湖北省江汉流域经济区土壤硒资源分布特征及利用前景

项剑桥, 胡瑞春, 张元培, 宋长虹

(1.湖北省富硒产业研究院,湖北 武汉 430034； 2.湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056)

湖北省江汉流域经济区土壤硒资源分布特征及利用前景

项剑桥1, 胡瑞春2, 张元培2, 宋长虹2

(1.湖北省富硒产业研究院,湖北 武汉 430034； 2.湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056)

通过对江汉流域经济区7.9万km2国土面积开展土壤调查,结果表明:江汉流域经济区土壤表层物质中硒含量背景值为0.295×10-6,高于全国和世界正常土壤硒含量背景值；富硒土壤面积10 068 km2,可供利用开发的面积约7 000 km2,多呈连片分布,适合大规模的开发利用。硒的富集与土壤母质背景相关,除二叠纪、寒武纪地层中的黑色岩系高硒岩石风化后形成的土壤硒含量偏高外,一般风化母质类土壤硒量总体偏低,冲积母质类土壤含量总体偏高,并且湖沼积层母质>冲湖积层母质>冲积层母质；从土地利用上来看一般旱地>水浇地>水田。区内冲积带富硒土壤基本为偏碱性土壤,有利于硒向农作物中的转移,富硒土壤区生产出来的稻米、小麦面粉硒含量总体上高于非富硒土壤区。

江汉流域；富硒土壤；地球化学;农业地质

硒是人畜必需的营养性微量元素[1]。硒的丰缺与人类和动物的健康密切相关,缺硒会使人群和牲畜产生心、肝、肾、肌肉等多种组织的病变,出现如克山病、大骨节病、牲畜白肌病等疾病[1-2]。地球表面硒元素的含量分布极不均匀,据不完全统计,全世界有42个国家或地区缺硒。中国是一个贫硒国家,有72%的地区属于缺硒或低硒地区,2/3的人口存在不同程度的硒摄入不足[3],为此,营养学家呼吁全社会抓好贫硒地区居民的补硒工作。富硒农产品(特别是天然富硒农产品)也因此被称为21世纪保健营养食品[4],若通过富硒农产品适量摄入硒,则可有效提高机体免疫能力。江汉流域经济区富硒土壤面积较大,可作为农产品开发基地的面积近7 000 km2,资源总量居于全国前列,开发这些资源不仅可以生产出大量的富硒产品,满足人们补硒的需求,而且可以为江汉流域区的经济发展注入活力。

1 调查区概况

江汉流域经济区由江汉平原和周边丘峦组成。江汉平原由长江、汉江冲积而成,位于湖北省中南部,与洞庭湖平原紧紧相连。

区内经济发达,是全国重要的粮、棉、油、水产品生产基地,是湖北农业发展的精华地带,又是农村非农产业增长的重点区,具有良好的农业和非农产业开发条件。

测区内前第四纪地层,从太古界—新生界地层均有出露,主要分布于江汉盆地周缘地区,主要有沉积碎屑岩、碳酸岩、变质岩、岩浆岩类；第四纪地层属内陆河湖交替相沉积,厚度大、岩性多变、成因复杂,主要以冲积、洪积及湖积为主。

区内土壤按成土母质可划分为两个大类:一类为原地风化母质成因的风化土,基本分布在平原周缘,土壤类型计有红壤、黄棕壤、暗棕壤、石灰土、紫色土、沼泽土等；另一类为异源冲积土,分布在长江和汉江沿岸的冲积平原、河流阶地、河漫滩地及滨湖地区广阔的低平地带,土壤类型为潮土、灰潮土、沼泽土等。后期形成的水稻土在两大类土壤中广泛分布,约占总面积的60%[5]。

2 工作方法技术

土壤样品采用网格化采集,密度为1件/km2,采样布置以能代表小格内主要土类和尽量反映地质背景为原则。按照多目标区域地球化学调查规范(DD2005—01)[6]的要求,采样深度为0～20 cm,为提高每个采样点样品的代表性,采样时在采样小格中沿路线多处分别采集或在格子中心部位主采样点周围呈梅花状3～5处分别采集,合并组成一个样品。

按4 km2单元格分析组合样,样品分析单位为武汉综合岩矿测试中心,分析质量监控措施遵循中国地质调查局生态地球化学评价样品分析技术要求[7]。土壤样品Se采用原子荧光法,检出限为0.01×10-6,报出率100%,合格率100%。

