石泉縣中部地區(qū)土壤硒分布特征及影響因素

鄭新如，潘愛芳*，馬潤勇，魏萌初

（1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054）

硒（Se）是人體和動物的必需微量元素，具有延緩衰老、預(yù)防心血管疾病和增強(qiáng)免疫功能等多種功效［1-2］，對生態(tài)系統(tǒng)和人類生命健康具有重要意義，因此獲得了“生命保護(hù)劑”“天然解毒劑”“抗癌之王”等美譽(yù)［3］。我國絕大部分地區(qū)貧硒，中國土壤A層Se背景值為0.29 mg·kg-1［4］，72%的縣市低硒或缺硒，而少量地區(qū)硒元素過量［5］。人和動物攝入的硒主要來源于植物，植物中的硒又主要來源于土壤，土壤中硒的含量和賦存狀態(tài)決定了硒的遷移和動植物中硒的含量，因此，研究土壤中硒的分布特征非常重要。

近年來國內(nèi)學(xué)者對不同地區(qū)土壤硒元素含量以及影響其空間分布的因素做了大量研究，并普遍認(rèn)為土壤中硒元素的含量、分布與成土母質(zhì)、土壤理化性質(zhì)、地形地貌等存在直接或間接的關(guān)系［6-15］。商靖敏等［13］研究發(fā)現(xiàn)，洋河流域表層土壤中Se含量與黏粒含量相關(guān)性較好，而且這種相關(guān)程度隨海拔的增高而顯著增加，但隨pH的增加而顯著減少。此外，總有機(jī)碳（TOC）、Fe和Al含量也是影響土壤Se含量的重要因素，但成土母質(zhì)、土壤類型對其影響較小；姜磊［16］對萬源富硒區(qū)土壤中硒元素分析表明，土壤中pH與土壤中的硒呈正相關(guān)，同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)也是決定土壤中硒含量的因素之一；章海波等［7］研究認(rèn)為，土壤Se含量的主要影響因素是成土母質(zhì)、土壤pH、黏粒、有機(jī)質(zhì)和Fe、Al含量。由此表明，影響土壤中硒含量的因素相對復(fù)雜，其影響機(jī)理還需進(jìn)一步研究。為此，本文以石泉縣中部地區(qū)為研究對象，分析其硒元素的分布特征及影響因素，對當(dāng)?shù)馗晃a(chǎn)業(yè)規(guī)劃有重要意義。

1 研究區(qū)概況

石泉縣位于陜西省南部，安康市西北部，地 理 位 置 在108°01′08″～108°28′42″E、32°45′57″～33°19′56″N，總面積為1516 km2，海拔為333～2009 m，年平均降水量為873.9 mm，年平均氣溫為14.6℃。石泉縣地處秦嶺腹地，勉略縫合帶以北的北大巴山逆沖推覆帶上，境內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺、斷裂發(fā)育。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育震旦系，巖性主要為變質(zhì)的沉積巖和火山巖；寒武系－志留系，主要發(fā)育灰?guī)r、炭質(zhì)片巖、炭質(zhì)板巖，第四系（Q）以沖洪積層為主，巖性為河床、河漫灘沖積砂、礫石；巖漿巖零星出露，巖性以花崗巖和花崗閃長巖為主。

研究區(qū)主要成土母巖見圖1。土壤類型以黃棕壤為主，其次為棕壤、石灰（巖）土、石質(zhì)土和粗骨土等。區(qū)內(nèi)種植方式多樣，主要有桑、花魔芋、黃花菜等。據(jù)前人研究表明，該區(qū)地處Se、Zn、Sr等地球化學(xué)元素的高背景區(qū)，石灰?guī)r、千枚巖、頁巖、含石炭的板巖和早古生帶的某些復(fù)雜巖層是我國少見的富Se巖層［17］。

圖1 研究區(qū)母巖及土壤類型圖

2 樣品采集與分析測試

為了研究石泉縣中部地區(qū)土壤Se元素的分布特征及影響因素，以《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》為依據(jù)，按照1個(gè)·km-2的密度采集0～20 cm表層土壤樣品678件。送陜西省核工業(yè)二〇三所，土壤樣品過0.075 mm篩，測試Se、Al、Fe、K、Mg、pH、As、Hg、Cd、Cr、Cu、Zn、Pb、Ni等指標(biāo)。

Se、Hg分析方法依據(jù)DZG 20.01-2011，用原子熒光法（AFS）測定；Al、Fe、K、Mg依據(jù)GB/T 14506-2010，用電感耦合等離子體光譜法（AES）測定；Cu、Pb、Zn、As、Cr依據(jù)DZ/T 0167-2006，用X射線熒光光譜分析法（XRF）測定；Ni、Cd依據(jù)GB/T 14506.30-2010，用等離子體質(zhì)譜法（ICPMS）測定；pH依據(jù)NY/T 1121.2-2006，用復(fù)合電極法測定。

