火山巖海島土壤硒元素空間分異及富集機(jī)制研究——以廣西潿洲島為例①

伍健瑩，付 偉，蔡 倩，趙 芹，玉永珊，邵 亞，羅 鵬,3，覃建勛

火山巖海島土壤硒元素空間分異及富集機(jī)制研究——以廣西潿洲島為例①

伍健瑩1，付 偉1,2*，蔡 倩1，趙 芹1，玉永珊1，邵 亞1，羅 鵬1,3，覃建勛4

(1桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 541004；2廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，桂林理工大學(xué)，廣西桂林 541004；3廣西壯族自治區(qū)自然資源廳，南寧 530028；4廣西地質(zhì)調(diào)查院，南寧 530023)

選擇廣西北海潿洲島作為研究區(qū)，網(wǎng)格化采集潿洲島表層土壤樣品106件、成土母巖16件，對亞熱帶環(huán)境下火山巖海島土壤硒元素空間分布特征及賦存形態(tài)進(jìn)行研究，并探討其影響機(jī)制。結(jié)果表明，潿洲島表層土壤中全硒自然變化范圍為0.005 ～ 0.567mg/kg，平均為0.287 mg/kg，足硒和富硒土壤占全島總面積的70.87%。潿洲島表層土壤中硒賦存形態(tài)的分布規(guī)律為：殘渣態(tài)(78.06%)>有機(jī)結(jié)合態(tài)(10.58%)>酸溶態(tài)(7.76%)>可交換態(tài)(2.86%)>水溶態(tài)(0.74%)。不同成土母巖的全硒含量有顯著差異，全硒含量最高的是火山碎屑巖，其次是玄武巖和含生物碎屑海灘沉積物。成土母巖與其相應(yīng)土壤中全硒含量變化具有很好的套合性，全硒含量由火山碎屑巖、玄武巖和含生物碎屑海灘沉積物發(fā)育的土壤中依次遞減。火山巖風(fēng)化土壤中硒元素的富集主要?dú)w因于對火山巖高背景硒含量的繼承，同時硒元素在表生演化過程中容易被火山巖土壤中的鐵、鋁氧化物和有機(jī)質(zhì)(OM)吸附。這種由火山巖風(fēng)化形成的富硒土壤對海島土地資源農(nóng)業(yè)開發(fā)利用具有積極意義。

海島；火山巖；土壤硒；富硒機(jī)制

海島作為一種與其他陸地系統(tǒng)及相關(guān)環(huán)境因素隔離的區(qū)塊有其獨(dú)特的研究價值，海島土壤作為衡量海島生態(tài)系統(tǒng)的功能與潛在變化的基本指標(biāo)，承擔(dān)養(yǎng)分貯存和交換的任務(wù)，可通過調(diào)節(jié)資源供給與分配影響生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物種組成和群落動態(tài)制約生態(tài)系統(tǒng)的演替過程，還能為重大環(huán)境變化提供早期預(yù)警指示[1]。研究海島土壤為了解當(dāng)?shù)赝寥赖男纬?、生態(tài)系統(tǒng)的演變、資源的有效利用及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供重要指示作用，有助于識別人類面臨的潛在風(fēng)險及島上居民生產(chǎn)食物的需求[2-3]。探究海島土壤中元素空間分異特征可以幫助人們更加科學(xué)合理地開發(fā)利用海島土地資源、保護(hù)海島生態(tài)環(huán)境。

硒(Se)是一種對環(huán)境有重大影響的化學(xué)元素，其基本濃度和毒性濃度之間的差異非常小，人體日攝入量需控制在一定的范圍內(nèi)才能發(fā)揮其有益效果(40 ～ 400 μg/d)[4]。硒元素在不同的環(huán)境(巖石、土壤、水體、大氣、植物等)下具有不同的地球化學(xué)特征，土壤中硒元素行為是地球生態(tài)系統(tǒng)中硒循環(huán)的基礎(chǔ)，土壤中硒含量決定了植物和水中硒的水平從而決定了人類的攝入量[5]，為了預(yù)防硒缺乏和改善人類硒狀況，需要了解土壤中硒的富集狀況及成土環(huán)境對硒的影響機(jī)制[6]。大量研究表明，植物對硒的吸收和積累不僅取決于土壤中全硒的含量，還取決于土壤中硒元素的賦存形態(tài)[7]，了解土壤硒的賦存形態(tài)及其環(huán)境行為能夠?qū)茖W(xué)管控富硒土壤資源、有效利用富硒土地資源及改良低硒土壤提供理論依據(jù)。

