湖北省京山县钱场—新市地区土壤硒元素地球化学特征及分布规律研讨

杨 飞, 蒋之飞, 方 洁, 李 丽, 肖 霞, 范 玮

((湖北省地质局 第六地质大队,湖北 孝感 432100)

湖北省京山县钱场—新市地区土壤硒元素地球化学特征及分布规律研讨

杨 飞, 蒋之飞, 方 洁, 李 丽, 肖 霞, 范 玮

((湖北省地质局 第六地质大队,湖北 孝感 432100)

通过土地质量地球化学评价研究显示,京山县钱场—新市地区土壤富硒资源丰富,土壤中硒元素含量平均值为0.4 mg/kg,土壤硒元素含量变化范围为0.1～26.4 mg/kg,按照富硒土壤评价标准,研究区共圈定富硒土地面积47.78 km2,富硒区主要分布于新市镇水峡口村—五四村—高潮村一带及钱场镇七宝山村—刘岭村—方岭村一带。对土壤—岩石地球化学剖面研究分析,研究区土壤硒异常主要来源于成土母质,且岩石在成土过程中对Se元素有次生富集作用。研究区大宗农作物富硒状况良好,其中水稻、小麦富硒水平达到44.7%、100%。

土地质量;富硒土壤;湖北京山

地球表面土壤中硒元素的含量分布极不均匀,据不完全统计,全世界有42个国家或地区缺硒。就中国而言,有72%的地区属于缺硒或低硒地区,2/3的人口存在不同程度的硒摄入不足[1],总体是一个贫硒国家。随着经济社会的发展,人们生活质量的提高,富硒农产品作为新兴的保健产品逐渐得到市场青睐。天然富硒农产品的价格是同类农产品的几倍甚至十几倍,畅销海内外。

1 研究区概况

研究区位于湖北省京山县中南部,属荆门市京山县管辖(图1),包括钱场镇全镇(215 km2)和新市镇南部(105 km2)部分乡村。研究区处在大洪山与江汉平原的过渡地带,是大洪山进出江汉平原的重要门户。地理坐标:东经112°57′～113°15′,北纬30°47′～31°04′之间,东西最大横距26 km,南北最大纵距31 km。

研究区地势中部丘陵区高,两端低,海拔高程40～370 m,低矮起伏岗地分布较多。区内出露的地层主要为志留纪龙马溪组、罗惹坪组、纱帽群,二叠纪栖霞组、茅口组、大隆组、吴家坪组,三叠纪大冶组、嘉陵江组等。土壤大部分为水稻土、石灰土和黄棕壤,大约占整个评价区的80%～85%。农作物主要为水稻、小麦、玉米、油菜等。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of study area

2 样品采集与分析测试

2.1 样品采集

2.1.1 表层土壤样品采集

本次调查研究采样密度为在1∶25万多目标区域地球化学调查的富硒区域,按照8～10个样/km2采样,其他非富硒区按4～6个样/km2,全区共采集土壤样品1 725件,采样密度5.39件/km2。采样深度0～20 cm,样品重量约1 kg,野外采用便携式GPS测量各采样点坐标。土壤样品在晾干后,过20目尼龙筛加工后送至实验室分析测试。

2.1.2 农作物样品采集

根据1∶25万多目标区域地球化学调查成果,在富硒区域按1件/km2,非富硒区1件/10 km2的采样密度在全区进行大宗农作物样品采集。共采集水稻38件、玉米28件、小麦30件、油菜15件,采样质量>250 g。样品采集、切割、洗涤和保存等各环节严格按照《区域生态地球化学评价技术要求》执行。

2.2 分析测试

样品测试由具有地质实验测试甲级资质的湖北省地质实验测试中心完成,按照土地质量地球化学评价规范,土壤样品分析Se、pH等元素和指标30项,农作物样品分析Se、Zn、Cd等指标18项。其中Se元素含量采用原子荧光光谱法(AFS)测定,检出限0.01 mg/kg,分析检测报出率、精密度均达100%。

