廣西典型煤系地層分布區土壤硒元素的分布特征與影響因素

王金龍,李 杰,歐陽鑫東,陸康運

(廣西壯族自治區地質調查院,廣西 南寧 530022)

0 引言

【研究意義】硒(Se)是合成人體抗氧化酶、降低人體內毒物毒性和提高人體免疫力的重要元素[1]。人體缺硒會導致多種疾病,如大骨節病、克山病和血溶性貧血等[2]。據聯合國教科文組織統計[3],全球缺硒人口占全球總人口的1/7。我國是缺硒大國,全國有一半以上的地區處于缺硒狀態。人體補硒的主要途徑是通過攝入天然富硒農產品,而農產品中的硒主要來源于天然富硒土壤。目前,天然富硒土壤已成為人體獲取硒的不可或缺資源,具有重要經濟價值,天然富硒土壤中硒的來源及其影響因素是決定土壤硒生物有效性和富硒土地資源可利用性的根本原因[4]。因此,探究煤系地層分布區土壤硒元素的分布特征及影響因素對合理開發富硒土壤資源具有重要作用?！厩叭搜芯窟M展】據前人總結發現,影響土壤硒含量的因素很多,其中包括成土母質[5-7]、土壤理化性質[5]、地形地貌[8]和土地利用方式[9]等。任海利等[10]研究發現,貴州開陽地區土壤硒與寒武系牛蹄塘組黑色巖系有關;劉道榮等[11]認為,高硒地質背景對土壤硒有明顯控制作用,但不同地區影響土壤硒含量的因素不同,且影響程度存在差異?！狙芯壳腥朦c】廣西壯族自治區富硒土地資源豐富,據土地質量地球化學調查數據顯示,區內共初步圈定富硒土壤面積達7.57萬 hm2,位居全國首位。目前,針對廣西典型煤系地層分布區土壤硒元素分布特征及其影響因素的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】探究廣西典型煤系地層分布區土壤硒元素含量分布特征和主要影響因素,以期為富硒土地資源的開發利用和農業種植結構的合理調整提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣西壯族自治區合山市,面積約105 hm2,屬亞熱帶季風氣候,濕潤多雨。地貌為溶蝕型和構造剝蝕型,水系豐富,紅水河干流貫穿全區,出露地層由老至新為三疊系板納組(T2b)、北泗組(T1b)、馬腳嶺組(T1m)和二疊系大隆組(P3d)、合山組(P3h)、茅口組(P2m)。土壤類型以硅質土為主,土地利用類型主要有林地、水田、旱地和園地等。合山地區有著“廣西煤都”的美譽,區內有2個煤炭礦山,位于研究區中部及東北部,均為地下開采,含煤地層為二疊系合山組。礦山自2010年后逐步停產,現已改造為礦山公園。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 采樣點布設與樣品采集 研究區采集樣品主要有表層土壤樣品、土壤垂向剖面樣品和巖石樣品(圖1)。表層土壤樣品的采樣密度為8個/km2,采樣深度0～20 cm,在采樣小格中沿路線3～5處多點采集組合成1個樣品,共采集土樣800件;土壤垂向剖面樣品和巖石樣品為同點位配套采集,按照成土母質的差異,采集代表性的土壤垂向剖面11組及配套巖石樣品11件,土壤垂向剖面采用洛陽鏟開挖方式,采樣深度0～200 cm,每10 cm組成1個混合樣;采集巖石樣品選擇新鮮的基巖,并多點采集組合成1個樣品。表層土壤樣品和土壤垂向剖面樣品經充分晾干后過20目篩,存放入密封自封袋,巖石樣品用瑪瑙研缽研磨成細粉,儲存于干燥處,待測。

圖1 研究區地層及采樣點位分布Fig.1 Distribution of strata and sampling sites in the research area

1.2.2 分析測試方法 樣品測定嚴格按照《多目標區域地球化學調查規范》(DD 2005—1)進行,均由廣西壯族自治區分析測試中心完成。采用AFS原子熒光光譜法測定Se、As、Hg含量,檢出限分別為0.008 μg/g、0.2 μg/g、0.03 μg/g;用等離子體發射光譜法測定K2O、Na2O、MgO、CaO、MnO、Cu、Ni、Pb、Zn、Cr含量,檢出限分別為0.01%、0.02%、0.02%、0.05%、0.005%、0.8 μg/g、2 μg/g、1.5 μg/g、1 μg/g、2.5 μg/g;用X射線熒光光譜法(XRF)測定有機質、N、SiO2、Al2O3、Fe2O3、P2O5含量,檢出限分別為0.05%、15.00%、0.05%、0.02%、0.05%、0.01%;用電極法測定土壤pH,檢出限為0.08;用等離子體質譜法測定Cd含量,檢出限為0.02 μg/g。元素分析方法實際檢出限、準確度和精密度等各項質量指標均符合《多目標區域地球化學調查規范》(DD 2005—1)。所有樣品報出率為100%,準確度和監控樣品合格率均為100%。

