湖北省恩施市表层土壤硒含量分布特征及其影响因素研究

2015-01-30杨良策李明龙杨廷安曹文胜

资源环境与工程 2015年6期

杨良策，李明龙，杨廷安，曹文胜

(湖北省地质局第二地质大队，湖北恩施 445000)

硒(Se)是人类和动物机体生长发育所必需的微量元素，硒有抗癌、增强人体免疫力、拮抗有害重金属等诸多作用［1］。无论是动植物还是人体，硒的主要来源是土壤［2］。

据调查，占中国国土面积72%的地区土壤中缺硒［3］。湖北省恩施市是目前全球唯一探明的沉积型独立硒矿床——渔塘坝硒矿床所在地［4］，是全球唯一获得“世界硒都”称号的城市［5］，恩施发展富硒农业具有得天独厚的硒资源优势。但目前恩施地区土壤硒含量的分布特征及其影响因素缺乏系统研究，因此笔者选取了恩施市新塘乡表层土壤作为研究对象，在前人对其他地区土壤硒含量影响因素研究的基础上，探讨了研究区表土硒含量的分布特征及其影响因素，为当地富硒土壤开发提供有力依据。

1 材料与方法

1．1 研究区概况

恩施市位于鄂西南山区，本次的研究区范围为恩施市新塘乡龚家坪、保水溪、前坪三村，面积约130 km2(图1)。该区地形分布以中低山为主，出露的地层时代较多，发育的土壤类型亦较多，土壤利用以旱地为主，是恩施较有代表性的地区之一。

图1 研究区地理位置Fig．1 Geographical position of the study area

研究区内共出露志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系五个地层单元。志留系仅出露纱帽组(图2)，发育页岩、粉砂岩;泥盆系的云台关组、黄家蹬组主要发育石英砂岩为主，写经寺组发育灰岩、泥灰岩等碳酸盐岩;石炭系出露大浦组和黄龙组，主要发育白云岩和灰岩;二叠系分布广泛，其中栖霞组、茅口组、下窑组主要发育灰岩、硅质灰岩;龙潭组为煤系地层，主要发育砂、泥岩夹煤线;孤峰组和大隆组为黑色岩系，发育炭质硅质岩、含炭硅质岩，其中孤峰组岩石平均含硒量84．12 mg/kg，是地壳硒克拉克值的1 682倍;三叠系主要出露大冶组地层，发育页岩及灰岩。

研究区发育的土壤类型有石灰土、黄棕壤和棕壤三个土类，石灰土有黄色石灰土和棕色石灰土两个亚类分布，黄棕壤有碳酸盐黄棕壤性土、石英质岩山地黄棕壤、泥质岩山地黄棕壤三个亚类分布，棕壤仅分布碳酸盐山地棕壤一个亚类(图2)。

图2 研究区地质背景和土壤分布Fig．2 Geological background and soil distribution in the study area

1．2 样品采集和处理

本研究的表层土壤样品均采集于旱地，避开人为污染地段，每平方千米采集4件样品。每件样品用梅花布点法多坑点采集0～20 cm表层土壤组合而成，共采集表层土壤样品522件。为了解垂向上土壤硒含量情况，在孤峰组、茅口组、大冶组三个地层分布区各布设土壤垂直剖面1条。所有采集的土壤样品置于室内通风阴凉处自然风干后，过20目筛。

1．3 样品分析方法

样品分析测试由国土资源部武汉岩矿测试中心完成。土壤全硒采用原子荧光分光光度法测定;土壤有机碳利用容量法测定;CaO利用电感耦合等离子全谱直读光谱法测定;pH值利用pH计测定。分析测试过程的质量控制严格执行相关规范［6-7］。

2 研究区表层土壤硒元素分布特征

研究区表层土壤硒及相关元素含量统计值详见表1。可以看出，该区表土硒含量最高值达23．74 mg/kg，且硒含量均值为全国土壤硒含量均值的7．2倍，为1．49 mg/kg，远高于0．4 mg/kg 的富硒土壤标准;但由于研究区降水较多，土壤CaO淋失严重，仅为全国平均含量的0．38倍;研究区的土壤pH值也较全国水平稍低，酸化较严重。

表1 新塘乡工作区表层土壤元素统计值表Table 1 Element statistics of surface soil in Xintang township

