運城市土壤硒含量分布特征及其影響因素

呂小娜，昝亞玲，郭 娟

（運城學院 生命科學系，山西 運城，044000）

硒是一種存在于土壤中的礦物質，也是人體內必需的一種微量元素，它具有各種功效，主要有抗細胞衰老、抗癌、增強人體免疫力等作用，但人體內硒含量攝入過多或者是硒含量攝入過少都會對身體健康產生不好的影響[1-2]。在土壤、植物，以及人體的傳播過程中硒元素會不斷積累，人和動物在生長過程中所需要的硒元素也主要是來源于土壤[3]。所以，研究土壤硒對人體的健康具有非常重要的意義。近幾年，國外對土壤硒的研究主要側重于生態系統中硒循環、土壤與作物間之間硒的轉化，以及硒的生物可利用性等方面[4]。而國內側重于硒元素的具體分布特征、生物有效性，以及地球化學特性方面[5]，目前已在湖北[6]、陜西[7]、安徽[8]、江西[9]、浙江[10]、海南[11]、貴州[12]、青海[13]、新疆[14]、廣東[15]等地發現富硒資源。針對足硒及以下土壤研究較少，同時對于我國北方糧食主產旱作區硒的研究也相對欠缺。目前此區域相關研究多集中在肥力指標方面[16]，而關于硒含量空間特征及開發利用則鮮見報道。擁有“運城蘋果”品牌特色的運城市屬于典型的旱作區域，光照充足，土壤肥沃，具有十分獨特的氣候條件，是發展棉、糧、水果等各種農產品的良好基地，土壤硒研究目前還處于空白。因此，本文對運城市耕地土壤硒含量及其空間分布規律進行分析，為合理應用土壤硒資源、提高富硒產業的發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

運城市位于運城盆地中心（N 34°48′45″～35°22′30″，E 110°42′53″～110°11′15″），管轄6 個鄉、7 個鎮、8 個街道。全市地形由東北向西南傾斜，上下呈現平川、高山、洼地、山丘等地貌。境內絕大部分地區地勢都比較平緩，只有一小部分地區為臺地、湖灘洼地。該市屬于溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，春溫比秋溫低，夏季高溫多雨，秋雨比春雨多，冬季寒冷干燥，光熱資源豐富，南北部溫差較大，南部四級多風[17]。運城市享有山西“烏克蘭”的稱號。全市棉花和小麥的總產量占山西省的50%以上，也是全國優質蘋果的產地之一[18]。依據土壤普查資料可知，運城市分布有82 個土種、22 個土屬、10 個亞類、4個土類（沼澤土、草甸土、褐土、鹽土）等[17]。

1.2 樣品采集與預處理

參照《土壤環境監測技術規范》（HJ/T166—2004）[19]及《土地質量地球化學評估技術要求（試行）》（DD2008-06）[20]相關要求，研究區的表層土壤按1 km×1 km 為1 個單位面積，采集4 個土樣進行混合，形成1 個土樣，最終共采集了210 個耕地表層土壤（0～20 cm）樣本，并將海拔高度、點位的經緯度、耕地類型等進行了記錄。樣品采集后運回到運城學院環境生態實驗室，風干后去除雜質，研磨，過100 目尼龍篩，室溫避光保存。土壤有機質、pH，以及土壤全硒分別采用重鉻酸鉀外加熱法、電位計法、微波消解-氫化物發生原子熒光光譜法進行測定；土壤類型數據從1∶30 萬運城市土壤類型圖中提取。運城市采樣點分布圖見圖1。

圖1 運城市采樣點分布圖

1.3 數據處理

利用SPSS 22.0 對土壤樣品硒含量進行Pearson相關性分析和描述性統計。使用GS＋對土壤硒含量的數據進行半方差函數擬合，分析在土壤硒的空間變異結構。ArcGIS 10.8 軟件中采用普通克里金法繪制運城市土壤硒含量的空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 土壤硒含量的統計特征

