广东省揭西县土壤硒的分布特征及影响因素研究①

王秋爽，罗 杰，蔡立梅,3*，穆桂珍，王涵植，蒋慧豪，王 硕，何明皇



广东省揭西县土壤硒的分布特征及影响因素研究①

王秋爽1,2，罗 杰1，蔡立梅1,2,3*，穆桂珍1，王涵植1,2，蒋慧豪1,2，王 硕1,2，何明皇1

(1 长江大学资源与环境学院，武汉 430100；2 长江大学国际水生态研究院，武汉 430100；3 中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室，广州 510640)

以揭西县土壤为研究对象，系统采集了332个表层土壤样品(0 ~ 20 cm)和86个深层土壤样品(> 150 cm)。运用Pearson相关分析、回归分析、地统计分析和GIS技术相结合的方法研究了揭西县土壤中全硒的分布特征和影响因素。结果表明，揭西县土壤全硒含量变幅为0.16 ~ 1.61 mg/kg，平均值为0.53 mg/kg，总体上以富硒土壤为主，不存在硒不足和硒过剩土壤。不同成土母质中，凝灰岩、花岗岩和页岩发育的土壤全硒含量较高，砂岩发育的土壤全硒含量较低。不同土地利用方式中，未利用地土壤全硒含量最高，其次是农用耕地，建设用地土壤全硒含量最低。Pearson相关分析和回归分析表明，土壤全硒含量与pH呈极显著负相关关系，与铁铝氧化物含量、有机碳含量及海拔高度呈极显著正相关关系。影响揭西县土壤全硒含量的主要因素是成土母质、土壤pH、有机碳、铁铝含量、海拔以及土地利用方式。

揭西县；土壤全硒；分布特征；影响因素

硒(Se)是人体和动物必需的营养元素之一[1-3]。硒元素主要存在于土壤中，植物吸收以后，以食物的形式进入人体，对人体产生作用。适量的硒元素能够提高人体免疫机能，防治心血管疾病、胃病，具有分解酒精、抗氧化延缓衰老、提高视力等功能，并且享有“天然解毒剂”的美名[4-6]。有研究表明硒元素过多和过少都会引发疾病[7]。低硒容易引起地球化学疾病，如低硒是诱发白肌病、克山病、大骨节病等多发病的基本因素[7-9]。硒元素又具有毒性，摄入过多或者摄入时间过长，会导致急性或慢性中毒[10-11]。近年来，随着居民生活质量提高，硒元素的营养保健作用逐渐受到人们的重视，并且天然富硒农产品具有安全、科学、有效的特性，因此富硒农产品开发具有较好的前景和重要的经济意义[12-13]。揭西县是广东省唯一的小麦生产基地、国家商品粮建设县和特色农产品生产基地。《揭西县国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要(草案)》指出发展特色农业，全力打造生态揭西的新布局[14]。因此探究揭西县土壤全硒含量的分布状况及影响因素对当地居民健康以及农业发展具有重要意义。然而至今，有关揭西县土壤中硒含量的分布状况及影响因素鲜见报道。因此本文借助揭西县农业地质与生态地球化学调查结果，对揭西县土壤中全硒的含量、分布特征及其影响因素进行系统研究，结果可为该地区富硒资源的合理开发及保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