2．1 各母质区表层土壤硒含量特征

研究区不同地层单元表层土壤硒含量统计结果详见表2。显而易见，五个地层分布区表层土壤硒含量均值从低到高依次为志留区、石炭区、泥盆区、二叠区、三叠区。但即使表层土壤硒含量均值最低的志留区，也已超过0．40 mg/kg的富硒土壤标准。需要说明的是，研究区三叠系地层区表层土壤的硒含量最高，三叠系分布局限，且周边均为二叠系黑色岩系分布(图2所示)，不排除有紧邻其南部且海拔较高的孤峰组黑色岩系的贡献。

表2 研究区不同地层分布区表层土壤硒含量特征Table 2 Selenium content of surface soil of different stratigraphic regions in the study area

2．2 各土壤类型分布区的表层土壤硒含量特征

研究区不同土壤类型区采集的表层土壤样品中Se含量统计结果详见表3。研究区各土壤类型分布区表层土壤Se含量均值由低到高依次为碳酸盐山地棕壤、碳酸盐黄棕壤性土、石英质岩山地黄棕壤、黄色石灰土、泥质岩山地黄棕壤、棕色石灰土。

3 研究区内影响表层土壤硒含量分布的因素探讨

土壤硒含量受母岩、地形地貌、pH值等多种因素影响，每种因素的影响程度却因地而异［9-10］。笔者在前人对其他地区土壤硒含量影响因素研究的基础上，对研究区各种因素进行分析，认为地质背景对表层土壤硒含量具有控制作用，地形地貌、土壤有机碳含量、CaO含量对表土硒含量影响也较大。

表3 研究区不同土壤类型区土壤硒含量特征Table 3 Selenium content of different soil types in the study area

3．1 地质背景对表层土壤硒含量的控制作用

恩施地区硒的富集与广泛发育的黑色岩系有关，是原始还原沉积条件下有机质携带大量硒沉积所致。该区基本以中高山地为主，母质风化物搬运距离较近，坡积和残坡积土壤分布广泛，更多地继承了母岩的元素地球化学特征。研究区含炭最高的二叠系孤峰组岩石中硒含量极高［4，11-12］，因而在二叠系孤峰组出露区以及邻近的三叠系地层分布区表土硒含量均值高达1．96 mg/kg，而距其最远的志留系分布区(图2)，表土硒含量均值最低，仅0．43 mg/kg，说明地质背景对表层土壤中的硒含量分布具有控制作用。

不同地层分布区垂向上土壤硒含量的分布也存在差异。孤峰组分布区土壤硒含量从深层到表层有减小趋势(表4)，这与碳或有机碳质的垂向变化趋势相同，表现为深部富集，这是因孤峰组黑色岩系中碳或有机碳含量较高，有机碳和硒含量向上渐变减小，表明该区土壤对母岩有继承性;而茅口组和大冶组地层区土壤硒含量从深层到表层总体有增大的趋势，表现为表层富集，这种特征存在两种可能:一种是表层土壤因为生物活动而富集有机碳，对硒有富集作用［13］;另一种则是这两个地层区硒含量垂向上向深部的渐变趋势体现为表层土壤不存在与深部成土母质的继承性，反映为地质背景对土壤硒分布有控制作用。此外，研究区三叠系地层区表层土壤的硒量仅次于二叠系孤峰组，然而和二叠系孤峰组分布截然不同，其至深部接近于母质层时硒量迅速降低，这种硒的表层富集特征似与深部三叠系母质关系不大，而最大的可能是与紧邻海拔较高的孤峰组黑色岩系的风化物随地势的机械搬运有关。

研究区不同土壤类型分布区的表土硒含量也存在较大差异。但研究表明，该区土壤类型分布是受到成土母岩和地形因素共同作用的结果，其中棕色石灰土主要分布于海拔700～800 m的二叠系和三叠系碳酸盐岩出露区;黄色石灰土主要为海拔800～1 000 m的二叠系碳酸盐岩;泥质岩山地黄棕壤主要为海拔800～1 400 m的二叠系碎屑岩出露区;石英质岩山地黄棕壤主要为海拔900～1 500 m的硅质岩出露区;碳酸盐黄棕壤性土主要为800～1 500 m的石炭系出露区;碳酸盐山地棕壤主要为1 500 m以上的石炭系碳酸盐岩出露区(图2)。硒含量较高的黄色石灰土、泥质岩山地黄棕壤、棕色石灰土分布区与含炭硅质岩系的分布区是吻合的。

