遵义市土壤硒分布及其影响因素研究

2019-07-01师华定韩小斌彭玉龙

中国土壤与肥料 2019年3期

邓军，师华定，赵建，韩小斌，彭玉龙，刘京，马瑾*

（1.重庆工程职业技术学院，重庆 402260；2.中国环境科学研究院，北京 100012；3.贵州省烟草公司遵义市公司，贵州遵义 563000）

硒是存在生物体内的一种微量元素，对生物体的生长发育起着至关重要的作用［1］。但同时硒又具有两面性：当植物和土壤中的硒超过一定浓度时，被人和动物过多吸收就会导致硒中毒现象，出现“碱性病”与“盲珊症”等疾病［2-3］。而硒含量不足时也会导致人和动物出现多种病症，包括克山病、白肌病、大骨节病等［4］。我国72%的地区都属于硒资源匮乏地区，除了陕西紫阳县和湖北恩施州，其它地区皆位于世界低硒带［5-6］，形成了硒含量由中部地区逐渐向东南和西北递增的大致分布趋势［7］。随着时间的推移，硒元素会在土壤—植物—人体传播过程中累积，土壤成了人和动物摄取硒的最终来源［8］。

遵义地区富硒土壤资源丰富，近几年，遵义市积极规划富硒土壤农作物种植区，大力发展富硒农作物种植，形成了一批质量安全达标、营养价值高的富硒农产品（烟叶、茶叶等）［9-10］。但随着工业污染、酸雨和富硒资源过度开发等环境问题不断凸现，遵义地区土壤硒流失严重，进行富硒区域硒资源的保护已刻不容缓。目前，国内外学者对土壤硒的空间分布及其影响因素已展开了深入的研究，但有关遵义市土壤中硒含量的研究比较少。遵义市地形起伏明显，土地利用状况复杂，人为扰动大，准确预测其土壤硒含量空间分布，对当地硒资源合理开发利用、农产品质量安全、人体健康都有着重要的意义。

本研究利用遵义市不同地区土壤硒含量数据，通过拟合硒的半方差函数模型，分析其空间变异特征，得出其空间分布规律，并对影响其分布的主控因素进行研究，从而为当地规划富硒农作物适宜种植区，建立农产品质量安全体制，合理开发利用富硒资源，实施农业精准分区提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

遵义市位于贵州省北部，地理位置介于东经105°36′～ 108°13′、北纬 27°8′～ 29°12′之间，总面积30 753 km2，是典型的亚热带湿润季风气候区，冬季寒冷湿润，夏季炎热多雨。地貌类型较为复杂，地形起伏明显，从西到东逐渐变缓，山地、丘陵、盆地及河谷坝子分别占总面积的64.4%、29.3%、6.3%。研究区主要分布着紫色土、石灰土、水稻土和黄壤等土壤类型，母质主要有砂岩、页岩、砂页岩、石灰岩和第四纪红色黏土。

1.2 土壤样品的采集与测定

由于遵义市多山地，地形较为复杂，研究组依地形进行布点，于2012年9月18日～26日在遵义12个下属县（市、区）：道真县、务川县、凤冈县、湄潭县、绥阳县、桐梓县、余庆县、正安县、播州区、汇川区、红花岗区、仁怀市（由于项目实际需要和布点相关原则，个别县市未进行布点）通过GPS开展野外定点采样工作，在其表层共采集土壤样品701个，采样点位如图1所示。所采集的样品皆位于距公路有一定距离的农田土壤，采集0～20 cm深的土样，每份土样质量300～500 g，记录点位坐标、耕地类型、海拔高度等。采集的土壤样品经风干、研磨、过筛，供土壤硒和相关理化指标测试分析。

土壤硒测定参照中华人民共和国国家环境保护标准HJ 680-2103《土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定微波消解/原子荧光法》，采用氢化物发生原子荧光（HG-AFS）法测定［11-12］，土壤pH值在水土比为2.5∶1的条件下采用电位法测定［13］，土壤全氮采用元素分析仪测定，土壤pH值和全氮相关测试方法参见《土壤和固体废弃物监测分析技术》，土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定。

图1 样点分布图

1.3 数据处理与制图方法

本研究数据处理和制图均采用样点实测数据，原始样点土壤属性数据经典统计分析和Pearson相关分析均采用SPSS 20.0软件，半方差函数模型建立与分析采用GS+软件，确定合适的模型和参数后，在ArcGIS 10.0平台上采用普通克里格（OK）法绘制土壤硒含量分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤硒的统计特征分析