目前針對硒元素研究大多集中在陸內(nèi)區(qū)域[8-9]，鮮有針對海島與火山背景下的土壤中硒元素及其賦存形態(tài)的研究。海洋被認(rèn)為是陸地生態(tài)系統(tǒng)硒的重要來源，已有研究發(fā)現(xiàn)靠近海洋的地區(qū)中土壤硒元素的供應(yīng)往往更充足[10]，且在海洋的影響下，海島生態(tài)系統(tǒng)兼具陸地和海洋雙重特征，探討其土壤硒元素地球化學(xué)特征有助于理解海島成土過程[11]。廣西北海潿洲島是中國地質(zhì)年齡最年輕的火山島，也是廣西最大的海島，本文通過對潿洲島表層土壤硒元素地球化學(xué)研究，旨在確定土壤硒含量及空間分布，描述硒的賦存形態(tài)；分析土壤硒含量與火山巖的關(guān)系；揭示潿洲島火山巖風(fēng)化成土過程中硒元素的富集機(jī)制，為科學(xué)管理和有效利用富硒土地資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西北海潿洲島位于廣西壯族自治區(qū)北海市南面48 km的海面上，寬5.5 km，長7.5 km，呈橢圓形，全島面積約24.74 km2，是中國北部灣唯一的大島，也是中國最年輕的火山島。島上地貌特征南部沿岸主要為海蝕地貌，北部沿岸主要為海積地貌，且島上不同程度存有火山活動的遺跡。潿洲島總體地勢南高北低，自南向北緩緩傾斜，海拔在100 m以下(平均海拔為20 ～ 40 m)。潿洲島地處北熱帶區(qū)域，氣候溫和，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫23.0 ℃，太陽輻射年總量為128 kcal/cm2，雨量充裕，年均降水量1 394 mm，有利于出露巖石發(fā)生強(qiáng)烈風(fēng)化[3,12-13]。結(jié)合2015 年潿洲島土地利用變更調(diào)查成果與現(xiàn)場調(diào)查，潿洲島土地利用類型以農(nóng)用地為主，其中耕地集中分布于潿洲島東北部，園地主要分布于潿洲島中部和南部，林地主要分布在潿洲島北部與南部沿海，未利用地多為裸地及其他草地，分布于潿洲島沿海海灘[14]。

在地質(zhì)背景上，潿洲島大地構(gòu)造分區(qū)屬于南海盆地北部灣坳陷區(qū)，處于中部拗陷的北部，也處于歐亞板塊、太平洋板塊、印澳板塊共同作用的范圍內(nèi)。此外，其所處區(qū)域已被確認(rèn)為是南海地幔熱柱活動的范圍，而地幔熱柱的作用是潿洲島深源玄武巖漿形成和噴出的主要原因之一。潿洲島地層屬第四紀(jì)火山活動形成的火山巖，地質(zhì)構(gòu)造經(jīng)歷了長期復(fù)雜的演變過程，根據(jù)潿洲島火山巖巖相特征及火山巖地層的層序關(guān)系，將其造島歷史劃分為4個火山活動時期，按時間從早到晚分別為早更新世湛江組(Q1)、中更新世石峁嶺組(Q2)、晚更新世湖光巖組(Q3)和全新統(tǒng)(Q4)，其中除最早期的湛江組火山巖系(Q1)淹沒于海平面以下外，其他較年輕的火山巖地層在島內(nèi)均有出露，成土母質(zhì)主要為玄武巖、火山碎屑巖和含生物碎屑海灘沉積物，經(jīng)風(fēng)化作用形成了以磚紅壤為代表的地帶性土壤(圖1)[12,15-16]。

