赣南地区设施菜地土壤全硒含量分布特征

2022-08-06易艳红廖雅汶王雅青王志雯卢占军姚锋先杨红兰

农业工程学报 2022年9期

成臣，易艳红，廖雅汶，王雅青，王志雯，喻刚，卢占军，朱博，姚锋先※，杨红兰

（1.赣南师范大学生命科学学院/赣州市设施蔬菜重点实验室，赣州 341000； 2.江西省宜春市气象局，宜春 336000；3.江西省定南县农业农村局，赣州 341900）

0 引言

硒（Se）是人类营养代谢过程中必需微量元素之一，其生理作用主要以硒代半胱氨酸及硒代蛋氨酸等形式嵌入硒蛋白在人体发挥作用，被认为人类健康生活所必须的膳食矿物质。中国土壤硒质量分数分布极不均匀，如陕西省岚皋县表层土壤硒平均含量为0.99 mg/kg，为中国土壤硒平均质量分数0.29 mg/kg的3.4倍，且其质量分数变幅差异较大（0.03～16.96 mg/kg）。而硒在农业生态系统中具有双重生物行为，硒不足或硒过量均会引起人体的各种健康风险或失调。据估计中国硒缺乏病如大节骨病、克山病等的年发病率每10万有9.3人，也有因硒中毒而导致蹒跚病及神经紊乱等慢性中毒症的相关报道。硒在土壤-植物系统中的生物地球化学行为被认为是生物体内硒循环的基础，植物可食用部位硒含量与土壤全硒含量密切相关。因此，土壤硒含量、分布特征及其影响因素一直是科研工作者的研究重点，监测耕层土壤硒含量对保障农产品硒水平及其安全摄取具有重要作用。

温室蔬菜生产系统是中国最集约化的农业生态系统之一，超过3.86×10hm的农田已安装设施塑料大棚，进而满足人民对蔬菜种类丰富及日益增长总量的需求。江西省赣州市依据《赣州市蔬菜产业发展规划（2017-2025年）》规划要求，设施钢架大棚面积已从2015年的7.47×10hm到2021年建成总面积为1.90×10hm，温室大棚数量增加较为迅速，而2022年后将主攻设施蔬菜质量与品牌提升。加快赣南设施蔬菜发展有助于其发展成富民支柱产业，也是保障菜篮子安全、打造健康“菜篮子”的重要体现。

赣州市富硒土壤资源较为丰富，米振华对赣州地区以1∶25万比例开展土地质量地球化学调查表明，赣南地区土壤硒平均含量为0.30 mg/kg（0.01～0.77 mg/kg）；雍太健等也研究表明，赣州市土壤地球化学硒含量为0.27 mg/kg（0.08～3.42 mg/kg），高于全国土壤丰度0.20 mg/kg，其中硒含量适量及富硒土壤面积分别占总面积的74.5%及10.8%。但迄今为止，有关赣州市设施蔬菜土壤硒含量分布特征的研究尚未见报道。本文以赣南区域内设施菜地耕层土壤硒为研究对象，探究设施菜地土壤硒含量、分布特征及其影响因素，明确其表层土壤硒生物地球化学特征，以期为赣南设施菜地土壤硒资源合理开发利用、发展设施富硒蔬菜产业提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

赣州市位于江西省的南部、赣江上游，介于北纬24°29′～27°09′，东经113°54′～116°38′之间，土地总面积39 379.6 km，占江西省总面积的23.6%，其中赣州市耕地保有面积4.37×10hm，全市现有设施钢架大棚蔬菜基地1.90×10hm。该区域属亚热带季风气候区域，年均气温19.8 ℃，积温6 398.5 ℃，年均降雨量1 605 mm，年均日照时数1 621.9 h，无霜期288 d，赣南区域气候温和、积温充足、无霜期长等，具有蔬菜高质量发展的气候条件。

1.2 样品采集与处理

2021年6－8月，该时间段设施蔬菜处于拉秧、换茬修茬及高温焖棚时期，以赣州市全市范围内设施大棚为研究对象，结合赣南设施连片蔬菜大棚的分布及其面积，根据代表性、典型性、均衡性的采样布点原则，按照预设采样点地理坐标及GPS定位系统到实地采样，并结合实地调查情况，共布设具有代表性点位235个（图1，由于设施大棚分布具有不均匀性及集中性特征，根据设施大棚总面积比例进行分配取样点位，部分区域会存在2～3个点位，即在图中会存在较多重叠或重合现象），所有布设位点涉及覆盖赣南18个县（市、区）94个乡镇156村。采用“S”型取样法采集每个点位的设施大棚0～20 cm 表层土壤，各样品采用四分法约500 g土壤带回实验室内自然风干，去除土壤样品中的根系、砾石等杂质，分别研磨过0.15和1.0 mm塑料尼龙网筛（PVC筛圈+尼龙网，不含金属）制成待测样品，保存聚乙烯自封袋中备用。

图1 研究区域与设施菜地土壤采样点位置 Fig.1 Location of greenhouse vegetable soil sampling points in the study area