对研究区701个土壤样本中硒含量进行描述性统计分析见表1。

表1 土壤硒含量描述性统计特征值

从表1得出，遵义市土壤硒含量变幅为0.10～2.90 mg·kg-1，平均含量为 0.56 mg·kg-1，高出全国（0.29 mg·kg-1）［14］和贵州省（0.369 mg·kg-1）［15］土壤硒含量的均值。说明在一定的区域范围内，土壤中的硒含量有着明显的累积效应。其中，正安县土壤硒平均含量最高（0.75 mg·kg-1），湄潭县和仁怀市最低（0.47 mg·kg-1），不同地区土壤硒平均含量差异明显（图2），按照谭见安教授［16］的划分标准（表2），遵义市土壤硒含量数据有33%属于足硒水平，有62%属于富硒水平。研究区硒变异系数为（CV）51.79%，结合一般的CV评估标准（CV＜0.1为弱变异程度，0.1＜CV＜1为中等变异程度，CV＞1为强变异程度［17-18］），研究区硒空间变异程度为中等变异程度，变异性较强，据此推断研究区土壤硒来源丰富，人类的生产生活活动都对土壤硒含量和分布产生了较大的影响。

图2 遵义市硒平均含量分布图

表2 我国硒元素生态景观的界限值

2.2 硒的空间变异特征分析

对研究区硒的空间结构特征进行分析，是空间预测的基础性工作，决定了OK法空间的插值精度。本研究通过对硒含量进行半变异函数模型拟合得出其相关拟合参数（表3）和半变异函数拟合图（图3）。从表3、图3可以看出，研究区土壤中的硒半方差函数拟合模型符合指数（Exponential）模型，其表达式为：

式中，r（h）表示间隔距离为h时的半方差，C0表示块金值（块金方差），C0+C为基台值，C表示基台值与块金值之差（结构方差），a为变程，当指数模型中的有效变程为3a时，硒的含量是空间自相关的，观测点之间存在着一定的相关性。

图3所示指数模型变异函数的块金值（C0）和基台值（C0+C）比较明显，表明遵义市土壤硒空间分布的结构性特征比较突出，研究区块金效应值为0.153，表明研究区土地资源受人类开发利用时间较短，硒空间变异受一些随机性因素（土地利用方式、耕作施肥）影响比较小，主要是由成土母质、地形地貌、气候条件、土壤类型等结构性因素引起的。研究表明［19］，地质背景和成土母质是制约土壤中硒含量和分布的主要因素，而对于冲积母质层，其表层的土壤硒含量较低［20］。变程是衡量土壤属性特征空间自相关性范围的定量指标，研究区硒的变程为5 700 m，说明半方差函数在间隔距离为5 700 m时达到平稳阶段，硒在该尺度内存在较强的连续性。

表3 硒半方差函数模型及参数

图3 指数模型变异函数

2.3 土壤硒含量分布特征

根据所得的半方差函数模型和参数，在ArcGIS 10.0软件中用OK法选用指数模型，设置相应块金效应、变程和空间异质性等高级参数，绘制遵义市土壤硒含量空间分布图（图4），由于赤水市、习水县缺乏样点数据，未作插值分析。按照表2的分类标准，研究区西北部和南部边缘呈现出明显的连续分布的土壤富硒带，中部和东部地区有明显的土壤硒含量低值区，少数地区出现硒富集现象。遵义市95%的土壤硒含量达到足硒及以上水平，其中有18 996 km²的土壤分布属于富硒水平，占遵义市总面积的61.77%；硒中毒区域主要分布在桐梓县和正安县中部地区、播州区南部地区，占遵义市总面积的0.57%。

图4 遵义市土壤硒含量分布

2.4 影响土壤硒含量及分布的主要因素

2.4.1 土壤pH值、全氮和有机质对土壤硒含量的影响

土壤是在生物、气候、地形、母质、时间5大成土因素共同作用下形成的自然历史综合体［21］，不同区域的土壤其理化性质差异明显，这种差异直接或间接影响了土壤中的硒含量水平。为探讨遵义市表层土壤理化性质对硒含量和分布产生的影响，本研究对表层土壤硒含量与pH值、全氮和土壤有机质进行Pearson相关性分析（表4）。

表4 土壤硒含量与pH值、全氮和有机质的相关性

从表4可以看出，土壤硒含量与pH值相关性不明显，与土壤全氮和有机质呈极显著正相关性。前人研究发现［8］，土壤pH值越高，土壤中的硒含量越低。一方面，随着土壤碱性增强，硒在土壤中的形态从不易溶解和转移的亚硒酸盐（）向着易溶解和转移的硒酸态（）转化［21-22］，土壤中的硒容易遭地下水或地表水淋失导致含量下降［23］。另一方面，土壤pH值可以通过影响硒的甲基化的强度从而改变其在土壤中的迁移能力，土壤pH值越高，硒的甲基化能力越强，其在土壤中的迁移能力就越强，硒元素流失就越严重，土壤中硒的含量就越低［24］。但本研究中土壤硒含量与土壤pH值相关系数为0.083（表4），相关性并不显著。可能与研究区所布点位均位于农田，土地利用状况复杂，人类活动干扰较大有关，这与王晓杰等［21］的研究结果一致。

