广西金秀县头排—桐木地区富硒土壤地球化学特征及生态效应研究

曾少尉，何儒芳，黄振国

(广西壮族自治区地球物理勘察院，广西 柳州 545000)

0 引言

硒(Se)在陆地生态系统中含量较低[1]，但却是人体和动物必需的微量营养元素之一[2]。赋存于土壤中的Se元素主要通过作物吸收经食物链进入人体。人体中适量的Se元素具有延缓衰老、提高人体免疫机能、降低癌症发病率等功能[3-5]，因此天然富硒食物是人类摄取Se元素的安全有效途径。本文依据广西金秀县土地质量地球化学评价数据资料，系统研究了表层土壤和农作物中Se元素地球化学分布特征和影响因素，为该地区今后富硒产业发展、土地利用规划、种植结构调整提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于广西金秀县西北部的头排镇—桐木镇一带，地处金秀大瑶山西北部半丘陵小平原地区，是金秀县地势较为平缓、耕地集中分布地区，面积约227 km2。研究区属南亚热带季风气候，气候具明显的季节性变化特点，是金秀县的重要粮食产地，农作物以水稻为主，见有玉米和花生。出露地层有第四系和泥盆系，岩性主要为砂土、砂岩、泥岩及硅质岩。土壤类型以红壤、水稻土为主，少量棕色石灰土、冲积土。土地利用类型以水田、旱地、林地、园地为主，少量草地、裸地和工矿用地。

2 材料与分析

2.1 样品采样与处理

遵循网格加图斑的原则布设1∶5万土地质量地球化学调查采样点。表层土壤样主要布设在水田、旱地、园地中，采样密度8～14点/km2。同时对建设用地与非耕地如林地、草地等布设控制样点，采样密度1～4点/km2，从而对研究区整体评价。采样深度为0～20 cm，以采样定点位置为中心，当采样地块为长方形时，采用“S”形布设子样点；当采样地块近似正方形时，采用“X”形或者“棋盘”形布设子样点。农用地样由4～6个子样等量混合成1件样品，林地样由2～3个子样等量混合成1件样品。采样时避开沟渠、田埂、路边、新搬运的人工堆积土、垃圾堆积和局部污染源。样品经过风干、破碎、过10目尼龙筛后，采取四分法缩分，称取200 g送实验室分析。

采集了水稻、玉米、花生籽实样品，同时采集根系土样品。类同于表层土壤样采集方法，根据采样地块形状采用棋盘法、梅花点法、蛇形法、对角线法，多点采集作物样及其根系土样品，等量混合成1件样品。野外采样在晴天无雨条件下进行，选取成熟、颗粒饱满、无病虫害植株进行采样，在规定时间内送达实验室。

2.2 样品分析

样品分析由广西壮族自治区地质矿产测试研究中心承担，测试过程严格按照《多目标区域地球化学调查规范(1∶25万)》(DZ/T 0258-2014)进行(表1)。

2.3 数据处理

表层土壤硒地球化学图采用金维软件(GeoIPAS v3.2)，用原始数据构建三角剖分网，采用幂指数加权法，X、Y方向搜索半径为600 m，扩边设置X、Y为150 m直接成图。根据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)采用等值线赋值法绘制土壤硒地球化学等级图，数据统计采用Excel 2007完成。

3 土壤硒地球化学特征

3.1 含量特征

研究区共采集表层土壤样品1999件，Se含量最大值为16.7 mg/kg，最小值为0.088 mg/kg，平均值为0.6 mg/kg，含量大于0.4 mg/kg样品有1337件，占总样品数的66.88%。剔除异常值(X±3S)后，样品数为1893件，算术平均值为0.504 mg/kg，标准差为0.216，中值为0.47 mg/kg，众值为0.4 mg/kg。研究区土壤Se元素含量平均值高于全国土壤A层背景值(0.29 mg/kg)，但低于广西土壤A层背景值(0.7 mg/kg)[6]。根据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)中硒等级分级标准，将研究区土壤划分为五个等级：缺乏(≤0.125 mg/kg)，边缘(>0.125 mg/kg～0.175 mg/kg)，适量(>0.175 mg/kg～0.4 mg/kg)，高(>0.4 mg/kg～3.0 mg/kg)，过剩(>3.0 mg/kg)，编制硒表层土壤地球化学等级图(图1)。由图1可见，硒等级达到高—过剩等级的面积为152.44 km2，占研究区面积的72.8%，其中土壤硒达过剩等级的面积1.26 km2，主要集中在桐木镇西部。