對210 個土樣硒含量進行描述性統計（表1），并利用K-S 法進行原始數據檢驗，結果均服從正態分布（表1、圖2）。運城市表層土壤中硒含量變化范圍為0.09～0.55 mg·kg-1，平均值為0.28 mg·kg-1（表1），對比其他地區相關研究發現（表2），運城市土壤硒含量均值遠高于西藏[21]、黑龍江[3]、新疆[22]，但是低于湖北恩施[23]、陜西紫陽[24]、海南省[25]等地，是中國[26]土壤硒平均含量的0.96 倍，是全球[27]土壤硒平均含量的0.7 倍。土壤pH 是7.70～8.86，平均值是8.26，雖然土壤的酸堿度的跨度比較大，但總體來看，是以堿性土壤為主（表1）。土壤中有機質最小值是1.20 g·kg-1，最大值是49.00 mg·kg-1，平均值是20.56 mg·kg-1（表1）。

表2 運城市與其他地區表層土壤硒含量對比

圖2 運城市土壤硒含量直方圖

表1 運城市土壤硒描述性統計

依據《天然富硒土地劃定與標識》（DD2019-10）的分類標準[28]和譚見安教授對土壤硒含量的分類標準[29]（表3），對運城市的土壤硒含量做出散點圖（圖3）。結果表明，按照第1 個標準，運城市土壤硒≥0.3 mg·kg-1就是富硒土壤，在研究區域的210 個土壤樣品中，有67 個樣品的硒含量是在富硒含量范圍（圖3）。按照第2 個標準，運城市土壤硒含量處于富硒水平的有15 個，而處于足硒水平的有178 個。由此可見，運城市土壤整體都處在足硒和富硒的水平。

表3 我國部分富硒土壤劃分標準

圖3 運城市土壤硒含量散點圖

2.2 土壤硒含量的空間變異特征

對運城市土壤硒含量進行半方差函數擬合，由表4 可知，運城市土壤硒含量半方差函數擬合模型為球狀模型。

空間變異主要是由結構性變異以及隨機性變異兩部分組成。變程（α）為半方差函數到達基臺值時所間隔的距離；塊金系數［C0/（C0＋C）］是塊金值（C0）（非采樣間隔所造成的變異）和基臺值（C0＋C）（半方差函數會隨著間距的遞增，達到一定程度后會出現的平穩值）的比值[30]。當塊金系數小于0.25 時，硒元素空間相關性極強，從而結構性因素會影響它的變異性；塊金系數在0.25～0.75 之間時，空間相關性呈中等；當塊金系數大于0.75 時，主要受到隨機因素的影響。從表4 可知，土壤硒含量的塊金系數是0.513，這表明土壤硒元素的空間相關性呈中等，表明受自然因素（成土母質、土壤類型、有機質以及地形地貌等）和隨機因素及人為活動如耕作施肥共同的影響。運城市土壤硒含量的變程是13.5 km（表4），說明半方差函數在間隔距離是13.5 km 時，而達到平穩階段，在這一尺度范圍中，硒元素的含量存在非常強的連續性。

表4 土壤硒含量的半變異模型及其相關參數

2.3 土壤硒含量空間分布特征

對于偏低的富硒標準更容易擴大具有開發價值的高硒土壤區域[31]。本文在譚教授[29]劃分的標準基礎上，依據《天然富硒土地劃定與標識》（DD2019-10）[28]將原富硒標準0.40 mg·kg-1調至0.30 mg·kg-1，然后按照標準將運城市的土壤硒含量劃分為過量、高硒、中等、邊緣、缺硒5 個等級，并繪制出了運城市土壤硒含量空間分布圖（圖4）。由表5 統計得知，運城市土壤中，絕大部分地區土壤表現出足硒及以上的特征，而缺硒和硒過量（硒毒）的現象并不存在。其中，富硒土壤所占的面積是運城市的33.49%，而足硒土壤所占的面積是運城市的65.10%。由圖4 可見，運城市的南部以及西北部（泓芝驛鎮和北相鎮）主要是富硒土壤，運城市的中部和北部主要是足硒土壤。