參照DZ/T 0130-2006《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測試質(zhì)量管理規(guī)范》與《區(qū)域地質(zhì)調(diào)查（1∶50000和1∶200000）樣品化學(xué)成分分析》標(biāo)準(zhǔn)，上述各項(xiàng)指標(biāo)準(zhǔn)確度和精密度的控制方法為：每50件樣品中插入1件國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，計(jì)算單件標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測定值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的對數(shù)差（ΔlgC），用以控制樣品分析的準(zhǔn)確度；插入4件不同國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，與樣品一起分析，分別計(jì)算每種元素，4件標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的對數(shù)差（ΔlgC）和對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差（λ），用以衡量樣品分析精密度。對數(shù)差（ΔlgC）和對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差（λ）均符合要求，樣品制樣方法合理，質(zhì)量達(dá)到或優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 土壤硒含量分布特征

通過匯總?cè)珖鞯赝寥涝豐e含量結(jié)果（表1）進(jìn)行分析，結(jié)果表明，石泉縣中部地區(qū)Se平均含量為0.678 mg·kg-1，高于全國（0.29 mg·kg-1）［4］和陜西省（0.118 mg·kg-1）［18］的土壤Se含量均值，變異系數(shù)為1.681，范圍為0.06～12.8 mg·kg-1，原始數(shù)據(jù)經(jīng)對數(shù)變換后呈偏右態(tài)分布（圖2）。任蕊等［19］通過對陜西關(guān)中地區(qū)土壤Se分布的研究，指出其土壤中Se含量為0.034～2.628 mg·kg-1，平均為0.174 mg·kg-1；張建東等［20］對紫陽縣土壤Se含量水平及分布特征做了分析，研究區(qū)最低土壤Se含量為0.0015 mg·kg-1，最高Se含量為36.6854 mg·kg-1，平均值為0.9429 mg·kg-1，變異系數(shù)為2.210；同時(shí)，張建東等［21］還對旬陽縣土壤Se含量進(jìn)行了調(diào)查，指出其土壤中Se含量分布周邊高、中間低，70%土壤分布達(dá)到足Se及以上水平。與我國其他地區(qū)相關(guān)研究相比發(fā)現(xiàn)，石泉縣表層土壤中的Se含量較高，高于其他大部分地區(qū)以及全國土壤均值。

圖2 土壤Se含量對數(shù)變換后的頻數(shù)分布

表1 石泉縣研究區(qū)與全國各地表層土壤Se含量

根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0295-2016） Se等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，對本區(qū)域表層土壤中Se的豐缺情況進(jìn)行了分析（表2），從表2中可知，研究區(qū)表層土壤主要為足Se或富Se，面積分別占到43.56%和36.72%。從圖3可以看出，石泉縣研究區(qū)表層土壤Se含量空間分布存在明顯差異，總體上呈條帶與斑塊狀分布，在雙樟村-楓樹村-前鋒村一帶的石炭、寒武－奧陶系中相對較高。

圖3 石泉縣研究區(qū)土壤Se含量分布特征

表2 土壤Se等級劃分標(biāo)準(zhǔn)及面積比例

4 影響土壤中硒分布的因素

研究表明，土壤中Se元素的含量、分布與成土母質(zhì)、土壤理化性質(zhì)、地形地貌等存在直接或間接的關(guān)系［6-15］，而成土母質(zhì)是土壤Se的主要來源［6-7，34］。

4.1 成土母質(zhì)

土壤Se含量取決于成土因素和成土過程。母質(zhì)是土壤中Se的最初來源，不同的地層地質(zhì)條件又是母質(zhì)發(fā)育形成的根本基礎(chǔ)。楊忠芳等［35］對海南島農(nóng)田Se含量進(jìn)行分析，表明表層土壤Se含量在一定程度上繼承了成土母巖Se含量；王美珠等［6］對我國部分地區(qū)土壤高Se、低Se的原因進(jìn)行了初探，陳俊堅(jiān)等［10］、賈十軍［11］、童建川［15］、章海波等［7］分別研究了廣東、安徽、重慶、香港地區(qū)土壤中Se元素的分布特征，都認(rèn)為成土母質(zhì)是影響Se含量分布的主要因素。但戴慧敏等［14］、商靖敏等［13］分別對東北平原、洋河流域土壤Se含量進(jìn)行分析研究后指出，成土母質(zhì)中的Se并不是其主要影響因素。

