湖北省随县洪山镇土壤Se的地球化学特征

杨文兵, 刘 星, 陈以春, 冯久林

((湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

湖北省随县洪山镇土壤Se的地球化学特征

杨文兵, 刘 星, 陈以春, 冯久林

((湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

通过对湖北省随县洪山镇开展土壤地球化学调查,研究土壤Se的地球化学分布特征和影响因素。研究表明,研究区内表层土壤Se含量平均值为0.27 mg/kg,是全国均值的1.3倍,整体属足硒适中水平。研究区内富硒区土壤Se含量主要受地质背景控制,震旦系及寒武系地层分布区是主要的富硒区域,富硒区域内土壤Se含量随深度增加而升高。研究区内第四系、白垩系、元古界及侵入岩分布区为非富硒区,成土母源的控制作用较弱,其表层土壤Se含量与有机质含量关系密切,在成土母岩和次生生物富集等多因素的共同作用下,表层土壤Se含量有不同程度的次生富集现象。

土壤Se含量;地球化学特征;分布规律;影响因素

根据硒的生物学作用研究,硒有保护机体免受氧化物损害的功能。研究表明,硒能改善动物机体的免疫力,提高人体抗癌能力,抑制镉、砷、汞、银等重金属毒性[1-2]。缺硒可引起克山病、大骨节病等地方病。中国是世界上缺硒最严重的国家之一,低硒或缺硒省份约占全国总面积的72%,其中30%为严重缺硒地区[3]。根据调查,鄂北地区有着较大面积的富硒土壤资源分布,但其土壤硒资源分布特征及影响因素尚缺乏系统研究,通过典型研究区域的探讨,查明地区富硒土壤分布规律及其影响因素,对指导富硒土壤调查及开发具有重要意义。

1 研究区概况

随县位于湖北省北部,隶属随州市,是中国优质大米、优质小麦、优质棉、商品畜禽和重要的食用菌生产基地。本次研究区域为随县洪山镇,研究区面积320 km2,主要发育的土壤类型为泥质岩黄棕壤土和潴育型水稻土,地形以低山、丘陵、岗地为主,全镇海拔约在170～450 m之间。南部及东部山脉主要为大洪山余脉,地势总体东高西低。气候属北亚热带季风气候,冬季温和,夏季高温,光照充足,雨热同期,四季分明,无霜期和生长期较长,积温较高,严寒酷暑时间短,风向有明显的季节变化,夏季多偏南风,冬季多偏北风,全年以东南风为主,年平均气温在15 ℃左右,平均降水量在1 000 mm左右,全年平均日照时间为2 090 h,无霜期为280 d。

研究区主要为南秦岭地层区,第四系—元古界武当岩群均有出露。其中,第四系主要为全新统冲积物,由砾石层、含泥卵石层和土层组成;白垩系出露寺沟组,主要由一套红色粉砂岩、砂岩、砂砾岩、砾岩组成;寒武系出露立秋湾组、双尖山组、杨家堡组和庄子沟组,主要发育有浅海相黑色页岩、砂岩、石灰岩及白云岩;震旦系包括灯影组和陡山沱组,主要为泥质岩、白云岩、粉砂质页岩及硅质碳酸盐岩、碳酸盐岩;中元古界地层主要为武当岩群变火山岩组,由阳起片岩、钠长片岩、绢(白)云石英片岩、炭质片岩等组成。

2 样品采集与分析

2.1 样品采集

依据土地质量地球化学评价规范要求[4],表层土壤样品的布设以图斑结合方里网格布样,每平方千米采样5件,主要在有代表性的农用大田、菜地等田块中心采样,避开田埂、明显点状污染。以木锹为械具,标准化地采集地表0～20 cm的原始新鲜土壤,去除杂草、草根、砾石、砖块、肥料团块等杂物。为增加土壤样品的代表性,以梅花法多点采集3～5个子样组合为一个样品。垂直剖面的采集主要依据土壤分层进行,以开挖土壤剖面形式或使用洛阳铲采集0～200 cm土壤柱。所有样品原重1 000 g以上,过20目尼龙筛后截取550 g送样分析。

2.2 样品分析

样品分析测试工作由国土资源部武汉矿产资源监督检测中心承担,分析质量监控严格执行相关规范技术要求[5]。土壤Se元素分析方法为原子荧光光谱法,检出限为0.01×10-6,报出率100%,合格率100%;土壤有机质分析方法为氧化还原法,检出限为0.02×10-6,报出率100%,合格率100%。

3 土壤Se元素的地球化学分布特征

研究区内表层土壤Se元素含量为0.07～12.40 mg/kg,全区Se元素平均含量达到0.27 mg/kg,超过谭见安等划分的适硒土壤标准下限标准值的0.175 mg/kg,接近于江汉流域经济区土壤硒含量背景值(0.295 mg/kg)[6],同时,也高于襄阳—随州地区表层土壤硒含量背景值(0.20 mg/kg)和全国土壤含Se量均值(0.207 mg/kg)[7],属区域性的富硒地带。全区Se元素变异系数达到1.65,呈显著分异分布。

