青阳县土壤硒空间分布特征及富硒区土壤肥力质量评价

王文艺 ，管青松 ，储茵 ，刘明学 ，朱江

（1.合肥经济学院 人工智能学院，安徽 合肥 230061；2.泾县畜牧兽医水产服务中心，安徽 泾县 242000；3.安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥 230036）

硒（Se）是与人体健康息息相关且必需的微量元素之一。硒在地壳中含量极少且在全球范围内分布很不均匀，我国近3/4的国土为缺硒、低硒地区，且呈现东南部和西北部要高于中部地区的趋势[1]。硒在医学上不仅具有治疗疾病的价值，而且还有防病强身之功效，缺硒会导致人体免疫机能下降，长期缺乏还会导致克山病和大骨节病等地方性疾病，但高量摄入硒又会使人或动物机体产生慢性中毒[2]。从土壤—植物—机体食物链中获取硒元素是人类获得这一重要元素的有效途径，而食物中硒的含量又很大程度上依赖于土壤环境中硒的含量。为了给人类提供安全有效的富硒农产品[3-6]，也因为富硒农产品的高附加值可使农民收入增加并促进农村经济的发展[7]，因而，关于富硒土壤的研究工作倍受各级政府和学界重视[8]。前人的调查研究表明，安徽省青阳县有着非常丰富的富硒土壤[9]，具备开发富硒农产品的良好条件，但如何对富硒土壤进行分类管理、合理利用，使其能发挥出最大的经济效益，是目前当地农业部门所面临的重大问题[10]。同时，富硒土壤的肥力状况直接影响到富硒作物的生长与产量，对经济收益产生一定的影响，这也是富硒作物种植中一个不容忽视的问题[11]。Kriging插值法，又称空间自协方差最佳插值法，通过考虑某种属性在空间上的变异分布，确定对一个待插点值有影响的距离范围，然后用此范围内的采样点来估计待插点的属性值。其对于地下水模拟、土壤制图等领域是一种可靠的科学分析方法。

笔者针对安徽省青阳县土壤硒空间分布特征及富硒区土壤肥力质量开展评价研究，通过测量该县土壤中硒元素含量并结合安徽省富硒土壤的分级标准，利用GIS中克里金（Kriging）插值技术，对青阳县富硒土壤进行等级划分和空间分布特征分析。并在此基础上利用指数和法，对富硒土壤肥力水平进行评估，以期为当地富硒土壤的合理利用及富硒作物的生产开发提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

青阳县位于安徽省池州市，地理坐标为北纬30°19′～30°51′，东经117°41′～118°05′，位于长江中下游南岸、皖南山区的北部，属于亚热带季风湿润气候，夏热冬凉、降水充沛，有丁桥镇、新河镇、酉华乡、乔木乡等12个乡镇。县域内北部多为平原，南部多为山区，中间多为丘陵。水资源丰富，历年平均地表水约18亿m3，其中60%来自于降水。全县现有耕地约2万 hm2，农业种植以水稻、油料作物为主，以茶叶和中药材等为主要经济作物。由于该地区有着充沛的降水，能够满足农作物的灌溉要求，且春夏多雾，无霜期长，为各类作物生长提供了良好的条件。

1.2 研究方法

采集青阳县耕层土壤，测定其硒含量，在此基础上分析青阳县土壤中硒含量的特点，并依据硒的分级方法对青阳县土壤进行富硒土壤的分级划分，利用GIS的克里金插值技术得到青阳县各级富硒土壤在空间上的分布图，同时利用指数和法，对青阳县富硒土壤的肥力水平进行评价。

1.3 样品采集与分析

根据青阳县现有土地面积，于2021年8月在当地以20 hm2左右为采样点的密度，0～20 cm为采样深度，对当地各类耕作区域内的耕层土壤进行土壤样品的采集。在全县范围内共采集911个样点的土壤样品，进行土壤全硒含量的测定；同时对筛选出的富硒土壤进行土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾养分含量的测定。

1.3.1 样品采集与处理 每一个土壤样本均来自选定区域的7个采样点，一般依S形选定，每个点取土1 kg,将来自7个采样点的约7 kg土壤样品先进行机械混合，剔除石块、植物残渣等，然后采用4分法得到1 kg最终样品装袋贴标，通风背阳处自然风干。各项指标检测前需要将风干的样品进一步研磨筛分，得到粒径小于0.15 mm和粒径1 mm的样品，装入磨口瓶贴标备用。

