贵州荔波富硒耕地土壤硒分布特征及影响因素

周文龙, 杨志忠, 张 涛, 宋小军, 杨朝贵

(1.贵州省有色金属和核工业地质勘查局地质矿产勘查院, 贵阳 550005;2.贵州省有色金属和核工业地质勘查局, 贵阳 550005)

0 引 言

从世界范围来看, 硒在地壳中分布极不均匀, 其含量在0.01×10-6～2.00×10-6, 我国土壤硒背景值为0.29×10-6, 全国有72%的地区处于缺硒和低硒状态[1-3], 贵州省土壤A层硒平均含量0.37×10-6[4-5]。 天然富硒土壤是农作物硒的主要来源, 而土壤中硒的含量受成土母岩、 土壤理化性质、 土地利用方式、 土壤有机质等因素的影响[1-3, 6]。笔者等对荔波县进行耕地土壤地球化学调查评价, 曾统计了全县土壤硒含量, 按《土地质量地球化学评价规范》及文献[4, 7](把土壤硒含量在0.40×10-6～3.0×10-6的耕地划分为富硒耕地), 全县富硒耕地约为128.27 km2, 约占全县耕地面积的62%, 富硒耕地质优且集中连片分布, 极具开发利用价值。但目前未对富硒耕地区内土壤硒的含量特征及其影响因素进行系统的统计和分析, 因此查明全县富硒耕地土壤硒分布特征及影响因素, 对富硒耕地资源合理规划和利用具有重要意义。

本文以耕地为研究对象, 重点统计了荔波县富硒耕地土壤硒的含量特征, 系统分析成土母岩、 土壤类型、 土壤pH、 土地利用方式和土壤有机质对土壤硒含量的影响, 以期为研究区富硒耕地开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于贵州省南部, 东南与广西河池市接壤, 地理坐标东经107°37′—108°18′, 北纬25°07′—25°09′, 面积约2 431 km2, 属亚热带季风气候。地貌整体呈现出北东高西南低、 中部为槽谷的形态特征, 主要发育岩溶峰丛洼地、 谷地地貌。大地构造上处于扬子准地台黔南台陷与华南褶皱带的接合部位, 主要出露地层有南华系、 震旦系、 寒武系、 泥盆系、 石炭系、 二叠系、 三叠系、 白垩系及第四系; 岩性以碳酸盐岩为主, 兼有黏土岩、 泥页岩、 砂岩、 炭质泥页岩等; 土壤类型以水稻土、 石灰土、 红壤、 黄壤和粗骨土为主, 其中水稻土占大部分, 而石灰土广泛分布于灰岩出露区的旱地、 林地和草地中, 红壤只在荔波向斜轴部以南和黎明关水族乡南部区域有分布, 黄壤则广泛分布于海拔800 m以上旱地、 林地和草地中; 耕地利用类型以水田、 旱地为主, 兼有部分果园和茶园, 其中水田广泛分布全区, 果园在荔波向斜朝阳玉屏一带最为集中, 茶园只在甲良镇有少量分布。

2 材料与分析

2.1 样品采集与处理

研究区数据来源于《贵州省荔波县1∶50 000耕地质量地球化学调查评价》项目, 样品采集依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016), 全县共采集耕地表层土壤样品2 368件(图1)。耕地分布区土壤样品采集平均点密度不低于9点/km2, 无耕地分布的林地或草地以1点/4 km2进行控制。采样以GPS定点为中心确定主样坑, 在主样坑30～50 m范围内向四周采集4个分样点, 等量组合成1件样品, 采集深度为0～20 cm, 采集鲜样质量大于1.0 kg。样品采集结合采样点地形、 地貌及耕地分布情况, 避开沟渠、 田埂、 林带、 路边、 旧房基、 粪堆及微地形高低不平无代表性地段, 同时灵活采用“S”形、 “X”形或棋盘形布设分样点。鲜样风干后充分过10目(2 mm)筛, 称取200 g送实验室分析, 副样(不低于300 g)装入专用塑料瓶送样品库保存。另外, 以全县各时代地层的出露面积和对应耕地分布面积, 对各时代地层分别对应采集1～3件成土母岩样品, 选择耕地集中分布的代表性地段以GPS定点主样点并采集新鲜岩石样品, 在主样坑30～50 m范围内向四周采集4个分样点, 等量组合成1件样品, 每件样品重量大于1 kg。

