我国主要农耕区土壤硒含量分布特征、来源及影响因素

2017-11-23 05:13曾庆良杨忠芳
生物技术进展 2017年5期
关键词:土壤样品含量

王 锐, 余 涛, 曾庆良, 杨忠芳

中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083

我国主要农耕区土壤硒含量分布特征、来源及影响因素

王 锐, 余 涛, 曾庆良, 杨忠芳*

中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083

硒是重要的生命元素之一,对于动植物及人体健康有着重要的作用。系统地介绍了我国多目标区域生态地球化学的研究方法,同时依托全国多目标区域地球化学调查数据,结合查阅的国内外已公开发表的多目标区域地球化学调查与土壤硒方面的研究论文,系统分析了土壤硒含量及其空间分布特征,结果表明我国主要农耕区土壤硒含量均值为0.217 mg/kg,中南地区为高硒分布区;富硒土壤的分布受煤系、黑色地层、土壤有机质、沉积作用、母岩等各类因素的影响。

硒;生态地球化学;分布特征;来源

硒元素是一种稀有分散元素,原子序数34,属于VI族,位于周期表氧族非金属元素硫(S)和金属元素镑(Te)之间[1],最早发现于1817年,迄今已有200年的历史。现已证实,硒是生物体多种酶和蛋白质的重要组成成分,具有提高人体免疫力、抗衰老、预防癌变、保护与修复营养细胞、解毒排毒、提高红细胞的携氧能力等6大生物学功能[2]。缺硒会导致人和动物的多种病症,已有研究表明,与硒营养缺乏有关的人、畜疾病多达60余种,如克山病、大骨节病、心血管疾病等[3~5]。另一方面,硒过量也会引起中毒,包括皮肤褪色、指甲和手指变形、贫血、出现神经症状及智力改变[6]。人、畜硒营养水平取决于摄入食物的含硒量,也与自然界中的硒含量有关。目前,硒已成为医学、营养学、地球化学和农学等学科的研究热点。

国内外大量研究表明硒缺乏或者过量都会导致人、畜产生多种病症[7~9]。动植物以及人体中的硒大多由土壤供给,土壤中硒的含量分布是反映区域环境质量的一个重要参数,对研究土壤环境质量演变、人类活动对土壤质量的影响以及合理开发利用土地资源都具有重要的意义[10]。土壤环境中的硒含量由于受到土壤母质和土壤形成的地球化学环境的控制,在全球不同的土壤环境中,硒的分布并不均匀,存在很大的空间变异性[11]。从世界范围来看,土壤硒缺乏很普遍,中国约72%的市(县)处于严重缺硒或低硒状态[12],只有陕西紫阳、湖北恩施等个别地区为富硒地区。在湖北恩施地区的高硒区,发现了沉积型硒独立矿床,这可能是导致该地区高硒的主要原因;在陕西紫阳地区的高硒区,发现两片异常大面积的寒武统鲁家坪组碳硅板岩以及下志留统大贵坪组碳质板岩及含硅页岩,是该地区高硒的主要原因[13]。中国的低硒带呈东北-西南走向,低硒带土壤硒含量均值仅为0.1 mg/kg,显著低于中国其他地区的土壤硒含量[14]。该低硒带的西北、东南方向均为富硒环境。研究人员发现,环境中克山病、大骨节病的分布与低硒带的分布相对应,具有明显的地带性[3]。硒地带性分布的发现,是与人类健康和畜牧业生产密切相关的,而了解我国土壤硒分布状况以及影响因素对于人类健康、畜牧业生产都具有重大意义。本文依托全国多目标区域地球化学调查数据,系统查阅了国内外已公开发表的多目标区域地球化学调查与土壤硒方面的研究论文,分析了土壤硒含量及其空间分布特征,以期为今后中国土壤硒的进一步研究提供科学依据。

1 我国多目标区域生态地球化学的研究方法

国土资源部中国地质调查局自1999年启动了一项覆盖全国的调查工作——多目标区域地球化学调查(multi-purposes regional geochemical survey,MRGS),迄今已完成调查的面积为188万 km2,基本覆盖了我国主要农耕区。多目标区域地球化学调查主要目标包括基础地质、资源潜力与生态环境等三大方面,是以系统开展区域土壤地球化学测量为主、区域水地球化学测量为辅的地球化学综合调查。多目标区域地球化学调查以元素在岩石—土壤—水—农作物(养殖物)—人体的迁移、循环理论为指导;通过区域土壤(湖、海沉积物)、水地球化学元素含量分析,探求表生地球化学环境元素分布特征;通过采集深层与浅层土壤(湖、海沉积物)双层结构样品,了解地球化学环境的变迁;以真实反映地球化学环境变化特征为目标制定野外样品采集、重复样品采集、样品分析测试方法和质量监控措施。多目标区域地球化学调查中,土壤样品分析测试指标达54项,涵盖了As、Cd、Hg、Pb、Cr等有害重金属元素和N、P、K等养分元素以及Se等健康元素、土壤pH、土壤有机碳含量等。多目标区域地球化学调查为生态学、环境学、农学、土壤学、生物学、医学等学科领域的研究提供了基础资料和数据平台[15~19]。富硒土地资源的调查评价研究是多目标区域地球化学调查重要聚焦点之一,全国各地陆续发现了一大批绿色富硒土地资源,绿色富硒耕地已经成为发展特色农业和生态农业的新的增长点。