1.3 样品分析方法及土壤硒分级标准

称取过0.15 mm尼龙筛的风干土壤样品0.200 g左右，加入6 mL HNO、2 mL HO及2 mL HF，使用MASTER-40微波消解仪进行土壤样品消解，采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS, Agilent 7900，USA）测定土壤样品中全硒（Se）含量。

依照《土壤农化分析》进行土壤理化性质测定，其中土壤电导率采用电导率仪（雷磁DDSJ-308F型）测定，pH值采用土水比为1∶2.5下pH计（梅特勒-托利多FE28型）测定，碱解氮测定采用碱解扩散法，全氮采用全自动凯氏定氮仪（FOSS-8400型）测定，土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法—外加热法，速效钾测定采用乙酸铵浸提－火焰光度法，有效磷采用碳酸氢钠浸提－钼锑抗分光光度法。

参考中华人民共和国地质矿产行业标准《土地质量地球化学评价规范，DZ/T 0295-2016》中土壤硒等级划分方法，将土壤全硒质量分数≤0.125、＞0.125～0.175、＞0.175～0.400、＞0.400～3.000及＞3.000 mg/kg划分等级为硒不足、潜在硒不足、足硒、富硒及硒中毒。

1.4 样品质量监控

采用插入参比样品及平行结果对土壤全硒含量进行质量监控，参考《土地质量地球化学评价规范，DZ/T 0295-2016》的要求，保证检验分析方法的准确度及精确度，只有在参比样品和平行结果均测定正常条件下，土壤样品的全硒含量数据有效。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft excel 2010和SPSS 21.0软件进行分析和处理，常规制图采用origin9.0软件，其中采用SPSS软件开展单样本Kolmogorov-Smirnov 检验进行正态分布检验。利用ArcGIS反距离权重插值（Inverse Distance Weighted，IDW）方法绘制土壤硒元素含量空间分布图。

2 结果与分析

2.1 设施土壤全硒含量的统计特征分析

对研究区域235件设施土壤样本中硒含量进行描述性统计分析，赣南设施大棚海拔均在100～400 m，土壤全硒质量分数平均为0.31 mg/kg（0.03～1.25 mg/kg），变异系数（CV）为47.74%；K-S-Z值为0.88，对应的概率值Sig.为0.42，大于显著水平（0.05），则不应拒绝原假设，设施土壤全硒含量服从正态分布（图2a，表1）。

表1 赣南设施菜地土壤全硒含量及其在不同海拔下差异分析 Table 1 Total selenium content in greenhouse vegetable soil and its difference at different altitude in southern Jiangxi

研究区域分别有7.2%和7.7%的样点数土壤全硒含量分别处于硒不足和潜在硒不足水平，另外有63.0%和22.1%的样点数土壤全硒含量达到足硒和富硒标准，尚无土壤样品达到硒中毒程度（图2b）。

图2 设施菜地土壤全硒质量分数正态分布及分布频率 Fig.2 Normal distribution and distribution frequency of total selenium content in greenhouse vegetable soil

2.2 硒含量的空间分布特征

硒不足及潜在硒不足的地区主要分布在赣南西南角区域（全南县南部区域）以及其他零星区域（寻乌县中部、定南西南部边缘及信丰县中部及西部等较小区域），赣南绝大部分区域设施土壤均处于足硒水平，富硒区域主要集中在赣南的正西部（上犹县西部、崇义县及大余县全县绝大区域）、东北部（宁都县北部、兴国县东部）以及北部局部区域（章贡区南部、赣县北部及于都县中部等少部分区域），而目前尚无硒中毒区域（图3）。

图3 研究区域设施菜地土壤全硒含量空间分布 Fig.3 Spatial distribution of total selenium content in greenhouse vegetable soil in the study area

2.3 土壤理化性质与全硒相关性分析

相关分析表明，赣南地区土壤pH值与土壤全硒质量分数呈正相关（相关系数=0.220）。此外，土壤全N、有机质与土壤全硒相关系数分别为0.178及0.135，相关性均未达显著水平；而土壤电导率、碱解氮、速效钾、有效磷与全硒相关性也均未达显著水平。

随土壤pH值增加，设施土壤全硒含量逐渐增加，二者呈一元一次方程关系，即pH值每增加一个单位，土壤全硒质量分数平均增加0.049 mg/kg（图4）。

图4 土壤全硒含量随pH变化 Fig.4 Variation of soil total selenium contents with pH value

2.4 不同海拔下土壤全硒含量变化

海拔在100～200、200～300及300～400 m土壤全硒平均质量分数分别为0.33（0.07～1.25）、0.28（0.03～0.72）及0.25 mg/kg（0.04～0.46 mg/kg），正态分布检验下概率值Sig.分别为0.23、0.95及1.00，均大于0.05，不同阶段海拔的土壤硒质量分数均服从正态分布（表1）。相关分析表明（图5），设施土壤全硒含量与海拔拟合一元一次方程，即随着海拔增加设施土壤全硒含量呈降低趋势。即海拔每增加1 m，设施菜地土壤全硒质量分数降低5.35×10mg/kg。

