运城市土壤硒含量分布特征及其影响因素

吕小娜，昝亚玲，郭 娟

（运城学院 生命科学系，山西 运城，044000）

硒是一种存在于土壤中的矿物质，也是人体内必需的一种微量元素，它具有各种功效，主要有抗细胞衰老、抗癌、增强人体免疫力等作用，但人体内硒含量摄入过多或者是硒含量摄入过少都会对身体健康产生不好的影响[1-2]。在土壤、植物，以及人体的传播过程中硒元素会不断积累，人和动物在生长过程中所需要的硒元素也主要是来源于土壤[3]。所以，研究土壤硒对人体的健康具有非常重要的意义。近几年，国外对土壤硒的研究主要侧重于生态系统中硒循环、土壤与作物间之间硒的转化，以及硒的生物可利用性等方面[4]。而国内侧重于硒元素的具体分布特征、生物有效性，以及地球化学特性方面[5]，目前已在湖北[6]、陕西[7]、安徽[8]、江西[9]、浙江[10]、海南[11]、贵州[12]、青海[13]、新疆[14]、广东[15]等地发现富硒资源。针对足硒及以下土壤研究较少，同时对于我国北方粮食主产旱作区硒的研究也相对欠缺。目前此区域相关研究多集中在肥力指标方面[16]，而关于硒含量空间特征及开发利用则鲜见报道。拥有“运城苹果”品牌特色的运城市属于典型的旱作区域，光照充足，土壤肥沃，具有十分独特的气候条件，是发展棉、粮、水果等各种农产品的良好基地，土壤硒研究目前还处于空白。因此，本文对运城市耕地土壤硒含量及其空间分布规律进行分析，为合理应用土壤硒资源、提高富硒产业的发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

运城市位于运城盆地中心（N 34°48′45″～35°22′30″，E 110°42′53″～110°11′15″），管辖6 个乡、7 个镇、8 个街道。全市地形由东北向西南倾斜，上下呈现平川、高山、洼地、山丘等地貌。境内绝大部分地区地势都比较平缓，只有一小部分地区为台地、湖滩洼地。该市属于温带大陆性季风气候区，四季分明，春温比秋温低，夏季高温多雨，秋雨比春雨多，冬季寒冷干燥，光热资源丰富，南北部温差较大，南部四级多风[17]。运城市享有山西“乌克兰”的称号。全市棉花和小麦的总产量占山西省的50%以上，也是全国优质苹果的产地之一[18]。依据土壤普查资料可知，运城市分布有82 个土种、22 个土属、10 个亚类、4个土类（沼泽土、草甸土、褐土、盐土）等[17]。

1.2 样品采集与预处理

参照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T166—2004）[19]及《土地质量地球化学评估技术要求（试行）》（DD2008-06）[20]相关要求，研究区的表层土壤按1 km×1 km 为1 个单位面积，采集4 个土样进行混合，形成1 个土样，最终共采集了210 个耕地表层土壤（0～20 cm）样本，并将海拔高度、点位的经纬度、耕地类型等进行了记录。样品采集后运回到运城学院环境生态实验室，风干后去除杂质，研磨，过100 目尼龙筛，室温避光保存。土壤有机质、pH，以及土壤全硒分别采用重铬酸钾外加热法、电位计法、微波消解-氢化物发生原子荧光光谱法进行测定；土壤类型数据从1∶30 万运城市土壤类型图中提取。运城市采样点分布图见图1。

图1 运城市采样点分布图

1.3 数据处理

利用SPSS 22.0 对土壤样品硒含量进行Pearson相关性分析和描述性统计。使用GS＋对土壤硒含量的数据进行半方差函数拟合，分析在土壤硒的空间变异结构。ArcGIS 10.8 软件中采用普通克里金法绘制运城市土壤硒含量的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤硒含量的统计特征