图1 成土母岩分布及耕地土壤采样位置图

2.2 样品测试分析

表层土壤样品分析由云南省地质矿产勘查开发局中心实验室(自然资源部昆明矿产资源监督中心)完成。样品各指标测试分析过程严格执行《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)、 《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD 2005—03)。样品分析采用外部质量控制和内部质量控制相结合的方法, 其中, 外部质量控制采用外部送检, 合格率100%; 内部质量采用插入国家一级标准样进行控制, 从数据的报出率、 准确度、 精密度、 重复样检验等质量参数进行控制, 合格率大于98%。样品分析质量达到《多目标区域地球化学调查规范》的要求(表1)。

表1 样品分析检测方法及检出限

2.3 数据处理

数据采用SPSS 20.0和Microsoft Excel 2016完成描述性统计分析、 方差分析及相关性分析, 图件制作采用ArcGIS 10.2和中国地质调查局发展研究中心“土地质量地球化学评价管理与维护(应用)子系统”联合处理完成。

3 富硒耕地土壤中硒分布特征

前人研究认为， 成土母岩、 地形地貌、 土壤类型、 土地利用方式、 土壤有机质含量和土壤pH等对土壤硒含量均具有一定的影响[1,3,6,8-12]。本次分析探讨成土母岩、 土壤类型、 土壤pH值、 土地利用方式与土壤有机质、 土壤硒含量的关系。

3.1 土壤硒总体含量特征

统计结果显示， 全县2 368件耕地表层土壤样品硒含量数据符合正态分布, 土壤硒含量在0.02×10-6～9.49×10-6, 平均值0.45×10-6， 标准差0.41, 变异系数86.12。剔除异常值(X±3S)后的样本数为2 344件(剔除异常高值样品, 受污染或代表性差样品), 统计硒含量在0.02×10-6～1.70×10-6, 平均值0.44×10-6, 标准差0.21, 变异系数47.18。在全国第二次土地调查成果的基础上, 利用ArcGIS 10.2和 “土地质量地球化学评价管理与维护(应用)子系统”构建硒元素含量连续变化的数学表达模型, 用插值方法对空白区以外的所有不同土地利用类型图斑进行赋值, 采用累积频率方式制作研究区硒元素地球化学图(图2)。综合图1、 图2可见, 全县硒异常高值区呈带状展布, 在方村向斜二叠系合山组炭质泥页岩、 砂岩和煤系地层的土壤中呈现高值展布; 荔波向斜县城以北， 二叠系合山组煤系地层土壤中亦有较高含量; 此外，佳荣镇寒武系及震旦系炭质泥页岩、 砂岩地层的土壤中含量最高; 在全县大面积展布的石炭系祥摆组炭质泥页岩煤系地层分布区土壤中亦有较高的含量, 特别是立化片区煤矿山集中分布区或则更为明显； 但全区灰岩展布区域则正好相反, 呈现出大面积的土壤硒低值区。

土壤硒含量在0.40×10-6～3.0×10-6的耕地为富硒耕地, 据《天然富硒土地划定与标识试行》(DD 2019—10)标准, 全县耕地可划分为富硒耕地分布区和不富硒耕地分布区。从图3可见, 研究区富硒耕地分布较为集中, 主要分布在甲良镇新场-阳凤片区, 甲良镇甲新-甲高-红泥-双江至小七孔镇的地莪-地脉片区, 玉屏街道办事处的南部和东部片区、 朝阳镇全境、 黎明关水族乡和佳荣镇全境。对研究区富硒耕地1 320件表层土壤样品中硒(Se)含量数据进行检验, 符合正态分布。硒含量在0.30×10-6～9.49×10-6, 中位数0.51×10-6, 平均值0.58×10-6, 标准差0.35, 变异系数61.20。 剔除异常值(X±3S)后(剔除异常高值样品, 受污染或代表性差样品)样本数1 298件, 硒含量在0.30×10-6～1.63×10-6, 算术平均值0.55×10-6, 标准差0.21, 变异系数37.42。富硒耕地土壤硒平均含量高于全国土壤A层平均值0.29×10-6[4]和贵州省土壤A层平均值0.37×10-6[4-5]。