1.2 樣品采集與分析

土樣采樣范圍為整個潿洲島，表層土壤樣點(diǎn)(0 ～ 20 cm)采用網(wǎng)格法(500 m × 500 m)完成土樣采集(共106件)，采樣時注重避免點(diǎn)源污染，以減少受人類活動的影響，用GPS儀對采樣點(diǎn)位置進(jìn)行定位，詳細(xì)記錄采樣點(diǎn)經(jīng)緯度及相關(guān)環(huán)境狀況(圖1)。在采集土壤樣品的相同位置下采集島內(nèi)具代表性的新鮮的巖石樣品(共16件)。所有采集的土壤樣品在常溫下自然風(fēng)干，去除其中植物根系和大塊礫石等雜質(zhì)，保證無污染的條件下，在樣品加工室研磨至過10目、100目和200目尼龍篩以測試它們的不同理化參數(shù)。采集的巖石樣品用去離子水清洗干凈，然后在室溫下干燥，干燥的巖石粉碎后過200目尼龍篩。最后將樣品保存在封口袋中放置于干燥器皿中，以備后續(xù)分析。樣品的采集、運(yùn)輸、加工均嚴(yán)格參照土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范(DZ/T 0295—2016)[17]執(zhí)行。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖及采樣點(diǎn)分布

樣品分析由桂林理工大學(xué)廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)，并嚴(yán)格按照《生態(tài)地球化學(xué)評價樣品分析技術(shù)要求(試行)》(DD2005—2003)[18]進(jìn)行有關(guān)分析方法和檢出限要求完成。土壤和巖石全硒的測定：精確稱量風(fēng)干、過篩200目的樣品0.2 g(±0.000 5 g)，加入使用HF、HNO3和王水的混合物反復(fù)溶解樣品，恒溫水浴直到溶液清澈[8]，將Se6+還原為Se4+進(jìn)行測定(使用化學(xué)試劑的純度規(guī)格均為優(yōu)級純)；土壤硒形態(tài)的測試采用吳少尉等[19]對土壤硒形態(tài)連續(xù)浸提方法研究中提出的五步浸提法，將土壤中硒劃分為5種形態(tài)：水溶態(tài)、可交換態(tài)、酸溶態(tài)(碳酸鹽及鐵錳氧化物結(jié)合態(tài))、有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)進(jìn)行測定。樣品的全硒與形態(tài)硒均采用氫化物發(fā)生–無色散原子熒光光度法(HG-AFS)測定，并加入空白及國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(土壤GSS-4)進(jìn)行分析控制，測試儀器為北京海光AFS-9700原子熒光光度計，檢出限為0.02 μg/L。pH采用玻璃電極法測定；土壤有機(jī)質(zhì)(organic matter, OM)含量用重鉻酸鉀–硫酸硝化法測定；主量元素采用X射線熒光光譜法(XRF)測試。

1.3 參數(shù)統(tǒng)計與圖件編制

為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，本文采用拉依達(dá)準(zhǔn)則進(jìn)行異常值和缺失值的剔除，剔除后的土壤樣點(diǎn)為103件。借助SPSS 21.0軟件對土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析、相關(guān)性分析和多元線性回歸分析。硒含量空間分布圖使用ArcGIS 10.2軟件，應(yīng)用反距離權(quán)重插值法(IDW)生成。

本文使用硅鐵鋁率(Saf)來說明土壤的風(fēng)化程度，其差異也可以說明土壤中黏粒及鐵、鋁等物質(zhì)的遷移或富集情況[20]，計算方法如下：

Saf=SiO2/(Al2O3+Fe2O3) (1)

2 結(jié)果與討論

2.1 潿洲島土壤全硒空間分異特征及賦存形態(tài)

研究區(qū)土壤全硒的測定，使用土壤標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)GSS-4對其進(jìn)行控制。GSS-4的全硒測定值為0.665 mg/kg，與推薦值(0.64 ± 0.18 mg/kg)基本一致，說明測試結(jié)果可靠。潿洲島表層土壤全硒含量平均為0.287 mg/kg，接近中國土壤中相應(yīng)的背景值(0.290 mg/kg)[21]，變幅為0.005 ～ 0.567 mg/kg；變異系數(shù)為40.07%，屬于中等變異。土壤硒服從近似正態(tài)分布，符合地統(tǒng)計學(xué)分析要求(表1)。

