湖北省潜江市北部表层土壤硒元素分布特征及其影响因素探讨

2019-12-24郑雄伟张元培徐景银郑国权罗军强王成姣魏凌霄

资源环境与工程 2019年4期

郑雄伟，洪波，张元培，徐景银，郑国权，罗军强，王珊，吴颖，王成姣，白洋，魏凌霄，胡青

(1.湖北省地质局地球物理勘探大队，湖北武汉 430056； 2.洪湖市自然资源和规划局，湖北洪湖 433200；3.湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034)

硒土壤是环境中重要的生命元素，世界范围内的土壤和植物缺硒已导致 40 多种人畜疾病。硒的化学性质活泼，缺硒和硒过量将引起生物及人体的不良反应。硒主要来源于土壤[1-4]，据调查，中国2/3地区为国际公认的缺硒地区，其中1/3地区为严重缺硒地区。潜江市于2004年开展的1∶25万多目标区域地球化学调查发现，潜江市表层土壤硒含量较高，面积较大，但数据密度不够，进一步深入调查研究是开发利用潜江市土壤硒资源的关键。笔者以《湖北省潜江市土地质量地球化学(一期)》工作项目为支撑，从土壤类型、土地利用方式以及土壤理化性质等3个方面对土壤硒元素分布规律及影响因素进行深入研究，以期为科学规划潜江市土地资源，合理开发富硒特色农产品提供理论指导。

1 研究区概况

研究区位于潜江市北部，工作面积约476 km2，包括高石碑镇、王场镇、积玉口镇及周矶办事处、高场办事处，广华办事处6个乡镇。研究区全部为第四纪地层所覆盖，主要出露全新统郭河组，底界面深度及厚度变化大，北部为汉江冲积带，厚度多在5～10 m，岩性上部颜色较浅，为灰、灰黄色、棕黄色粉细砂、粉土、粉质粘土；南部为低平原条件下的冲积、冲积—湖积堆积物，在积玉口低洼区出现有由褐黄色，褐色粉质粘土、粉土、淤泥质粉质粘土及草炭层组成冲湖积相。

研究区土壤类型主要为灰潮土类，土类面积301.64 km2，占土地总面积的61.5%，主要分布在区内北部汉江及东荆河沿江一带。水稻土土类面积185.89 km2，占土地总面积的37.68%，主要分布在积玉口镇和周矶办事处南部等地区(图1)。

2 样品处理及分析方法

本次研究采样基于1∶50 000土地质量地球化学评价，其中表层土壤样共2 496件，采样密度为5.24件/km2。土壤样品的分析测试任务由武汉岩矿测试中心承担，验收合格后的样品交碎样间进行试样加工。

样品制备方案如下：土壤样品(20目)经混匀后，取30 g样品装袋用作pH分析，另取80 g左右样品用无污染的行星球磨机粉碎至-200目粒度，剩余试样留作粗副样装原袋保存；矿物成分分析样品采用刚玉质颚板的颚式破碎机，反复破碎至粒度为20目，过尼龙筛后，经混匀、缩分分出80 g样品，用无污染的行星球磨机全部粉碎至-0.074 mm(200目筛)，剩余试样留作粗副样装原袋保存。潮湿的样品在加工前于45 ℃以下的烘箱中烘干后再用行星球磨机粉碎。从加工后的试样中分取30 g试样装玻璃瓶于45 ℃烘箱中，烘2 h后送原子荧光组做As、Hg、Se等元素的取样分析，剩余试样装玻璃瓶经105 ℃烘2 h用作其它流程元素的取样分析。碎样过程中有专人核对，确保无错样以及样品加工质量。分析测试过程中的质量控制严格按照中国地质调查局《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》[DD2005—01]执行。在进行报出率统计时，将低于分析方法检出限的数据视为未报出，将低于方法检出限的仪器实测数据报出，29项元素或指标的总报出率为100%[5-8]。

图1 研究区土壤类型分布图Fig.1 Distribution map of soil types in the study area1.砂土型灰潮土；2.壤土型灰潮土；3.浅潮土田；4.黄棕壤性第四纪粘土泥田；5.潮土田；6.灰潮土田；7.灰青泥田；8.烂泥田。

