黄河下游流域土壤硒元素分布特征及影响因素研究——以山东省聊城茌平地区为例

常 彬，郭忠华，刘根驿，孙彦伟

（1. 山东省物化探勘查院，山东·济南 250013；2. 山东省地质勘查工程技术研究中心，山东·济南 250013）

硒（Se）元素在自然环境中分布广泛，作为人体必需的微量元素之一，与人体健康密切相关，在增强人体抗癌能力、重金属解毒排毒、延缓衰老和提高免疫力等生物学方面表现显著[1-2]。在表生地球化学循环过程中，硒作为亲硫元素和亲生物元素次生富集作用明显[3]。以往研究表明，硒元素化学性质活泼，生物及人体中的硒含量过低或过高均会引发不良反应。人体缺硒会直接导致免疫力低下，容易受细菌及病原体的入侵和感染，已发现的克山病、大骨节病以及心脑血管疾病等多种病症均与缺少硒有密切关系，硒摄入过量也会引起反作用导致硒中毒[4-6]，适量摄入硒既可以增强人体免疫能力，也可以提高人体抵御疾病、防癌抗癌等能力[7-8]。

硒元素在世界各地土壤中分布不均，土壤硒含量的变化范围介于0.01～2.0 mg/kg，平均0.2 mg/kg，普遍表现为缺乏状态[9]。据调查，在我国约有72%的地区为国际公认的硒缺乏地区，其中1/3的地区为严重缺硒地区[10-11]。鉴于硒对人体健康的重要性和全球土壤硒分布的不均匀性，土壤硒含量地球化学特征以及影响因素研究已成为学者研究和社会关注的热点问题之一。开展土壤硒调查，加快富硒土壤的研究和开发，对于保障人体硒元素的日摄取量和阐述中国土壤硒地域差异性具有重要的意义。

黄河下游流域河长786 km，流域面积2.3万km2，本次研究是以“山东省茌平县农业生态地球化学调查评价”项目为依托，结合相关研究成果，对黄河下游冲积平原茌平地区表层土壤中硒元素的空间分布、含量分布等地球化学特征以及影响因素等内容进行系统分析和总结，为研究区土壤资源合理开发、特色农业发展以及国土空间规划提供地球化学依据，也对平原区合理开发富硒特色农产品问题具有重要科学指导意义。

1 研究区概况

茌平地区位于山东省西部，隶属山东省聊城市，南北纵向最大距离42 km，东西横向最大距离47 km，总面积为1003.37 km2。境内属典型暖温带半湿润季风气候，四季变化明显，年均气温为13.6℃，年均降水量为560.88 mm，主要河流为徒骇河和马颊河。茌平区地处黄河下游流域黄河冲积平原，地势平缓，地面自西南向东北随河流流向微倾，高处标高35.0m，低处标高26.5m，平均坡降1/15000。在黄河冲击作用下该地区微地貌表现为岗、坡、洼相间的形态，形成缓平坡地、浅平洼地、河滩高地以及决口扇型地等地形地貌类型。

研究区全部为第四纪地层覆盖，无基岩出露，自中生代末期，特别是新生代喜马拉雅运动以来，区内地壳运动以沉降为主，巨厚的新生界新近纪—第四纪松散沉积物覆盖在太古界—下古近系基底地层之上。构造发育，以聊考断裂为主。土壤类型主要以潮土为主，占研究区总面积的95.61%，风沙土（4.37%）和盐土（0.02%）零星分布（图1）。土地利用类型主要有水浇地、林地和建设用地等。

