汉阴县凤堰水田区土壤硒含量特征及影响因素
2022-06-24陈继平罗婷李傲瑞王晖赵飞飞
陈继平,罗婷,李傲瑞,王晖,赵飞飞
(陕西省地质调查院,陕西 西安 710068)
Se是人和动物生命活动所必需的微量营养元素,Se过量或缺乏均会影响人和动物健康(周菲等,2021),摄入不足会产生“克山病”、“大骨节病”等典型疾病,摄入过量会导致中毒甚至死亡。土壤是人和动物体内Se的主要来源,植物主要从土壤中吸收、累计和转化Se,人体通过富硒农产品摄入Se元素(Peng et al.,2019;王仁琪等,2021)。中国有51%的地区土壤不同程度缺Se,约39%~61%的人口日Se摄入量低于WHO/FAO的推荐标准(55 μg/d)(Dinh et al,2018),因此,土壤、农作物Se含量调查评价能为人们科学认识、合理利用富硒资源提供依据。
陕西安康汉阴县凤堰水田垦建于清代,是目前秦巴山区发现的唯一连绵成片、保存最为完整、面积最大的清代梯田(曹雪利,2013)。2020年,笔者在汉阴县漩涡镇开展了1∶10 000土地质量地球化学调查评价工作,在凤堰的水田区采集了土壤样品和水稻样品,研究土壤及水稻籽实中Se含量分布特征及其影响因素,以期为该区富Se土壤资源开发利用提供依据。
1 研究区概况
凤堰水田位于汉阴县南部漩涡镇,由茨沟村、堰坪村、东河村、田凤村、中银村和双河村组成,整体处于秦巴山区,凤凰山南麓高山与丘陵结合地带,地势整体由南往北逐渐抬高,海拔高程介于395~988 m,面积约6 000余亩,依靠冷峪河、东沟河和黄龙洞河自流灌溉;气候属亚热带湿润季风气候,温和湿润,四季分明,雨热同季,光照充足,热量丰富,降水丰沛,无霜期长,年平均降水量为829.5 mm;土壤类型主要有黄褐土、黄棕壤。出露地层有姚坪岩组、杨坪岩组、耀岭河组、鲁家坪组和箭竹坝组,岩浆岩有晚元古代石英闪长岩和中生代二长花岗岩(图1)。
图1 (a)研究区地理位置及(b)采样点示意图
2 样品采集与分析
2.1 样品采集
水田休耕区土壤样品采集于7月,水稻区土壤采集于9月下旬水稻收割后,采集深度0~20 cm;按照多点等量组合的原则,采用垂直等高线法、十字法、蛇形法等方法采集5个子样混合组成一件样品,样品采集重量为1 kg。
在水稻收获期9月13日—9月15日采集水稻籽实和根系土样品,以0.1~0.2 hm2为采样单元,采用棋盘法进行多点取样,选取稻穗10~20颗,等量混均组成一件混合样品,根系土样品采集方法与土壤样品一致。
2.2 样品加工处理
采集的土壤样品在无污染的场地自然晾干,适时翻动,加速干燥。晾干的样品平铺在制样板上,用木棒碾压,剔除植物残体、石块,压碎的土样全部通过2 mm(10目)尼龙筛,混匀四分法称重200 g,用纸袋盛装送实验室分析。
采集的水稻样品在通风、整洁、无污染、向阳的房间,放在搪瓷盘自然晾干,利用硬木搓板进行手工脱粒,混均四分法称重300 g,用干净布袋盛装送实验室分析。
2.3 分析指标和方法
样品分析由国土资源部西安矿产资源监督检测中心承担,土壤样品As、Hg、Se采用原子荧光光谱分析法(AFS),Cd、Se采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS),Cr、Cu、Ni、Pb、Zn采用X射线荧光光谱法(XRF),pH采用电位法进行测定。水稻样品As、Cd、Cr、Pb、Se采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS),Hg采用原子荧光光谱分析法(AFS)进行测定。各元素报出率为100%,分析元素准确度、精密度合格率均达到100%。选用分析方法检出限和分析质量符合《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T0295—2016)标准要求。