3 研究区土壤中硒分布特征

3.1 Se地球化学分布特征

依据研究区1∶50 000土壤地球化学调查结果，达到中硒—富硒水平(土壤Se 0.175～3.0 mg/kg)的土壤面积约为271.06 km2，约占整个研究区面积的55.53%；全区只有一个采样点的硒含量达到硒极高(Se≥3.0 mg/kg)的标准；土壤硒含量呈缺乏状态(Se≤0.125 mg/kg)的面积约为85.82 km2，约占研究区面积的17.58%(表1)。

表1 研究区土壤Se含量参数表Table 1 Soil Se content parameter table in study area

注：单位为mg/kg。

3.2 不同土壤类型硒含量特征

研究区采集的土壤样主要集中在浅黄棕壤性粘土泥田、浅灰潮土田、黄棕壤性粘土泥田、灰潮土田、潮土田、青泥田、灰青泥田、烂泥田、砂土型灰潮土、壤土型灰潮土和粘土型灰潮土(表2)。

表2 研究区不同土壤类型中Se含量地球化学特征Table 2 Geochemical characteristics of Se contentin different soil types in the study area

研究区内绝大部分样品都属于中硒—富硒(土壤Se 0.175～3.0 mg/kg)的级别，黄棕壤性粘土泥田中的土壤样硒平均含量较低为0.24 mg/kg，其余土壤类型中的样品硒平均含量差别不大。将每种土壤类型中的硒含量>0.4 mg/kg的样品数量分别作出统计，并求其所占的百分比，统计结果显示，在水稻土中灰青泥田和烂泥田中硒含量>0.4 mg/kg的样品数量所占百分比较其他类型土壤明显偏高，分别为38.5%、25.5%，黄棕壤性粘土泥田最低，仅为1.2%，灰潮土田和浅灰潮土田均为9.3%介于前两者之间；在灰潮土中从砂土型灰潮土到壤土型灰潮土到粘土型灰潮土硒含量>0.4 mg/kg的样品的数量所占百分比依次升高。

通过上述统计，硒含量>0.4 mg/kg的土壤样品的分布显示出一定的规律性，无论是在水稻土或者是潮土中，随着土壤颗粒粒度的变小，硒含量>0.4 mg/kg的样品所占的比例就越高，说明土壤中的硒含量与土壤中粘粒的含量有关。

3.3 不同土地利用硒含量特征

研究区内各土地利用中硒平均含量并无明显差别，硒含量>0.4 mg/kg的土壤样品中，在滩涂区的硒含量明显偏低(表3)，在城镇区的比例相对较高，从硒地球化学图可见(图2)，硒在城区多呈点状分布，说明城镇区受人类活动的影响造成硒局部富集。

表3 研究区不同土地利用中Se含量地球化学特征Table 3 Geochemical characteristics of Se contentin different land use in the study area