研究表明，鐵鋁氧化物等主量元素、理化性質(zhì)和風(fēng)化程度與硒元素的關(guān)系密切[22]，因此有必要對研究區(qū)土壤的各個參數(shù)進(jìn)行分析(表1)。表層土壤中SiO2的含量最高，為290.0 ～ 908.0 g/kg，平均值為633.2 g/kg；Al2O3的含量為4.0 ～ 164.8 g/kg，平均值為94.3 g/kg，僅次于SiO2；Fe2O3的含量為1.1 ～ 144.4 g/kg，平均值為83.4 g/kg；SiO2、Al2O3、Fe2O3的平均含量之和為810.9 g/kg，表明研究區(qū)土壤礦物主要以硅酸鹽(鋁硅酸鹽、鐵硅酸鹽)為主；CaO含量為1.7 ～ 382.1 g/kg，均值為47.3 g/kg；K2O、TiO2和P2O5的含量普遍低于20 g/kg。研究區(qū)表層土壤OM含量為 2.7 ～ 31.5 g/kg，平均值為16.2 g/kg；pH范圍為 5.14 ～ 8.83，平均值為7.71，呈堿性。研究區(qū)土壤的Saf范圍為1.61% ～ 58.96%，平均為6.44%，說明研究區(qū)土壤總體經(jīng)歷了強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化過程。其中火山巖區(qū)表層土壤的鐵、鋁氧化物含量與有機(jī)質(zhì)含量要明顯高于含生物碎屑海灘沉積物區(qū)表層土壤，風(fēng)化程度也要強(qiáng)于含生物碎屑海灘沉積物區(qū)表層土壤。

表1 潿洲島表層土壤含硒量、主量元素、理化性質(zhì)和風(fēng)化參數(shù)的描述性統(tǒng)計

根據(jù)硒生態(tài)景觀分級標(biāo)準(zhǔn)對研究區(qū)表層土壤全硒含量進(jìn)行劃分與評價[23]，將土壤硒含量劃分為硒缺乏(<0.125 mg/kg)、潛在缺硒(0.125 ～ 0.175 mg/kg)、足硒(0.175 ～ 0.40 mg/kg)、富硒(0.40 ～ 3.0 mg/kg)和硒中毒(>3.0 mg/kg)5個等級。研究區(qū)表層土壤樣品中足硒和富硒的樣品分別有58件和15件，占比為56.31% 和14.56%，分布面積較大；而低硒和缺硒土壤僅在研究區(qū)呈小面積分布，分別占11.65% 和17.48%(表2)?？傮w看來，潿洲島表層土壤屬于足硒、富硒土壤。

為了直觀反映潿洲島土壤硒空間分布特征，利用土壤樣品的測試數(shù)據(jù)，采用反距離加權(quán)法(IDW)進(jìn)行插值，得出研究區(qū)土壤全硒地理分布圖(圖2)。由圖2可知，潿洲島土壤硒含量具明顯的空間差異性，整體上土壤中全硒含量較高，部分地區(qū)全硒含量超過0.40 mg/kg(富硒土壤劃分值)，可見一分布于南部火山碎屑巖區(qū)域的富硒區(qū)。

表2 潿洲島表層土壤硒含量不同級別面積占比

圖2 潿洲島表層土壤全硒分布特征圖

將研究區(qū)表層土壤樣品每間隔1件樣品測試1件，保證其均勻分布，共對52件表層土壤樣品中硒的賦存形態(tài)進(jìn)行測試。采用五步連續(xù)浸提法提取并分析了潿洲島表層土壤硒的賦存形態(tài)[19]，各形態(tài)硒的回收率為100.22%，說明測試方法可靠。研究區(qū)土壤的硒形態(tài)分析結(jié)果表明，水溶態(tài)硒平均為0.002 mg/kg，占全硒含量的0.74%；可交換態(tài)硒平均為0.008 mg/kg，占全硒含量的2.86%；酸溶態(tài)包括碳酸鹽及鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，樣品中酸溶態(tài)硒平均為0.022 mg/kg，占全硒含量的7.76%；有機(jī)結(jié)合態(tài)硒平均為0.030 mg/kg，占全硒含量的10.58%；殘渣態(tài)硒平均為0.222 mg/kg，占全硒含量的78.06%(表3)。潿洲島表層土壤中硒賦存形態(tài)的分布規(guī)律為：殘渣態(tài)為潿洲島表層土壤樣品中硒元素的主要賦存形態(tài)，其占比接近全硒含量的80%，有機(jī)結(jié)合態(tài)(10.58%)、酸溶態(tài)(7.76%)、可交換態(tài)(2.86%)、水溶態(tài)(0.74%)含量占比依次降低。