1.3.2 测定项目及方法 土壤全硒含量测定时先称取0.50 g的土壤样品置于聚四氟乙烯坩埚中，先用少量水进行润湿，然后依次加入5 mL的浓硝酸、2 mL高氯酸和2 mL氢氟酸，再加热至发烟，由于硝酸挥发剧烈，需要适当补充，待整体基本蒸干后冷却，然后再用15 mL的盐酸浸取，转移至25 mL比色管中并加入2 g/L Fe3+盐溶液，用5 mol/L盐酸定容。取适量的溶液，于沸水浴中加热20～30 min，冷却后用原子荧光光度计测定[12]。

有机质含量的测定依据GB 9834—1988 土壤有机质测定方法，全氮含量测定采用GB 7173—1987 半微量开氏法，碱解氮含量采用碱解扩散法[13]测定，有效磷含量的测定采用GB 7853—1987森林土壤有效磷测定方法，速效钾含量的测定采用GB 7856—1987 森林土壤速效钾测定方法。

1.4 数据分析

利用统计软件SPSS对数据进行相关性分析，利用ArcGIS 10.8对数据处理生成含量与分级空间分布图。采用单因子肥力法和指数和法对土壤进行肥力评价。

2 结果与分析

2.1 青阳县富硒土壤硒含量特点与分布

青阳县不同类型土壤中硒含量如图1所示。

图1 青阳县不同类型土壤中硒含量Fig.1 Selenium content in different types of soil in Qingyang county

911个样点土中，包括水稻土、沙壤、壤土、泥页岩、花岗岩、花岗闪长岩等类型。由图1可知，911个样点中水稻土中硒含量在0.144～13.989 mg/kg，平均值为0.368 mg/kg，此平均值是安徽土壤背景值（0.234 mg/kg）的1.57倍，说明青阳县水稻土中硒含量非常丰富。由图1可知，不同类型土壤中硒含量差别很大，水稻土中硒含量远高于沙壤等其他类型土壤。参考邓军等[14]对安徽省富硒土壤的研究，根据安徽省重点地区富硒土壤资源调查报告对富硒土壤的划分标准（表1），将911个代表青阳县土壤样品中的硒含量进行分级划分，结果如表2所示。

表1 安徽省富硒土壤分级标准Tab.1 Classification standard of selenium-rich soil in Anhui province

表2 青阳县富硒土壤分级分析（N=911）Tab.2 Classification of selenium-rich soil in Qingyang county（N = 911）

由表1可知，安徽省的分级标准中土壤中硒含量＞0.29 mg/kg的土壤即为富硒土壤。由表2可知，在青阳县全域范围内采集的911个土壤样品中，有337个样品中硒含量大于0.35 mg/kg，为极丰富土壤；247个土壤硒含量在0.29～0.35 mg/kg，为丰富土壤。依采样点范围计，青阳县有11 680 hm2土壤中硒含量达到丰富级别以上，约占当地土壤总面积的64%左右，说明当地的富硒土壤资源确实十分丰富，适于富硒农产品的开发。

在划定各样点硒含量的分级后，利用GIS克里金插值技术[15-18]，将各样点硒含量依分级以不同的颜色，结合经纬度数据，在当地的行政区划图上，生成点位图，得到了青阳县土壤富硒情况分布图（图2）。

图2 青阳县地区富硒土壤分布Fig.2 Distribution of selenium rich soil in Qingyang county

依据克里金插值方法，将911个样点所测的硒含量，分级别直接显示在青阳县区划图上，土壤中硒含量以6种颜色表示6个级别，直观地显示了硒在青阳县土壤中的空间分布。从图2可以明显看出，青阳县的富硒土壤主要分布在青阳县的东北方向，呈现由东向西、由北向南递减的现象。同时从图中可以看出，在青阳县的土壤中，硒含量大于3.0 mg/kg的极丰富富硒土壤和硒含量小于0.14 mg/kg的硒严重缺乏土壤都有分布，且差异较大。而＞0.29 mg/kg＜3.0 mg/kg的富硒土壤点位既有成片区域，也有相对分散区域，没有规律可循。因此，如何利用富硒土壤，以达到最大经济效益，是当地政府在进行富硒农业布局时，需要重点考虑的问题。