土壤硒含量与土壤全氮相关系数为0.242，两者之间呈极显著正相关关系，推断土壤全氮含量高的地区其土壤硒浓度相对较高，这与李杰等［25］的研究结果一致。由表4可知土壤有机质与全氮的相关系数为0.515，两者之间存在极显著正相关性，土壤全氮可能通过影响土壤有机质含量从而间接影响土壤中的硒含量，这与肖春艳等［26］的研究结果相同。

除成土母质外，有机质可能是影响土壤硒含量及其分布的另一主要因素，有机质可能通过以下两方面影响着土壤硒含量及其分布：（1）当有机质作为有机—无机复合态的黏粒时，其对阴离子的吸附固定作用变强，使硒在土壤中的循环过程加强，从而增加了硒的有效性。（2）当有机质作为阴离子的环境物质时，可能成为硒在土壤传输过程中的屏障［24］，使硒在土壤中富集，且有机质能吸附和固定大部分硒，一般来说，有机质含量高的地区其土壤硒浓度相对较高。本研究中土壤硒与有机质的相关系数为0.479，呈极显著正相关性，即土壤中硒的含量随着有机质含量的增加而增加。

2.4.2 海拔高度对土壤硒含量的影响

海拔高度对土壤硒含量也具有二重性影响，一方面随着海拔高度的增加，气温降低，有机质分解速率变低，土壤表层中大部分硒被有机质吸附和固定，进而使得植物吸收的硒含量以及土壤中被淋溶的硒含量减少，使得表层土壤硒富集［20，27］。另一方面，温新平等［28］研究表明，土壤硒含量随着海拔的升高而降低，可能是由于在地形地貌变化复杂的区域，局部小气候现象明显，降雨比较充沛，加之硒元素在地质环境中易迁移特性，容易发生淋溶而导致海拔高的地区硒元素匮乏。

对遵义市土壤硒含量与海拔高度做相关分析（图5）发现，遵义市土壤硒含量与海拔高度相关系数为0.305，呈显著正相关关系，即土壤硒含量随着海拔的增高有增加趋势。遵义地区地形起伏较大，由西至东逐渐变缓。本研究采集的土壤样品海拔在461～1 658 m之间。随着海拔的升高温度降低，有机质分解缓慢使得有机复合态与硒结合减弱，进一步使得植物获取的硒减少，硒在土壤中富集，表现出表层土壤硒含量随着海拔的升高有增加的趋势。从遵义市土壤硒含量分布图（图4）可知，西部高海拔地区土壤硒含量普遍较高，东部低海拔地区土壤硒含量普遍较低，这与上述分析基本一致。

图5 表层土壤硒含量与海拔的相关关系

2.4.3 成土母质对土壤硒含量的影响

土壤是母质层岩石经风化形成，成土母质直接制约着土壤硒含量及其分布［29］，一般来说，母质岩影响着其上覆表层土壤硒含量，土壤中硒的含量与基岩的含硒量成正比，李娟等［30］研究表明，贵州省开阳地区成土母质硒含量控制着土壤硒含量，两者呈显著正相关性。基岩的硒含量成为土壤硒含量的最终来源，其含硒量与其所处地质背景、气候环境及岩石性质密不可分。除在盆地、谷地等地势较低地区发育的冲积土壤外，贵州省内的土壤多在原地基岩基础上风化形成。王甘露等［31］对贵州省内的砂页岩、碳酸盐岩、煤矿层等不同基岩含硒量进行比较分析，结果表明煤矿层广泛出露的地区其土壤硒含量最高，其顺序为煤矿层＞碳酸盐岩＞砂页岩。

遵义地区大部分成土母岩发育成寒武系地层的沉积岩，成土物质主要为寒武系高台组、清虚洞组、金顶山组中的风化堆积物［32］。遵义地区二叠系、寒武纪黑色页岩系硒含量较高，一些富硒岩石和矿石在风化作用下形成含硒量较高的土壤，导致土壤硒在一定区域富集。同时，遵义市煤矿层广泛出露地表，受地表径流侵蚀和风化作用影响，矿物中的硒元素被大量释放到土壤中，造成硒在煤矿层分布较广地区富集。因此，遵义市富硒岩层和广泛出露含硒量高的煤矿层也是影响土壤含硒量的主要因素。