3 硒的基本分布

3.1 表层土壤硒的含量水平

据全区11 232件组合样分析数据统计结果,调查区土壤Se含量范围0.02×10-6～10.8×10-6,标准离差0.161,变异系数0.518,总体上呈现弱分异性分布。土壤Se背景值为0.295×10-6,高于全国土壤背景值(0.210×10-6)[8]及成都土壤背景值(0.210×10-6)、华北土壤背景值(0.180×10-6),低于珠江三角地区土壤背景值(0.500×10-6),亦高于全世界正常土壤Se含量背景值(0.200×10-6)[9],是中国土壤Se高背景地区之一。

以全区土壤背景值与深层土壤基准值(背景值)0.178×10-6对比,富集系数(表层土壤背景值与基准值的比值)1.66,属于表层强富集类型。

3.2 富硒土壤区域分布特征

根据李家熙等[10]的土壤硒含量划分方案,低硒土壤w(Se)(0.1×10-6～0.2×10-6)、中硒土壤w(Se)(0.2×10-6～0.4×10-6)、富硒土壤(w(Se)≥0.4×10-6),本文基本遵照上述标准进行分区,但在富硒区内以w(Se)0.4×10-6～0.5×10-6作为富硒区,w(Se)>0.6×10-6作为强富硒区。

在已完成调查的7.9万km2面积中,江汉流域经济区富硒土壤面积10 068 km2,占总面积的12.7%,其中强富硒区面积2 664 km2,占总面积的3.4%；中硒土壤区55 311 km2,占总面积的70%；低硒地区13 621 km2,占总面积的17.24%。

低硒区主要分布在东北部桐柏—大别造山带各成土母质区内,形成典型的低硒区,其次北部垄岗地带的黄棕壤区、南部的棕红壤区出现局部低硒中心。

土壤富硒区主要分布在平原冲积带内相对低洼的湖积区及汉水、长江两侧的冲积带,在洪湖—汉南、汉北湖群洼地、东西湖、钟祥柴湖、潜江、排湖等湖积洼地具成片分布态势。强富硒区一是分布在冲积带富硒区中心,其整体构成可供富硒土壤资源开发十分有利的地区；二是寒武纪、二叠纪炭质地层、黑色地层风化母质土壤区,土壤中的硒主要来源于富硒母岩；三是大中型城市中心区,为工业生产及生活引起。

3.3 表层土壤硒分布规律

从表1、表2可知,表层土壤中硒的变异特性首先反映在成土母质大类的控制上。调查区异地的冲积土含硒水平远高于区内的原地母质形成的风化土,二者平均含量比例为1.354∶1,在含量档次上差别十分明显。

表1 调查区冲积土壤大类及主要沉积相区Se土壤背景值

注:背景值为平均值加3倍的离差连续剔除后的结果;数据来源为江汉流域多目标地球化学调查。

表2 调查区母质风化土壤大类以及主要风化母质区Se土壤背景值

注:背景值为平均值加3倍的离差连续剔除后的结果;数据来源为江汉流域多目标地球化学调查。

其次,硒含量进一步与土壤母质有关。由表1所见,硒在全新统湖积层母质中含量最高,而依次为湖沼积层母质>冲湖积层母质>冲积层母质含量递降,表现出含量分布与洪泛沉积分异的密切关系,而以湖积层母质区为主,构成冲积带典型的硒偏高含量区。

由表2所见,尽管硒在风化母质土壤中含量较低,但也在古生界母质土壤区出现偏高量的分布,且变异系数较大,达0.605,表现出在该类区出现局部硒的富集。而实地检查发现,该类区硒的富集基本与二叠纪、寒武纪地层中的黑色岩系高硒岩石风化后硒的残留富集有关,抑或由短距离冲积迁移至距母质层不远的小流域内富集,它们在调查区内形成另外一类的局部硒偏高含量区。

表3为调查区主要土壤类型硒的含量水平。从分布特点来看,各土类硒含量与土壤母质背景相联系,其中风化母质类土壤硒量总体偏低,而冲积母质类土壤含量总体偏高,在湖沼相发育的沼泽土硒含量最高,表现出土壤类型与成土母质环境的内在对应性。

表3 调查区主要土壤类型Se背景值

注:背景值为平均值+3倍的离差连续剔除后的结果;数据来源为江汉流域多目标地球化学调查。

对农用地土壤利用类型及不同的土壤物质来源的背景值进行统计,硒背景含量水平也有一定的差异,见表4,总体特征表现为全新统湖沼积>全新统湖积层>长汉混合冲积带>其它冲积土；从土地利用上来看一般旱地>水浇地>水田。