对所有耕地硒含量等级采用克里格等地统计方法分析, 制作耕地硒等级分布图(图3)。

图2 耕地土壤硒元素含量地球化学图

3.2 不同成土母岩及对应表层土壤区

研究区内石炭系、 泥盆系、 二叠系和寒武系的碳酸盐岩大面积连片出露, 三叠系、 二叠系和南华系的碎屑岩在荔波向斜、 方村向斜和佳荣镇的月亮山片区出露, 而煤系地层和炭质泥页岩地层呈条带状出露于方村向斜、 荔波向斜和茂兰向斜两翼(图1)。由于成土母岩类型复杂且区域分布不均, 对它们分别进行统计， 结果表明(表2)： 各类成土母岩中煤系地层成土母岩中硒含量最高, 平均值为1.51×10-6； 炭质泥页岩次之， 为0.73×10-6; 砂岩、 黏土岩和泥页岩较低, 为0.12×10-6～0.19×10-6; 而碳酸盐岩最低， 为0.02×10-6～0.21×10-6, 平均为0.05×10-6。对不同成土母岩及对应耕地表层土壤硒含量统计显示(图2), ∈炭质泥页岩分布区、 P3h和P2l煤系地层分布区、 C1x-s和C1x-C1j炭质泥页岩分布区、 碳酸盐岩分布区、 砂岩、 黏土岩和泥页岩分布区之间均存在显著性差异(P≤0.05), 且对应成土母岩分布区富硒耕地表层土壤硒含量呈现出∈炭质泥页岩分布区>P3h和P2l煤系地层分布区>C1x-s和C1x-C1j炭质泥页岩分布区>碳酸盐岩分布区>砂岩、 黏土岩和泥页岩分布区的规律。

表2 不同成土母岩及对应耕地表层土壤中硒含量

大量研究认为， 土壤元素含量对成土母岩具有一定的继承性, 在原生地质环境中, 富硒沉积岩是重要的富硒地质体, 如黑色页岩和煤系地层[13-14]。前人对贵州开阳富硒土壤的研究证明, 土壤硒元素主要来自于震旦系灯影组、 寒武系牛蹄塘组等富硒地层的风化和富集[15]。王甘露等对贵州省碳酸盐岩、 砂页岩煤系地层硒含量的研究表明, 碳酸盐岩及砂页岩中硒含量不高, 而煤系地层Se含量较高[16]。 张莹等对全国煤层统计显示贵州省煤层硒含量平均3.77×10-6[17]。本次研究表明, ∈炭质泥页岩、 P3h和P2l煤系地层及C1x-s和C1x-C1j煤系地层、 炭质泥页岩分布区土壤硒普遍较高, 且土壤硒高值区分布与对应成土母岩展布区高度吻合, 而对成土母岩的成分分析也显示了同样的高硒背景(图1、 图2)。因此, 本研究区煤系地层和炭质泥页岩地层为土壤硒的重要来源, 土壤硒含量主要受成土母岩的控制。

另外, 统计发现研究区碳酸盐岩中硒含量明显低于黏土岩、 泥页岩和砂岩中的硒含量, 但在黎明关水族乡一带碳酸盐岩分布区的土壤却表现出硒更为富集的现象, 这与贵州黔南大面积碳酸盐岩分布区域硒相对富集的现象一致(图2)。研究认为,碳酸盐岩区土壤主要来自于碳酸盐岩的红土化作用, 风化成土过程中, 碳酸盐岩主量元素Ca、 Mg等大量淋失, 微量元素得到相对富集, 尤其是风化形成的土壤中富含Fe、 Al氧化物黏粒对各种形态的硒具有吸附和固定作用, 使得风化过程中硒在铁铝含量高的表层土中次生富集[18-19]。因此, 认为碳酸盐岩分布区土壤硒富集机理是碳酸盐岩风化过程中硒的次生富集作用。

3.3 不同类型土壤

对荔波富硒耕地区不同类型土壤硒含量统计显示: 黄壤硒含量最高， 为0.67×10-6； 水稻土硒含量最低， 为0.56×10-6； 而红壤和粗骨土硒含量相差不大。硒的含量在水稻土和黄壤、 红壤、 石灰土、 粗骨土, 粗骨土和石灰土之间存在显著性差异(P≤0.05), 而在黄壤、 红壤、 粗骨土之间无显著差异(表3)。

表3 富硒耕地区各类型土壤中硒含量

已有研究发现, 不同类型土壤中硒含量存在较大差异[20]。研究区黄壤和红壤均具较高的硒含量, 因黄壤多为高海拔区旱地, 相对较低的温度有利于有机质的积累和硒的固定保存, 使得黄壤中硒含量高于红壤。区内粗骨土分布区紧邻高硒的煤系地层, 部分受其影响使土壤硒含量相对较高; 而石灰土为碳酸盐岩红土化作用形成的旱地土壤, 碳酸盐岩风化成土过程中硒的次生富集使得土壤硒相对富集。另外, 据刘鹏等的研究, 淹水土壤比非淹水土壤有较强还原性, 使淹水土壤中铁硒化合物因铁的还原而溶解度增加, 使硒随水淋溶流失[21], 这可能是区内相近条件下水稻土中硒含量最低的主要原因。