1.1土壤样品采集方法

采样网格:在区域性地球化学调查工作中,一般采用以方里网为界编制简单的采样网格,以保证研究区内获得均匀、同等意义的基本信息。多目标区域地球化学调查采用1∶250 000比例尺,其基本采样网格为4 km2。表层土壤样品为了提高采样的代表性,在4 km2内划出4个1 km2的小格采集土壤样品,4 km2组合成一个样品。深层土壤样品考虑地球化学元素分布变化相对较小,采用4 km2采集一个样品,16 km2组合成一个样品。

样品代表性:样品采集代表性是地球化学调查的关键。为保证样品的代表性,在一定范围内多点组合采样;选择具有代表性的位置布置采样点,如农田、菜地、林(果)地、草地及山地丘陵土层较厚地带等;避开明显点状污染地段,避开施肥期和外来土。

样品采集:表层样品采样深度为0~20 cm,采样时需去除表面杂物,垂直采集地表至20 cm深的土壤,保证上下均匀采集。样品中弃去动植物残留体、砾石、肥料团块等。深层样品应使用专门的采样工具连续采自地表150 cm以下土柱,但不采集到基岩风化层,当150~200 cm间存在明显分层时,要求选取上部层位进行采集,样量不足时应再重新取孔采样。土壤样品原始重量应大于1 000 g,以保证过筛后重量达到500 g。

样品加工与样品组合:土壤样品在自然条件下阴干。在样品干燥过程中要经常揉搓样品,以免胶结。干燥后的样品在过筛前用木槌轻轻敲打,以便使土壤样品恢复至自然粒级状态。样品干燥后用尼龙筛,截取0.8 mm(20 目)粒级的样品500 g,装瓶,送实验室进一步处理。

1.2样品分析测试

表、深层土壤样品测定的全量指标为54项:Ag、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Cl、Co、Cr、Cu、F、Ga、Ge、Hg、I、La、Li、Mn、Mo、N、Nb、Ni、P、Pb、Rb、S、Sb、Sc、Se、Sn、Sr、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zn、Zr、SiO2、Al2O3、TFe2O3(总铁)、MgO、CaO、Na2O、K2O、TC(总碳)、Corg(总有机碳)、pH。其中Se元素含量采用原子荧光光谱法(AFS)测定,检出限为0.01 mg/kg。

采用分析国家一级标准物质进行日常分析准确度和精密度控制。每500件样品中插入12个GBW标准物质进行分析,每种元素的每次分析结果单独计算测定值与标准值对数差(ΔlgC)和对数标准偏差(λ),测试数据结果真实可靠。

2 土壤硒含量分布特征

土壤中硒的含量分布是反映区域环境质量的一个重要参数,对研究土壤环境质量演变、人类活动对土壤质量的影响以及合理开发利用土地资源都具有重要意义[10]。世界范围内,土壤中硒含量的范围为0.1~2.0 mg/kg,平均硒含量为0.2 mg/kg。低硒土壤平均硒含量为0.01 mg/kg;高硒土壤可达30~324 mg/kg。世界范围内土壤硒含量呈现出明显的地带差异,高硒区呈斑状块分布,有欧洲的爱尔兰岛和英格兰威尔士北部地区、美国的洛杉矶山脉和北部平原等,最大报告值为80 mg/kg。低硒区基本分布于南北半球30°以上的中高纬度地区,呈带状分布,含量多小于0.1 mg/kg[20]。