3 富硒土壤地球化学特征

3.1 表层土壤硒地球化学特征

土壤硒元素地球化学特征值列于表1,从该表可以看出,评价区硒元素含量平均值高于江汉平原平均值和中国土壤(A层)[2]中值。硒元素含量平均值是江汉平原平均值的1.33倍,是中国土壤(A层)中值的1.93倍。土壤硒元素含量变化范围为0.1～26.4 mg/kg,平均值为0.4 mg/kg。

3.1.1 不同成土母质硒元素特征

不同成土母质土壤硒元素地球化学特征值见表2。不同成土母质硒含量平均值在0.25～0.82 mg/kg之间,总体表现为土壤硒含量平均值二叠系>三叠系>寒武系=志留系=第四系。

3.1.2 不同土壤类型硒元素特征

不同土壤类型硒元素地球化学特征值见表3。不同土壤类型硒含量平均值在0.24～0.60 mg/kg之间,总体表现为棕色石灰土>板岩黄棕壤>石灰岩性泥田>石英砂岩黄棕壤>浅黄棕壤性第四纪粘土泥田>黄棕壤性板岩泥田>黄棕壤性第四纪粘土泥田>第四纪粘土黄棕壤。

表3 不同土壤类型硒元素地球化学特征值表(mg/kg)

3.1.3 不同土地利用硒元素特征

不同土地利用土壤硒元素地球化学特征值见表4。不同土地利用方式硒含量平均值变化范围为0.27～0.62 mg/kg之间,总体表现为林地>草地>水面>旱地=水浇地=果园>水田。

表4 不同土地利用土壤硒元素地球化学特征值表(mg/kg)

3.2 土壤硒的空间分布特征

3.2.1 富硒土壤划分标准

天然富硒一般是指富含硒的岩石(如黑色页岩、含煤岩系、基性火山岩等)在表生条件下形成的风化物源地或迁移至异地堆积下来,并经过成土作用形成的土壤。

富硒土壤的圈定主要取决于富硒土壤的划分标准①富硒土壤区根据李家熙等提出的富硒土壤划分方案,即土壤硒含量≥0.4 mg/kg为富硒。。谭见安[3]等提出,土壤中0.5×10-6

根据本区土壤硒的地球化学分布特征,参考江汉流域经济区农业地质调查分级标准,将区内土壤中的硒划分为五个区,其评价界限值分别为:缺乏区Se<0.125 mg/kg、稍缺区Se 0.125～0.175 mg/kg、适宜区Se 0.175～0.40 mg/kg、富足区Se 0.40～3.0 mg/kg、很丰区Se>3.0 mg/kg。

3.2.2 富硒土壤空间分布特征

根据上述划分标准,区内土壤硒以适宜为主(表5),面积179.51 km2,占评价区面积比例的73.68%。适宜区土壤母质及土壤类型均有分布,尤其在评价区基本农用地中分布广泛。

表5 土壤硒元素等级面积统计表

硒富足区主要分布于新市镇水峡口村—五四村—高潮村一带及钱场镇七宝山村—刘岭村—方岭村一带(图2)。

图2 研究区土壤Se等级图Fig.2 Grade map of selenium element in soil in study area

4 富硒土壤分布规律

4.1 富硒土壤成因

通过对比同点采集的岩石及土壤样品,研究导致硒异常形成原因。本次选择较有代表性的岩石—土壤综合剖面研究元素在平面上的分布特征。

对同点采集的土壤和岩石中硒元素含量进行对比(图3),根据评价区Se元素地球化学图特征,硒异常主要来源于成土母质,且岩石在成土过程中对Se元素有次生富集作用。根据土壤类型划分,异常主要形成于棕色石灰土中,根据测制的岩石地球化学剖面,Se元素在黑色硅质岩中的含量明显比其它岩石高,其地质背景主要为三叠系下统大冶组—嘉陵江组灰岩、白云岩及黑色硅质岩。

土壤垂向剖面测量结果(图4、图5)表明,各垂向剖面上Se含量的变化趋势较相似,即由上而下总体表现为不断下降的规律。前人研究[4-6]表明Se在表层土壤中富集显著,造成这一差异的原因可能与研究区的降雨量大、淋溶作用强有关。与水平剖面相似,在A水平剖面处的垂直土壤剖面Se含量最高,B剖面处的含量最低。

图3 岩石及土壤水平剖面硒元素含量对比图Fig.3 Contrast diagram of selenium content of horizontal profile of rock and soil