3.4 不同土地利用方式

对富硒耕地区各种土地利用方式下土壤硒含量的统计显示： 茶园土壤硒含量最高， 达0.98×10-6； 林地次之， 为0.71×10-6； 果园最低, 为0.54×10-6。茶园、 水田、 果园和旱地, 水田、 旱地和林地, 果园和林地不同土地利用方式下土壤硒含量存在显著性差异(P≤0.05), 而土壤中硒在茶园和林地、 水田和果园之间无显著性差异(表4)。

表4 不同土地利用方式土壤中硒含量

不同的土地利用方式导致土壤性质和生产力的改变, 进而改变土壤环境并影响土壤质量[22]。研究区林地和草地土壤硒含量相对较高, 可能与其自然状态下高有机质含量密切相关; 茶园土壤硒含量高, 与茶园分布区对应于煤系地层关系密切; 果园与水田有相近的硒含量主要因为果园多为近年来水田改造而来, 同时水田、 果园分布区多为碳酸盐岩、 砂岩、 页岩地层分布区, 该类型成土母岩硒背景值相近且相对较低。

3.5 不同酸碱度

将富硒耕地区土壤按pH值进行分类统计, 结果发现碱性土壤硒含量均值最高， 达0.66×10-6； 强酸性土壤硒含量次之， 为0.64×10-6； 中性土壤硒含量为0.62×10-6； 酸性土壤硒含量最低， 为0.56×10-6。土壤硒含量在强酸性和酸性土壤, 酸性和中性、 碱性土壤之间存在显著差异(P≤0.05), 而在中性、 碱性和强酸性土壤之间无显著性差异(表5)。

表5 不同酸碱度土壤中硒含量

研究区耕地土壤总体以酸性为主(约占88%), 碱性和中性土壤主要分布在果园和旱地, 且在瑶山瑶族乡一带最为集中。土壤pH对硒含量的影响主要表现在不同酸碱度土壤对硒的吸附与解吸过程的控制上, 酸性湿润土壤中硒主要以亚硒酸盐(Se4+)形式存在, 它易与土壤中金属氧化物和有机质结合而稳定存在; 碱性和干旱土壤中硒主要以硒酸盐(Se6+)形式存在, 其溶解度高, 易迁移淋失, 生物有效性高[9-10, 23]， 土壤pH值与土壤硒存在明显的负相关关系[9-12]。研究区耕地表层土壤中硒的含量呈现出碱性土壤>强酸土壤>中性土壤>酸性土壤的趋势。对土壤pH值与土壤硒的相关分析发现其相关性不明显, 这可能与区内成土母岩类型复杂, 而pH值和硒含量受成土母岩、 土地利用方式、 有机质含量等多因素制约使土壤中硒空间分布极不均有关。

3.6 不同有机质含量

土壤有机质含量对硒的富集有显著影响, 有机质含量与土壤硒含量存在较高的正相关关系[11, 13, 24-25], 其对硒含量的影响主要体现在有机质对土壤中游离硒的吸附和固定作用上, 有机质含量越丰富的土壤, 对于硒的吸附能力就越强, 土壤中硒含量也相对较高。对研究区1 298件表层土壤样品按有机质含量分组, 统计有机质和硒含量平均值, 结果表明, 土壤硒算术平均值随着土壤有机质含量的升高而升高。统计显示, 表层土壤有机质含量与硒含量呈显著相关, 相关系数r=0.23(n=1 320,P<0.001)。研究认为, 酸性土壤中微生物的还原作用促使大部分亚硒酸盐被地表土壤固定, 硒优先进入低分子量的腐殖质组分中与金属腐殖质复合体一起呈现出无机复合状态, 使硒被土壤有机质吸附和固定, 并趋向腐殖质含量更高的表层土壤富集[26-30], 这与前人的研究结果一致(表6)。

表6 表层土壤有机质与硒含量

4 结 论

(1)研究区富硒耕地表层土壤中硒平均值0.58×10-6。富硒耕地土壤中硒含量有如下特征: 在炭质泥页岩和煤系地层分布区大于碳酸盐岩、 黏土岩、 泥页岩和砂岩分布区; 炭质泥页岩和煤系地层分布区土壤硒含量普遍高于其他成土母岩分布区; 黄壤和红壤硒含量明显大于水稻土; 林地、 草地和茶园中硒含量高于其他土地利用类型; 土壤硒随有机质含量升高而升高。

(2)成土母岩对土壤中硒元素的含量具有控制作用, 高硒背景的成土母岩分布区对应高硒背景土壤分布区; 碳酸盐岩分布区土壤硒相对富集与碳酸盐岩风化过程中硒的次生富集作用密切相关。

(3)土壤中硒元素的含量受土壤类型、 土地利用方式和土壤有机质含量的影响, 而土壤pH对土壤硒含量影响作用不明显。