表3 潿洲島表層土壤各形態(tài)硒含量平均值(mg/kg)及占全硒的百分比

2.2 成土母巖對土壤硒的控制作用

作為土壤中硒的主要來源，成土母巖通常被認(rèn)為在確定土壤硒水平方面起著基礎(chǔ)性作用。諸多研究認(rèn)為，成土母質(zhì)硒含量高低是導(dǎo)致土壤全硒含量高低的主要原因[24-25]。

潿洲島成土母巖多為火山碎屑巖，橫路山火山口附近有小面積玄武巖出露，靠海分布有含生物碎屑海灘沉積物(圖1)。將潿洲島不同巖性巖石及其對應(yīng)區(qū)塊土壤中硒含量進(jìn)行統(tǒng)計(表4)，3種不同母質(zhì)中硒含量平均為0.136 mg/kg，高于中國巖石平均值(0.058 mg/kg)[26]，其中火山碎屑巖中硒含量(0.170 mg/kg)>玄武巖(0.136 mg/kg)>含生物碎屑海灘沉積物(0.044 mg/kg)。根據(jù)成土母巖類型的不同，將研究區(qū)劃分為火山碎屑巖區(qū)、玄武巖區(qū)和含生物碎屑海灘沉積物區(qū)進(jìn)行土壤硒含量統(tǒng)計(表4)，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)區(qū)域的土壤全硒也具有類似的變化規(guī)律：火山碎屑巖土壤全硒(0.304 mg/kg)>玄武巖土壤全硒(0.224 mg/kg)>含生物碎屑海灘沉積物土壤全硒(0.086 mg/kg)，指示成土母巖與相應(yīng)土壤全硒含量變化具有很好的套合性，即土壤中全硒的分布均大體反映了成土原始母巖的特征。

潿洲島富硒土壤發(fā)育區(qū)主要分布于火山巖區(qū)，正由于潿洲島土壤對火山巖中硒元素的繼承性，使其整體上易形成具有較高硒含量的土壤，由此導(dǎo)致了島內(nèi)土壤硒空間分布區(qū)塊差異的基本格局。Sun等[27]認(rèn)為海洋排放的氣態(tài)硒通過大氣傳輸沉積是表層土壤中硒元素的主要來源，且越靠近海洋所受到的沉降硒越豐富，但我們研究發(fā)現(xiàn)潿洲島表層土壤中硒元素的空間分異呈不均一性，若表層土壤硒元素的主要來源為大氣沉降作用，不可能導(dǎo)致在狹小海島的表層土壤中出現(xiàn)硒元素空間不均勻的現(xiàn)象，說明海島土壤中硒元素主要受到成土母巖的制約。

表4 潿洲島不同成土母巖及其對應(yīng)區(qū)塊土壤中硒含量(mg/kg)

注：富集系數(shù)為巖石硒含量與硒地殼豐度(0.13 mg/kg)的比值[28]，括號內(nèi)為均值。

2.3 火山巖海島土壤硒富集機(jī)制

富硒土壤的成因通常為地質(zhì)高背景、次生富集作用、人為輸入及多種作用的疊加[29]，潿洲島富硒和足硒土壤基本為由火山巖發(fā)育來的土壤，說明剔除外部輸入時，火山母巖是硒元素到土壤的主要來源。土壤中硒的賦存形態(tài)也受到巖石風(fēng)化及一系列次生富集作用影響，為進(jìn)一步探討土壤富硒機(jī)制，根據(jù)成土母巖類型的不同，分別將由不同母巖發(fā)育的土壤進(jìn)行形態(tài)硒含量統(tǒng)計(圖3)。結(jié)果表明，無論是由何種母巖發(fā)育的土壤，殘渣態(tài)硒都是最主要賦存形態(tài)，且火山巖風(fēng)化土壤中殘渣態(tài)硒所占百分比(78.71%)高于含生物碎屑海灘沉積物風(fēng)化土壤中殘渣態(tài)硒所占百分比(66.16%)。若不考慮其他因素，隨著風(fēng)化作用的不斷進(jìn)行，硒進(jìn)入環(huán)境中以后還是以殘渣態(tài)形式穩(wěn)定存在于礦物晶格中，難以進(jìn)行遷移和轉(zhuǎn)化。蘭葉青等[30]研究江蘇省土壤中硒形態(tài)時發(fā)現(xiàn)原土硒主要分布在殘渣態(tài)上，本研究的結(jié)果和前人的研究吻合。將火山巖風(fēng)化土壤中全硒、各形態(tài)硒含量與各土壤參數(shù)之間進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果表明，殘渣態(tài)硒與土壤全硒呈極顯著正相關(guān)(=0.946，<0.01)，說明土壤中殘渣態(tài)硒的含量主要受全硒含量控制，體現(xiàn)了硒對母巖的高度承繼性(表5)。研究區(qū)表層土壤硒空間分布受母巖控制，火山巖中硒含量直接決定了土壤中硒元素的本底，并影響了土壤中硒元素的賦存形態(tài)。