对210 个土样硒含量进行描述性统计（表1），并利用K-S 法进行原始数据检验，结果均服从正态分布（表1、图2）。运城市表层土壤中硒含量变化范围为0.09～0.55 mg·kg-1，平均值为0.28 mg·kg-1（表1），对比其他地区相关研究发现（表2），运城市土壤硒含量均值远高于西藏[21]、黑龙江[3]、新疆[22]，但是低于湖北恩施[23]、陕西紫阳[24]、海南省[25]等地，是中国[26]土壤硒平均含量的0.96 倍，是全球[27]土壤硒平均含量的0.7 倍。土壤pH 是7.70～8.86，平均值是8.26，虽然土壤的酸碱度的跨度比较大，但总体来看，是以碱性土壤为主（表1）。土壤中有机质最小值是1.20 g·kg-1，最大值是49.00 mg·kg-1，平均值是20.56 mg·kg-1（表1）。

表2 运城市与其他地区表层土壤硒含量对比

图2 运城市土壤硒含量直方图

表1 运城市土壤硒描述性统计

依据《天然富硒土地划定与标识》（DD2019-10）的分类标准[28]和谭见安教授对土壤硒含量的分类标准[29]（表3），对运城市的土壤硒含量做出散点图（图3）。结果表明，按照第1 个标准，运城市土壤硒≥0.3 mg·kg-1就是富硒土壤，在研究区域的210 个土壤样品中，有67 个样品的硒含量是在富硒含量范围（图3）。按照第2 个标准，运城市土壤硒含量处于富硒水平的有15 个，而处于足硒水平的有178 个。由此可见，运城市土壤整体都处在足硒和富硒的水平。

表3 我国部分富硒土壤划分标准

图3 运城市土壤硒含量散点图

2.2 土壤硒含量的空间变异特征

对运城市土壤硒含量进行半方差函数拟合，由表4 可知，运城市土壤硒含量半方差函数拟合模型为球状模型。

空间变异主要是由结构性变异以及随机性变异两部分组成。变程（α）为半方差函数到达基台值时所间隔的距离；块金系数［C0/（C0＋C）］是块金值（C0）（非采样间隔所造成的变异）和基台值（C0＋C）（半方差函数会随着间距的递增，达到一定程度后会出现的平稳值）的比值[30]。当块金系数小于0.25 时，硒元素空间相关性极强，从而结构性因素会影响它的变异性；块金系数在0.25～0.75 之间时，空间相关性呈中等；当块金系数大于0.75 时，主要受到随机因素的影响。从表4 可知，土壤硒含量的块金系数是0.513，这表明土壤硒元素的空间相关性呈中等，表明受自然因素（成土母质、土壤类型、有机质以及地形地貌等）和随机因素及人为活动如耕作施肥共同的影响。运城市土壤硒含量的变程是13.5 km（表4），说明半方差函数在间隔距离是13.5 km 时，而达到平稳阶段，在这一尺度范围中，硒元素的含量存在非常强的连续性。

表4 土壤硒含量的半变异模型及其相关参数

2.3 土壤硒含量空间分布特征

对于偏低的富硒标准更容易扩大具有开发价值的高硒土壤区域[31]。本文在谭教授[29]划分的标准基础上，依据《天然富硒土地划定与标识》（DD2019-10）[28]将原富硒标准0.40 mg·kg-1调至0.30 mg·kg-1，然后按照标准将运城市的土壤硒含量划分为过量、高硒、中等、边缘、缺硒5 个等级，并绘制出了运城市土壤硒含量空间分布图（图4）。由表5 统计得知，运城市土壤中，绝大部分地区土壤表现出足硒及以上的特征，而缺硒和硒过量（硒毒）的现象并不存在。其中，富硒土壤所占的面积是运城市的33.49%，而足硒土壤所占的面积是运城市的65.10%。由图4 可见，运城市的南部以及西北部（泓芝驿镇和北相镇）主要是富硒土壤，运城市的中部和北部主要是足硒土壤。

