基于生态位理论的土壤硒资源评价及利用

祝亚飞，刘 俊，王 阳，齐晓波,汪建飞

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；3.安徽科技学院资源与环境学院，安徽 滁州 233100)

硒(Selenium,Se)作为人体正常生长发育所需要的基本微量元素，可以有效防止细胞因氧化而引起的衰老，并具有有效预防癌症、提高人体免疫力、降低重金属毒性等功能[1-2]。硒过量和缺乏都会导致人体产生一些疾病：硒过量可导致智力低下、皮肤褪色等； 硒缺乏可引发克山病、 白肌病、 大骨节病等[3-5]。 由于硒无法靠人体自身合成，而是通过从外部摄取来获取，土壤便是人体和动植物体从外部获取硒的最根本来源[6]， 区域内的土壤硒资源对人体健康有重要意义。 通过研究土壤硒的地球化学特征及其影响因素，明确区域土壤硒资源的空间分布特征，为发展区域特色富硒农业提供理论依据[7]。

近些年来，各个领域都在重视有关土壤硒资源开发利用方面的研究。 国内的研究方向主要集中于硒的地球化学特征、 硒和土壤其他理化性质以及重金属元素之间的拮抗协同机制等方面[8-9]；国外的研究方向则更侧重于探究土壤-作物系统中的不同形态硒的迁移转化机制和规律、硒元素在区域生态系统中的各种循环机理以及硒的生物有效性等[10]。目前的研究大多针对富硒土壤，而对区域硒资源在足硒层次以及非富硒区域如何发展富硒农业的研究较少[11-13]。 因此， 本文基于生态位理论，通过研究硒和其他理化性质在土壤中的富集特征，分别进行生态位适宜性评价，最后利用地统计学方法，结合研究区生态敏感性分布结果，将全区进行硒资源综合利用分区[14-16]。最后结合综合利用分区结果，进一步探究如何科学地开发和利用区域土壤硒资源，为高效利用硒的经济价值和发展特色富硒农业提出科学建议[17]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及样点布设

研究区(39°26'～39°50'N，116°13'～116°43'E)位于北京市南郊， 地理位置为华北平原的东北部， 整体区域西北较高、 东南较低， 总体地势较为平坦， 海拔高度在15～45m之间，自然坡度为0.08%至0.01%，基础农业条件较好，适合发展各类特色农业。研究区土壤母质主要以冲积物为主，其次是风砂冲积物，洪冲积物最少；质地构型以海绵型为主，夹层型最少。

图1 研究区位置和样点分布

1.2 数据获取

按1km×1km网格采样，取表层土(0～20cm)，共采集167份土样。本文利用SPSS 22.0、Excel 2019、ArcGIS 10.3和ENVI 5.3进行数据分析和相关图形绘制。

1.3 研究方法

1)单因子生态位适宜性分析

a. 主导因子

(1)

式中：Ni为评价因子i的生态位适宜度(i∈[1，n])；Xi为现实生态位；Diopt为最适生态位；Dimin为最小生态位。

b. 区位因子

(2)

式中：Ni为生态位适宜度(i∈[1，n])；Xi为现实生态位；Diopt为最适生态位；Dimin为最小生态位；Dimax为最大生态位。

c. 限制因子

(3)

式中：Ni为生态位适宜度(i∈[1，n])；Xi为现实生态位；Diopt为最适生态位；Dimin为最小生态位；Dimax为最大生态位。

2)生态位适宜性综合分析

a. 生态位适宜性综合指数分析

(4)

式中：N为生态位适宜性综合指数；Ni为生态位适宜度(i∈[1，n])；n为评价因子个数。

b. 生态位适宜性综合分析

(5)

式中：S为生态位适宜性加权求和综合指数；Ni为生态位适宜性综合指数；Wi为生态位适宜性权重；n为生态位维数。

结合生态位适宜性分析结果，通过GIS软件将适宜性综合评价结果分为：高适宜区、中适宜区、低适宜区和不适宜区[18]。

2 结果与讨论

2.1 土壤硒分布特征分析

1)土壤硒描述性统计分析 对研究区土壤硒含量、有机质和pH进行描述性统计，研究区表层土壤硒含量介于0.09～0.41mg·kg-1之间，其算术平均值为0.19mg·kg-1，相较于我国平均土壤硒含量0.29mg·kg-1偏低；土壤有机质含量介于2.84～39.60g·kg-1之间，其算术平均值为15.36g·kg-1；土壤pH值介于7.65～8.89之间，其算术平均值为8.41，整体偏碱性。研究区土壤硒和有机质均为中度变异(37.44%、43.73%)土壤pH值呈弱变异性(3.33%)，这可能与研究区内不同区域的种植模式、土地利用类型不同及环境因素差异有关。

