天门市张港地区土壤—农作物富硒特征及应用研究

罗军强, 吴 颖, 张元培, 白 洋, 赵 辞

(湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056)

天门市张港地区土壤—农作物富硒特征及应用研究

罗军强, 吴 颖, 张元培, 白 洋, 赵 辞

(湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056)

为了充分发挥江汉平原富硒资源优势,促进地区富硒资源开发利用,天门市开展了土地质量地球化学评价工作,计划打造江汉平原富硒产业园。调查结果显示,天门市张港地区表层土壤Se平均含量为0.33 mg/kg,总体达到足硒水平,北部地区土壤达到富硒,且土壤中重金属元素含量处于安全水平。通过农作物调查研究发现天然富硒小麦、黄豆、油菜、玉米、花菜等优质农产品,其中小麦、黄豆、油菜的富硒率达100%。土壤中有效Se与总Se呈较好的正相关关系,总Se含量增大可增加有效量Se;与S、P之间为中等正相关。玉米、黄豆、花菜Se富集系数与K2O中等正相关,而与P呈负相关关系;小麦Se富集系数则与土壤P、K2O呈负相关关系,与土壤SiO2呈中等正相关。

富硒土壤;迁移;富集系数;天门市张港镇

元素硒(Se)是世界卫生组织(WHO)确定的人体必需微量元素[1],研究表明硒具有抗氧化、抗衰老、抗辐射、抗病毒、保护视力以及提高人体免疫力的功能,还能预防和抑制镉、砷、汞等有毒重金属元素对机体的伤害[2]。硒属于分散元素,其在大陆地壳中含量很低,且分布极不均匀。中国处于地球低硒带,全国72%国土面积存在不同程度的缺硒现象[3],约有1亿多人口的膳食结构中硒含量不足,造成人体低硒状态。天门市张港地区作为湖北省重要的商品粮基地,拥有丰富的土壤硒资源及特色农产品,因此,发展富硒产业的前景非常广阔。本文结合张港地区自然地理、生态环境、富硒土壤资源、特色农产品、农业产业结构等方面,系统地探讨富硒土壤的开发利用,为研究区富硒产业园开发提供依据。

1 研究区概况

研究区位于天门市西南角,汉江下游左岸,地理坐标东经112°46′00″～112°55′00″,北纬30°30′00″～30°40′00″。该区地处平原,地势开阔,河渠交织,滩涂凸起、堰塘错落;广布砂土型灰潮土和壤土型灰潮土;属于北亚热带季风气候,四季分明、日照充足,自然环境优越。全镇国土面积150 km2,其中耕地99.45 km2,水域21.29 km2,林地2.54 km2;全镇全部为旱地,以小麦、油菜、黄豆、花生、蔬菜种植为主,其中,花菜种植面积达46 km2,居全国第一,是著名的“花椰菜之乡”。

2 样品采集及分析测试

研究区系统采集了张港地区土壤表层、农作物及根系土、土壤垂直剖面等样品。其中表层土壤样为0～20 cm的耕作层土壤,垂直剖面样品为0～200 cm的土壤,按0～20 cm、20～50 cm、50～100 cm、100～150 cm、150～200 cm采集土壤样品。

农作物及根系土样品采集了小麦、油菜和黄豆、玉米、花菜等大面积种植作物。样品采集以代表性和合理性为原则,同时兼顾不同地理地貌类型或不同的土壤类型,同点采集根系土样品。共采集了56件农作物及根系土样品,农作物采样时间为收获盛期,在采样点地块内视不同情况以0.1～0.2 hm2为采样单元,在采样单元内选取5～20个植株,小麦样品采取麦穗;玉米采取第一穗(即离地面最近的一穗),采用多点法进行取样,籽粒样品经自然干燥后脱粒混匀,铺开后用方格法和四分法缩分,取样重量约为250 g;同时采集根系土样品,用木锹等量采集0～20 cm表层土壤,混合均匀后用四分法留取1 kg混合土样。样品经自然风干,剔除样品中石砾及植物残体等杂物,用木棍敲打、碾碎过20目尼龙筛装袋,送化验室分析测试。

样品分析由湖北省地质实验测试中心完成,质量控制按照中国地质调查局《地质矿产实验室测试质量管理规范(DZ0130—2006)》进行。土壤样品采用等离子体原子发射光谱法(ICP-MS)测定Cu、Zn、Cd、Pb含量,原子荧光光谱法(AFS)测定 As、Hg、Se含量,X射线荧光光谱法(XRF)测定Cr含量,离子电极法(ISE)测定土壤pH值。