图4 A土壤垂直剖面特征Fig.4 Charactersitics of vertical profile of A soil

图5 B土壤垂直剖面特征Fig.5 Charactersitics of vertical profile of B soil

4.2 富硒土壤分布规律影响因素

土壤中的SiO2通常用来衡量土壤的淋溶程度,SiO2越高,土壤受淋溶的程度越高,更容易导致土壤中Se的流失,而土壤中的有机质则对土壤中的Se具有较强的吸附作用[7]。对比研究区土壤中Se-OrgC、Se-SiO2的相关性分析(图6),Se与OrgC呈现明显的正相关,相关系数为0.53,表明Se元素与有机质具有较强的相关性,而Se与SiO2呈现负相关关系,相关系数为0.38,表明土壤中Se元素含量随SiO2含量升高有降低的趋势。

图6 Se-OrgC、Se-SiO2的相关性分析Fig.6 Correlation analysis of Se-OrgC and Se-SiO2

通过对土壤Se-OrgC-SiO2的地球化学图研究发现(图7),Se主要高值区域,OrgC含量也较高,而SiO2在此区域则明显表现为低值。

图7 土壤Se-OrgC-SiO2的地球化学图Fig.7 Geochemical map of Se-OrgC-SiO2 in soil

5 农作物中Se等元素含量特征

5.1 农作物中Se元素含量分布特征

植物在Se循环生态链中占有十分重要的地位,是Se生态链上不可缺少的关键环节。植物是动物摄入Se的主要直接Se源。人体所摄入的Se,也主要是直接或间接来源于植物,人体Se水平决定于所食用的植物性或动物性食物的含Se量。

根据GB/T22499—2008富硒稻米标准,大米中Se含量>0.04 mg/kg,即称之为富硒大米。由于其他农作物富硒标准尚未统一,故研究区农作物按富硒大米标准评价农作物的富硒情况。通过农作物地球化学调查,经水稻、小麦等样品测试从中发现了天然富硒大米、富硒小麦优质特色农产品。其中小麦含硒量最高,其次为花生,全区农作物含硒量特征为小麦>花生>水稻>油菜>玉米(图8)。

图8 农作物硒元素含量平均值对比图Fig.8 Contrast diagram of average selenium content in crops

水稻有益元素Se最大值0.176 mg/kg,最小值0.024 mg/kg,平均含量较高,达0.046 mg/kg。在38件稻米样品中,有17件达到富硒稻米标准(≥0.04 mg/kg),占总样品数的44.7%,表明评价区富硒稻米存在性较高。小麦中Se元素最大值0.12 mg/kg,最小值0.04 mg/kg,平均含量达0.06 mg/kg,在30件小麦样品中Se含量均≥0.04 mg/kg,表明研究区小麦富硒状况良好。玉米中Se元素含量大部分未检出,在检出的3件样品中,最高值为0.058 mg/kg,最小值为0.023 mg/kg。油菜籽中Se元素含量平均值为0.043 mg/kg,变化范围为0.010～0.167 mg/kg,12件油菜样品中,4件达到富硒水平,占总样品数的33.3%。

目前食品生产所面临的主要问题之一就是食品安全问题,在追求营养丰富的同时,还要注意食品中有毒有害重金属元素的含量水平。参照《食品安全国家标准 食品中污染物限量》GB 2762—2012标准,除水稻中有1件Cd超标,油菜中有1件Cd超标外,其余农作物重金属元素含量总体较低,其安全性高。

5.2 农作物中Se元素富集特征

不同的农作物由于处于不同的生长环境和自身吸收能力,对土壤中同一元素表现出不同的生物富集性,表6列出了评价区不同农作物根系土和农作物中硒元素平均含量及生物富集系数。从该表看出,农作物根系土中,花生根系土硒元素含量最高,小麦根系土硒元素含量最低,其硒元素含量特征表现为:花生>水稻>油菜>玉米>小麦;农作物中,小麦硒元素含量最高,玉米硒元素含量最低,其特征为小麦>花生>水稻>油菜>玉米;在农作物生物富集系数中,小麦生物富集系数最大,富集能力最强,玉米生物富集系数最小,富集能力最弱,农作物生物富集能力表现为小麦>油菜>水稻>花生>玉米。