揭西县(115°36′ ~ 116°11′E，23°18′~ 23°41′N)位于广东省揭阳市西北部，面积为1 365 km2, 辖1个街道办事处、15个镇、6个林场，属亚热带季风气候，年均温21.1 ℃，年均降水量1 708.1 mm。该县地处莲花山支脉大北山南麓，主要有第四系、白垩系、侏罗系、三叠系四大地层。第四系主要分布在东南部的榕江南河附近，主要为桂洲群大湾镇组地层，岩性为砂岩、粉砂岩；白垩系主要分布在北部山地(李望嶂附近)，西部和南部有少量分布，区内凝灰质砾岩、砂岩、凝灰岩分布广泛，有少量侵入岩出露；侏罗系主要分布在北部的李望嶂、笨箕石、北山嶂附近，西部的峰仔岩凸、癞疴凸附近，南部的大庙山、牛头马面凸附近，中部的龙湖山附近，岩性主要为凝灰质页岩、泥岩、砾岩和少量侵入岩；三叠系主要分布在乌鹰岽附近，岩性主要为砂岩。研究区地貌类型主要有平原、丘陵和山地，土壤以水稻土、赤红壤、黄壤为主。揭西县农用地面积占土地总面积的84.07%，主要种植水稻、小麦，盛产乒乓果、橄榄、荔枝、龙眼、弥胡桃、擂茶、冬瓜等特色农产品。

1.2 样品采集与分析

根据中国地质调查局《土地质量地球化学评估技术要求(试行)》(DD2008-06) 的相关要求，结合揭西县的地形地貌、土壤类型、土地利用方式等因素采集了表层土壤样和深层土壤样。表层土壤样品采样密度为每km2一个点，采样深度为0 ~ 20 cm，在采样方格中，一个样品由主采样点周围100 m范围内3 ~ 5处多点采集组合，每4 km2一个点组合分析；深层土壤样品采样密度为每4 km2一个点，采样深度达到150 cm以下，每16 km2一个点组合分析。共采集332个表层组合样、86个深层组合样。在农业区，采样点布置在农田、菜地、林(果)地、草地及山地丘陵土层较厚地带等；在城镇区，采样点布置在公园、林地以及其他空旷地带等堆积历史较长的土壤，避开近期搬运的堆积土和垃圾土。表层土样采样点位置离开主干公路、铁路100 m以外，避开施肥期。深层土样采样位置偶尔布置在人工揭露剖面上，采样时去除剖面表土。弃去动、植物残留体、砾石、肥料团块等杂物后，混匀收集约1 000 g土样。样品带回实验室，风干，磨碎，过20目尼龙筛，按要求将500 g分析样装瓶备用。

该研究区土壤样品分析由广东省物料实验检测中心承担，并严格按照《多目标区域地球化学调查规范》(DD2005-01)进行。氢氟酸–硝酸分解样品，高氯酸冒烟，盐酸溶解并入铁盐，硼氢化钾还原，原子荧光光谱法测定硒元素的含量，方法检出限为0.004 mg/kg；粉末压片(称样量4 g、硼酸镶边垫底)，X射线荧光光谱法(XRF)直接测定Fe2O3、Al2O3和Mn的含量，方法检出限分别为0.02%(质量分数)、0.05%(质量分数)、4 mg/kg；硫酸、重铬酸钾氧化分解，硫酸亚铁铵滴定测定土样的有机碳含量，方法检出限为0.09%(质量分数)；称取10 g土样，加25 ml蒸馏水，搅拌1 min，静置30 min，离子选择电极测定土壤pH，方法检出限为0.1。以国家一级土壤标准物质控制精密度和准确度，以空白样和重复样分析实验误差。经检验，所有样品报出率为100%，精密度和准确度合格率均为100%，重复性检验合格率为100%，符合《多目标区域地球化学调查规范》(DD2005-01)要求，分析数据可靠准确。

1.3 数据处理

描述性统计、Pearson相关分析和回归分析等借助Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0完成；半方差分析、空间分布图分别运用GS+、ArcGIS 10.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 土壤硒含量特征