2)土壤硒空间分布特征分析 空间自相关性是探究相关元素之间是否存在显著关系的基础， 是进行地统计数学处理的重要依据。图2为全局莫兰指数散点图和局部莫兰指数聚类图，研究区土壤硒全局莫兰指数均值为0.848；局部莫兰指数聚类图表表明，全区高-高聚类主要分布在中北部，低-低聚类主要分布在西部和东部地区。利用Geoda软件检验全局莫兰指数特征：Z=3.29>1.96；P<0.01。符合空间自相关分析的要求。

(a) 全局莫兰指数散点图 (b) 局部莫兰指数聚类图

研究区土壤硒与土壤其他理化性质的相关性分析如图3所示。结果表明，土壤硒与有机质、pH和重金属Hg等呈不同程度的相关。硒与pH呈正相关(P<0.05)。研究区表层土壤pH平均值为8.41， 为中、 碱性土壤。 硒与有机质呈显著正相关(P<0.05)，表明有机质对硒具有一定的吸附和固定作用，这与文献[19]研究认为硒是典型亲生物元素，在富含有机质的土壤环境中易富集的结论一致，但有关研究表明，土壤中大量N、P的存在不利于土壤硒向植物迁移转化。硒与Hg呈正相关(P<0.05)，这与它们同属于亲硫元素，具有相似的地球化学性质有关。硒与As、Ni 呈正相关(P<0.05)，但相关系数较小，而与Cd无相关关系，表明土壤中硒的自然来源与土壤母质有关。

图3 硒与土壤理化性质的关系

为进一步揭示土壤硒与理化性质及环境要素之间的关系，利用方差分解探究各指标对硒的影响，结果显示有机质、pH和Hg对土壤硒积累的贡献作用较大，与相关性分析结果相同。而根据以往研究，在酸性和碱性环境下表层土壤硒主要与pH呈不同程度负相关关系[20]；在中性环境下，呈较弱正相关关系[21]。本文结果可能与样点分布以农田为主，受土地利用方式及种植管理模式影响有关[22]；Cr、Ni和Cd对土壤硒积累无贡献作用，说明土壤硒含量受Cr、Ni和Cd的影响不大。

2.2 生适宜性评价

1)土壤硒生态位适宜性评价体系构建 土壤硒资源开发利用受多方面因子的影响，如天然的成土母质会影响土壤硒含量的高低，区域的基础农业设施和条件会影响富硒农业的发展，还要考虑发展富硒产业所投入的经济占比及经济收益。因此本文从主导因子、区位因子和限制因子3个方面建立指标体系，通过熵值法确定各评价因子权重，如表1所示。本文富硒分级标准参考文献[23-24]划分。

2)主导因子适宜性分析 本文的主导因子区域土壤硒的含量，也是发展当地特色富硒农业的基础。根据评价体系标准对因子进行重分类赋值，得出主导因子适宜性评价结果如图4所示。按照评价因子现实生态位等级将研究区分为高适宜(Ⅰ级)、中适宜(Ⅱ级)、低适宜(Ⅲ级)和不适宜(Ⅳ级)4种类型区。可以看出，研究区表层土壤硒评价以低适宜(足硒)为主，主要集中在研究区西北地区和南部地区；高适宜(富硒)区主要分布在研究区中部，表层土壤硒含量较高，适合发展富硒产业；中适宜区(潜在富硒)较少，主要分布在中北部地区；不适宜区(缺硒)主要分布在研究区西部和东部地区，由于土壤硒含量偏低，不适合发展富硒产业。

表2 土壤硒资源开发利用适宜性评价指标体系及权重

图4 主导因子适宜性评价

3)区位因子适宜性分析 本文选择区域最典型区位因子地形坡度、土壤肥力和土地利用类型进行评价，根据评价体系标准对因子进行重分类赋值，得出相应适宜性评价结果(见图5)。

图5 有机质、坡度、土地利用因子适宜性评价

土壤有机质适宜性以中适宜(Ⅱ级)为主，主要集中在中部和南部地区；高适宜(Ⅰ级)区主要集中在研究区西部和东南部，这部分地区以菜地和粮地为主，在长期耕作与施肥的影响下土壤有机质含量较高，评价结果与实际相符，适合农业生产；低适宜(Ⅲ级)和不适宜区(Ⅳ级)主要集中在研究区北部和东北部，这部分地区城镇化程度较高，农业发展程度低，土壤有机质含量偏低，不适合农业生产。

地形坡度适宜性评价以高适宜(Ⅰ级)为主，由于研究区处于华北平原，地形坡度变化较小，研究区南部和中部及部分北部地区均为高适宜区，基础农业设施建设较为完善、交通方便，适合发展农业；低适宜(Ⅲ级)和不适宜区(Ⅳ级)主要在西北部和中西部地区，这类地区地势较高，农业设施建设较为薄弱、交通不便，不适合农业生产。