表4 长江、汉水冲积带主要农业土地利用类型表层土壤硒背景值

4 平原区土壤中硒物质来源及富集受控因素分析

4.1 硒的主要物质来源

据区域数据相关性统计,与硒存在显著相关的元素有:Se-Mo 0.45，Se-Cd 0.36，Se-Ni 0.33，Se-V 0.37，Se-Zn 0.36，Se-C 0.34，Se-S 0.34。这种Se-Mo-Cd-Ni-V-Zn-C-S相关组合属于黑色岩系标志性组合,反映了冲积带硒的来源。目前,已经发现上游黑色岩系中存在着天然硒矿资源,经初步勘查评价,仅鄂西一带硒储量达50亿t,由此认为,冲积带内的硒富集应来自上游富硒的黑色碳硅质岩系风化搬运沉积。

4.2 平原区土壤中硒富集受控因素分析

4.2.1 硒在冲积带内的沉积分异

河流冲积带水平横向上,物质组分受洪泛分异这一最基本要素控制,而洪泛的脉动性和不规律性使洪泛泥沙堆积机制变得十分复杂,但始终存在着随洪流由高能态向低能态转变过程中,所携带的泥沙存在着浮泥分选分异的沉淀过程。如上节所述,在冲积平原地区,硒随含炭岩系沉积分异,一般在粗粒沉积物中含硒较低,细粒沉积物中含硒较高；而湖沼沉积物中硒最为富集。

4.2.2 硒在表土带内的生物学富集

主要表现在江汉平原土壤体系内硒与碳、Org.C、硫、氮的相关特性上,相关系数依序分别为0.38、0.29、0.34、0.25,这种相关组合,反映了这些生命元素在表土中的相互依赖性,更反映了他们不以母质背景,而以生物植被及微生物酶环境为依托的特殊地球化学组成。因此,该元素组合被认为是硒的典型生物学富集因子,即硒在冲积体系原有分异性富集基础上,再次随土壤生物活动发生着集聚的生物地球化学过程,构成硒、硫、氮、有机碳等的共生富集,反映出硒在冲积带内初始分异富集背景上,其后再次历经了一次生物富集的叠加。而由土壤表层垂直向下,Se含量逐渐降低,显示硒的生物学富集仅限于土壤表层,与土壤剖面上的生物富集规律相一致。

4.2.3 人为环境污染

这类富集主要为少数的点状富集。当工业和民用燃煤燃烧或废弃生物有机物残骸分解时,则形成和黑色含炭岩系或生物富集元素组合上相类似局部区域,但这类污染点元素含量畸变,变异性较大。

5 富硒土壤的经济意义

江汉流域经济区土壤呈偏碱性,有利于土壤中的Se向农作物中的转化,并对重金属元素的吸收有抑制作用。对区内稻米和小麦面粉进行了采样分析,统计结果见表5。

表5 农作物中硒含量特征

注:*为稻米中Se检出限位0.01×10-6,其中有8件样品未检出,不参加平均值统计；数据来源为江汉流域经济区区域生态地球化学评价(2007年)、富硒区农作物专项调查(2011年)。

富硒土壤区出产的稻米Se含量远高于非富硒土壤区，并绝大多数样品达到富硒标准0.04×10-6(国家富硒稻谷标准(GB/T 22499—2008))的要求。在区域上采集的87件稻米样品,在非富硒土壤区及中硒区(w(Se)<0.4×10-6)70件样品中,Se含量最高值为0.09×10-6,平均值为0.027×10-6；富硒土壤区(w(Se)≥0.4×10-6)所采17件样品中,稻米中Se最小值为0.03×10-6,最高值为0.14×10-6,平均值为0.069×10-6；稻米Se含量与其对应根系土Se含量关系见图1(数据来源为江汉流域经济区区域生态地球化学评价)。

图1 稻米与根系土Se含量散点图Fig.1 Scatter diagram of Se content in rice and root soil

图2 小麦面粉与根系土Se含量散点图Fig.2 Scatter diagram of Se content in wheat flour and root soil

同样,从小麦采样分析结果(去皮分析面粉)来看(表5、图2),在非富硒土壤区及中硒区采集的样品中,面粉Se最低含量为0.01×10-6,最高值为0.21×10-6,平均值为0.041×10-6；富硒土壤区样品中面粉Se含量个别低值为0.012×10-6,而大多数样品超过富硒标准(限量值0.04×10-6,比照富硒稻谷标准),最高值0.269×10-6,平均值为0.10×10-6；面粉Se含量与其对应根系土Se含量关系见图2(数据来源为江汉流域经济区区域生态地球化学评价)。表明富硒土壤区种植的小麦硒含量更高。