根據我國低硒環境與地方劃分的硒元素生態景觀界限值[12],將土壤硒(mg/kg)劃分為缺乏(0,0.125]、邊緣(0.125,0.175]、適量(0.175,0.400]、高(0.400,3.000)和過剩[3.000,+∞)5個等級;土壤富硒程度按照[1.0,1.5)、[1.5,2.0)和[2.0,+∞)劃分為土壤硒弱富集、中富集和強富集[13]。

1.3 數據統計與分析

采用SPSS 19.0和Excel 2019對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 研究區表層土壤硒的含量特征

研究區表層土壤Se含量0.42～7.5 mg/kg,平均值為1.28 mg/kg,高于全國表層土壤Se平均值(0.29 mg/kg)[14],變異系數為0.58,屬中等變異,表明Se在空間上分布不均勻。由圖2可知,研究區表層土壤Se呈右偏正態分布,Se含量主要集中分布于0.82～1.42 mg/kg。從表1看出,不同地層Se含量為二疊系合山組(2.01 mg/kg)>三疊系馬腳嶺組(1.35 mg/kg)>三疊系北泗組(1.08 mg/kg)>二疊系茅口組(1.06 mg/kg)>三疊系板納組(0.78 mg/kg),呈含煤地層Se含量明顯高于其他地層的規律。由表2看出,研究區內僅存在土壤富硒和硒中毒樣品,其中,富硒樣品773件,占比達96.63%;硒中毒樣品27件,占比為3.37%,表明研究區土壤Se資源豐富。

圖2 研究區表層土壤Se含量的頻數分布Fig.2 Frequency distribution of Se content in topsoil of the research area

表1 研究區表層土壤Se的含量特征 Table 1 Characteristics of Se content in topsoil of the research area

表2 研究區表層土壤Se含量的分級Table 2 Classification of Se content in topsoil of the research area (N=800)

2.2 研究區表層土壤硒的空間分布特征

由圖3可知,表層土壤Se含量過剩區域(≥3.0 mg/kg)主要分布于研究區中部合山市市區周邊及嶺南鎮一帶,呈北東走向分布,主要分布于二疊系大隆組和合山組。Se含量過剩區域與研究區內煤炭礦區分布相吻合,且走向與煤層走向一致,均為北東向。研究區除硒含量過剩區域外,其余均為土壤富Se區域(0.4～3.0 mg/kg),呈以合山市市區與嶺南鎮為中心,向外Se含量逐步降低趨勢。

圖3 研究區表層土壤Se的空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of Se in topsoil of the research area

2.3 研究區不同成土母質的土壤硒含量

從表3看出,研究區不同成土母質的土壤Se含量存在差異。9件灰巖樣品Se平均含量為0.180 mg/kg;1件煤層夾矸Se含量高達13.500 mg/kg,為灰巖的75倍;1件粉砂質泥巖Se含量為0.033 mg/kg。不同成土母質Se含量大致呈煤層夾矸>灰巖>泥巖。表明,研究區內的煤礦資源為富硒土壤提供了豐富的物質基礎。由圖4可知,灰巖母質8條土壤剖面Se含量均呈隨土壤深度的增加而降低趨勢,平均含量為0.79 mg/kg;泥巖母質剖面Se含量呈隨土壤深度的增加而增加趨勢,平均含量為0.73 mg/kg;含煤地層剖面Se含量呈隨土壤深度的增加而降低趨勢,其在0～60 cm土層下降迅速,后逐漸趨于穩定,平均含量為1.03 mg/kg。灰巖、泥巖和含煤地層中母質發育土壤Se的富集系數分別為2.49、1.26和6.44,富集程度分別為強富集、弱富集和強富集,其中,含煤地層中母質發育的表層土壤Se富集程度明顯高于灰巖。從土壤發生學層次看,研究區內泥巖母質發育的土壤Se在沉淀層富集,灰巖和含煤地層中母質發育的土壤Se在表層富集。表明,表層土壤Se含量較高與灰巖、含煤地層母質發育的土壤Se在表層土壤中強富集有關。

表3 研究區不同成土母質的Se含量Table 3 Se content in different soil parent materials of the research area

圖4 研究區不同成土母質Se含量的垂向分布Fig.4 Vertical distribution of Se content in different soil parent materials of the research area

2.4 土壤理化性質及各元素對土壤硒含量的影響

2.4.1 土壤理化性質對硒含量的影響 從表4看出,研究區表層土壤呈弱酸性(pH 6.04),變異系數為0.22。表層土壤有機質平均含量為1.56%,均較桂中和全國表層土壤有機質平均含量大,約為全國均值的4.5倍,變異系數為0.58。由圖5可知,研究區表層土壤中Se含量與表層土壤pH呈負相關關系,與有機質含量呈正相關關系。表明,研究區弱酸性土壤和豐富的有機質含量為Se在表層土壤富集提供了有利條件。