3 土壤硒含量特征
3.1 土壤中硒及重金属元素含量特征
测试数据通过剔除异常值后对136件土壤样品进行分析(表1),土壤pH变化范围在4.78~8.01,其中91%的样品(n=124)呈酸性(pH=5.0~<6.5),3.68%的样品(n=5)呈强酸性,4.41%的样品(n=6)呈中性,0.74%的样品(n=1)呈碱性。因此,水田区土壤主体呈酸性。Se含量介于0.11~0.4 mg/kg,平均值为0.24 mg/kg,93.4%的土壤样品Se含量介于0.175~0.40 ug/g。依照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T0295-2016)中Se元素的等级划分标准值,研究区土壤中Se含量主体处于适量水平。比对农用地土壤污染风险筛选值(《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB15618-2018),研究区土壤中重金属元素Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn含量均低于风险筛选值,在pH≤5.5条件下,有2件土壤样品的Cd含量(0.34 mg/kg、0.35 mg/kg)略高于风险筛选值(0.3 mg/kg),但远低于风险管控制(1.5 mg/kg)。因此,认为研究区土壤污染风险低,土壤安全。
表1 研究区土壤重金属元素及土壤Se含量统计表(n=136)
3.2 水稻籽实中元素含量特征
对研究区水稻籽实中的Se元素含量进行分析,水稻籽实Se元素含量为0.01~0.11 mg/kg,平均值为0.05 mg/kg(表2)。根据《富硒稻谷》(GB/T22499-2008)所要求的富硒水稻标准0.04~0.3 mg/kg,样品中62%的水稻落在此区间范围,与广西典型水田高硒区(均值0.63 mg/kg)种植的水稻富硒率相近(64.8%)(刘飞等,2021)。按照《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)要求,对研究区水稻籽实中重金属元素Pb、Cd、Hg、As、Cr进行分析,水稻籽实中Pb、Cd、Hg、Cr含量均低于限量指标,其中有2件水稻籽实As总含量(0.21 mg/kg)略高于限量指标(无机砷限量标准:0.2 mg/kg),但其根系土As含量(8.86 mg/kg、12 mg/kg)远低于农用地土壤污染风险筛选值(pH≤6.5,限量值:30 mg/kg),需进一步对水稻籽实样品中无机As含量进行测试验证。水稻籽实根系土中有2件样品Cd含量(pH=4.97,0.32 mg/kg;pH=5.26,0.46 mg/kg)高于土壤污染风险筛选值(pH≤5.5,筛选值:0.3 mg/kg;5.5 表2 水稻籽实及根系土中Se及重金属含量统计表(n=13) 土壤中的Se不断地与有机质、黏土矿物、铁锰氧化物等土壤组分间发生着吸附-解吸、沉淀-溶解、(生物)氧化-还原等一系列环境化学过程。因此,根据与土壤结合程度的不同存在各种形态,只有被植物直接吸收利用的Se才是有效的,才能表征土壤Se的有效性(梁东丽等,2017)。研究区土壤Se以水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰结合态、强有机结合态和残渣态形式存在(图2)。