全球有多个国家属于低硒或缺硒地区,前人研究表明我国属于缺硒国家,约72%地区属于缺硒地区,其中含量≤0.02 mg/kg的占29%,为严重缺硒地区;只有陕西紫阳、湖北恩施等个别地区为富硒地区,这些地区土壤硒平均含量为4~5 mg/kg[21~26]。Tan等[27]研究表明我国土壤Se含量范围为0.022~3.806 mg/kg,平均值为0.239 mg/kg,主要土壤类型耕作土表层硒含量范围为0.038~3.081 mg/kg,平均值为0.269 mg/kg。王子健[14]研究表明我国主要土壤类型表面耕作层土壤硒含量在0.06~0.32 mg/kg,均值为0.16 mg/kg。中国的低硒带呈东北-西南走向,从东北地区的暗棕壤(均值为0.12 mg/kg)、黑土(均值为0.11 mg/kg)向西南方向经过黄土高原的褐土、黑垆土(均值为0.08 mg/kg)到川滇地区的棕壤、紫色土(均值为0.06 mg/kg)、红褐壤、红棕壤和红壤(均值为0.09 mg/kg),再向西南延伸到青藏高原东部和南部的亚高山草甸土和黑毡土,低硒带内的土壤硒含量均值仅为0.1 mg/kg,显著低于中国其他地区的土壤硒含量。在低硒带东南部地区分别是温润热带和亚热带的黄壤、红壤、砖红壤和相应的水稻土,其硒含量逐渐增大;在低硒带西北部地区则为干旱半干旱地带黑钙土、栗钙土、灰钙土和荒漠土,其硒含量也逐渐增大。因此,我国土壤中硒的含量分布形成了中间低、东南和西北地区高的马鞍形趋势面[14],中国各省表层土壤硒含量见图1[1,28]。多目标区域地球化学调查发现全国土壤表层硒平均含量为0.217 mg/kg,低于Tan等[27]的研究结果。从行政区划分布来看(表1),中南地区土壤表层硒平均含量最大,其值达到0.308 mg/kg,最大值也达到0.754 mg/kg。华北地区最低,为0.180 mg/kg。且除中南、华东地区以外,华北、西北、西南、东北地区表层土壤硒含量均低于全国平均水平。

谭见安[4]从我国克山病带和低硒环境的研究出发,划分我国硒元素生态景观的界限值:全硒含量小于0.125 mg/kg的土壤为缺硒土壤,全硒含量在0.125~0.175 mg/kg的土壤为少硒土壤,在0.175~0.450 mg/kg之间的土壤为足硒土壤,全硒含量在0.450~3.000 mg/kg的土壤为高硒土壤,高于3.000 mg/kg的土壤为过硒土壤[29]。按照谭见安等[4,29]划分我国硒元素生态景观标准对中国土壤表层硒元素进行安全分级,结果表明,研究区内11.86%的土壤属于缺硒土壤,21.48%的研究区土壤为少硒土壤,57.98%的研究区土壤为足硒土壤,8.65%的研究区土壤为高硒土壤,0.036%的研究区土壤为过硒土壤。

本文将土壤硒含量介于0.4~3.0 mg/kg间的耕地定义为富硒耕地。根据NY/T 391-2013《绿色食品产地环境质量》中重金属评价标准和调查区的土壤硒含量,调查新发现3 496 khm2绿色富硒耕地,占调查耕地面积的3.8%,主要分布在闽粤琼区、西南区、湘鄂皖赣区、苏浙沪区、晋豫区及西北区(图2)[30]。

图1 中国各省(区、市)土壤的硒含量(mg/kg)Fig.1 Soil selenium concentration in China(mg/kg).数据来源:全国多目标地球化学调查数据。

表1 全国主要农耕区土壤表层硒含量统计结果Table 1 Statistical results of selenium concentration in top soil of main farming areas of China.

3 土壤硒来源及影响因素

土壤中的硒来源主要为成土母质及人为因素,其中成土母质又是最重要的来源。硒元素几乎存在于所有类型的岩石中,但其含量受岩石的岩性及岩石形成时代的影响。研究表明,硒循环的物质来源主要为火成岩,硅质岩、中深变质岩中的硒含量也较高[31],在原生地质环境中,硒的主要来源为富硒的沉积岩,如中生代黑色页岩和煤[32]。土壤中硒含量除了主要受成土母质决定外,其他因素如成土过程、风化淋失、有机质含量等也会带来一定的影响。

我国表层土壤硒来源较为复杂,主要分为以下几个类型(表2):

3.1受煤系、黑色地层影响及控制

这一类型分布较为广泛和典型,如陕西紫阳地区土壤硒含量均值为0.49 mg/kg,其主要来源于寒武统黑色岩系和寒武统的碳质板岩、硅质板岩和石煤地层[26,34,35]。湖北恩施和山西晋中盆地也是典型的煤系地层控制着土壤硒含量,恩施新塘的土壤硒含量均值高达1.49 mg/kg[24,25,33,43]。除此之外,宁夏银川盆地、重庆渝北地区、浙江省长兴县、四川万源县等地土壤硒含量分布亦受黑色岩系或含煤地层影响,含量范围为0.20~0.60 mg/kg[5,44~49]。既有寒武、石炭系等较早的地层,也有二叠系、三叠系等较晚的地层,但主要分布在二叠系、三叠系等富含有机质的黑色岩系中。

图2 全国绿色富硒耕地分布图[30]Fig.2 The distribution of green and selenium-rich cultivated land in China[30].