结合当地行政区划可以看出，富硒土壤主要集中在青阳县的丁桥镇、新河镇、乔木乡南部、酉华乡和杨田镇东北部。蓉城镇、九华乡与朱备镇交界区及陵阳南部有小范围的点状分布。这些地方可以进行富硒土壤的开发利用，但也要因地制宜，合理进行生产。如新河镇土壤中富硒水平在全县是最高的，平均值达到了0.55 mg/kg，是应当重点关注的富硒开发区域。新河镇土地以往主要以水田为主，可以进行富硒水稻的种植开发，实际上可考虑其他高附加值的经济作物的开发，如瓜果、药材等。酉华乡也是土壤中硒含量较高的乡，最高值13.5 mg/kg就是出自该地区。当地四面环山，地处地质结构的“金三角”地区，矿产资源丰富，除了资源储量大的优质石灰石资源外，还具有铅、锌、锑、铜等金属资源[19]，所以，在进行富硒产品的开发时，既需要考虑土壤给作物带来的硒含量超标的问题，同时由于当地矿产资源的开发，还应该考虑由此带来的富硒土壤的环境质量问题[20]。合理的开发硒资源，避开环境质量问题，是这个富硒土壤乡镇在富硒农业产品开发时需要特别关注的问题。除了硒之外，土壤肥力也是农产品开发必须要关注的另一重要因素。

2.2 青阳县富硒土壤肥力水平评价

土壤肥力是土壤物理化学和生物性质的综合反映，肥力高低直接影响作物的生长以及农业生产的结构、布局和效益[21-22]。因此，研究土壤肥力水平，对富硒土壤进行适宜性评价，对富硒作物种植、富硒土壤改良特别是施肥方案的规划和设计都十分重要[23-25]。

根据当地农业生产特点，选用了指数和法[26]，对青阳县极丰富硒含量和丰富硒含量的土壤进行土壤肥力水平的评价。即以养分因子为主要参数来评价土壤的肥力。

其中，Ii是单项肥力指数，表征单项养分因子的肥力水平；Wi是单项肥力指标在综合肥力指标中的权重。

通过公式（1）计算可得到土壤肥力综合指数IFI值，将此值与肥力水平综合指数划分标准（表3）作比对，即可以对当地富硒土壤的肥力水平作出评判。

表3 土壤肥力综合等级Tab.3 Comprehensive grade of soil fertility

根据当地土壤养分情况，选择能够代表肥力水平的有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾等养分指标作为评价因子[27]。分级标准采用全国第2次土壤普查养分分级评分标准并根据当地情况对养分的不同级别进行了分级赋值，如表4所示。

表4 全国第2次土壤普查养分分级评分标准和赋值Tab.4 Grading standards and scores of nutrients in the second National Soil Survey

2.2.1 青阳县富硒土壤中单项养分肥力水平特点 从表2可以看出，青阳县土壤中硒含量大于0.29 mg/kg的丰富和极丰富样点的土壤样品近600个。对这些样品中的养分指标有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾进行含量测定，具体结果如表5所示。

表5 青阳县富硒土壤养分状况Tab.5 Nutrient status of selenium-rich soil in Qingyang county

由表5可知，青阳县极丰富和丰富富硒土壤中各单项养分的含量在空间上都有一定的差异，但规律基本一致，即有效磷的空间差异最大，其次为速效钾、碱解氮、有机质和全氮。进一步将其进行相关性分析，结果如图3所示。

图3 青阳县富硒土壤养分相关性分析Fig.3 Soil nutrient correlation analyses of selenium rich soil in Qingyang county

将测定结果，按全国第二次土壤普查养分分级标准（表4）进行分级统计，得到极丰富富硒土壤和丰富富硒土壤中各养分指标在不同级别上的分布状况（表6）。

表6 青阳县土壤不同级别养分占比Tab.6 Statistics of soil nutrient distribution at different levels in Qingyang county %

由表6可知，硒极丰富和硒丰富土壤中的养分因子，在不同分级级别上占比不同。这种比例的差异，一方面是受现时耕作方式的影响，如有机质、全氮、碱解氮的含量基本处于一、二、三级上，主要是因为青阳县种植的作物主要是水稻。长期的水稻田种植，使得土壤中有机质的积累增加，全氮也随之上升。而为了增加水稻的产量，人为施用了大量化肥，使得表征有效氮的碱解氮含量也增加。另一方面也与当地的土壤类型和环境有关，如磷、钾2个指标的含量基本上都处于三、四、五级，有的样点含量甚至到了六级，这其中主要原因是当地土壤中铁铝离子对磷的固化，使磷的有效性降低；而皖南地区多雨的天气加剧了钾的淋溶，这种环境因素使土壤中磷钾含量水平即使施肥，也难以达到高的级别。

从图4可以看出，各单项因子的肥力水平差异，也可以比较出极丰富富硒土壤与丰富富硒土壤中各养分因子单项肥力的高低。具体而言，极丰富富硒土壤中的有机质、全氮的肥力水平高于丰富土壤，可能与极丰富富硒土壤中样点中水田样多有关；而经济作物的样点多，使丰富富硒土壤中磷和钾肥力指数相对更高。然而作物的生长需要养分的均衡供给，所以，单因子的肥力高低不能说明土壤的肥力水平，需要对各个养分进行综合性研究。

