青陽縣土壤硒空間分布特征及富硒區土壤肥力質量評價

王文藝 ，管青松 ，儲茵 ，劉明學 ，朱江

（1.合肥經濟學院 人工智能學院，安徽 合肥 230061；2.涇縣畜牧獸醫水產服務中心，安徽 涇縣 242000；3.安徽農業大學 資源與環境學院，安徽 合肥 230036）

硒（Se）是與人體健康息息相關且必需的微量元素之一。硒在地殼中含量極少且在全球范圍內分布很不均勻，我國近3/4的國土為缺硒、低硒地區，且呈現東南部和西北部要高于中部地區的趨勢[1]。硒在醫學上不僅具有治療疾病的價值，而且還有防病強身之功效，缺硒會導致人體免疫機能下降，長期缺乏還會導致克山病和大骨節病等地方性疾病，但高量攝入硒又會使人或動物機體產生慢性中毒[2]。從土壤—植物—機體食物鏈中獲取硒元素是人類獲得這一重要元素的有效途徑，而食物中硒的含量又很大程度上依賴于土壤環境中硒的含量。為了給人類提供安全有效的富硒農產品[3-6]，也因為富硒農產品的高附加值可使農民收入增加并促進農村經濟的發展[7]，因而，關于富硒土壤的研究工作倍受各級政府和學界重視[8]。前人的調查研究表明，安徽省青陽縣有著非常豐富的富硒土壤[9]，具備開發富硒農產品的良好條件，但如何對富硒土壤進行分類管理、合理利用，使其能發揮出最大的經濟效益，是目前當地農業部門所面臨的重大問題[10]。同時，富硒土壤的肥力狀況直接影響到富硒作物的生長與產量，對經濟收益產生一定的影響，這也是富硒作物種植中一個不容忽視的問題[11]。Kriging插值法，又稱空間自協方差最佳插值法，通過考慮某種屬性在空間上的變異分布，確定對一個待插點值有影響的距離范圍，然后用此范圍內的采樣點來估計待插點的屬性值。其對于地下水模擬、土壤制圖等領域是一種可靠的科學分析方法。

筆者針對安徽省青陽縣土壤硒空間分布特征及富硒區土壤肥力質量開展評價研究，通過測量該縣土壤中硒元素含量并結合安徽省富硒土壤的分級標準，利用GIS中克里金（Kriging）插值技術，對青陽縣富硒土壤進行等級劃分和空間分布特征分析。并在此基礎上利用指數和法，對富硒土壤肥力水平進行評估，以期為當地富硒土壤的合理利用及富硒作物的生產開發提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

青陽縣位于安徽省池州市，地理坐標為北緯30°19′～30°51′，東經117°41′～118°05′，位于長江中下游南岸、皖南山區的北部，屬于亞熱帶季風濕潤氣候，夏熱冬涼、降水充沛，有丁橋鎮、新河鎮、酉華鄉、喬木鄉等12個鄉鎮。縣域內北部多為平原，南部多為山區，中間多為丘陵。水資源豐富，歷年平均地表水約18億m3，其中60%來自于降水。全縣現有耕地約2萬 hm2，農業種植以水稻、油料作物為主，以茶葉和中藥材等為主要經濟作物。由于該地區有著充沛的降水，能夠滿足農作物的灌溉要求，且春夏多霧，無霜期長，為各類作物生長提供了良好的條件。

1.2 研究方法

采集青陽縣耕層土壤，測定其硒含量，在此基礎上分析青陽縣土壤中硒含量的特點，并依據硒的分級方法對青陽縣土壤進行富硒土壤的分級劃分，利用GIS的克里金插值技術得到青陽縣各級富硒土壤在空間上的分布圖，同時利用指數和法，對青陽縣富硒土壤的肥力水平進行評價。

1.3 樣品采集與分析

根據青陽縣現有土地面積，于2021年8月在當地以20 hm2左右為采樣點的密度，0～20 cm為采樣深度，對當地各類耕作區域內的耕層土壤進行土壤樣品的采集。在全縣范圍內共采集911個樣點的土壤樣品，進行土壤全硒含量的測定；同時對篩選出的富硒土壤進行土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀養分含量的測定。

1.3.1 樣品采集與處理 每一個土壤樣本均來自選定區域的7個采樣點，一般依S形選定，每個點取土1 kg,將來自7個采樣點的約7 kg土壤樣品先進行機械混合，剔除石塊、植物殘渣等，然后采用4分法得到1 kg最終樣品裝袋貼標，通風背陽處自然風干。各項指標檢測前需要將風干的樣品進一步研磨篩分，得到粒徑小于0.15 mm和粒徑1 mm的樣品，裝入磨口瓶貼標備用。