表4 不同地层分布区土壤垂向硒元素含量值Table 4 Vertical distribution of selenium content in different stratigraphic regions

因此，地质背景是控制研究区表层土壤硒含量分布的决定性因素，地形地貌及土壤有机质含量对表土硒含量分布也有较大影响。

3．2 研究区表层土壤有机碳含量与硒含量的相关性

土壤有机碳是指通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体的合称，有研究者认为土壤有机碳与硒含量呈现正相关性。

(1)不同地层单元区表层土壤有机碳含量与硒含量的关系。研究区所有样品的OrgC与硒含量的相关系数为0．24，总体相关性较差，但不同地层分布区内的表层土壤样品两者的相关性较好(图3)，这也再次证明地质背景对表土硒含量的分布起主导作用。

研究区OrgC与硒含量相关性最好的是志留系地层区，相关系数分别为0．8，呈高度正相关;次为石炭系、三叠系和泥盆系地层区，两者相关系数分别为0．75、0．63 和0．59，中度正相关，然而值得注意的是上述层区并非高硒量区，如研究区志留系区是距二叠系偏远的地层单元，且成土母质均为碎屑岩的背景下，有机碳与硒含量相关性高度相关说明成土母岩对土壤硒元素贡献很小的情况下，表层有机碳对硒的吸附作用变得十分明显;而二叠系高硒量地层区土壤中两者相关系数为0．43，呈低度相关，这表明二叠系高硒分布尚受其它因素影响，如原始含炭沉积对硒富集的控制。

图3 研究区不同地层分布区土壤OrgC与硒含量的相关关系Fig．3 Correlation of organic carbon and selenium content in different stratigraphic regions of the study area

(2)不同土壤类型区表层土壤有机碳含量与硒含量的关系。研究区不同土壤类型区的表层土壤OrgC与硒含量相关性也存在较大差异，相关性较好的是黄色石灰土、碳酸盐山地棕壤、棕色石灰土，相关系数分别是 0．74、0．65、0．64;泥质岩山地黄棕壤相关系数为0．43，碳酸盐黄棕壤性土的相关系数是0．3，石英质岩山地黄棕壤相关系数最低为0．17。总体上都呈现正相关性(图4)，但不同土壤类型区土壤OrgC与硒含量的相关系数较不同地层分布区略差，也体现出地质背景对土壤硒含量的影响更大。

图4 研究区不同土壤类型区OrgC与硒含量的相关关系Fig．4 Correlation of organic carbon and selenium content of different soil types in the study area

3．3 研究区表层土壤CaO与硒含量的相关性

本次研究还发现表层土壤CaO与硒含量存在正相关关系，泥盆系两者相关系数为0．46，石炭系为0．33，三叠系为 0．31(图5)。研究区土壤均值 5．58 呈酸性，硒元素主要以亚硒酸盐(SeO2-3)形式存在，与吸附质间的亲和力较强，CaO与硒含量的正相关性可能与SeO2-3易受到CaO的固定有关。

3．4 研究区表层土壤pH值与硒含量的相关性

有报道称，土壤pH值对土壤硒含量影响很大，浙江金华富硒地区酸性旱地土壤的pH与硒含量呈显著负相关，这是由于随着pH值升高，SeO2-3转化为SeO2-4后溶解度增大。但研究区全部样品pH值与硒含量的相关系数为 0．17，石炭系为 0．22，泥盆系为0．24，二叠系为 0．13，志留系为 0．18，三叠系为0．26，所有相关系数均＜0．3，pH值与硒含量没有明显关系。究其原因，金华地区成土母质类型主要为中更新世洪冲积物，土壤均一化程度较高，各母岩区土壤硒含量变化范围也小(硒含量均值0．37～0．48 mg/kg)，pH 值对硒含量的影响相对较大;而恩施地区母岩复杂，pH值和硒含量主要受成土母质和地形条件的影响［14］(表2、表3)，土壤硒含量极不均匀(各地层区表土硒含量均值0．43～1．96 mg/kg)，pH值对其影响相对就较小，两者相关性就不明显了。