图4 运城市土壤硒含量空间分布特征

表5 土壤硒丰缺分级界限值

2.4 土壤硒含量的影响因素

2.4.1 土壤pH 和有机质 影响土壤有效性和元素赋存比较重要的2 个要素是土壤pH 和土壤有机质[32]。由表6 可知，土壤硒含量与土壤pH 值相关性并不显著，相关系数为-0.103。这可能是与运城市所布的点位均位于耕地，土地利用状况复杂，受到的人类活动干扰较大有关，这与邓军等[33]的研究结果是一致的。有机质和土壤硒的相关系数是0.394，呈现极显著正相关性，这与余飞等[31]的研究结果是一致的。

表6 运城市土壤硒含量与pH、有机质相关分析

2.4.2 成土母质 运城市盐湖区内的几种成土母质的硒含量略有差异。由图5 可知，各母质中表层土壤硒平均值由低到高依次排序为：沟淤（0.20 mg·kg-1）＜黄土状（0.24 mg·kg-1）＜黄土质（0.26 mg·kg-1）＜石英砂岩风化残、坡积物（0.30 mg·kg-1）＜河流冲积沉积物（0.31 mg·kg-1）＜冲积物（0.32 mg·kg-1）＜湖积冲积（0.33 mg·kg-1）＜洪积沉积物（0.34 mg·kg-1）＜冲积沉积物（0.35 mg·kg-1）。由此可见，湖积冲积、洪积沉积物和冲积沉积物的成土母质硒含量比较高；沟淤、黄土质和黄土状的成土母质硒含量较低。其中，除了沟淤、黄土状、黄土质、石英砂岩风化残、坡积物之外，其余成土母质的硒含量均高于研究区土壤硒的平均含量。沉积物、坡积物和冲积物的母质土层比较厚，耕地土壤的通气性良好，有利于接纳上部冲流下来的土壤养分，所以耕地土壤硒含量会就比较高，这几种母质主要是分布在盐湖区的中南部；而黄土母质比较疏松，质地轻，不利于土壤硒含量的积累，主要分布在盐湖区的北部，土壤硒含量较低。

图5 不同成土母质发育表层土壤硒含量

2.4.3 土壤类型 由图6 可知，不同土壤类型中，硒含量的分布也是有差异的，具体表现为：潮土（0.31 mg·kg-1）＞粗骨土（0.30 mg·kg-1）＞褐土（0.25 mg·kg-1）。其中，粗骨土与潮土中的土壤硒含量比褐土高，而与褐土相比，粗骨土和潮土的土壤条件会更利于土壤硒含量的积累，并且处于足硒的范畴。盐湖区褐土主要分布在三里路镇、陶村镇、龙居里等，可以看出比其他地区土壤硒含量低，与成土母质的分析结果一致。

图6 运城市不同土壤类型中硒元素的含量

2.4.4 地形地貌 运城市地形地貌类型多种多样，不同地形土壤硒含量的差异比较明显。由图7 可知，各地形中土壤硒平均值由低到高依次排序为：一、二级阶地过渡地（0.23 mg·kg-1）＜台垣及高阶地（0.24 mg·kg-1）＜二级阶地（0.25 mg·kg-1）=黄土丘陵（0.25 mg·kg-1）＜山前倾斜平原（0.28 mg·kg-1）＜中条山及中低山、山前洪（0.30 mg·kg-1）＜一级阶地（0.31 mg·kg-1）＜洪积扇地带（0.34 mg·kg-1）＜盐湖北岸的垄岗地带（0.35mg·kg-1）。由此可见，盐湖区北岸的垄岗地带的土壤硒含量最高，洪积扇地带、一级阶地、中条山，以及中低山山前洪的土壤硒含量较高，一、二级阶地过渡地、黄土丘陵、台恒，以及高阶地的土壤硒含量略低。