圖3 潿洲島不同成土母巖風(fēng)化土壤中各形態(tài)硒含量百分比

表5 潿洲島火山巖風(fēng)化土壤全硒及各形態(tài)硒與主量元素、理化性質(zhì)和風(fēng)化參數(shù)的Pearson相關(guān)性

注：*、**表示相關(guān)性達(dá)<0.05和<0.01顯著水平。

研究發(fā)現(xiàn)，即便是由火山巖發(fā)育而來的土壤其硒含量也存在較大差異，說明潿洲島火山巖在風(fēng)化成土過程中由于土壤主量元素含量、理化性質(zhì)和風(fēng)化程度等的不同，導(dǎo)致土壤中硒元素發(fā)生不同程度的次生富集作用。將火山巖區(qū)土壤全硒與土壤各變量進(jìn)行逐步多元線性回歸分析，得出多元線性回歸擬合方程，認(rèn)為整體而言土壤中硒元素的富集與Fe2O3、OM和硅鐵鋁率(Saf)的關(guān)系最為密切(擬合優(yōu)度2= 0.339)，該擬合方程F檢驗(yàn)的相伴概率為0；回歸系數(shù)檢驗(yàn)Fe2O3的相伴概率為0.010，OM的相伴概率為0，Saf為0.042，均小于0.05，說明該擬合方程顯著：

Se=0.314 × Fe2O3+0.351×OM-0.248×Saf +0.085

土壤性質(zhì)空間異質(zhì)性是土壤物質(zhì)經(jīng)不同程度物理侵蝕或化學(xué)風(fēng)化作用導(dǎo)致的[31]，潿洲島處在亞熱帶地區(qū)，為廣西積溫最高的地方，有利于出露巖石發(fā)生強(qiáng)烈風(fēng)化。脫硅富鐵鋁化過程是潿洲島火山巖風(fēng)化成土的重要環(huán)節(jié)。趙其國等[32]發(fā)現(xiàn)，在我國亞熱帶地區(qū)火山巖上發(fā)育的土壤其富鐵鋁化程度均較其他母質(zhì)強(qiáng)，我們的研究印證了前人的觀點(diǎn)。潿洲島屬亞熱帶季風(fēng)氣候，炎熱、干濕交替的特點(diǎn)為海島火山巖提供了有利的風(fēng)化環(huán)境，海島火山巖強(qiáng)烈的風(fēng)化作用伴隨著原生礦物風(fēng)化和脫硅富鐵鋁化[12]。本研究發(fā)現(xiàn)潿洲島火山巖區(qū)土壤硒含量與硅鐵鋁系數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(= –0.430，<0.01)，指示硒元素富集程度隨著風(fēng)化作用的持續(xù)進(jìn)行而增大(表5)，風(fēng)化程度越強(qiáng)烈的海島土壤中硒含量越高。