图1 研究区土壤类型分布Fig.1 Distribution of soil types in the study area

2 样品采集及分析方法

2016年，在研究区进行了1:50000农业生态地球化学调查评价，主要针对茌平地区农田、菜地、林（果）地、草地等土地利用类型开展野外调查及样品采集工作。根据采样地块形状，采用“S”形、“X”形或“棋盘”形采样。共计在全区范围采集表层土壤样品1222件，采样深度为0～20 cm，采样密度为农用地区域2～3个点/km2，建设用地区域1个点/2 km2；采集深层土壤样品27件，采样深度为150～200 cm 的土柱，样长50 cm，采样密度为1个点/36 km2。样品为混合样，是由4～6个分样点样品等份组合形成的，分样点的布设是以GPS定位点为中心向四周扩展50～100 m确定。对采集的各分样点土壤进行充分混合揉搓，清除其中残留的虫体、岩石碎块、秸秆以及植物根系等影响测试结果的杂物，采用四分法留取1.0 kg土壤放入样品袋封存。为避免样品胶结，在土壤样品日光晒干或自然风干的过程中要经常进行揉搓，加工（过筛）前为使干燥后的土壤样品能顺利过筛，土壤应恢复至自然粒级状态，可使用木槌对样品轻轻敲打，再用20 目尼龙筛过筛，过筛后留取样品重量应不小于500 g，送往实验室测试分析样品要大于200 g。

山东省物化探勘查院岩矿测试中心承担了本次所有样品分析测试工作，分析测试方法技术严格按照中国地质调查局《1:50000土地质量地球化学调查评价技术要求》要求执行。分析测试指标（元素）包括Cd、Hg、Pb、As、Ni、Cr、V、Co、有 机 质、Se、Zn、Cu、N、P、K、B、Mn、Mo、pH、I等。各分析指标分析方法与检出限见表1。

表1 各项指标的分析方法及检出限Table 1 The analysis method and detection limit of target elements

3 研究区土壤硒元素分布特征

3.1 土壤硒含量分布特征

研究区表层土壤样品的分析数据统计结果显示，土壤硒元素含量变幅为0.08～1.51 mg/kg，平均值为0.18 mg/kg，41%的变异系数表明了该区土壤硒元素分布的不均匀性。通过研究区表层土壤硒元素地球化学特征值（表2）可知，茌平地区土壤硒含量的平均值高于山东省均值，略低于聊城市均值，远低于全国的土壤硒元素背景值，是山东省土壤硒元素背景值的1.38倍。1989年谭见安对我国硒元素生态景观界限值进行了系统划分[12]，将土壤硒含量划分5个等级，分别为硒缺乏（＜0.125 mg/kg）、潜在硒不足（0.125～0.175 mg/kg）、足硒（0.175～0.4 mg/kg）、富硒（0.4～3.0 mg/kg）、硒中毒（＞3.0 mg/kg）。参照此划分依据，结合研究区0.18 mg/kg硒含量平均值，该区土壤属于足硒状态。

表2 表层土壤硒元素地球化学特征值Table 2 Geochemical characteristics of selenium contents in topsoil

为了解研究区土壤硒含量的空间分布情况，绘制了茌平地区表层土壤硒地球化学图（图2）和表层土壤硒含量分布特征图（图3）。由图2可见，研究区土壤硒整体表现为中部、南部高，东高西低的分布趋势，高值区以面状分布于研究区西南部洪官屯镇，最高值为1.51 mg/kg；中高背景区以面状、条带状分布于研究区的中部、南部；中低背景区普遍发育，主要分布在研究区东部；低值区呈面状分布在研究区的西部，其他地区零星分布。

图2 表层土壤硒地球化学图Fig.2 Geochemical map of selenium contents in topsoil

图3 表层土壤硒含量分布特征Fig.3 Distribution characteristics of selenium content in topsoil

由图3可见，研究区土壤中硒元素等级大多数以足硒土壤为主，分布广泛，占整个调查区的54.16%，主要分布在研究区中部胡屯镇、信发街道办事处及振兴街道办事处和南部的洪官屯镇、乐平铺镇；潜在硒不足次之，面积占整个调查区的42.58%；主要分布在研究区西部肖庄镇、博平镇等地；富硒类土壤占整个调查区的2.04%，主要分布在洪官屯镇；硒缺乏类土壤面积占整个调查区的1.22%，主要分布研究区西北部菜屯镇、肖庄镇、杨官屯乡等地，分布较少。

根据茌平地区表层土壤硒含量分布特征分析，研究区富硒类土壤主要分布在洪官屯镇, 面积7.03 km2，可在富硒种植区内进行大面积富硒特色农产品的种植，打造以农业旅游为主体的特色种植园区。