图7 运城市不同地形地貌土壤硒含量

3 讨论与结论

运城市耕层土壤硒含量的范围是0.09～0.55 mg·kg-1，土壤硒平均含量是0.28 mg·kg-1，而地壳中硒元素的丰度值仅为0.050 mg·kg-1[34]。由此可见，运城市表层土壤硒元素有很明显的累积效应。运城土壤硒是中国土壤硒平均含量的0.96 倍[26]，接近中国土壤硒平均水平。根据土壤硒丰缺标准可知，运城市土壤缺硒和硒过量（硒毒）的现象不存在，而绝大部分地区的土壤则表现出足硒及富硒的特征，足硒占该地区面积的65.10%，富硒占该地区面积的33.49%，其中富硒土壤面积至少在4.03 万hm2以上。建议结合运城市的城市发展规划，合理利用该地区的土壤性质，着手开发与推广富硒产品，提高土壤中的硒元素含量，从而增加当地可生产富硒农产品的耕地数量。

运城市土壤硒元素含量空间相关性为中等，说明土壤硒含量分布受自然因素影响和人为活动的影响。从空间分布上看，运城市的中部和北部主要为足硒土壤，运城市南部和西北部（泓芝驿镇和北相镇）主要为富硒土壤。

笼统地说，土壤中硒的主要赋存形式有元素硒、硒化合物、硒酸盐、亚硒酸盐等，pH 值对其赋存形式有重要作用[35]。根据研究说明，土壤的pH 值越高，土壤中硒的含量就会越低[3]。一是随着土壤碱性的逐渐增强，土壤硒的形态会从亚硒酸盐（SeO32-）向硒酸态（SeO42-）进行转化[36]，因硒酸盐与吸附质的亲和力较弱，导致硒酸盐被植物吸收消耗或造成土壤硒淋溶，进而造成土壤硒含量的持续下降[1]。二是土壤的甲基化能力会随着土壤pH 值的增加而加强，促进其在土壤中的迁移，从而导致土壤硒含量越低[37-38]。但是本文土壤硒含量与土壤pH 值相关性并不显著，相关系数为-0.103。这可能是与运城市所布的点位均位于耕地，土地利用状况复杂，受到的人类活动干扰较大有关。土壤硒元素会受到土壤有机质吸附和固定作用的影响，土壤中有机质含量越高，硒被固定和吸附作用就越强，本文有机质和土壤硒的相关系数是0.394，呈现极显著正相关性。运城平原地区的坡度比较缓，耕地居多，土地利用的程度比较高，人为的干预程度大，土壤硒含量相对充足，中条山为中山区，中条山位于研究区地形最高部位，随着海拔高度的逐渐增加、气温降低，从而导致有机质分解缓慢，盐湖富含的矿物质资源丰富，地下水经流附近耕地使土壤养分含量丰富，土壤硒含量处于较高水平[38]。而黄土丘陵、一、二级阶地过渡地等地区的交通不便利，尤其是下雨后，雨水冲刷使得土壤养分不断流失，又因为地形原因导致农业投入不便，耕作的难度也比较大，这一地形主要分布在上王乡等地，周围的耕地土壤硒含量比较低，这与前文耕地土壤硒含量分布得出的数据分析结果是一致的。母质是土壤形成的物质基础。不同的成土母质，发育不同的土壤类型，对土壤硒含量的影响也很重要[39]。盐湖区褐土主要分布在三里路镇、陶村镇、龙居里等，可以看出该地区比其他地区土壤硒含量低，与成土母质的分析结果一致。总之，在研究区中土壤硒含量的影响因素（成土母质、土壤类型、地形地貌、土壤质地、有机质）对土壤硒含量及分布有显著的影响，土壤pH和土壤硒含量相关性不显著。运城市的地形地貌条件极为复杂，导致土壤硒的空间分布呈现出较强的变异性和复杂性，之后还需要结合植物吸收和土壤相关指标等过程分析，才能更清晰、全面、更准确的认识运城市土壤硒含量的分布。