生物样分析方法执行中国地质调查局《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD2005—03)、GB/T 5009系列标准等规范,采用ICP-OES、ICP-MS测定Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Pb、Fe、Mn、Ca、K、Mg、P、S、Cd含量,AFS测定 As、Hg、Se含量。所有测试结果都满足《生态地球化学评价样品分析技术要求》所规定分析方法的精密度和准确度要求。

3 土壤中Se及重金属元素含量特征

3.1 土壤Se元素含量特征

在研究区采集了781 件表层土壤样品进行分析统计,结果见表1。可以看出:研究区表层土壤pH值范围为6.71～8.83,总体偏碱性,利于农作物对Se的吸收富集[4-5]。研究区表层土壤Se含量均值为0.33 mg/kg,介于0.15～0.61 mg/kg,其含量适中,达到足硒水平[6],其中在研究区北部地区达到富硒水平。

表1 张港地区表层土壤Se元素参数统计表Table 1 Statistical table of Se element parameters in surface soil of Zhanggang area (N=781)

农田生态系统是自然、地质、地球化学作用和人类生产活动共同作用的产物,研究表明[7],本区土壤Se元素自然来源主要为汉江上游黑色岩系的冲积作用。土壤垂直剖面分析不同层次土壤的元素含量,针对Se元素异常分布区、所处土壤环境背景等地球化学特点及地貌形态,布置了11条剖面来进行剖析。本区地质背景均为第四系全新世汉水干流物源沉积区,成土母质均为冲积相,通过数据统计分析,将研究区深层土壤地球化学元素特征值列于表2。

对比江汉流域深层平均值,本区深层土壤(150～200 cm)Se元素明显富集,其比值>1.2。土壤垂向剖面测量结果显示(图1),各垂向剖面上Se含量的变化趋势较为相似,即由表层至深层均表现为逐步下降的规律,表明Se在表层土壤中富集显著,可能与研究区的碱性环境、弱淋溶作用以及土壤颗粒相关[8]。

表2 张港地区深层土壤Se元素参数统计表Table 2 Statistical table of Se element parameters in deep soil of Zhanggang area (N=11)

图1 张港地区土壤Se垂直剖面含量变化对比图Fig.1 Contrast diagram of soil Se vertical profile content change in Zhanggang area

3.2 土壤重金属元素含量特征

参照国家土壤环境质量标准(GBl5618—1995),旱地土壤在pH>6.5的碱性环境下,其起始污染下限取值分别为Hg 0.5 mg/kg、Cd 0.6 mg/kg、Pb 300 mg/kg、As 30 mg/kg、Cr 200 mg/kg。由表3可见,表层土壤中重金属元素的含量除Cd外,其他元素均未超标。变异系数的数据显示,5种重金属的变异系数都在15%～40%范围内,根据变异程度的划分,属于弱变异程度。

表3 张港地区表层土壤重金属元素参数统计表Table 3 Statistical table of heavy metal elements in surface soil of Zhanggang area (N=781)

采用单项污染指数法和最大指数法对研究区的土壤进行统计评价[9],区内土壤中Cr、Hg、Pb、Zn全部为一级;土壤中As、Cu、Ni均为一级和二级;土壤中Cd多为一级和二级,占耕地面积的97%以上,轻微污染面积仅0.77 km2,说明研究区表层土壤重金属元素的安全性高。

对比江汉流域深层平均值,本区深层土壤(150～200 cm)Cd、Hg元素明显富集,其比值均>1.2,总体看来,区内土壤基底与所处的扬子地台区大的母源地质环境基本一致。

相对于深层土壤,表层土壤中As、Cr、Pb基本处于本底状态,Cd、Hg元素则明显富集(表4),说明表层土壤在人类生产活动过程中Cd、Hg等元素含量呈现富集的趋势。

表4张港地区深层土壤重金属元素参数统计表

Table 4 Statistical table of heavy metal elements in deep soil of Zhanggang area

(N=11)

4 农作物中Se及重金属元素含量特征

4.1 农作物Se元素含量特征

研究区共采集生物样品56件,涉及张港地区主要可食性农产品,通过生物地球化学调查,发现了天然富硒小麦、大豆、油菜、玉米和蔬菜等优质特色农产品。按照国家标准GB/T 22499—2008富硒稻谷(粮食、豆类富硒食品限量值0.04 mg/kg)来衡量,小麦、黄豆、油菜样品均达到富硒水平,富硒率为100%;8件玉米样品有5件达到富硒水平,富硒率62.5%。另外在张港地区花菜种植区采集样品9件,参照湖北省地方标准《富有机硒食品硒含量要求(DB42/002—2014)》中的标准,即果蔬类≥0.20 mg/kg(干基)可标定为富有机硒蔬菜,通过数据分析可知,有7件样品达到富硒蔬菜的标准,富硒率77.7%。