潿洲島火山巖區(qū)土壤中Fe2O3和Al2O3的含量均高于含生物碎屑海灘沉積物區(qū)土壤，指示潿洲島火山巖在風(fēng)化后更易形成富鐵、鋁的土壤(表1)。相關(guān)性分析表明，火山巖區(qū)土壤硒元素與Fe2O3之間的吸附力最強(qiáng)(=0.464，<0.01)(表5)，這是由于Fe2O3獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性質(zhì)，對自然環(huán)境中的硒具有很強(qiáng)的吸附固定能力，且基本上不受到離子強(qiáng)度的制約而影響它們在土壤中的含量以及遷移能力[33]；硒元素與Al2O3之間也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(=0.402，<0.01)(表5)，Al2O3不僅可以通過靜電引力和置換氫氧基的方式吸附硒元素，它還作為黏土礦物的主要成分對硒產(chǎn)生吸附作用。但Al2O3對硒的吸附不如Fe2O3穩(wěn)定，商靖敏等[34]在研究洋河流域土壤硒時也得出同樣的結(jié)論，這可能是由于Al2O3對硒的吸附較易被解析下來。結(jié)合潿洲島地質(zhì)背景，火山巖區(qū)土壤中酸溶態(tài)硒主要為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硒，潿洲島火山巖區(qū)土壤中酸溶態(tài)硒與全硒含量(=0.696，<0.01)和Fe2O3(=0.336，<0.05)呈顯著正相關(guān)(表5)，說明酸溶態(tài)硒含量受土壤全硒含量的制約，同時土壤中鐵氧化物可通過結(jié)合作用影響其變化。但與張艷玲等[35]結(jié)果不同的是，本研究未發(fā)現(xiàn)酸溶態(tài)硒與土壤pH和OM的相關(guān)性，造成這種差異的原因可能是酸溶態(tài)硒還受如土壤類型、層次等條件制約。在潿洲島火山巖的風(fēng)化過程當(dāng)中，土壤硒的次生富集主要以鐵、鋁氧化物的吸附作用為主。

隨著成土?xí)r間的增加，風(fēng)化作用的加強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)在火山巖風(fēng)化土壤中逐漸富集，有機(jī)質(zhì)在腐質(zhì)化過程中可促進(jìn)硒的活化，使土壤硒與腐殖質(zhì)結(jié)合為有機(jī)復(fù)合體的難溶化合物，進(jìn)一步增加土壤對硒的吸附能力[36-37]。潿洲島火山巖風(fēng)化土壤具有比含生物碎屑海灘沉積物風(fēng)化土壤更高的有機(jī)質(zhì)(OM)含量(表1)，研究區(qū)火山巖風(fēng)化土壤全硒含量與OM含量呈極顯著正相關(guān)(=0.316，<0.01)(表5)。潿洲島火山巖區(qū)土壤OM與硒元素的相關(guān)性比鐵氧化物差(表5)，且土壤中OM含量較低(<30 g/kg)，說明在缺乏有機(jī)質(zhì)的土壤中，F(xiàn)e2O3的吸附是研究區(qū)硒富集和遷移的重要控制因素，本研究的結(jié)論印證了前人的觀點(diǎn)。有機(jī)結(jié)合態(tài)硒是土壤硒的重要存在形態(tài)，主要以可溶有機(jī)質(zhì)膠體結(jié)合態(tài)存在[38]，形態(tài)分析結(jié)果表明有機(jī)結(jié)合態(tài)硒與全硒(=0.749，<0.01)、Fe2O3(=0.614，<0.01)、OM(=0.474，<0.01)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表5)，有機(jī)結(jié)合態(tài)硒受全硒、Fe2O3和有機(jī)質(zhì)含量等多重制約。

海島土壤硒元素富集機(jī)制的實(shí)質(zhì)是火山巖發(fā)生強(qiáng)烈風(fēng)化作用，火山巖土壤中的鐵、鋁氧化物和有機(jī)質(zhì)高度富集的表現(xiàn)。同時，我們發(fā)現(xiàn)火山巖區(qū)土壤全硒與TiO2、K2O和P2O5呈正相關(guān)，與pH和SiO2呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(表5)，說明以上參數(shù)對硒元素均有一定的影響，但不是海島土壤富硒的決定性因素。

2.4 富硒土壤對海島農(nóng)業(yè)開發(fā)的意義

火山巖風(fēng)化形成肥沃的火山土壤，僅占地球表面的0.84%，具有很高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力，養(yǎng)育了世界約9% 的人口?；鹕綆r風(fēng)化土壤中容易富集硒元素形成富硒土壤，其含硒量較世界平均水平(0.4 mg/kg)高出1 ～ 2個數(shù)量級[39]。如福建省龍海市發(fā)現(xiàn)典型的火山巖型富硒土壤，火山凝灰?guī)r區(qū)土壤平均硒含量為0.472 mg/kg[40]。在一些火山巖海島上也發(fā)現(xiàn)了富硒土壤，如夏威夷島火山土壤硒含量在1 ～ 20 mg/kg之間，形成當(dāng)?shù)靥厣挠袡C(jī)種植業(yè)[39]。本研究發(fā)現(xiàn)潿洲島發(fā)育有足硒、富硒土壤共占全島面積的70.87%，同時土壤重金屬含量低，土地質(zhì)量良好[41]，這無疑為潿洲島發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)(如富硒糯米蕉)提供了良好的土地資源優(yōu)勢。