本研究區(qū)成土母質(zhì)主要發(fā)育于寒武系上統(tǒng)蜈蚣丫組（∈3WG）、寒武－奧陶系洞河群［（∈-O）dh］、志留系下統(tǒng)大貴坪組/梅子埡組（S1d/S1m）、泥盆系石家溝組/大楓溝組/蟠龍山組（D2s/D2d/D3p）、石炭系巖關(guān)組/黃龍組/馬平組（C1y/C2h/C3m）等。巖性主要以碳酸鹽巖、片巖為主，局部夾有砂礫巖、板巖等，其中碳質(zhì)板巖和石煤在寒武－奧陶系/二疊系/三疊系/石炭系廣泛發(fā)育。根據(jù)本研究區(qū)成土母質(zhì)的分布情況對其表層土壤中Se含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（表3）。結(jié)果表明，來自寒武－奧陶系/二疊系/三疊系/石炭系母質(zhì)發(fā)育的黃棕壤中Se含量要明顯高于其他母質(zhì)發(fā)育的土壤，其次是震旦系、志留系，其余地層母質(zhì)發(fā)育的表層土壤中Se含量相對低且不存在明顯差異，這可能與古生代地層中的碳質(zhì)板巖和石煤分布有密切關(guān)系［16，36］。

表3 不同成土母質(zhì)區(qū)表層土壤Se含量

4.2 pH及金屬元素對土壤Se含量的影響

眾多研究表明，土壤Se含量與土壤理化性質(zhì)有密切關(guān)系。通過對本區(qū)域表層土壤Se含量與土壤屬性的相關(guān)分析（圖4、表4、表5），表明表層土壤Se含量與pH呈正相關(guān)關(guān)系，與Mg、Al、Fe呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與K關(guān)系不顯著；同時(shí)，與主要重金屬之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明存在一定的伴生關(guān)系。

表5 土壤Se含量與土壤主要重金屬間的相關(guān)性

pH是一項(xiàng)重要的土壤理化指標(biāo)，是土壤在其形成過程中受生物、氣候、地質(zhì)、水文等因素綜合作用的結(jié)果。前人研究表明，土壤pH影響著土壤中Se的存在價(jià)態(tài)、形態(tài)及土壤中Fe、Al、Mg等元素對其的吸附、解吸過程，在堿性條件下，硒酸鹽是主要的存在形式，硒酸鹽極易溶解，且生物活性強(qiáng)、易被植物吸收，從而導(dǎo)致土壤全Se含量降低［7，13，32，37］；但楊忠芳等［35］研究認(rèn)為，在中堿性土壤中Se含量基本不受pH制約。石泉縣研究區(qū)土壤總體中性偏堿性，pH分布區(qū)間為4.6～8.3，均值為7.33，峰值為7.65。對Se與pH做相關(guān)分析（表4、圖4），結(jié)果表明二者存在一定正相關(guān)關(guān)系，其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

表4 土壤Se含量與土壤性質(zhì)間的相關(guān)性

圖4 石泉縣研究區(qū)表層土壤Se含量與土壤其他元素含量的相關(guān)性

本研究中發(fā)現(xiàn)，表層土壤中Se含量與Mg、Al、Fe之間均具有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與K關(guān)系不顯著，這在一定程度上說明，成土過程中Fe、Al等氧化物與遷移淋溶作用對其有重要影響，這與羅友進(jìn)等［38］研究結(jié)果相一致，與商靖敏等［13］研究結(jié)果則不同；同時(shí)，與主要重金屬之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這可能與該區(qū)黑色巖系等高Se地質(zhì)體的風(fēng)化、遷移淋溶作用和元素之間的拮抗機(jī)制有關(guān)［39］。

4.3 海拔、坡度對土壤Se含量的影響

本研究對石泉縣研究區(qū)表層土壤Se含量對應(yīng)的海拔、坡度進(jìn)行了分析（圖5）。結(jié)果表明，本區(qū)域表層土壤Se含量與海拔、坡度均無明顯相關(guān)關(guān)系。這是由于海拔、坡度對土壤Se含量的影響具有不確定性。一方面，隨著海拔的升高，氣溫降低，有機(jī)質(zhì)分解速率變慢，有機(jī)復(fù)合態(tài)Se累積，同時(shí)，植物吸收以及被遷移淋溶的Se減少，使得土壤Se富集［7，13］；另一方面，在地形地貌比較復(fù)雜的區(qū)域，局部小氣候現(xiàn)象明顯，降雨比較充沛，Se元素分布規(guī)律不明顯［40］。

圖5 石泉縣研究區(qū)土壤Se含量與坡度、海拔的相關(guān)性

5 結(jié)論

石泉縣土壤Se含量變幅為0.06～12.8 mg·kg-1，平均值為0.678 mg·kg-1，高出全國和陜西省平均值，土壤中Se含量主要屬于足Se（43.56%）和富Se（36.72%），不同時(shí)代地層中Se含量差別較大，古生代地層是Se含量的主要來源，影響著整個(gè)區(qū)域的Se元素分布。

土壤Se含量受控于成土母質(zhì)，土壤Se含量與pH有一定的正相關(guān)關(guān)系；與Mg、Al、Fe呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與K關(guān)系不顯著；與海拔、坡度等地形地貌無明顯相關(guān)關(guān)系；與主要重金屬的相關(guān)性分析表明，與其存在著較強(qiáng)的伴生關(guān)系。