图5 土壤全硒质量分数随海拔变化 Fig.5 Variation of soil total selenium contents with altitude

2.5 不同经纬度下土壤全硒含量变化

随经度增加，土壤全硒含量变化规律不明显，赣南地区东西部差异不大，经度与土壤全硒质量分数无显著相关（图6a）。而土壤全硒含量随纬度增加而增加，赣南地区设施土壤硒含量总体呈现南低北高的趋势，由南向北，土壤全硒含量逐渐增加，纬度每增加1°，土壤全硒质量分数增加0.090 mg/kg（图6b）。

图6 土壤全硒质量分数随经度及纬度变化 Fig.6 Variation of soil total selenium contents with longitude and latitude

3 讨论

土壤全硒含量的高低是其供硒能力的重要体现，本研究表明，赣南地区设施菜地土壤全硒质量分数为0.31 mg/kg（0.03～1.25 mg/kg），较高于西藏拉萨曲水拉萨河沿岸农田土壤背景值0.16 mg/kg，但较低于江西丰城市农田土壤全硒质量分数0.49 mg/kg，而与全国土壤硒质量分数水平0.29 mg/kg较为接近。硒变异系数（CV）大小与人类活动强弱有关，高灯州等将CV＜10%、10%≤CV＜100%及CV＞100%分别表示为弱变异性、中等变异性及强变异性。本研究设施土壤全硒CV 47.74%，为中等变异性且CV值较大，推测该区域土壤硒来源较丰富，成土母质及人类生存活动均与硒的地球化学行为有关。

探究土壤硒含量与环境因子的相关性，有利于揭示赣南设施土壤硒的主控影响因素。pH为不同价态和形态硒之间转化的重要影响因素，酸性至碱性时硒主要以不易迁移和淋溶的亚硒酸盐形态向易转移和生物有效性大的硒酸盐转化，即有土壤pH与全硒含量呈负相关性的研究报道。本研究却表明，pH每增加一个单位，全硒增加0.049 mg/kg。这可能由于研究区为酸性红壤，均主要以亚硒酸盐形态存在，其迁移能力及有效性差异不大，可能与土壤有机质等其他指标间接影响有关，这与吴兴盛等、范薇等研究结果较为一致。但也有土壤全硒与pH无显著相关的研究报道，如魏然等认为酸性红壤区pH值变化范围较小，有机质含量贫瘠，土壤全硒仅随pH在一定幅度内波动。高海拔地区土壤存在硒富集现象被报道，主要由于海拔增加气温降低，有机质分解速率降低，与有机质结合的有机复合态硒转化成水溶态硒速率也降低，被植物吸收及淋溶消耗的硒含量相对较少，耕层土壤硒逐渐累积。但本研究表明，海拔每增加1 m，全硒含量降低5.35×10mg/kg。可能由于本研究采样点海拔均在100～400 m范围内气温差异较小，对土壤有机质分解及硒的吸附固定差异不大；而赣南地区为南方典型低山丘陵地形，局部小气候特征明显，降雨量较为充足，而赣南地区钢架大棚近几年才大面积陆续建成，建成前高海拔地区长期受到降雨影响，土壤硒易发生淋溶及迁移，从而高海拔区土壤硒含量较低。经纬度主要通过成土母质、气象条件等因素共同影响土壤全硒含量。高明慧等研究认为，随纬度增加，山东省淄川区土壤耕层硒含量变化规律不明显，而随经度增加土壤硒含量降低。而本研究却认为，随经度增加土壤全硒含量变化不大，但纬度增加1°，土壤全硒增加0.090 mg/kg。这可能与研究区年均气温与纬度呈负相关、与经度相关性不大有一定关联；随纬度间增加气温降低，继而有机质分解速率慢、土壤硒发生富集现象。

赣南设施土壤硒资源丰富，但酸性红壤硒生物有效性较低，直接影响作物对硒的吸收与积累，提高红壤-作物系统硒生物有效性是提升富硒技术的重要措施。首先，土壤酸化改良，研究发现该赣南设施土壤pH值为5.28（3.70～6.86），而随土壤pH值增加土壤硒生物有效性增加，即有必要开展红壤酸化改良提升硒生物有效性研究及其推广。其次，土壤有机质提升，研究发现赣南设施土壤有机质含量为26.8（10.0～42.2）g/kg，而有机质可吸附固定土壤硒、进而提高全硒，同时基于微生物作用有机质通过降解作用向土壤释放硒，提高土壤硒的生物有效性，即需揭示动植物源有机肥施用等有机质提升技术对红壤-作物系统硒生物有效性的影响及其机制。另外，研究区7.2%和7.7%样点数土壤硒分别处于硒不足及潜在硒不足水平（图2，图3），该区域仅通过内源调控无法实现农产品富硒，需采用外源调控（硒肥应用等）为主兼顾内源调控的富硒生产技术。综上，通过内源调控（酸化改良、有机质提升等）及外源调控（硒肥施用）技术研究，建立赣南设施蔬菜富硒生产技术体系，促进富硒蔬菜产业高质量可持续发展。