圖4 運城市土壤硒含量空間分布特征

表5 土壤硒豐缺分級界限值

2.4 土壤硒含量的影響因素

2.4.1 土壤pH 和有機質 影響土壤有效性和元素賦存比較重要的2 個要素是土壤pH 和土壤有機質[32]。由表6 可知，土壤硒含量與土壤pH 值相關性并不顯著，相關系數為-0.103。這可能是與運城市所布的點位均位于耕地，土地利用狀況復雜，受到的人類活動干擾較大有關，這與鄧軍等[33]的研究結果是一致的。有機質和土壤硒的相關系數是0.394，呈現極顯著正相關性，這與余飛等[31]的研究結果是一致的。

表6 運城市土壤硒含量與pH、有機質相關分析

2.4.2 成土母質 運城市鹽湖區內的幾種成土母質的硒含量略有差異。由圖5 可知，各母質中表層土壤硒平均值由低到高依次排序為：溝淤（0.20 mg·kg-1）＜黃土狀（0.24 mg·kg-1）＜黃土質（0.26 mg·kg-1）＜石英砂巖風化殘、坡積物（0.30 mg·kg-1）＜河流沖積沉積物（0.31 mg·kg-1）＜沖積物（0.32 mg·kg-1）＜湖積沖積（0.33 mg·kg-1）＜洪積沉積物（0.34 mg·kg-1）＜沖積沉積物（0.35 mg·kg-1）。由此可見，湖積沖積、洪積沉積物和沖積沉積物的成土母質硒含量比較高；溝淤、黃土質和黃土狀的成土母質硒含量較低。其中，除了溝淤、黃土狀、黃土質、石英砂巖風化殘、坡積物之外，其余成土母質的硒含量均高于研究區土壤硒的平均含量。沉積物、坡積物和沖積物的母質土層比較厚，耕地土壤的通氣性良好，有利于接納上部沖流下來的土壤養分，所以耕地土壤硒含量會就比較高，這幾種母質主要是分布在鹽湖區的中南部；而黃土母質比較疏松，質地輕，不利于土壤硒含量的積累，主要分布在鹽湖區的北部，土壤硒含量較低。

圖5 不同成土母質發育表層土壤硒含量

2.4.3 土壤類型 由圖6 可知，不同土壤類型中，硒含量的分布也是有差異的，具體表現為：潮土（0.31 mg·kg-1）＞粗骨土（0.30 mg·kg-1）＞褐土（0.25 mg·kg-1）。其中，粗骨土與潮土中的土壤硒含量比褐土高，而與褐土相比，粗骨土和潮土的土壤條件會更利于土壤硒含量的積累，并且處于足硒的范疇。鹽湖區褐土主要分布在三里路鎮、陶村鎮、龍居里等，可以看出比其他地區土壤硒含量低，與成土母質的分析結果一致。

圖6 運城市不同土壤類型中硒元素的含量

2.4.4 地形地貌 運城市地形地貌類型多種多樣，不同地形土壤硒含量的差異比較明顯。由圖7 可知，各地形中土壤硒平均值由低到高依次排序為：一、二級階地過渡地（0.23 mg·kg-1）＜臺垣及高階地（0.24 mg·kg-1）＜二級階地（0.25 mg·kg-1）=黃土丘陵（0.25 mg·kg-1）＜山前傾斜平原（0.28 mg·kg-1）＜中條山及中低山、山前洪（0.30 mg·kg-1）＜一級階地（0.31 mg·kg-1）＜洪積扇地帶（0.34 mg·kg-1）＜鹽湖北岸的壟崗地帶（0.35mg·kg-1）。由此可見，鹽湖區北岸的壟崗地帶的土壤硒含量最高，洪積扇地帶、一級階地、中條山，以及中低山山前洪的土壤硒含量較高，一、二級階地過渡地、黃土丘陵、臺恒，以及高階地的土壤硒含量略低。

