来凤地区锗元素地球化学特征及其与藤茶的适生关系

2020-12-31罗军强张元培郑雄伟

资源环境与工程 2020年4期

白洋，赵辞，吴颖，罗军强，张元培，郑雄伟

(湖北省地质局地球物理勘探大队,湖北武汉 430056)

锗属于典型的稀散元素,在地壳中广泛分布但含量甚微,极少以独立矿物出现,多与硫化物伴生[1]。自然界中锗元素主要以有机锗和无机锗两类形式存在,土壤中无机锗易形成络合物，被植物吸收利用转化为具有高生物活性的有机锗[2]。山地表生带基岩、风化层(成土母质)、土壤和植物生长关系密切,生态地球化学过程活跃[3],土壤层作为地球关键带的核心要素,是控制地球关键带物质能量和信息流动与转化的重要节点。

1 研究方法

1.1 工作区概况

根据土壤第三次普查结果,来凤县土地总面积为1 342.05 km2。其中耕地、园地、草地及药材基地面积为263.7 km2,占土地总面积的19.64%；林地面积987.0 km2,占土地总面积的73.52%。

来凤县土地利用类型主要有：乔木林地、灌木林地、旱地、水田、农村宅基地、其他林地、河流水面、果园、农村道路、城镇住宅用地、茶园、沟渠、工业用地、水库水面、公路用地、其他园地、采矿用地。

来凤县主要出露于古生界寒武系中统—奥陶系下统娄山关组的沉积地层以及中生界白垩系下统五龙组沉积地层。

1.2 样品采集

全县共采集表层土壤样品5 674件,藤茶样品75件,藤茶样品涵盖主要藤茶产区,具体采样点位分布在后续论述中有具体描述。

1.3 样品分析测试

样品分析由湖北省地质实验测试中心完成,分析质量监控措施遵循中国地质调查局生态地球化学评价样品分析技术要求[4],重复样品测试结果满足规范《多目标区域地球化学调查规范》(DZ/T 0258—2014)要求。

土壤样品经混匀后粉碎至200目粒度,电感耦合等离子体原子发射光谱法分析Mn,电感耦合等离子体质谱法分析Ge元素,原子荧光光谱法分析Se。

茶叶∶将样品用自来水清洗干净,再用蒸馏水冲洗3～4次,置于不锈钢托盘内,45～50 ℃烘箱内烘干,将烘干的样品直接用粉碎机粉碎,将碎好的样品保存在塑料密封袋内。

2 分析与研究

2.1 研究思路

Ge元素的吸收富集,对藤茶有效成分黄酮类化合物的合成具有重要作用。土壤Ge元素的含量不仅影响着藤茶自身的Ge含量,同时也能促进藤茶对Se、Mn等元素的吸收,进而促进黄酮类成分的合成。

本次研究主要针对土壤中Ge元素地球化学特征以及农作物中Se、Mn两种元素与土壤Ge元素含量的关系展开,阐明土壤Ge元素对Se、Mn等有益元素在土壤—藤茶之间中的迁移富集效用。

2.2 土壤Ge元素在各成土母质单元含量特征

富Ge土壤是一个相对概念,目前并无明确定义。孔祥瑞在《锗的医学地理分布:论“浅井数据”的不可靠性》中指出地壳Ge含量范围为1.2～15 mg/kg,而大陆上地壳中Ge元素丰度为1.3～1.6 mg/kg；西北地区青海东部和新疆若羌县将富Ge土地标准定为1.3 mg/kg[5]。与国内其他地区相比,来凤县表层土壤Ge元素含量平均值相对低于常山县表层土壤Ge元素含量平均值1.59 mg/kg[6]；高于广西北部湾地区表层土壤Ge含量平均值1.43 mg/kg,广西南部地区(南宁、贵港、北海、钦州、玉林等)表层土壤Ge元素平均值1.44 mg/kg[7],重庆市南川区土壤Ge元素平均值1.50 mg/kg[8],黄淮海平原土壤Ge元素生态地球化学基准值1.40 mg/kg[9],新疆若羌县表层土壤Ge含量平均值1.16 mg/kg,松辽平原生态地球化学基准值1.31 mg/kg和全国地球化学基准网确立的表层土壤Ge元素背景基准值1.3 mg/kg[10]。

岩石圈是地球上所有自然形成化学元素的根本来源,山地表生带土壤主要为基岩就近风化形成,具有定积母质特点,地球化学元素亲缘性强,基岩建造影响土壤元素的原生背景。

评价区主要出露古生界—中生界地层,自寒武系中统—奥陶系下统娄山关组至白垩系下统五龙组,碳酸盐岩广布。

全县共采集表层土壤样品5 674件,全区及各环境单元土壤地球化学数据源自表层土壤测量样本,其表层土壤及各成土母质单元Ge、Se、Mn元素地球化学参数见表1。

表1 各地质单元土壤Ge元素含量均值Table 1 Average content of Ge in soil of each geological unit

来凤地区的表层土壤Ge含量平均值相对全国大多数已统计土壤表层Ge平均含量的重要农耕区较高,仅略低于常山县的表层土壤Ge含量。对比不同地质单元土壤Ge含量平均值,可见泥盆系>志留系>第四系>三叠系>奥陶系>白垩系>二叠系>寒武系。其中泥盆系地层区表层土壤Ge元素含量平均值为1.82 mg/kg、志留系表层土壤Ge元素含量平均值为1.68 mg/kg,第四系表层土壤Ge元素含量平均值为1.62 mg/kg,均大于前述重要农耕区的土壤Ge含量平均值,具有较好的农用地资源利用价值。