从Se富集系数来看(表5),富集能力最强的农作物为油菜,是花菜的25倍,生物富集能力大小依次为油菜>小麦>黄豆>玉米>花椰菜。Se富集能力突出,为开发富硒农产品提供了较好的先决条件。

4.2 农作物中重金属元素含量特征

按照食品安全国家标准《GB2762—2012 食品中污染物限量》标准统计可知(表6),张港地区各类农作物均达到安全标准,农作物中重金属元素均未超标。

表5 农作物Se元素含量统计表Table 5 Statistical table of Se element content in crops

注:*花菜Se含量统计为湿基分析数据。

5 土壤—农作物中Se元素迁移规律

5.1 土壤Se形态分析

研究证明,Se在土壤中以硒酸盐(Se6+)、亚硒酸盐(Se4+)、元素硒、硒化物、有机态硒和气态硒等多种形式存在[10],其中亚硒酸盐、硒酸盐和有机态硒是植物主要的吸收形态。研究区表层土壤有效Se含量范围为0.010～0.032 mg/kg,约占土壤总Se含量的3.25%～9.34%,说明土壤有效Se在本区活性较强,相对来说更容易被植物所利用吸收。

通过土壤硒形态研究表明,本区土壤硒形态以有机态赋存状态为主。Se的水溶态的比率为4.09%,离子交换态为2.85%,可见其活化可浸出能力较强。另外,Se的腐殖酸结合态比率较高为16.05%,高于其他重金属元素,说明土壤Se的形态在一定条件下可转换为易利用形态。

表6 农作物重金属元素含量统计表(mg/kg)Table 6 Statistical table of content of heavy metal elements in crops

注:Cd、Hg单位为ng/g,其他为mg/kg。

5.2 土壤Se有效态分析

大量研究表明,Se的有效性除受形态影响之外,还与土壤质地、pH、Eh、阳离子交换量(CEC)、有机质、氧化物等因素有关[11]。对土壤有效Se与相关元素作相关性分析,结果表明(图2),表层土壤中有效Se与总Se有着较好的正相关性,说明有效Se含量随总Se含量增大而增加,这意味着土壤有效Se受土壤总Se的影响较为显著。

图2 张港地区土壤有效硒与总硒、S、P、pH关系图Fig.2 Relation diagram of soil available selenium and total selenium、S、Pand pH in Zhanggang area

5.3 农作物Se与土壤养分元素相关性分析

农作物Se对赋存于土壤中的Se的吸收程度取决于其有效性,不同农作物Se的富集系数受土壤中养分的影响也存在较大差异。据相关性分析,小麦、花菜Se富集系数与土壤中总Se呈中等负相关,黄豆Se富集系数与总Se为正相关关系,而油菜、玉米Se富集系数与土壤总Se的相关性并不明显。

N、P、K作为农作物必需的大量营养元素,一定程度上影响着农作物对Se的迁移转化。由图3可见,玉米、黄豆、花菜Se富集系数与K2O为中等正相关,而与P之间呈中等负相关,说明农作物生长过程中对钾元素的需求,也促使了作物对Se的吸收。小麦Se富集系数则与土壤P、K2O均呈负相关关系,与土壤SiO2呈中等正相关(r=0.573),说明小麦在SiO2高含量区更容易富集Se元素。N元素虽也是农作物必需的大量营养元素,但主要以有机态的形式存在土壤中,即有机质含量越高,被有机质固定的Se越多,可被农作物吸收的越少;另据相关性分析,黄豆、花菜Se富集系数与MgO中等正相关,玉米Se富集系数与TFe2O3中等正相关。

5.4 农作物Se与土壤pH值相关性分析

研究区土壤全部为中碱性土壤,可以看出,四种农作物对土壤pH的响应方式不同(图4),花菜、玉米和黄豆Se富集系数与土壤pH中等正相关;小麦的硒富集系数随着碱性增加呈不明显的下降趋势。

图3 农作物硒富集系数与土壤总Se、P、K2O关系图Fig.3 Relationship diagram of selenium enrichment coefficient of crops with total Se、P and K2O

图4 土壤酸碱度与农作物Se富集系数关系图Fig.4 Relation diagram of soil acidity and alkalinity and Se enrichment coefficient of crops