3.2 不同土壤类型硒含量特征

茌平地区土壤类型主要以潮土为主，占研究区总面积的95.61%，草甸风沙土和盐土零星分布。表3为不同类型土壤硒元素地球化学背景值对比，茌平区潮土中硒元素的平均值为0.19 mg/kg，属于足硒（0.175～0.4 mg/kg）级别，接近于山东省同类土壤的平均值，明显高于全国同类土壤平均值；草甸风沙土中硒元素的平均值为0.15 mg/kg，接近于山东省同类土壤的平均值，远高于全国同类土壤平均值。通过上述分析可知，茌平地区潮土中硒含量明显高于草甸风沙土中硒含量，达到了足硒级别。不同土壤类型硒含量平均值存在一定差异，该地区潮土属于黄河冲积物土，其形成受到地下潜水作用以及耕作熟化的影响，表明硒元素的含量受人类耕作活动的影响较大。

表3 不同土壤类型硒元素地球化学背景值对比Table 3 Geochemical characteristics of Se content in different soil types

3.3 不同土地利用方式硒含量特征

茌平地区主要有水浇地、林地和建设用地等土地利用方式，对几种主要土地利用方式表层土壤硒含量进行统计，水浇地硒含量最高，平均含量为0.19 mg/kg，建设用地次之，平均含量为0.17 mg/kg，林地硒含量最低，平均含量为0.15 mg/kg。可以看出研究区不同土地利用方式中土壤硒平均含量有所差异，与研究区表层土壤硒含量的平均值（0.18 mg/kg）接近。林地的人类活动程度较弱，硒元素的富集接近自然状态，水浇地因施肥、打药等人类耕作活动影响硒元素富集，是导致硒含量平均值高的主要因素。

3.4 不同成土母质硒含量特征

成土母质是岩石风化过程的产物，也是土壤发育的物质基础和主要形成因素[14]。土壤中元素含量差异的重要影响因素取决于发育土壤成土母质成分上的差别[15]。茌平地区地处黄河下游流域冲积平原，地势平缓，发育的主要地层有第四纪全新世鱼台组、巨野组、单县组和晚更新世晚期寒亭组[16]，土壤常受河流的侵蚀冲刷改造，黄河早期冲积物是当地土壤主要的物质来源。因此，土壤硒元素含量与成土母质关系密切。

通过对比研究区几种主要母质发育的土壤中硒元素含量（表4）。可以明显看出，土壤硒元素含量平均值表现为茌平区巨野组地层发育的最高，平均值为0.20 mg/kg，高于研究区表层土壤硒元素含量平均值（0.18 mg/kg），略高于寒亭组、鱼台组、单县组地层土壤的硒元素含量平均值。物质来源于黄河早期沉积，岩性主要为褐黄色粉砂土和棕红色黏土。寒亭组地层土壤硒含量最低，平均值为0.17 mg/kg，略低于研究区表层土壤硒元素含量平均值，物质来源为黄河河道、决口扇的早期冲积物，岩性主要以黏土质细砂为主。鱼台组、单县组地层土壤的硒元素含量平均值与表层土壤硒元素含量平均值一致。

表4 不同成土母质土壤硒元素地球化学特征值Table 4 The geochemical characteristics of selenium contents in soils of different parent material

综上所述，茌平区土壤硒元素含量受成土母质的影响显著，在不同成土母质发育的土壤中存在一定差异，与黄河早期冲积物形成的同期异相地层密切相关。

4 土壤硒元素影响因素分析

4.1 全量Se对土壤硒元素影响

相关系数值按其相关性可分为6个级别，分别为强相关（r≥0.8）、中强相关（r=0.6～0.8）、中等相关（r=0.4～0.6）、弱相关（r=0.2～0.4）、不相关（r=-0.2～0.2）、负相关（r＜-0.2）[9]。通过土壤中活动态Se及总量Se作相关性关系图（图4）可见，总量Se与活动态Se表现出明显的相关性，r=0.9219，为强相关关系。表明了Se总量的增加是导致土壤中活动态Se含量迅速增加的重要影响因素，外源Se进入土壤主要是以活动态形式输入。