揭西县表层土壤中全硒含量的变化范围为0.16 ~ 1.61 mg/kg，平均含量为0.53 mg/kg。与我国其他地区表层土壤全硒含量(表1)相比，该县表层土壤全硒含量平均值与章丘地区[15]富硒土壤研究结果较为接近，高于三峡库区克山病区[16]和西藏大骨节病区[17]，低于恩施市[18]、紫阳县[19]硒毒区，与全国[20]和全球[21]土壤硒含量均值相比，分别是我国和全球土壤硒的1.8倍和1.3倍。根据谭见安[8]对我国硒元素生态景观安全阈值的划分(表2)可知，研究区表层土壤大部分属于富硒土壤范畴，不存在硒不足和硒过剩土壤，其中，富硒土壤占82%，足硒土壤占18%。借助半方差分析和普通克里金插值得到揭西县表层土壤全硒空间分布图(图1)，由图1可以看出，表层富硒土壤主要集中在揭西地区中部和北部(良田乡、大洋乡、五经富镇等)，而在南部部分地区(上砂镇、河婆街道办事处、揭西县城区、灰寨镇、塔头镇、凤江镇、棉湖镇等)土壤硒含量在0.4 mg/kg以下，可以考虑适当给当地农作物补充外源硒，以提高当地居民身体健康质量。

表1 揭西县及其他地区土壤硒含量

表2 表层土壤硒丰缺划分界限值

2.2 土壤硒的富集特征

表层土壤硒的富集程度可用富集系数()来表示，即：

其中，每4 km2的表层土壤样和其所处的16 km2单元格深层土壤样相对应。分别以1.0≤k < 1.5、1.5 ≤ k< 2.0和k≥ 2.0作为土壤硒弱富集、中富集和强富集3个标准的划分依据[22]。揭西县表层土壤硒的富集系数平均值为1.46，变化范围为0.09 ~ 10.06，标准离差为1.25，变异系数达86%，属于中等变异。富集系数均值属于弱富集，表明揭西县表层土壤硒的富集程度相对较低，中等变异反映了不同区域富集程度差异较大。其中弱富集、中等富集和强富集区面积分别占揭西县总面积的24%、11%、22%。图2中强富集区(k ≥ 2.0)主要分布在侏罗系凝灰岩、花岗岩、页岩和白垩系凝灰岩、花岗岩为母质的土壤区。

Fig. 1 Spatial distribution of total selenium content in topsoil in Jiexi County

图2 揭西县表层土壤全硒富集系数分布图

2.3 土壤硒含量的影响因素

2.3.1 成土母质 土壤中的硒主要受成土母质的影响[23]。图3为揭西县深层土壤全硒的空间分布图，从图1和图3可以看出，表层土壤和深层土壤中全硒的空间分布较为吻合，而且表层土壤全硒含量与深层土壤(相当于成土母质层)全硒含量呈极显著的正相关关系(= 0.603，< 0.01)，表明成土母质对表层土壤硒含量影响较大。不同成土母质发育的表层土壤硒含量具有差异性(表3)，这与刘晓波等[24]在四川省屏山县关于土壤硒含量影响因素的研究一致。除第四系砂岩发育的土壤全硒含量低于0.40 mg/kg外，其余母质发育的土壤全硒含量都高于富硒土壤临界值0.40 mg/kg。不同母质发育的土壤全硒含量由高到低的顺序为：侏罗系凝灰岩(0.73 mg/kg)> 白垩系花岗岩(0.65 mg/kg)> 白垩系凝灰岩(0.63 mg/kg)> 侏罗系页岩(0.53 mg/kg)> 侏罗系花岗岩(0.50 mg/kg)> 三叠系砂岩(0.46 mg/kg)> 第四系砂岩(0.36 mg/kg)，可见凝灰岩、花岗岩和页岩发育的土壤硒含量较高。其原因可能是在火山岩区(凝灰岩和花岗岩为主)，各类金属硫化物和金属矿床分布广泛，而硒和硫有相似的地球化学性质，两者易形成类质同像存在于硫化物矿物中，使得火山岩区硒的含量较高[25]。在侏罗系黑色页岩分布区由于富含泥质、碳质和有机质，会增强对硒的吸附作用从而使硒含量增加。第四系和三叠系砂岩发育的土壤硒含量较低，可能是因为砂岩的结构和孔隙都不利于富硒环境的形成。本研究区域地质背景复杂，使得研究区不同成土母质发育的土壤中硒含量具有差异性。