其中,残渣态、腐殖酸结合态、强有机结合态为主要存在形态,约占92%(残渣态占34.69%,腐殖酸结合态占30.76%,强有机结合态占26.55%)。水溶态(2.49%)、离子交换态(2.36%)、碳酸盐结合态(1.62%)、铁锰结合态(1.52%)均占比较小,呈现残渣态>腐殖酸结合态>强有机结合态>水溶态>离子交换态>碳酸盐结合态>铁锰结合态的特点。 图2 根系土中不同形态硒的分布特点图 研究区土壤中水溶态、离子交换态、残渣态、铁锰结合态、碳酸岩结合态及强有机结合态Se含量均高于安康市西部稻田土壤中的几种形态的Se含量,而腐殖酸结合态Se含量却远低于安康西部其他地区(王仁琪等,2020)。 研究区主要出露前寒武系和早古生界,前寒武系为姚坪岩组、杨坪岩组和耀岭河岩组,早古生界为鲁家坪组。姚坪岩组为一套变质中基性火山岩-火山碎屑岩、夹酸性火山岩,杨坪岩组为一套富含钠质的中酸性熔岩-火山沉积岩系;耀岭河岩组为一套变质中基性火山沉积岩系,包括中基性火山岩、中基性火山碎屑岩及沉积岩的组合;鲁家坪组为一套黑色板岩为主的碎屑岩地层,局部含黄铁矿、菱铁矿、磷块岩结核。根据统计结果,成土母质以黑色板岩为主的碎屑岩Se含量最高,平均值为0.50 mg/kg,次为中基性火山岩,而沉积岩和变质中基性火山岩Se含量最低,二者相差不大,由此可见,不同成土母质土壤Se含量差异明显(表3)。 表3 不同成土母质土壤硒含量特征表 凤堰水田区土壤类型有黄棕壤和黄褐土2种类型。通过分析,黄棕壤区土壤Se含量变化于0.18~0.4 mg/kg,平均值为0.27 mg/kg;黄褐土区土壤Se含量变化于0.16~0.39 mg/kg,平均值为0.24 mg/kg。地理位置上,黄棕壤位于凤凰山与低山丘陵的过渡地带,海拔高度在536~812 m,黄褐土位于低山丘陵区,海拔高度在442~792 m。研究表明,黄棕壤的活性酸、代换酸、水解酸、活性铝、阳离子代换量、盐基饱和度和铁游离度与黄褐土差异明显(郭云峰等,1992)。另外,相较而言,丘陵区黄褐土有机质含量低,黄褐土黏化作用旺盛,土地周期性涨缩明显而频繁。因此,进入土壤中的Se不断地与有机质、黏土矿物、铁锰氧化物等土壤组分间发生着吸附-解吸、沉淀-溶解和(生物)氧化-还原等一系列环境化学过程,造成黄褐土与黄棕壤中Se含量的差异。 研究区水田主要种植水稻、油菜2种作物。种植方式为一年两熟水稻-油菜和两年三熟水稻-油菜-休耕。笔者7月份采集休耕水田区土壤样品,9月下旬采集水稻收割后水田土壤样品。通过分析数据,发现休耕区土壤Se含量(均值为0.23 mg/kg),略低于非休耕区土壤Se含量(均值为0.25 mg/kg)。前人研究发现,相比未耕作的土壤,耕作土壤中的Se移动性更强,通过犁耕,深部土壤中的Se能够释放到表层土壤中,且认为犁耕过程会改变土壤中氧的含量,使土壤中Se元素价态变化,影响Se的生物有效性(Dinh,2018)。因此,笔者认为,不同作物组成、配置、熟制、轮作等种植方式也是影响土壤Se含量的重要因素。 (1)汉阴凤堰水田区土壤Se含量介于0.11~0.4 mg/kg,平均值为0.24 mg/kg,主体处于适量水平;水稻籽实中Se含量介于0.01~0.11 mg/kg,平均值为0.05 mg/kg,62%的水稻达到富硒标准。 (2)水稻根系土中Se以残渣态、腐殖酸结合态和强有机结合态为主,约占92%;水溶态和离子交换态Se含量约占4.85%,高于安康西部稻田区。 (3)成土母质、土壤类型和种植制度的不同,会造成土壤Se含量的差异。3.3 根系土中硒的形态
4 土壤中硒含量的影响因素分析
4.1 成土母质
4.2 土壤类型
4.3 种植制度
5 结论