5.5 农作物Se与土壤CEC相关性分析

图5是小麦、水稻、黄豆、花菜四种农作物Se富集系数与土壤CEC含量的散点图。从图上可以看出,土壤阳离子交换量与黄豆、玉米Se的富集系数中等正相关,最大富集系数基本出现在土壤阳离子交换量15～20 cmol/kg之间。CEC与花菜则相关性不明显;小麦Se富集系数与阳离子交换量之间呈较明显的负相关关系,随着土壤阳离子交换量的增加而逐步下降。

图5 土壤CEC与农作物硒富集系数关系图Fig.5 Relationship diagram of soil CEC and selenium enrichment coefficient of crops

6 结论与建议

6.1 结论

(1) 调查数据显示,研究区表层、深层土壤酸碱度变化不大,均呈中碱性;表层土壤Se总体达到足硒水平,平均含量为0.33 mg/kg,北部地区达到富硒水平,具备了开发富硒农产品的贮量资源。对比江汉流域深层平均值,研究区深层土壤Se元素明显富集,比值为1.64,垂向剖面表明,由深层至表层土壤Se含量变化总体表现为逐步递增的趋势,在表层达到最高。

(2) 研究发现,张港地区小麦、黄豆、油菜样品均达到富硒水平,富硒率为100%;玉米样品富硒率62.5%,花菜样品富硒率达到77.7%。农作物中重金属元素含量总体较低,安全性极高。农作物中高Se低污染的特征为开发富Se农产品提供了较好的先决条件。

(3) 研究区表层土壤中有效Se与总Se有着较好的正相关性,说明有效Se含量随总Se含量增大而增加;与S、P之间呈中等正相关关系,与有机质、K、N等元素相关性不明显。小麦、花菜Se富集系数与土壤中总Se呈显著负相关,黄豆Se富集系数与总Se为正相关关系。玉米、黄豆、花菜Se富集系数与K2O中等正相关,小麦Se富集系数则与土壤P、K2O均呈负相关关系。由此可见,富硒农产品开发建设应选择土壤中硒、钾、镁、CEC较丰富地区,钙、磷、硫含量略低地区,可利于农作物对Se的富集。

6.2 建议

调查发现,张港地区可供利用的富硒土壤面积61.03 km2(Se>0.35 mg/kg),且基本无污染,农作物富硒率高,安全性高,特色农业优势明显,是一个优质安全的富硒地区。在本次研究成果的基础上,建议建设综合性富硒农产品种植区,各类富硒产品开发利用建议见表7。

表7 张港地区富硒土壤开发利用建议表Table 7 Suggestions on the development and utilization of selenium rich soil in Zhanggang area

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Selenium-rich Characteristics and Application Research ofSoil-Crop in Zhanggang Area

LUO Junqiang, WU Yin, ZHANG Yuanpei, BAI Yang, ZHAO Ci

(GeophysicalExplorationBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Wuhan,Hubei430056)

In order to give full play of advantages of rich selenium resources of Jianghan plain and promote the exploitation and utilization of selenium resources,the land quality geochemical evaluation was carried out in Tianmen city.It had a plan to build a rich selenium industrial park in Jianghan plain.The investigation result showed that the average content of soil selenium in Zhanggang area was 0.33mg/kg.The total reached the level of sufficient selenium.The soil in the northern region was rich in selenium and the content of heavy metals in the soil was at a safe level.Through crop investigation and research,the authors found the natural rich wheat,soybean,rapeseed,corn cauliflower and other high quality agricultural products.The selenium rate of wheat,soybean and rapeseed was 100%.There was a positive correlation between effective selenium and total selenium in soil.The increase of total selenium content can increase the effective amount of se.There was a moderate positive correlation between effective Se and S and P in soil.The concentration coefficient of maize,soybean and cauliflower Se was positively correlated with K2O and negatively correlated with P.The coefficient of wheat selenium enrichment was negatively correlated with soil P and K2O and moderately positive in soil SiO2.

selenium-rich soil; migration; enrichment coefficient; Zhanggang town of Tianmen City

S158

A

1671-1211(2017)06-0717-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.06.010

2017-08-21;改回日期2017-09-30

湖北省“金土地”工程——高标准基本农田地球化学调查项目(项目编码:JTD20140105,JTD20150102)。

罗军强(1972-),男,工程师,土木工程专业,从事地球化学找矿及农业地质调查工作。E-mail:512910263@qq.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171114.1047.006.html数字出版日期2017-11-14 10:47

于继红)