1.3.2 測定項目及方法 土壤全硒含量測定時先稱取0.50 g的土壤樣品置于聚四氟乙烯坩堝中，先用少量水進行潤濕，然后依次加入5 mL的濃硝酸、2 mL高氯酸和2 mL氫氟酸，再加熱至發煙，由于硝酸揮發劇烈，需要適當補充，待整體基本蒸干后冷卻，然后再用15 mL的鹽酸浸取，轉移至25 mL比色管中并加入2 g/L Fe3+鹽溶液，用5 mol/L鹽酸定容。取適量的溶液，于沸水浴中加熱20～30 min，冷卻后用原子熒光光度計測定[12]。

有機質含量的測定依據GB 9834—1988 土壤有機質測定方法，全氮含量測定采用GB 7173—1987 半微量開氏法，堿解氮含量采用堿解擴散法[13]測定，有效磷含量的測定采用GB 7853—1987森林土壤有效磷測定方法，速效鉀含量的測定采用GB 7856—1987 森林土壤速效鉀測定方法。

1.4 數據分析

利用統計軟件SPSS對數據進行相關性分析，利用ArcGIS 10.8對數據處理生成含量與分級空間分布圖。采用單因子肥力法和指數和法對土壤進行肥力評價。

2 結果與分析

2.1 青陽縣富硒土壤硒含量特點與分布

青陽縣不同類型土壤中硒含量如圖1所示。

圖1 青陽縣不同類型土壤中硒含量Fig.1 Selenium content in different types of soil in Qingyang county

911個樣點土中，包括水稻土、沙壤、壤土、泥頁巖、花崗巖、花崗閃長巖等類型。由圖1可知，911個樣點中水稻土中硒含量在0.144～13.989 mg/kg，平均值為0.368 mg/kg，此平均值是安徽土壤背景值（0.234 mg/kg）的1.57倍，說明青陽縣水稻土中硒含量非常豐富。由圖1可知，不同類型土壤中硒含量差別很大，水稻土中硒含量遠高于沙壤等其他類型土壤。參考鄧軍等[14]對安徽省富硒土壤的研究，根據安徽省重點地區富硒土壤資源調查報告對富硒土壤的劃分標準（表1），將911個代表青陽縣土壤樣品中的硒含量進行分級劃分，結果如表2所示。

表1 安徽省富硒土壤分級標準Tab.1 Classification standard of selenium-rich soil in Anhui province

表2 青陽縣富硒土壤分級分析（N=911）Tab.2 Classification of selenium-rich soil in Qingyang county（N = 911）

由表1可知，安徽省的分級標準中土壤中硒含量＞0.29 mg/kg的土壤即為富硒土壤。由表2可知，在青陽縣全域范圍內采集的911個土壤樣品中，有337個樣品中硒含量大于0.35 mg/kg，為極豐富土壤；247個土壤硒含量在0.29～0.35 mg/kg，為豐富土壤。依采樣點范圍計，青陽縣有11 680 hm2土壤中硒含量達到豐富級別以上，約占當地土壤總面積的64%左右，說明當地的富硒土壤資源確實十分豐富，適于富硒農產品的開發。

在劃定各樣點硒含量的分級后，利用GIS克里金插值技術[15-18]，將各樣點硒含量依分級以不同的顏色，結合經緯度數據，在當地的行政區劃圖上，生成點位圖，得到了青陽縣土壤富硒情況分布圖（圖2）。

圖2 青陽縣地區富硒土壤分布Fig.2 Distribution of selenium rich soil in Qingyang county

依據克里金插值方法，將911個樣點所測的硒含量，分級別直接顯示在青陽縣區劃圖上，土壤中硒含量以6種顏色表示6個級別，直觀地顯示了硒在青陽縣土壤中的空間分布。從圖2可以明顯看出，青陽縣的富硒土壤主要分布在青陽縣的東北方向，呈現由東向西、由北向南遞減的現象。同時從圖中可以看出，在青陽縣的土壤中，硒含量大于3.0 mg/kg的極豐富富硒土壤和硒含量小于0.14 mg/kg的硒嚴重缺乏土壤都有分布，且差異較大。而＞0.29 mg/kg＜3.0 mg/kg的富硒土壤點位既有成片區域，也有相對分散區域，沒有規律可循。因此，如何利用富硒土壤，以達到最大經濟效益，是當地政府在進行富硒農業布局時，需要重點考慮的問題。