3 結(jié)論

潿洲島表層土壤表現(xiàn)出明顯的富硒效應(yīng)，足硒和富硒土壤占全島總面積的70% 以上，殘渣態(tài)為潿洲島表層土壤中硒元素主要賦存形態(tài)，有機(jī)結(jié)合態(tài)、酸溶態(tài)、可交換態(tài)、水溶態(tài)的占比依次降低。潿洲島表層土壤硒元素空間分布規(guī)律與成土母巖類型密切相關(guān)，土壤中硒元素對成土母巖硒含量的繼承，導(dǎo)致島內(nèi)土壤硒空間分布區(qū)塊差異的基本格局。富硒土壤發(fā)育區(qū)主要分布于火山巖區(qū)，火山巖中硒含量決定了土壤中硒的本底，并影響了土壤中硒元素的賦存形態(tài)?；鹕綆r海島風(fēng)化土壤中硒元素的富集主要?dú)w因于火山巖高背景硒含量和土壤經(jīng)強(qiáng)烈風(fēng)化后形成的高鐵、鋁氧化物與高有機(jī)質(zhì)對硒的吸附。同時，富硒土壤也為潿洲島發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)(如富硒糯米蕉)提供了良好的土地資源優(yōu)勢。

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Spatial Differentiation and Enrichment Mechanism of Selenium in Volcanic Island Soils —A Case Study of Weizhou Island, Guangxi Province

WU Jianying1, FU Wei1,2*, CAI Qian1, ZHAO Qin1, YU Yongshan1, SHAO Ya1, LUO Peng1,3, QIN Jianxun4

(1 School of Earth Science, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004, China; 2 Collaborative Innovation Center for Exploration and Material Development of Guangxi Hidden Metal Deposits, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004, China; 3 Guangxi Zhuang Autonomous Region Department of Natural Resources, Nanning 530028, China; 4 Guangxi Institute of Geological Survey, Nanning 530023, China)

In this paper, Weizhou Island in Beihai, Guangxi was selected as the study area to investigate the spatial distribution of selenium (Se) in volcanic soil under subtropical environment and to explore its influencing mechanism. A total of 106 topsoil samples and 16 parent material samples were collected with gridding design and the content and distribution of soil Se and their relationships with parent materials and soil other properties were analyzed. The results showed that the total Se in the topsoils of Weizhou Island ranged from 0.005 to 0.567 mg/kg with a mean of 0.287 mg/kg, and 70.87% of the total island area was covered with Se-sufficient and Se-rich soils. The contents of Se various forms in the topsoils of Weizhou Island were as follows: residual (78.06%) > organic compound (10.58%) > acid soluble (7.76%) > exchangeable (2.86%) > water soluble (0.74%). Total Se content of the different parent rocks varied significantly, highest in volcaniclastic rocks, followed by basalt and beach sediments with biological debris.The variation of total Se content in parent rocks and their corresponding soils were well matched, and Se content in the soil weathered was highest in volcaniclastic rock, then followed by basalt and beach sediments with biological debris. Soil Se enrichment of volcanic rocks was mainly attributed to the inheritance of the high background Se content of volcanic rocks, and Se was easily absorbed by Fe2O3, Al2O3and OM (organic matter) in volcanic soils during epigenetic evolution.Se-rich soil formed by the weathering of volcanic rocks is of positive significance for the agricultural exploitation of island land resources.

Island; Volcanic rock; Soil selenium; Enrichment mechanism

S153.6；P595

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.06.026

伍健瑩, 付偉, 蔡倩, 等. 火山巖海島土壤硒元素空間分異及富集機(jī)制研究——以廣西潿洲島為例. 土壤, 2021, 53(6): 1309–1317.

國家自然科學(xué)基金重大研究計劃培育項目(91962107)、廣西自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究團(tuán)隊項目(2020GXNSFGA297003)和廣西自然科學(xué)基金面上項目(2019JJA150083)資助。

通訊作者(fuwei@glut.edu.cn)

伍健瑩(1996—)，女，湖南石門人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境地球化學(xué)。E-mail: wjy1222@glut.edu.cn