图3 揭西县深层土壤全硒空间分布图

表3 揭西县不同类型成土母质发育土壤全硒含量

2.3.2 土壤理化性质 通过对表层土壤全硒含量与Fe2O3、Al2O3、pH、SOC进行回归分析，得到图4，并且运用Pearson相关分析得出土壤全硒含量与土壤理化性质和组分之间的相关性。结果表明，揭西县表层土壤全硒含量与Fe2O3(图4A)、Al2O3(图4B)有极显著正相关关系，相关系数分别为= 0.468(< 0.01)和= 0.360 (< 0.01)，可能由于铁铝氧化物对硒具有吸附作用，但是Fe2O3与硒的相关性高于Al2O3，这是由于铁铝氧化物对硒的亲和力和吸附能力不同引起。同时，pH会影响铁铝氧化物对硒的吸附，最大吸附量在pH = 4 ~ 6之间[20]。另一方面，经过盐基离子淋失后的Fe和Al会相对富集[24]，这些因素促使该区域形成了富硒的环境。

图4C表明有机碳与硒存在极显著正相关性，相关系数为= 0.456(< 0.01)。以往的研究也发现有机碳与土壤全硒含量存在相关性[26]，主要是因为土壤有机质对硒有强烈的吸附和固定作用。图4D表明揭西县表层土壤酸碱度与全硒含量存在极显著负相关，相关系数为= – 0.593(< 0.01)。土壤中Se的主要存在形式有元素硒、有机硒、硒化物、亚硒酸盐和硒酸盐等，pH是控制亚硒酸盐和硒酸盐转化的主要因素[27]，硒在酸性和中性(pH = 4 ~ 8)条件下主要以亚硒酸盐的形式存在，迁移淋溶作用较弱；在碱性条件下主要以硒酸盐形式存在，容易迁移，且被植物吸收利用[26, 28-30]。因此有机碳对硒的吸附作用和大面积酸性土壤是揭西县土壤中硒累积的重要因素。

2.3.3 海拔 海拔是影响土壤中硒含量的重要因素[31]。Pearson相关分析表明，海拔高度与表层土壤全硒含量呈极显著正相关关系(= 0.505，< 0.01)，海拔高度的变化对表层土壤全硒含量的影响较大。这与罗友进等[16]、商靖敏等[32]、Yu等[33]关于土壤硒与海拔关系的研究结果一致。表4为不同海拔高度(0 ~ 200、200 ~ 400、400 ~ 600、600 ~ 800、800 ~ 1 000 m)全硒含量的变化情况，可以看出随着海拔升高土壤硒含量逐渐增大。其原因是海拔主要通过气温对有机质产生作用，从而影响土壤全硒含量。在低海拔区，气温较高，加快了有机质的分解速率，在分解过程中会将自身固定和吸附的部分硒释放出来，同时分解产生的中间产物也可能促进硒的活化，使得表层土壤中硒淋溶和植物吸收速率增加[34]，进而导致土壤中全硒含量较低。