表6 农作物根系土和农作物中硒元素平均含量及生物富集系数表

6 结论

通过对该工作区的土地质量地球化学调查评价研究后,对区域内的土壤富硒元素的地球化学特征及分布规律有了一些初步的了解和认识。

(1) 在该区域内土壤中硒元素总体平均含量为0.4 mg/kg,是江汉平原平均值的1.33倍,是中国土壤(A层)中值的1.93倍。

(2) 按照富硒土壤评价标准,研究区共圈定富硒土地面积47.78 km2,其中硒很富足区面积1.92 km2,硒富足区土地面积45.86 km2,成土母质主要为三叠系残坡积风化土壤,土壤类型以棕色石灰土为主。

(3) 通过对土壤—岩石地球化学剖面研究分析,研究区土壤硒异常主要来源于成土母质,且岩石在成土过程中对Se元素有次生富集作用。

(4) 通过研究区农作物调查,大宗农作物中水稻有益元素Se最大值0.176 mg/kg,平均含量达0.046 mg/kg,在38件稻米样品中,17件达到富硒稻米标准(≥0.04 mg/kg),占总样品数的44.7%;小麦中Se元素最大值0.12 mg/kg,最小值0.04 mg/kg,平均含量达0.06 mg/kg,30件小麦样品中Se含量均≥0.04 mg/kg。表明研究区水稻及小麦等大宗农作物样品富硒状况良好。通过对农作物中重金属元素研究发现,研究区农作物安全性较高,适宜富硒农产品开发。

[1] 文邦勇,张涛亮.江西龙南地区富硒土壤资源调查与评价[J].中国地质,2014,41(1):256-263.

[2] 杨军,张德存,胡绍祥,等.湖北省江汉流域经济区多目标区域地球化学调查报告[R].武汉:湖北省地质调查院,2010.

[3] 谭见安,于维汉,李日邦,等.中华人民共和国地方病与环境图集[M].北京:科学出版社,1989.

[4] 余涛,杨忠芳,唐金荣,等.湖南洞庭湖区土壤酸化及其对土壤质量的影响[J].地学前缘,2006,13(1):98-104.

[5] 杨忠芳,余涛.湖南洞庭湖地区土壤酸化特征及机理研究[J].地学前缘,2006,13(1):105-112.

[6] 文帮勇,杨忠芳,侯青叶,等.鄱阳湖地区土壤酸化与人为源氮的关系[J].现代地质,2011,15(3):562-568.

[7] 严明书,龚媛媛,杨乐超.重庆土壤硒的地球化学特征及经济意义[J].物探与化探,2014,38(2):326-330.

(责任编辑：于继红)

Discussion on Geochemical Characteristics and Distribution Law of SoilSelenium Element in the South and Central of Jingshan,Hubei Province

YANG Fei, JIANG Zhifei, FANG Jie, LI Li, XIAO Xia, FAN Wei

(SixthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Xiaogan,Hubei432100)

The geochemical evaluation of land quality shows that in south and central Jingshan selenium-rich soil resources,soil selenium content in the average value is 0.4 mg/kg,soil selenium content range is 0.1～26.4 mg/kg,according to the evaluation standard of selenium-rich soil in the study area are delineated selenium-rich land area of 47.78 km2,selenium-rich area mainly distributed in Shuixiakou village,Wusi village and Gaochao village of Xinshi Town and Qi baoshan village,Liuling village,and Fangling village of Qianchang Town. Research and analysis of the soil and rock geochemical profile,soil selenium anomalies in the study area are derived mainly from soil parent material,in the process of soil and rock is secondary enrichment for Se element. Staple crops rich selenium in the study area is in good condition,including rice,wheat,rich selenium levels reached 44.7% and 100%.

land quality; selenium-rich soil; Jingshan city

2016-09-20;改回日期:2016-10-14

湖北省“金土地”工程——高标准基本农田地球化学调查,项目编号为HBJTD20150108。

杨飞(1986-),男,助理工程师,地球化学专业,从事地球化学勘查及农业地质工作。E-mail:526258176@qq.com

P595; X142

A

1671-1211(2016)06-0856-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.012

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161108.1512.002.html 数字出版日期:2016-11-08 15:12