結合當地行政區劃可以看出，富硒土壤主要集中在青陽縣的丁橋鎮、新河鎮、喬木鄉南部、酉華鄉和楊田鎮東北部。蓉城鎮、九華鄉與朱備鎮交界區及陵陽南部有小范圍的點狀分布。這些地方可以進行富硒土壤的開發利用，但也要因地制宜，合理進行生產。如新河鎮土壤中富硒水平在全縣是最高的，平均值達到了0.55 mg/kg，是應當重點關注的富硒開發區域。新河鎮土地以往主要以水田為主，可以進行富硒水稻的種植開發，實際上可考慮其他高附加值的經濟作物的開發，如瓜果、藥材等。酉華鄉也是土壤中硒含量較高的鄉，最高值13.5 mg/kg就是出自該地區。當地四面環山，地處地質結構的“金三角”地區，礦產資源豐富，除了資源儲量大的優質石灰石資源外，還具有鉛、鋅、銻、銅等金屬資源[19]，所以，在進行富硒產品的開發時，既需要考慮土壤給作物帶來的硒含量超標的問題，同時由于當地礦產資源的開發，還應該考慮由此帶來的富硒土壤的環境質量問題[20]。合理的開發硒資源，避開環境質量問題，是這個富硒土壤鄉鎮在富硒農業產品開發時需要特別關注的問題。除了硒之外，土壤肥力也是農產品開發必須要關注的另一重要因素。

2.2 青陽縣富硒土壤肥力水平評價

土壤肥力是土壤物理化學和生物性質的綜合反映，肥力高低直接影響作物的生長以及農業生產的結構、布局和效益[21-22]。因此，研究土壤肥力水平，對富硒土壤進行適宜性評價，對富硒作物種植、富硒土壤改良特別是施肥方案的規劃和設計都十分重要[23-25]。

根據當地農業生產特點，選用了指數和法[26]，對青陽縣極豐富硒含量和豐富硒含量的土壤進行土壤肥力水平的評價。即以養分因子為主要參數來評價土壤的肥力。

其中，Ii是單項肥力指數，表征單項養分因子的肥力水平；Wi是單項肥力指標在綜合肥力指標中的權重。

通過公式（1）計算可得到土壤肥力綜合指數IFI值，將此值與肥力水平綜合指數劃分標準（表3）作比對，即可以對當地富硒土壤的肥力水平作出評判。

表3 土壤肥力綜合等級Tab.3 Comprehensive grade of soil fertility

根據當地土壤養分情況，選擇能夠代表肥力水平的有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀等養分指標作為評價因子[27]。分級標準采用全國第2次土壤普查養分分級評分標準并根據當地情況對養分的不同級別進行了分級賦值，如表4所示。

表4 全國第2次土壤普查養分分級評分標準和賦值Tab.4 Grading standards and scores of nutrients in the second National Soil Survey

2.2.1 青陽縣富硒土壤中單項養分肥力水平特點 從表2可以看出，青陽縣土壤中硒含量大于0.29 mg/kg的豐富和極豐富樣點的土壤樣品近600個。對這些樣品中的養分指標有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀進行含量測定，具體結果如表5所示。

表5 青陽縣富硒土壤養分狀況Tab.5 Nutrient status of selenium-rich soil in Qingyang county

由表5可知，青陽縣極豐富和豐富富硒土壤中各單項養分的含量在空間上都有一定的差異，但規律基本一致，即有效磷的空間差異最大，其次為速效鉀、堿解氮、有機質和全氮。進一步將其進行相關性分析，結果如圖3所示。

圖3 青陽縣富硒土壤養分相關性分析Fig.3 Soil nutrient correlation analyses of selenium rich soil in Qingyang county

將測定結果，按全國第二次土壤普查養分分級標準（表4）進行分級統計，得到極豐富富硒土壤和豐富富硒土壤中各養分指標在不同級別上的分布狀況（表6）。

表6 青陽縣土壤不同級別養分占比Tab.6 Statistics of soil nutrient distribution at different levels in Qingyang county %

由表6可知，硒極豐富和硒豐富土壤中的養分因子，在不同分級級別上占比不同。這種比例的差異，一方面是受現時耕作方式的影響，如有機質、全氮、堿解氮的含量基本處于一、二、三級上，主要是因為青陽縣種植的作物主要是水稻。長期的水稻田種植，使得土壤中有機質的積累增加，全氮也隨之上升。而為了增加水稻的產量，人為施用了大量化肥，使得表征有效氮的堿解氮含量也增加。另一方面也與當地的土壤類型和環境有關，如磷、鉀2個指標的含量基本上都處于三、四、五級，有的樣點含量甚至到了六級，這其中主要原因是當地土壤中鐵鋁離子對磷的固化，使磷的有效性降低；而皖南地區多雨的天氣加劇了鉀的淋溶，這種環境因素使土壤中磷鉀含量水平即使施肥，也難以達到高的級別。

從圖4可以看出，各單項因子的肥力水平差異，也可以比較出極豐富富硒土壤與豐富富硒土壤中各養分因子單項肥力的高低。具體而言，極豐富富硒土壤中的有機質、全氮的肥力水平高于豐富土壤，可能與極豐富富硒土壤中樣點中水田樣多有關；而經濟作物的樣點多，使豐富富硒土壤中磷和鉀肥力指數相對更高。然而作物的生長需要養分的均衡供給，所以，單因子的肥力高低不能說明土壤的肥力水平，需要對各個養分進行綜合性研究。