土壤中Se含量水平与成土母质类型关系密切,表1为研究区内各地层单元内表层土壤Se含量统计。可以看到,评价区中土壤Se元素含量依次为震旦>寒武>侵入岩>全区>侵入岩系≈武当岩群≈白垩系≈第四系,即Se元素在震旦系、寒武系地层分布区中出现富集,且在震旦系地层分布区中含量最高,分别达到0.72 mg/kg和0.52 mg/kg,是全区平均含量的2.69倍和1.95倍。在武当岩群、白垩系、第四系与侵入岩分布区域相对匮乏,这些地层中土壤硒含量十分接近,均介于0.22～0.24 mg/kg之间。研究区中震旦系主要包含陡山沱组和灯影组地层,其中,在陡山沱组地层分布区取样79件,Se平均含量为0.75 mg/kg;在灯影组地层分布区域取样12件,土壤Se平均含量为0.49 mg/kg。即研究区内震旦系陡山沱组地层分布区内含Se量最为丰富。

表1 研究区内各地层单元表层土壤Se元素含量统计特征表

注:浓集比例K=各地层单元内表层土壤平均值/全区土壤平均值。

统计深层土壤(150～200 cm)与对应表层土壤Se含量,可得线性方程Se表=1.341 2×Se深-0.183 9(图1)(r=0.785,n=45),说明表层土壤Se含量整体受控于深层土壤Se含量,且与其呈现较为明显的线性正相关。

图1 研究区表、深层土壤Se含量散点图Fig.1 The scatter diagram of selenium content in deep soil in surface area

在不同土壤类型及土地利用下,表层土壤Se含量也有一定差异。总体表现为水稻土(0.34 mg/kg)高于黄棕壤土(0.24 mg/kg);林地(0.53 mg/kg)>旱地(0.25 mg/kg)>水田(0.24 mg/kg)。

4 土壤Se含量影响因素分析

Se是亲硫元素,也是亲生物元素,在表生地球化学循环过程中,容易产生次生富集贫化作用[8]。根据相关学者研究,表层土壤Se含量主要受到成土母岩、气候条件、生物富集、地形条件、人为因素等综合影响。不同地理区域位置,其受控因素并不相同,李家熙等人认为高硒土壤主要继承于富硒岩石和煤层。王美珠[9]等则认为成土母岩是影响土壤Se含量的主要决定因素,生物、气候、地形等对土壤含硒量的消长也起着一定的作用。此外,江汉流域、浙北平原等无富硒原岩区域则主要为高硒土壤在后期有机质吸附及生物富集作用下产生的区域性富集[10]。

为研究地质背景对土壤表、深部Se含量的影响,在研究区西部震旦系陡山沱组出露区,以500 m间隔沿正南方向连续采集垂直剖面6处,取样位置及土壤Se元素含量见图2及图3。

图2 研究区地质背景及垂直剖面取样位置图Fig.2 The site drawing of the geological background and the vertical section sampling in area

图3 土壤剖面Se含量垂向变化特征Fig.3 The vertical variation characteristics of selenium content in soil profile

可以看到,CP05处震旦系陡山沱组地层分布区,其表、深部土壤含Se均远高于其它剖面。在震旦系陡山沱组地层中开挖的垂直剖面中,土壤Se含量在0～50 cm范围内较为稳定,含量介于1.11～1.04 mg/kg,平均含量1.08 mg/kg,在接近成土母岩时,土壤含Se量出现较大幅度的增加,分别达到1.95 mg/kg和2.53 mg/kg,平均含量达到2.24 mg/kg,是浅部土壤Se含量的2.07倍。其余剖面中,0～20 cm表层土壤Se含量较为一致,介于0.18～0.25 mg/kg,平均含量为0.23 mg/kg,与全区白垩系及第四系地层分布区表层土壤Se含量相当。0～200 cm深度范围内,土壤Se含量随深度增加而逐渐减少;在50～150 cm深度时,土壤Se含量为0.07～0.16 mg/kg,平均含量为0.11 mg/kg;在150～200 cm深度时,土壤Se含量仅为0.06～0.14 mg/kg,平均含量为0.10 mg/kg。即垂向剖面上,中深部土壤Se含量分别为表层土壤Se含量的47.83%和43.48%,土壤Se含量表现出明显的表层富集现象,且在0～20 cm富集现象最为显著。

前人研究表明,土壤Se含量与有机质碳存在明显的正相关关系,有机质对Se具有一定的吸附和固定作用[8,11]。图4为研究区内不同地层分布区表层土壤Se含量与有机质碳含量散点图,分析研究区内不同地层单元范围内表层土壤Se含量与OrgC关系可以看到,土壤有机质碳也在一定程度上影响着土壤Se含量,但不同地层区域内有机质对表层土壤Se含量影响并不相同,其中第四系和白垩系地层范围内Se与有机质碳线性关系最好,二者相关系数分别为0.486和0.636,土壤有机质碳在较大程度上决定着土壤Se含量水平。而在元古界和侵入岩地层分布区中,有机质碳与Se含量相关系数分别为0.267和0.326,二者仍呈现出一定的相关性。在寒武系和震旦系地层分布区域中,有机质碳与Se含量相关系数分别为-0.227、0.197,土壤Se含量受控因素与有机质碳含量基本无关,其表层土壤Se含量主要受地层控制及成土母源影响。