图4 揭西地区表层土壤硒含量与Fe2O3 (A)、Al2O3 (B)、SOC (C)、pH (D)的相关性

表4 揭西县不同海拔高度发育土壤的全硒含量

2.3.4 土地利用方式 土地利用方式对土壤中全硒含量的影响是综合作用的结果[32, 35-37]，主要是改变土壤性质和土地生产力，进而影响土壤中全硒的含量。本研究根据揭西县土地利用方式的特点，将揭西县土地利用方式分为三类：未利用地、农耕用地、建设用地。并且分别统计了3种土地利用方式中全硒的含量(表5)，其中未利用地土壤全硒含量平均值最高，为0.56 mg/kg；农耕用地土壤全硒含量均值次之；建设用地的全硒含量平均值最低，为0.46 mg/kg。这可能是因为在未利用地中，硒被土壤有机质吸附，不断在土壤表层累积，输入量大于输出量，导致硒含量较高。在农耕用地中，农作物持续从土壤吸收硒元素，如果常规的施肥不能充分地补充硒元素，会使土壤中硒含量减少，而且长期的耕作改变了土壤的质地和结构，降低了土壤保肥、供肥能力，也会使土壤中部分硒元素流失。对于建设用地，土壤中硒含量大小的影响因素较为复杂，有待进一步研究。

表5 揭西县不同土地利用类型土壤硒含量

3 结论

研究结果表明揭西县土壤总体上属于富硒土壤。不同成土母质中，白垩系凝灰岩、花岗岩和侏罗系凝灰岩、花岗岩、页岩为母质发育的土壤中全硒含量较高，第四系砂岩和三叠系砂岩为母质发育的土壤中全硒含量较低。不同土地利用方式中，未利用地土壤全硒含量最高，其次是农耕用地，建设用地土壤全硒含量最低。揭西县土壤全硒含量在区域分布上具有差异性，主要与成土母质、土壤pH、有机碳含量、铁铝氧化物含量、海拔以及土地利用方式等因素有关。因此在揭西县农业发展的过程中，建议依据因地制宜的原则，在富硒地区，合理利用富硒土壤，种植富硒农产品，发展富硒农业，促进该地区农业经济的发展；在硒含量较少地区，适当补充外源硒或者通过调节土壤的理化性质、人类活动来改善土壤硒含量。

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Distribution of Soil Selenium and Its Influential Factors in Jiexi County, Guangdong Province

WANG Qiushuang1,2, LUO Jie1, CAI Limei1,2,3*, MU Guizhen1, WANG Hanzhi1,2, JIANG Huihao1,2, WANG Shuo1,2, HE Minghuang1

(1 College of Resources and Environment, Yangtze University, Wuhan 430100, China; 2 International Institute of Aquatic Ecology, Yangtze University, Wuhan 430100, China; 3 Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

A total of 332 topsoil samples (0 – 20 cm) and 86 deep soil samples (> 150 cm) were collected in Jiexi County, Guangdong Province to study the characteristics of total selenium contents, spatial distribution and its influential factors by Pearson correlation analysis, regression analysis, geostatistical analysis and GIS technology. The results showed that the concentration of total selenium ranged from 0.16 to 1.61 mg/kg with a mean value of 0.53 mg/kg. The whole region was concentrated in the category of abundance of selenium content. Among the different types of parent materials, selenium contents were higher in soils developed from tuff, granite, and shale, while selenium concentrations were lower in soils developed from sandstone. Among the different land use types, the highest Se content was found in unused land, followed by agricultural arable land, and total selenium content was the lowest in construction land. Regression analysis and Pearson correlation analysis showed that soil total selenium content was significantly negatively correlated with pH, but significantly positively correlated with iron-aluminum oxide content, organic carbon content, and altitude. The parent material was the main influential factor of soil total selenium content in Jiexi County, while soil pH, organic carbon, iron and aluminum content, altitude, and land use type also had certain effects on the distribution and enrichment of soil total selenium content.

Jiexi County; Soil total selenium; Distribution characteristic; Influential factors

国家自然科学基金项目(41203061)、湖北省自然科学基金项目(2015CFB603)、湖北省教育厅科学技术研究重点项目(D20161301)、有机地球化学国家重点实验室开放基金项目(OGL-201408)和长江大学大学生创新创业训练项目(2016006, 2017223)资助。

(clmktz88@yangtzeu.edu.cn)

王秋爽(1992—)，女，山东阳信人，硕士研究生，主要从事环境地球化学研究。E-mail: cjdxqsw@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.06.010

S159.2；S153.6

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