圖4 青陽縣富硒土壤單因子養分肥力水平Fig.4 Single factor nutrient fertility of selenium-rich soil in Qingyang county

2.2.2 指數和法下青陽縣富硒土壤肥力評價 采用SPSS軟件對富硒土壤進行分析，獲得各養分含量之間的相關性（表7）。

表7 各養分因子之間的相關性Tab.7 The correlation among each nutrient factor

根據各養分因子間的相關性（表7），求得各養分指標的相關系數均值和權重系數（表8）。

表8 各養分因子的相關系數均值和權重系數Tab.8 The average of correlation coefficients and weight coefficient of each nutrient factor

從表9可以看出，青陽縣極豐富富硒土壤的土壤養分綜合指數不到80，綜合肥力等級為4級，肥力水平偏低。豐富富硒土壤的養分綜合指數為80.80，綜合肥力等級為3級，肥力也僅為中等。由此說明，青陽縣富硒土壤中養分含量相對較低，肥力水平不高，雖然極豐富富硒土壤與豐富富硒土壤，根據劃分標準一個為較低，一個為中等，但二者綜合指數IFI相差僅0.83，肥力水平基本相當。而且從單因子肥力來看，其都存在著磷、鉀2種養分因子較低的問題，因此，要提高富硒土壤的肥力，如何合理增加土壤中磷、鉀的量是其關鍵。

3 結論與討論

本研究表明，在采集的911個土壤樣品中，其中有337個樣品硒含量大于0.35 mg/kg，為極豐富含硒土壤，占總樣品的36.99%；有247個樣品硒含量在0.29～0.35 mg/kg，為豐富含硒土壤，占總樣品的27%。僅依據硒元素而言，在青陽縣11 680 hm2土壤中，硒含量達到豐富級別以上土壤，約占土壤總面積的64%左右，說明當地的富硒土壤資源豐富。利用GIS克里金插值法推導出的青陽縣縣域內硒含量約2/3的值大于0.29 mg/kg，二者絕對偏差為7.04%，相對誤差為11%。由此表明，由GIS克里金插值法推導出來的硒數據可靠實用，可以在青陽縣縣域內土壤中廣泛應用。此前，也有研究者采用GIS方法研究了陜西省漢陰縣[28]、安徽省涇縣琴溪地區[29]土壤硒的分布，獲得了硒的分布特征與地質演變及地層的關系，更為重要的是發現了含硒量與土壤深度的關系，一般硒主要集中在20 cm深度的土壤中，隨著土壤深度的增加而遞減。本研究通過GIS方法可知青陽縣富硒土壤主要集中在東北方向，呈現出由東向西、由北向南遞減的現象，且硒富集土壤和硒嚴重缺乏土壤都有分布，富硒土壤主要分布在新河鎮、丁橋鎮、喬木鄉南部、酉華鄉、楊田鎮東北部。并在蓉城鎮、九華鄉與朱備鎮交界區、陵陽南部，有著小范圍的點狀分布。富硒土壤的肥力水平從大到小依次為丁橋、酉華、朱備、杜村、新河、木鎮、廟前、楊田、喬木、蓉城、陵陽，由指數和法得出青陽縣富硒土壤中的養分含量相對較低，肥力水平不高。

上述結果說明，青陽縣具備開發富硒農產品的良好條件。但必須進一步深入研究，比如需要確定有效硒、根系土全硒的含量[30]，研究不同農作物與土壤硒含量的相關性。如有研究者發現，玉米硒含量與根系土硒含量相關系數為0.788，小麥硒含量與根系土硒含量相關系數為0.612[31]。對于青陽縣，其水田主要種植水稻，山地農作物則較雜，可能為玉米、大豆或茶葉等，不僅需要考慮農作物硒含量與土壤硒含量的相關系數、農作物自身的聚硒能力，還需要考慮在提升土壤肥力時增加富含N、K、B等元素肥料，利用不同元素正交互效應，促進農作物如水稻對硒元素的吸收[32-33]。因此，建議地方政府和有關部門能夠利用好現有的自然資源，科學、合理地規劃富硒農產品的種植與開發，調整當地農業種植結構，高效培育天然富硒作物（如水稻、茶葉等）以及發展富硒產業，做到將資源優勢轉變為經濟優勢。同時兼顧到當地富硒土壤肥力水平不高的現狀，加強耕地質量保護和肥力提升工作，只有這樣才能夠更加合理和科學地推動當地富硒農業的進一步發展，為消費者提供更高品質的農產品。