過100目（0.15 mm）篩的土壤樣品；Se和As用1+1王水于沸水浴消解后采用原子熒光光 譜 儀 測 定；Cu、Zn、Mn、Fe2O3、CaO、MgO加HClO4、HF、硝酸消解后采用電感耦合等離子原子發射光譜（ICP-AES）測定，Cd和Pb采用原子吸收分光光度計（AAS）測定；SiO2、S采用碳酸鈉堿溶后分光光度法分別測定。

水稻作物樣品采用HNO3+HClO4（4∶1；GR）消解，Se采用原子熒光光譜儀測定，Cu采用電感耦合等離子原子發射光譜（ICP-AES）測定。

1.2.3 數據處理

數據統計分析均利用SAS 9.0軟件進行。圖件采用ArcGIS 10.0和Sigmaplot 10.0繪制。

2 結果與分析

2.1 研究區土壤性質

調查地區土壤總體呈弱酸性，且土壤pH的變幅較大，分布范圍為4.79～8.34，區內土壤pH（6.06±0.87），由于海相沉積物和火山灰母質發育土壤pH較高，導致區域土壤總體酸性較弱，研究區土壤pH變幅較寬，是成土母質不同所致。土壤有機質含量豐富，為（30.6±8.5）g/kg。土壤CEC是反應土壤保肥能力的評價指標。一般當CEC＜10 cmol/kg時，認為該土壤的保肥能力較低，當CEC＞20 cmol/kg時，土壤的保肥能力較高，研究區土壤的保肥能力為中等水平，其土壤CEC為（15.04±5.59）cmol/kg（表1）。

表1 土壤樣品基本性質

2.2 土壤銅和硒含量特征

研究區土壤硒含量為（0.39±0.21）mg/kg，土壤硒含量均值略低于富硒土壤（≥0.4 mg/kg）的標準限值，表明區內土壤硒含量較豐富，但空間變異性較高，其分布范圍為0.17～1.58 mg/kg，變異系數為53.8%。土壤銅含量均值低于土壤銅的風險篩選值，也低于海南全島土壤銅含量平均值，研究區土壤銅含量為（15.75±9.10）mg/kg，變異系數為57.8%（表2）。區內土壤硒、銅的含量算術平均值均高于其中值和幾何均值，此特征也反映了區內土壤母質分布不均。

表2 土壤硒和銅含量分布 單位：mg/kg

土壤硒和銅的含量與土壤性質及其他微量元素含量相關性水平如表3所示。結果表明，土壤硒含量與土壤硫、銅、鋅、鉛、鎘、砷和有機質均具有極顯著相關性（p＜0.01），與硅和鉀在5%水平下顯著相關；土壤銅含量與土壤砷具有極顯著相關性（p＜0.01），與鉛和鎘在5%水平下顯著相關；土壤鎘含量與土壤砷和有機質具有極顯著相關性（p＜0.01）。結果表明，土壤硒、銅及鎘與其他微量元素含量的相關性均較為顯著，表明研究區土壤中這些元素具有同源性，這些元素含量可能主要與其成土母質有關。

表3 土壤元素含量相關分析結果

2.3 水稻銅和硒元素分布

水稻精米和秸稈銅含量算術平均值分別為5.68和16.85 mg/kg，硒含量分別為（0.07±0.03）和（0.13±0.04）mg/kg，秸稈中銅和硒含量顯著高于精米中的對應元素含量（表4），這可能是由水稻在自身生長過程中對微量元素在其不同部位的調節機制導致。

表4 水稻微量元素含量分布 單位：mg/kg

水稻秸稈和精米硒含量關系如圖2所示，水稻精米與秸稈硒含量符合對數函數關系（p＜0.01）。在秸稈硒含量較低時，精米硒含量隨秸稈硒含量增加而增速較大，隨著水稻秸稈硒含量增加到一定程度時，精米中的硒含量隨秸稈硒含量增加的趨勢減弱。水稻精米與秸稈銅含量并無顯著相關性，可能是因為根部吸收的銅不易向地上部分輸送，水稻體內的銅含量一般比較低，而銅的移動取決于水稻體內銅水平，在其含量較低時銅元素則不易移動，從而影響了水稻體內銅元素由秸稈向籽粒轉移的能力。

圖2 精米硒含量和秸稈硒含量關系

3 討論與結論

海南西部水稻土地區耕作層土壤中銅未表現出污染現象，土壤硒總體含量相對較豐富。研究區土壤銅含量相對較低（15.75 mg/kg），低于全島平均值，土壤硒含量與海南全島水平相當［12］。土壤中的微量元素主要來源于母質［14-15］。本研究的土壤銅、硒等與土壤性質和其余微量元素的相關分析結果表明，區內的土壤銅和硒分布與成土母質關系緊密，已有研究表明，區域尺度的土壤微量元素分布主要受母質因素的影響［16］。土壤中游離氧化鐵是土壤中可變正電荷和負電荷的主要載體，具有專性吸附重金屬離子以及多價含氧酸根的功能，從而制約并影響其在土壤中的活性［17］。本研究中土壤銅含量與土壤鐵、錳存在顯著正相關，這與前人的研究結果一致［18-20］。土壤硒含量與土壤銅、鋅、鉛、鎘、砷、硅和有機質等有顯著正相關，表明區域的土壤銅和硒主要來源于母質，并且隨著成土過程的有機質累積，其硒也逐漸富集。

水稻微量元素含量除與土壤中微量元素含量有關外，還受到土壤pH值、有機質、水稻品種以及自身吸收運移機制影響［18-19］。研究區水稻（秸稈和精米）硒、銅元素含量與相應的土壤硒、銅含量未表現出明顯相關關系，表明水稻作物的銅、硒吸收可能受其他因素影響［21］。水稻精米銅含量顯著低于秸稈含量，這與前人的研究結果一致［22］，在水稻作物中，銅易于在秸稈中累積，因此區域尺度上的水稻銅元素生態風險較低。研究區水稻精米的硒含量均處于富硒稻谷的標準范圍內（0.04～0.30 mg/kg）［23］，均屬于富硒稻谷。水稻精米硒含量先隨著秸稈硒含量的增加而增速較大，秸稈達到一定值后，精米硒含量增加的趨勢放緩［24-25］，最終與秸稈硒含量比率保持穩定，說明當秸稈硒含量較低時，水稻植株體內硒元素由秸稈向籽粒遷移的能力較強，當秸稈硒含量達到一定量時，水稻籽粒和秸稈硒含量的比率將保持穩定，而不會存在水稻精米中的硒過量積累現象，因此在該區域適于發展富硒水稻產業。