土地利用类型适宜性评价以高适宜为主(Ⅰ级)，主要集中在中部和南部，研究区耕地较多，且大部分地区为平原，较适合农业生产；低适宜(Ⅲ级)和不适宜区(Ⅳ级)主要集中在北部，这部分地区主要为城乡、工矿和居民用地，结合城市规划发展考虑，不适合发展农业。

4)限制因子适宜性分析 本文采用生态敏感性作为生态保护建设的限制因子，生态环境敏感性是指生态系统对区域内自然和人类活动干扰的敏感程度。

生态敏感性评价结果如图6所示，利用GIS技术对DEM数据进行高程、坡度、坡向和水系数据提取，叠加分析将研究区生态敏感性分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级。Ⅰ级为高敏感区，主要为水源地和生态保护建设区，不适合农业生产；Ⅱ级为敏感区，距离水源地和生态保护建设区较近，存在人为活动影响到生态环境的可能；Ⅲ级为较敏感区，正常的人为活动和农业生产不会影响到生态环境；Ⅳ级为低敏感区，人为活动对生态环境影响较小，适合农业生产。研究区生态敏感性以低敏感性为主，大部分地区适合进行人为活动和农业生产。

图6 生态敏感性分级

5)生态位适宜性综合分析 综合叠加计算得出生态位适宜性评价结果如图7所示，研究区分为高适宜、中适宜、低适宜和不适宜4个类别。高适宜区主要分布在中部和西南部，适宜发展富硒产业；中适宜区主要在南部和东部地区，为潜在富硒产业发展区，可作为土壤硒资源利用后备区；低适宜区主要集中在水源地和生态保护建设地周围，根据生态保护原则，此类地区不适合发展富硒产业；不适宜区主要在西北部，这部分地区地形坡度偏高、交通不便、基础农田设施建设滞后，不适合发展农业以及富硒产业。

图7 生态适宜性评价

2.3 土壤硒资源综合利用分区

基于生态位适宜性评价结果，结合农用地等级，得出区域土壤硒资源综合利用分区结果。为科学地为区域特色富硒产业发展提出建议，将研究区划分为富硒产业发展区、重点农业生产区和综合产业发展区(见图8)。

图8 土壤硒资源综合利用分区

富硒产业发展区主要在研究区中部，这部分区域的农业基础设施较好，耕地质量等级较高，土壤硒资源较为丰富，特色富硒农业发展前景广阔，可充分发挥农业基础优势，以重点开发绿色富硒农产品为核心，构建富硒小麦、西甜瓜、蔬菜和玉米等特色产品农业产业体系，走特色富硒生态农业发展道路。具体开发过程中，应调查清楚各类农产品含硒值，掌握具体地块土壤硒分布情况，坚持以当地特色富硒农产品为基础，有针对性地打造富硒农产品。

重点农业生产区主要集中在研究区中部和南部部分区域，这部分区域产业基础好、交通便利，基础农业发展较好，土壤硒资源为潜在富硒和足硒。应坚持基础农业发展为主导，并加强人工富硒相关技术的研究，通过外源富硒技术加强和改良农产品籽粒果实硒含量，综合发展现代基础农业和特色富硒产业[25]。

综合产业发展区主要在研究区中西部，该部分区域耕地质量等级相对较低，应有针对性地发展特色产业，加强农田监管和保护，改良农田土壤障碍因子，优化土地生产要素投入结构，提高耕地质量等级，提升生产能力和生态效益。结合当地土质状况，优化种植模式和农业种植结构，通过合理施用复合肥、改进耕作措施、集中安置管理粮田和农产品品种改良等措施挖掘农田发展潜力[26]。

3 结论

本文基于生态位理论对土壤硒资源开发利用进行适宜性评价，通过分区结果得出以下结论：

(1)研究区土壤硒含量在0.09～0.41mg·kg-1之间，均值为为0.19mg·kg-1，总体属于足硒，全区土壤硒全局莫兰指数均值为0.848，存在显著的空间正相关性；

(2)全区表层土壤硒低适宜(足硒)主要集中在研究区西北地区和南部地区，高适宜(富硒)区主要分布在研究区中部，表层土壤硒含量较高；土壤有机质以中适宜(Ⅱ级)为主，主要集中在中部和南部地区，地形坡度和土地利用类型主要以高适宜(Ⅰ级)为主，生态敏感性以低敏感性为主，地理条件与农业生产基础条件较好，适合构建以农业产业为主导的生产体系；

(3)本文将生态位适宜性评价结果和农用地土地利用等别相结合，将研究区划分为富硒产业发展区、重点农业生产区和综合产业发展区。结合不同类型的发展区实际状况给出相应的发展建议，富硒产业发展区应充分发挥农业基础优势，重点开发绿色富硒农产品；重点农业生产区应坚持基础农业发展为主导，并加强人工富硒相关技术的研究；综合产业发展区应加强农田监管和保护，提高耕地质量等级。