从地球化学图来看,本次工作Ge元素的空间分布不均匀,主要富集区分布面积较大,主要位于中部旧司镇柏杨坪村—龙桥村—大岩板村—团坛子村—西北车村一带,以及东南部的百福司镇洞塘坝村—安家堡村—可洞村一带,具体见图1。

图1 来凤地区锗元素地球化学图Fig.1 Ge geochemical map of Laifeng area

2.3 元素在不同土壤类型中的地球化学特征

评价区主要土壤类型为:黄红壤(12)、黄壤(21),其次主要土壤类型为黄壤性土(22)、暗黄棕壤(32)、黄棕壤性土(33)、潴育型水稻土(142)。统计各土壤类型中元素背景值,结果列于表2。

表2 不同土壤类型元素地球化学背景值Table 2 Geochemical background values of elements in different soil types

在不同土壤类型中,黄红壤中Ge元素含量较高,Ge元素含量平均值达到1.7 mg/kg,高于其它土壤类型,这可能与红壤中较高含量的Fe及其他亲铁元素具有较大的联系,为了更好的阐明土壤Ge含量与土壤铁含量之间的关系,本次工作制作全区表层土壤Ge与土壤铁散点图,如图2所示,由图可见,土壤Ge含量与土壤铁含量之间呈现出较好的正相关性,这也进一步说明了在成土母质风化形成土壤的过程中主量元素Fe对稀散元素Ge具有较好的吸附富集作用。

图2 土壤TFe2O3和Ge含量协变图Fig.2 Covariance map of TFe2O3 and Ge contents in soil

2.4 元素在不同土地利用中的地球化学特征

根据评价区土地利用现状,结合本次土地质量地球化学评价的主题,按照耕地的利用现状及实用性,评价区划为茶园、果园、水田、旱地、其他园地、其他林地、灌木林地、乔木林地等8类主要土地利用区进行评价,各土地利用区的表层土壤背景值列于表3。对比各土地利用中元素(指标)含量的背景值,基本分布规律总体如下。

表3 不同土地利用类型土壤背景值Table 3 Soil background values of different land use types

土壤Ge元素含量平均值在耕地和园地中的含量明显大于其在灌木林地和乔木林地中的含量,即人工耕作土壤中Ge含量平均值大于人工扰动相对较少的灌木林和乔木林土壤,说明人工干扰对土壤Ge含量的扰动作用有限。

2.5 土壤Ge元素含量与藤茶Se、Mn含量协同关系

本次工作共采集藤茶样品75件,藤茶样品中的Ge、Mn元素含量特征见表4及表5，通过研究发现藤茶Se、Mn含量与土壤Ge元素含量关系密切,其中高Se、Mn含量藤茶主要分布于锗元素呈高背景—高值分布的地区,中低Se、Mn含量的藤茶则主要分布于锗元素呈低值—背景分布的地区。

表4 藤茶茶叶中Ge含量特征Table 4 Characteristics of Ge content in Ampelopsis grossedentata

表5 藤茶茶叶中Mn含量特征Table 5 Characteristics of Mn content in Ampelopsis grossedentata

为直观表现藤茶茶叶中Se含量高低与土壤Ge含量关系,现根据藤茶采样点的坐标,将其投影于Ge元素地球化学图之上,元素含量的高低用不同直径的圆点表示,如图3所示,通过该图可见,藤茶Se含量>0.06 mg/kg的点位几乎全部位于Ge元素的高背景—高值区；在Ge的低值—背景区未见Se含量>0.06 mg/kg的点位,该区以0.03～0.06 mg/kg的藤茶为主。

图3 土壤Ge含量与藤茶Se含量协同关系Fig.3 Synergistic relationship between Ge content in soil and Se content in Ampelopsis grossedentata

说明土壤Ge含量与藤茶Se含量具有一定的协同关系,即土壤高的Ge含量更有利于高Se含量的藤茶产出。

为直观表现藤茶茶叶中Mn含量高低与土壤Ge含量关系,现根据藤茶采样点的坐标,将其投影于Ge元素地球化学图之上,元素含量的高低用不同直径的圆点表示,如图4所示,通过该图可见,藤茶Mn含量>951 mg/kg的点位几乎全部位于Ge元素的高背景—高值区；在Ge的低值—背景区未见Mn含量>951 mg/kg的点位,该区以334～951 mg/kg的藤茶为主。