上述结果表明,在未使用任何硒肥的情况下,富硒土壤区能够生产基本富硒的稻米、小麦,因此,富硒土壤资源是天然富硒农产品开发的基础和保证。

江汉平原素有“鱼米之乡”之称,是全国的重要粮油生产基地,在已完成调查的区域中富硒土壤面积(含极富硒)10 068 km2,适合富硒土壤开发的面积约7 000 km2。在连片富硒土壤区进行规模性的富硒农产品开发,生产出天然的富硒农产品,将有利于江汉平原农业产业升级,提高产品的附加值,增加农民的收入。

6 结论

(1) 江汉流域经济区土壤Se含量背景值为0.295×10-6,高于全国和世界正常土壤Se含量背景值。在冲积带冲—湖积相和古生界地层区近源的残坡(冲)积土壤中背景值较高。

(2) 江汉流域经济区富硒土壤面积10 068 km2,可供利用开发的面积约7 000 km2,多连片分布,有利于大规模的开发利用。

(3) 除城镇区少量点污染外,江汉流域土壤中Se主要来源于上游黑色含炭岩系,后期土壤发育过程中进一步遭受生物学的叠加富集,从而形成一套可供开发的富硒土壤。

(4) 农作物调查结果显示,富硒土壤区生产出来的稻米、面粉总体高于非富硒土壤区,且有部分农产品达到天然富硒标准,江汉流域区富硒土壤资源可以大规模开发出天然的富硒农产品,其经济利用前景广阔。

[1] 齐玉薇,史长义.硒的生态环境与人体健康[J].微量元素与健康研究,2005,22(2):63-66.

[2] 魏显有,刘云惠,王秀敏,等.土壤中硒的形态分布及有效态研究[J].河北农业大学学报,1999,22(1):20-23.

[3] 郑达贤,李日郑.初论世界低硒带[J].环境科学学报,1982,2(3):241-249.

[4] 彭祚全,刘宗烈,吴承亚.生命元素硒——兼谈恩施硒资源[M].深圳:大中华文化出版社,2005.

[5] 张德存,李金平,杨军,等.湖北省江汉流域经济区农业地质调查总报告[R].武汉:湖北省地质调查院,2011.

[6] 中国地质调查局.多目标地球化学调查规范(1∶250 000):DD2005[S].北京:中国地质调查局,2005.

[7] 中国地质调查局.区域生态地球化学评价技术要求(1∶250 000):DD2005[S].北京:中国地质调查局,2005.

[8] 中国地质调查局基础调查部.全国多目标区域地球化学调查进展与成果[R].北京:中国地质调查局基础调查部,2010.

[9] Swaine D J.The trace elements content of soils[J].Commonwealth Agricultural Eng.,1955,48(3):37-46.

[10] 李家熙,张光第,葛晓云,等.人体硒缺乏与过剩的地球化学环境特征及其预测[M]．北京:地质出版社,2000.

(责任编辑：陈姣霞)

Distribution Characteristics and Utilization Prospect of Selenium Resources ofSoil in Jianghan Basin Economic Zone

XIANG Jianqiao1, HU Ruichun2, ZHANG Yuanpei2, SONG Changhong2

(1.HubeiInstituteofSelenium-richIndustry,Wuhan,Hubei430034; 2.WuhanBrigadeofHydrogeologyandEngineeringGeology,Wuhan,Hubei430056)

Through soil survey of 7.9 million square kilometers land area in Jianghan basin economic zone,the results show content of selenium in the background value is 0.295×10-6,which is higher than the national and world normal selenium content in the soil background.Selenium-rich soil has an area of 10 068 square kilometers.The use in the development of the area is about 7 000 square kilometers.It is mostly contiguous distribution,suitable for large-scale development and utilization.Selenium enrichment is relevant to soil parent material background.Except for selenium content of soil of formation of the Permian,the Cambrian strata in the black rock series is high,selenium content of weathered parent material soil is low in general.Alluvial parent material soil content is high as a whole.Survey results also show selenium content of production of rice and flour in selenium-rich soil region is higher than non selenium- rich soil region on the whole .

Jianghan basin; selenium-rich soil; geochemistry; agricultural geology

2015-03-26;改回日期:2015-04-17

项剑桥(1969-),男,高级工程师,地球化学专业,从事勘查地球化学工作。E-mail:974559934@qq.com

S153; P618.76

A

1671-1211(2015)04-0431-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504014

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1333.007.html 数字出版日期:2015-06-19 13:33