根据土壤重金属含量和pH值，按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)对土壤环境质量等级进行评价，结果表明，研究区土壤以清洁为主，仅局部存在轻微污染或轻度污染(表2)。说明研究区土壤环境质量较好，为富硒土壤的安全利用提供了有利条件。

3.2 受控因素分析

3.2.1 成土母质、母岩对土壤硒含量的影响

土壤是成土母质经过成土过程发育形成的，因此土壤继承了成土母质的许多性质。土壤母质是成土母岩风化、搬运迁移的产物，成土母岩是成土母质等表生风化物的根本来源。本次在研究区内分布较广的泥盆系榴江组、五指山组并层(D3l-w)、东岗岭组(D2d)、大乐组(D1d)、官桥组(D1g)的15个采样点，同点位采集了表层土壤、成土母质(风化物)、成土母岩样品，测定了硒含量(表3)。

由表3可见，大乐组、官桥组单元区的硒含量由高到低顺序为表层土壤>成土母质>成土母岩，表明表生成土过程中硒呈现次生富集特征；榴江组、五指山组并层区的硒含量由高到低顺序为成土母质>表层土壤>成土母岩，表明在成土母岩风化形成成土母质过程中，硒有明显的富集，但由成土母质风化成土过程中硒出现一定程度的流失；东岗岭组灰岩及其形成的成土母质、表层土壤硒含量均高于其他地层岩石和土壤，显示成土母岩—成土母质—表层土壤硒的继承性。

图1 广西金秀县土壤硒地球化学等级图

表3 不同地层及岩性中硒平均含量统计

3.2.2 土壤性质影响

土壤的形成需要经过风化和腐殖化两个过程，岩石风化形成土壤母质层，母质层由浅至深进一步经历风化和淋溶作用，使得原生矿物破坏分解形成次生黏土矿物、铁铝氧化物和可溶性及亚溶性矿物，构成土壤[7]。根据全国第二次土壤普查资料，研究区土壤以红壤为主，水稻土次之，少量石灰土和冲积土。红壤Se含量最高，平均值为0.656 mg/kg；冲积土Se含量最低，平均值为0.395 mg/kg(表4)，推断这与南亚热带季风气候下强烈的风化淋溶作用有关[8]。红壤多分布于地势相对较高的丘陵山地区，富含铁铝氧化物，易与Se形成较难溶的化合物，且富铁铝土壤对Se吸附能力强[9]，导致Se的富集。而冲积土、水稻土多分布于河谷滩地等平缓地带，土壤酸性较弱，铁铝氧化物相对低，土壤硒活动性较强，易流失贫化，导致Se含量低于红壤。

表4 不同土壤类型硒含量特征值

3.2.3 土壤pH值影响

土壤pH值通过控制土壤硒的活性(生物有效性)从而成为影响土壤以及作物硒含量的重要因素[10-11]。碱性土壤中硒主要以溶解度高、迁移性较强的硒酸盐(Se6+)形式存在，而酸性土壤中硒则以亚硒酸盐(Se4+)形式存在[12]，迁移淋滤作用相对较弱。研究表明铁锰铝等金属氧化物和腐殖质对亚硝酸盐(Se4+)的吸附作用大于硒酸盐(Se6+)，且吸附能力与pH值呈负相关关系[13]。研究区以红壤为主，土壤pH中值为5.15，属酸性土壤。强酸性土壤中Se平均含量0.729 mg/kg，明显高于碱性、中性、酸性土壤硒平均值(表5)，土壤pH值与Se含量相关系数为-0.125(p<0.01)，呈显著负相关关系，表明强酸性土壤有利于硒的富集，与前人研究结论相符[13]。