图4 土壤Se活动态含量与总量相关关系Fig.4 Correlation diagram between active Se content and total Se content in soil

4.2 pH值对土壤硒元素影响

生物有效硒作为土壤硒众多形态的一种是能够被植物直接利用和吸收的。土壤硒的存在形态、生物有效性以及土壤硒元素含量受到土壤pH值高低的显著影响[17]。在土壤中，硒主要是通过阴离子交换机制而被专性吸附，当pH值升高时，有利于硒的解吸。

土壤pH值对Se形态的影响具有特殊性。从土壤Se活动态含量与pH相关关系图（图5）可以看出，硒与pH值具有较好的相关性，当土壤在中性（7.5)时，离子活动态Se含量处于最低，对生态系统的危害很小。当土壤开始酸化（pH ＜7.5)时，离子活动态Se含量略微增加。而当土壤碱化（pH ＞7.5)时，离子活动态Se的含量迅速上升，呈正相关关系。在通气良好、碱性氧化环境中土壤Se具有较高的生物溶解性，在土壤溶液中Se主要是以水溶阴离子形式存在，水溶态Se含量的增多是土壤碱性增强所导致的。因此，土壤硒元素生物有效性在碱性条件下更高，形成的离子活动态Se较多，有利于农作物对硒元素的吸收。

图5 土壤Se活动态含量与pH相关关系Fig.5 Correlation diagram between active Se content and pH in soil

4.3 有机质对土壤硒元素影响

土壤中有机质是土壤重要的理化指标，对土壤中硒元素含量具有重要影响。土壤有机质是土壤中含碳有机化合物的总称，主要来源于动物、植物以及微生物残体[18]。硒的生物有效性受到土壤有机质的影响十分复杂，有学者提出，硒的生物有效性的提高是因为土壤有机质受到矿化作用影响使有机硒大量释放导致[19]；另有学者认为，在有机质含量丰富的土壤中，土壤有机质对土壤中硒元素的吸附与固定起重要作用，土壤有机质含量越高，对土壤中硒的吸附能力越强，土壤中硒的总含量相对越高，从而降低硒的迁移能力和活性，导致土壤中离子活动态Se含量及生物有效性降低[17,20]。

从土壤Se活动态含量与有机质相关关系图（图6）可以看出，有机质含量增加时，土壤中Se的水溶态或离子交换态有减少趋势，但离子活动态Se含量与有机质含量相关性并不明显，这可能是因为有机质对离子活动态Se含量的影响机理比较复杂，会涉及到土壤氧化还原电位、矿物以及其他常量元素等多元环境因子的综合作用的影响，还有待进一步探究。

图6 土壤Se活动态含量与有机质相关关系Fig.6 Correlation diagram between active Se content and organic matter in soil

5 结论

（1）山东聊城茌平地区表层土壤硒含量变化范围为0.08～1.51 mg/kg，平均值为0.18 mg/kg，属于足硒状态，主要分布在该区中部和南部地区，占整个调查区的54.16%。富硒类土壤主要分布在洪官屯镇, 面积7.03 km2，其中耕地6.62 km2、林地0.41 km2，地形地貌以浅平洼地为主，土壤类型多为潮土。建议结合国土空间规划，在洪官屯镇富硒种植区内，进行大面积富硒特色农产品的种植，打造以农业旅游为主体的特色种植园区。

（2）茌平地区潮土中硒元素的平均值为0.19 mg/kg，高于全国同类土壤平均值，明显高于草甸风沙土中硒含量，达到了足硒级别。表明硒元素的含量受人类耕作活动的影响较大，且土壤硒元素含量与成土母质关系密切。

（3）茌平地区土壤有机质对土壤中硒含量的影响较小，呈不明显相关性，与土壤pH值有着密切的联系，土壤普遍呈弱碱性。硒的离子活动态更加稳定，在弱碱性条件下含量较多，生物有效性也较高，有利于农作物对硒元素的吸收。