图4 研究区不同地层分布区土壤Se与OrgC含量散点图Fig.4 The scatter diagram of selenium content in surface soil and OrgC content with different stratigraphic distribution area

由以上特点可以认为,首先研究区内土壤中硒含量受到成土母源的绝对影响。震旦系、寒武系地层土壤表、深部硒含量均高于其它区域,说明富硒成土母岩的风化成土有效增加了土壤中各深度层的硒含量。其次,无论是原生富硒还是外界冲积、风化带入硒元素区域,其土壤硒含量均同时受到成土母源、土壤淋溶、黏化作用及生物富集作用的共同影响,并且在外源硒的影响下,部分区域可能出现硒元素的表层富集现象,其土壤中深部硒元素本底值越低,表层土壤中次生富集现象越明显。

5 结论

(1) 研究区内表层土壤Se含量平均值为0.27 mg/kg,是全国均值的1.3倍,整体属足硒适中水平。

(2) 研究区内富硒区土壤Se含量主要受地质背景控制,震旦系及寒武系地层分布区是主要的富硒区域,富硒区域内土壤Se含量随深度增加而升高。

(3) 研究区内第四系、白垩系、元古界及侵入岩分布区为非富硒区,成土母源的控制作用较弱,其表层土壤Se含量与有机质含量关系密切,在成土母岩和次生生物富集等多因素的共同作用下,表层土壤Se含量有不同程度的次生富集现象。

[1] 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.

[2] 陈亮,李桃.元素硒与人体健康[J].微量元素与健康研究,2004,21(3):58-59.

[3] 谭见安.中华人民共和国地方病与环境图集[M].北京:科学出版社,1989.

[4] 中国地质调查局.多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000):DD2005-01[S].北京:中国地质调查局,2005.

[5] 中国地质调查局.生态地球化学评价样品分析测试技术要求:DD2005-03[S].北京:中国地质调查局,2005.

[6] 项剑桥,胡瑞春,张元培,等.湖北省江汉流域经济区土壤硒资源分布特征及利用前景[J].资源环境与工程,2015,29(4):431-435.

[7] 魏复盛,杨国志,蒋德珍,等.中国土壤元素背景值基本统计量及其特征[J].中国环境检测,1991,7(1):1-6.

[8] 杨忠芳,余涛,侯青叶,等.海南岛农田土壤Se的地球化学特征[J].现代地质,2012,10(26):837-849.

[9] 王美珠,章明奎.我国部分高硒低硒土壤的成因初探[J].浙江农业大学学报,1996,22(1):89-93.

[10] 胡艳华,王加恩,颜铁增,等.浙北平原区土壤硒地球化学研究[J].上海国土资源,2010,31(S1):103-106.

[11] 杨志强,李杰,郑国东,等.广西北部湾沿海经济区富硒土壤地球化学特征[J].物探与化探,2014,38(6):1260-1264.

(责任编辑：于继红)

Geochemical Characteristics of Soil Selenium in Hongshan Town,Suizhou City,Hubei Province

YANG Wenbing, LIU Xing, CHEN Yichun, FENG Jiuling

(EighthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Xiangyang,Hubei441002)

The geochemical distribution characteristics and influencing factors about selenium in soil are studied through carrying out soil geochemistry survey in Hongshan town,Suizhou city,Hubei province. The research show that selenium content in soil is in average of 0.27 mg/kg in surface soil area and is 1.3 times in national average value,also belongs to moderate enough selenium level in the overall. Selenium content in soil is mainly controlled by the geological background in selenium-rich area,Simian system and Cambrian strata distribution areas are the main selenium-rich area and selenium content in soil increased with the increase of depth in this area. Quaternary,Cretaceous,Proterozoic and intrusive rock distribution are the rich selenium areas and the control action about original source of soil formation is weak. And selenium content in surface soil has a close relationship with organic matter content and has secondary enrichment phenomenon in different levels under the common action of soil parent rock and secondary bioaccumulation factors and so on.

soil selenium content; geochemical characteristics; distribution law; influencing factor

2016-09-20;改回日期:2016-10-14

湖北省“金土地”工程项目——湖北省随县土地质量地球化学评价(二期),项目编号为JTD20150109。

杨文兵(1988-),男,助理工程师,勘查技术与工程专业,从事地质勘查工作。E-mail:464702072@qq.com

P595; X142

A

1671-1211(2016)06-0843-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.009

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161109.1112.042.html 数字出版日期:2016-11-09 11:12