表5 不同pH值土壤硒含量特征值

3.2.4 有机质的影响

土壤有机质是表征土壤肥力水平的一个重要指标，对土壤硒等元素地球化学行为有重要影响[14]。研究区土壤硒剔除极值数据后，硒含量与有机碳相关系数为0.147(p<0.01)，呈正相关关系。这可能是由于研究区土壤以酸性为主，土壤腐殖化过程中经过微生物的还原作用，把大部分土壤硒转变成亚硒酸盐(Se4+)而吸附固定起来，从而增加了土壤硒的含量[15-16]。

3.3 农产品富硒情况

本次研究共采集水稻籽实样品40件(其中30件同点采集根、茎样品)，花生15件，玉米10件。有32件水稻籽实达到《富硒稻谷》(GB/T 22499-2008)标准 [w(Se)≥0.04 mg/kg)，富硒率为80%，Se含量范围为0.024 mg/kg～0.11 mg/kg，平均含量为0.052 mg/kg。花生、玉米达到《天然富硒食品硒含量分类标准》(HB 001/T-2013)(0.02 mg/kg～0.28 mg/kg)分别为14件、10件，富硒率分别为93.33%和100%，说明研究区作物富硒率整体较高，详见表6。其中，水稻根、茎、稻米和根系土硒含量表现为根系土>根>茎>稻米，土壤—稻米系统硒的吸收转化率为9.2%，而花生为3.9%，玉米为6.4%，说明水稻对土壤硒有较强的吸收富集能力[17-18]，其次为玉米、花生。

利用水稻籽实硒含量与根系土pH、Fe、有机碳、全硒含量进行相关分析，结果见图2。

表6 农作物硒含量特征

图2 研究区水稻Se含量与根系土pH、Fe、有机碳、全量硒关系图

由图2可见：

1)水稻籽实硒含量随着根系土pH值升高而升高，推断可能是土壤中溶解度高易被吸收的硒酸盐(Se6+)随着根系土pH值的升高而增加所致，由于土壤对硒酸盐(Se6+)吸附作用较弱进而增加作物对硒的吸收作用。根据前人研究，随着pH值的升高，硒的有效性也相应提高[19-20]，从而增加水稻对土壤中硒的吸收利用。

2)根系土中铁、有机碳含量与水稻籽实硒含量具有一定弱正相关关系，推断是由于富铁、富有机质土壤有利于土壤硒富集，而随着土壤硒总量的增加，土壤中可利用态硒量也相应增加所致。杨忠芳等研究表明，土壤中有机碳含量相对较高时，土壤总硒和有效硒(一般指水溶态硒)含量与有机碳呈正相关；当有机碳含量较低时，有效硒含量增加幅度大于总硒；土壤有机碳含量超过某一界限后，有效硒含量增加的幅度不大，而有效硒含量高低是影响植物硒吸收的主要因素[19]。

3)根系土全硒含量与水稻籽实硒含量呈显著正相关关系(r=0.671，p<0.01)，说明土壤硒含量是影响大米硒含量的直接或关键因素。推测由于根系土中硒含量增加，硒有效态含量相应升高，有利于稻米的吸收。

4 结论

1)研究区土壤Se的平均含量为0.6 mg/kg，富硒土壤 [w(Se)>0.4 mg/kg] 占研究区面积的72.8%。且土壤环境质量总体优良，有利于富硒土地的开发利用。

2)风化成土过程中，硒富集贫化与成土母岩岩性、土壤理化性质有关。研究表明，土壤性质、pH值以及有机质对土壤硒含量具有明显影响，主要表现：① 富含铁铝的红壤对土壤中Se元素具有较强的吸附作用；② 随着pH值的增大，土壤对较易溶解迁移的硒酸盐(Se6+)吸附作用降低，因而，酸性强的红壤中硒含量高于冲积土和水稻土；③ 土壤有机质在腐殖化过程中易吸收固定硒酸盐，从而使富含有机质的表层土壤中硒含量较高。

3)研究区水稻、玉米和花生样品中富含硒，多数达到富硒农产品标准。稻米硒含量与根系土pH值、有机碳、铁和全量硒呈正相关关系，展现出开发富硒稻米的良好前景。