圖7 運城市不同地形地貌土壤硒含量

3 討論與結論

運城市耕層土壤硒含量的范圍是0.09～0.55 mg·kg-1，土壤硒平均含量是0.28 mg·kg-1，而地殼中硒元素的豐度值僅為0.050 mg·kg-1[34]。由此可見，運城市表層土壤硒元素有很明顯的累積效應。運城土壤硒是中國土壤硒平均含量的0.96 倍[26]，接近中國土壤硒平均水平。根據土壤硒豐缺標準可知，運城市土壤缺硒和硒過量（硒毒）的現象不存在，而絕大部分地區的土壤則表現出足硒及富硒的特征，足硒占該地區面積的65.10%，富硒占該地區面積的33.49%，其中富硒土壤面積至少在4.03 萬hm2以上。建議結合運城市的城市發展規劃，合理利用該地區的土壤性質，著手開發與推廣富硒產品，提高土壤中的硒元素含量，從而增加當地可生產富硒農產品的耕地數量。

運城市土壤硒元素含量空間相關性為中等，說明土壤硒含量分布受自然因素影響和人為活動的影響。從空間分布上看，運城市的中部和北部主要為足硒土壤，運城市南部和西北部（泓芝驛鎮和北相鎮）主要為富硒土壤。

籠統地說，土壤中硒的主要賦存形式有元素硒、硒化合物、硒酸鹽、亞硒酸鹽等，pH 值對其賦存形式有重要作用[35]。根據研究說明，土壤的pH 值越高，土壤中硒的含量就會越低[3]。一是隨著土壤堿性的逐漸增強，土壤硒的形態會從亞硒酸鹽（SeO32-）向硒酸態（SeO42-）進行轉化[36]，因硒酸鹽與吸附質的親和力較弱，導致硒酸鹽被植物吸收消耗或造成土壤硒淋溶，進而造成土壤硒含量的持續下降[1]。二是土壤的甲基化能力會隨著土壤pH 值的增加而加強，促進其在土壤中的遷移，從而導致土壤硒含量越低[37-38]。但是本文土壤硒含量與土壤pH 值相關性并不顯著，相關系數為-0.103。這可能是與運城市所布的點位均位于耕地，土地利用狀況復雜，受到的人類活動干擾較大有關。土壤硒元素會受到土壤有機質吸附和固定作用的影響，土壤中有機質含量越高，硒被固定和吸附作用就越強，本文有機質和土壤硒的相關系數是0.394，呈現極顯著正相關性。運城平原地區的坡度比較緩，耕地居多，土地利用的程度比較高，人為的干預程度大，土壤硒含量相對充足，中條山為中山區，中條山位于研究區地形最高部位，隨著海拔高度的逐漸增加、氣溫降低，從而導致有機質分解緩慢，鹽湖富含的礦物質資源豐富，地下水經流附近耕地使土壤養分含量豐富，土壤硒含量處于較高水平[38]。而黃土丘陵、一、二級階地過渡地等地區的交通不便利，尤其是下雨后，雨水沖刷使得土壤養分不斷流失，又因為地形原因導致農業投入不便，耕作的難度也比較大，這一地形主要分布在上王鄉等地，周圍的耕地土壤硒含量比較低，這與前文耕地土壤硒含量分布得出的數據分析結果是一致的。母質是土壤形成的物質基礎。不同的成土母質，發育不同的土壤類型，對土壤硒含量的影響也很重要[39]。鹽湖區褐土主要分布在三里路鎮、陶村鎮、龍居里等，可以看出該地區比其他地區土壤硒含量低，與成土母質的分析結果一致。總之，在研究區中土壤硒含量的影響因素（成土母質、土壤類型、地形地貌、土壤質地、有機質）對土壤硒含量及分布有顯著的影響，土壤pH和土壤硒含量相關性不顯著。運城市的地形地貌條件極為復雜，導致土壤硒的空間分布呈現出較強的變異性和復雜性，之后還需要結合植物吸收和土壤相關指標等過程分析，才能更清晰、全面、更準確的認識運城市土壤硒含量的分布。