图4 青阳县富硒土壤单因子养分肥力水平Fig.4 Single factor nutrient fertility of selenium-rich soil in Qingyang county

2.2.2 指数和法下青阳县富硒土壤肥力评价 采用SPSS软件对富硒土壤进行分析，获得各养分含量之间的相关性（表7）。

表7 各养分因子之间的相关性Tab.7 The correlation among each nutrient factor

根据各养分因子间的相关性（表7），求得各养分指标的相关系数均值和权重系数（表8）。

表8 各养分因子的相关系数均值和权重系数Tab.8 The average of correlation coefficients and weight coefficient of each nutrient factor

从表9可以看出，青阳县极丰富富硒土壤的土壤养分综合指数不到80，综合肥力等级为4级，肥力水平偏低。丰富富硒土壤的养分综合指数为80.80，综合肥力等级为3级，肥力也仅为中等。由此说明，青阳县富硒土壤中养分含量相对较低，肥力水平不高，虽然极丰富富硒土壤与丰富富硒土壤，根据划分标准一个为较低，一个为中等，但二者综合指数IFI相差仅0.83，肥力水平基本相当。而且从单因子肥力来看，其都存在着磷、钾2种养分因子较低的问题，因此，要提高富硒土壤的肥力，如何合理增加土壤中磷、钾的量是其关键。

3 结论与讨论

本研究表明，在采集的911个土壤样品中，其中有337个样品硒含量大于0.35 mg/kg，为极丰富含硒土壤，占总样品的36.99%；有247个样品硒含量在0.29～0.35 mg/kg，为丰富含硒土壤，占总样品的27%。仅依据硒元素而言，在青阳县11 680 hm2土壤中，硒含量达到丰富级别以上土壤，约占土壤总面积的64%左右，说明当地的富硒土壤资源丰富。利用GIS克里金插值法推导出的青阳县县域内硒含量约2/3的值大于0.29 mg/kg，二者绝对偏差为7.04%，相对误差为11%。由此表明，由GIS克里金插值法推导出来的硒数据可靠实用，可以在青阳县县域内土壤中广泛应用。此前，也有研究者采用GIS方法研究了陕西省汉阴县[28]、安徽省泾县琴溪地区[29]土壤硒的分布，获得了硒的分布特征与地质演变及地层的关系，更为重要的是发现了含硒量与土壤深度的关系，一般硒主要集中在20 cm深度的土壤中，随着土壤深度的增加而递减。本研究通过GIS方法可知青阳县富硒土壤主要集中在东北方向，呈现出由东向西、由北向南递减的现象，且硒富集土壤和硒严重缺乏土壤都有分布，富硒土壤主要分布在新河镇、丁桥镇、乔木乡南部、酉华乡、杨田镇东北部。并在蓉城镇、九华乡与朱备镇交界区、陵阳南部，有着小范围的点状分布。富硒土壤的肥力水平从大到小依次为丁桥、酉华、朱备、杜村、新河、木镇、庙前、杨田、乔木、蓉城、陵阳，由指数和法得出青阳县富硒土壤中的养分含量相对较低，肥力水平不高。

上述结果说明，青阳县具备开发富硒农产品的良好条件。但必须进一步深入研究，比如需要确定有效硒、根系土全硒的含量[30]，研究不同农作物与土壤硒含量的相关性。如有研究者发现，玉米硒含量与根系土硒含量相关系数为0.788，小麦硒含量与根系土硒含量相关系数为0.612[31]。对于青阳县，其水田主要种植水稻，山地农作物则较杂，可能为玉米、大豆或茶叶等，不仅需要考虑农作物硒含量与土壤硒含量的相关系数、农作物自身的聚硒能力，还需要考虑在提升土壤肥力时增加富含N、K、B等元素肥料，利用不同元素正交互效应，促进农作物如水稻对硒元素的吸收[32-33]。因此，建议地方政府和有关部门能够利用好现有的自然资源，科学、合理地规划富硒农产品的种植与开发，调整当地农业种植结构，高效培育天然富硒作物（如水稻、茶叶等）以及发展富硒产业，做到将资源优势转变为经济优势。同时兼顾到当地富硒土壤肥力水平不高的现状，加强耕地质量保护和肥力提升工作，只有这样才能够更加合理和科学地推动当地富硒农业的进一步发展，为消费者提供更高品质的农产品。