4 土壤中硒受控因素分析

4.1 全量Se相关性统计

按照相关系数值分为强相关、中强相关、中等相关、弱相关、不相关、负相关6个级别，各元素在研究区显示出基本相关特性(表4)。

图2 研究区土壤硒地球化学图Fig.2 Soil selenium geochemical map in the study area

表4 土壤Se回归方程一览表Table 4 Soil Se regression equation list

(1)强相关的元素(r≥0.8):无。

(2)中强相关的元素(r=0.6～0.8)：Org.C。

(3)中等相关的元素(r=0.4～0.6)：Zn、Cd、Mo、Pb、Cu、N、Hg、S。

(4)弱相关元素(r=0.2～0.4)：K2O、Ni、Cr、TFe2O3、F、Co、MgO、P、As、Mn、Ge。

(5)不相关元素(r=-0.2～0.2)：I、Sr、B、CaO、Cl。

(6)负相关元素(r=<-0.2)：SiO2、Na2O。

上述统计结果，反映出土体内各元素间关系复杂，按照拟合程度比较，硒与许多种元素呈现出中弱的相关关系，主要分为两大类：①与碳、Org.C、S、N、K等具正相关，这种相关组合表明了硒在表土环境下具有生物学富集的因素，当土壤有机质丰富的情况下也促使硒的富集；②与硒存在显著相关的元素有Zn、Cd、Mo、Pb、Cu、Hg、S、Ni、Cr等，这种元素相关组合属于黑色岩系标志性组合，反映了冲积带硒的来源，由此认为，硒与镉具有共同物源特点，硒的适度富集，应起因于来自上游富硒的黑色碳硅质岩系风化搬运沉积所致。

4.2 Se与pH值的相关性

硒与pH值具有较好的相关性，pH值<6.5时，硒含量明显偏低；pH值介于6.5～8.0时，硒含量明显升高并达到峰值；pH达到8.0以上，硒含量明显呈下降趋势，表明了硒元素在碱性土中的富集的特性。这一事实表明，酸碱度对土壤元素的影响是有一个尺度的，当土壤碱性(pH>8.5)或酸性(pH<5.5)，都对土壤元素的活性造成抑制效应，只有在土壤酸碱度适宜(pH5.5～8.5)的范围内，土壤养分才能达到最为充足状态(图3)。

图3 土壤Se含量与pH关系图Fig.3 Relationship between soil Se content and pH

4.3 土壤硒含量与土壤有机质含量的关系

土壤硒含量与有机质含量成正相关，可见在研究区土壤总硒含量高低与土壤有机质的含量有非常密切的关系，由于在研究区很少有人为施有机肥的情况，所以该结果能够较好的反应土壤自身有机质含量对土壤总硒含量的控制(图4)。

图4 土壤Se含量与有机质含量关系图Fig.4 Relationship between soil Se content and organic matter content

4.4 土壤硒含量与土壤SiO2含量的关系

土壤总硒含量与SiO2含量之间呈比较明显的负相关(图5)。

图5 土壤总Se含量与土壤SiO2含量之间的关系Fig.5 Relationship between total Se content and SiO2 content in soil

4.5 土壤总Se含量、SiO2、Org.C含量与土壤pH空间分布特征

通过对比可以发现，在SiO2含量高的地区，土壤中总硒的含量相对较低，而有机质含量高的地区，土壤总硒含量相对较高。但是有一个地区例外，即积玉口行政区的最西南端，该区的土壤类型主要为黄棕壤性粘土泥田，并且土壤有机质含量和SiO2含量也相对较高，但是土壤总硒含量却相对较低(图6)。

研究表明土壤中的SiO2含量高低可以指示土壤的淋滤程度，土壤SiO2含量越高则说明土壤受淋滤的程度越高，则更加容易导致土壤硒元素的淋失；而土壤中的有机质则对土壤中硒具有较强的吸附作用，在积玉口行政区的西南部地区的低总硒含量地区土壤有一个非常明显的特征，即土壤pH值较全区明显偏低，普遍在5～6.5，且全区湖泊众多。因此虽然该区土壤具有相对较高的有机质含量，但是由于土壤pH值偏低，导致硒等元素在土壤中的活动性增大，从而使得土壤在被淋滤的过程中丢失了大量的硒，并最终导致土壤硒含量较全区偏低[9-12]。

5 结论

潜江市1∶50 000表层土壤硒含量0.08～4.04 mg/kg,平均值为0.316 mg/kg,是全国土壤硒含量的1.58倍。中硒—富硒水平(土壤Se 0.175～3.0 mg/kg)土壤面积占研究区面积的55.53%。当土壤碱性(pH>8.5)或酸性(pH<5.5)，都对土壤元素的活性造成抑制效应，只有在土壤酸碱度适宜(pH5.5～8.5)的范围内，土壤养分才能达到最为充足状态。该区土壤具有相对较高的有机质含量，但是由于土壤pH值偏低，导致硒等元素在土壤中的活动性增大，从而使得土壤在被淋滤的过程中丢失了大量的硒，并最终导致土壤硒含量较全区偏低。