表4 研究區表層土壤理化性質Table 4 Physicochemical properties of topsoil in the research area

圖5 土壤Se含量與pH和有機質的相關關系

2.4.2 土壤主要元素對硒含量的影響 從表5看出,研究區表層土壤SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO和P2O5含量分別為22.63%～91.50%、2.31%～21.26%、1.79%～15.90%、0.14%～5.82%、0.018%～0.400%、0.06%～30.18%、0.094%～1.520%、0.005 6%～1.170 0%和0.06%～0.87%。與中國土壤元素含量平均值比,SiO2、Fe2O3和P2O5分別高12.75百分點、2.22百分點和0.13百分點;與桂中土壤元素含量平均值比,SiO2、Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO和MnO分別高1.11百分點、1.25百分點、0.67百分點、0.014百分點、0.78百分點、0.04百分點和0.017百分點。從表6看出,研究區土壤Se含量與Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O和P2O5含量呈顯著正相關關系,相關系數分別為0.064、0.055、0.062、0.072和0.067;與S含量呈極顯著正相關關系,相關系數為0.543;與CaO含量呈顯著負相關關系,相關系數為—0.091;與N、Hg、As和Cu含量呈顯著正相關關系,相關系數分別為0.140、0.430、0.233和0.110。表明,研究區表層土壤中Se含量與各主微量元素含量存在密切關系。

2.5 地質背景對土壤硒含量的影響

2.5.1 不同土地利用類型對硒含量的影響 從表7看出,研究區內將土壤分為受人類活動影響和未受人類活動影響2類。受人類活動影響的水田、旱地、果園和水澆地土壤Se含量分別為1.27 mg/kg、1.27 mg/kg、1.55 mg/kg和1.52 mg/kg,未受人類活動影響的林地、草地、其他和空閑地分別為1.06 mg/kg、1.19 mg/kg、0.93 mg/kg和1.44 mg/kg。其中,受人類活動影響的土壤Se平均含量(1.41 mg/kg)較未受人類活動影響(1.06 mg/kg)高0.35 mg/kg,表明,在人類耕作影響下,土壤中各營養元素含量增加,抑制了作物對Se的吸收,從而提高土壤固定Se能力。

2.5.2 煤礦開采及運輸對硒含量的影響 由圖6可知,研究區內表層土壤Se含量整體呈礦區內高礦區外低的特點。土壤Se的高值區分布于礦區的西側發電廠周圍,主要呈點狀分布;礦區東南側的低值區表層土壤Se含量均大于1.15 mg/kg,高于富硒標準下限。說明,礦區內煤炭開采活動對表層土壤Se含量有一定影響,其中,表層土壤Se達硒中毒水平(Se>3 mg/kg)主要與煤炭人為搬運、堆積有關。

表5 研究區表層土壤主要元素的含量特征 Table 5 Content characteristics of major elements in topsoil of the research area

表7 不同用地類型土壤Se含量 Table 7 Se content of soils in different types of land use

圖6 研究區表層土壤的Se含量

2.6 外源輸入對土壤硒含量的影響

由圖7可知,根據最小二乘法線性擬合,分離出A、B、C 3條擬合線,判定研究區表層土壤Se具有2個不同來源組分,其中,A、B組分為自然背景輸入,受灰巖成土母質和含煤地層中成土母質的影響,拐點處的累計百分比達95%;C組分為外源輸入,累計百分比為5%。自然背景輸入累計百分比接近100%,說明,受外源輸入影響小;外源輸入占總體比例偏小,表明,研究區富Se土壤資源具有可持續開發利用潛力,但局部點位土壤Se含量明顯偏高,認為是煤礦開采、搬運等外源輸入導致。

圖7 研究區表層土壤Se含量的概率累計分布 Fig.7 Probability accumulative distribution of topsoil Se content in the research area

3 討論

4 結論

廣西典型煤系地層分布區表層土壤pH為6.04,呈弱酸性,有機質平均含量為1.56%,約為全國均值的4.5倍。Se平均含量為1.28 mg/kg,高于全國表層土壤Se平均值。不同地層Se含量為二疊系合山組(2.01 mg/kg)>三疊系馬腳嶺組(1.35 mg/kg)>三疊系北泗組(1.08 mg/kg)>二疊系茅口組(1.06 mg/kg)>三疊系板納組(0.78 mg/kg),呈含煤地層明顯高于其他地層的規律。土壤富Se樣品773件,占比達96.63%;Se中毒樣品27件,占比為3.37%。不同成土母質Se含量大致為煤層夾矸>灰巖>泥巖,其富集系數分別為6.44、2.49、1.26,分別為強富集、強富集和弱富集。研究區土壤Se資源豐富,其弱酸性土壤條件、豐富的有機質含量和煤礦資源為富硒土壤提供了物質基礎;土壤Se含量主要受自然背景影響,外源輸入影響較小,該區富Se土壤具有可持續開發潛力;局部地區土壤達Se中毒,主要與煤礦開采活動有關,需引起重視。