3.2受土壤有机质影响及控制

我国东北地区硒含量均值较低,且整体对母岩继承性差,主要和土壤中有机质、铁铝氧化物、pH有关。其富硒土壤主要集中在东部和西北部低山丘陵区[50,51]。另外,浙江省中部地区如金华等地富硒土壤为有机质含量较高的第四系汤溪组和白垩系上统金华组土壤[38]。广州石鼓地区的土壤硒含量平均值为0.4 mg/kg,土壤硒含量的高值区主要分布在石鼓地区西侧的一些第四系冲积平原地区,主要受到成土母质和有机质影响[39]。

3.3受沉积作用影响

一些平原区的土壤硒含量较高与沉积作用有关,如北京平原的表、深层硒含量均值分别为0.20 mg/kg和0.08 mg/kg,差距较大,表层富集趋势明显。富硒土壤主要分布于平原西部的洪冲积平原和冲积平原,来源于煤层和炭质岩石风化沉积[36,37]。广州石鼓地区的富硒土壤来源判断为冲积平原上游主要为一些含煤地层[39]。

3.4受基性火山岩影响

如青海富硒土壤主要分布于平安盆地、湟水谷地和其两侧的丘陵荒山地区,其分布受西宁群地层红色泥岩的控制,硒元素的主要来源为拉脊山基性火山岩[40,41]。海南岛土壤硒平均值为0.35 mg/kg,广泛分布于岛内变质岩区和基性火山岩区,如琼北地区[42]。富硒土壤分布表现为对成土母质具有较高的继承性,主要和基性火山岩及变质岩的分布区相对应。

此外某些地区的土壤富硒来源较为复杂。如广东台山地区,频繁的岩浆活动提供了物源,浅变质作用和大量粘土矿物提供了硒元素富集条件[52];而银川盆地中部地区富硒土壤的来源为人为作用[44]。

成土母质是土壤中硒的主要来源及影响因素。土壤中硒的含量还受到气候、降雨量、地形地貌等自然条件影响,同时土壤pH、土壤氧化还原条件、土壤质地、有机质等理化条件也是其主要影响因素,此外土壤硒含量在一定程度上也受微生物作用影响。

表2 近年来多目标区域地球化学调查发表的硒元素含量分布特征、来源及影响因素Table 2 Distribution, source and influence factors of selenium concentration from multi-purpose regional geochemical survey in recent years.

4 展望

硒元素是重要的人体健康元素之一,对人体具有十分积极的意义,动植物以及人体中的硒大多由土壤供给。土壤中硒元素的来源比较复杂,主要受到煤层、黑色岩系、土壤中有机质、沉积作用、成土母质等各类因素的影响和控制。同时,富硒土壤的分布与地层的关系也十分密切,主要富集于二叠系、三叠系黑色地层区域。但在黑色岩系分布地区,土壤中硒元素往往与镉、汞等重金属同时富集,镉、汞等有害元素的分布很明显受地层的控制。硒与镉元素虽均具有亲硫和亲生物性,伴生于泥页岩、硫化物矿床和碳酸盐岩土壤中,但硒为非金属元素,在碱性环境中活性增加,而镉为金属元素,在酸性条件下,生物活性增加。在硒、镉共生地区,必须深入研究硒元素的地球化学行为和生物活性影响因素,提出趋利避害的方法技术,为富硒农产品的安全开发利用提供科学依据。

富硒土壤的开发和利用不仅有利于人体健康,而且对于地区经济的发展有很好的推动作用。目前,由于对硒资源的开发利用和重视程度不够,我国很多地区仍然未进行系统的硒元素地质调查,很多地区硒元素的含量不明,导致富硒资源和富硒优势农产品潜力未得到充分发挥和利用,因此应加强硒元素知识的普及,在提高大众对硒元素认知的前提下,农业、地质等行业应该通力合作,共同促进我国富硒土壤开发利用工作的发展,真正实现硒元素全民共享。当前,我国农产品消费需求处于从数量诉求到健康诉求转换的过程,要适应农产品消费升级需要、应对国际农产品竞争压力,必须着力发展高附加值、高品质农产品,发展糖料蔗、特色水果等大宗优势农产品,发展富硒农业和林业经济,抓好现代特色农业示范区和农业科技园创建,提高农业综合素质、效益和竞争力。必须在农业产业结构调整上下更大功夫,构建竞争力强的现代农业产业体系。发展以富硒农产品和富硒食品为代表的功能农业是未来的趋势之一。

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中国地质大学(北京)生态地球化学团队介绍

中国地质大学(北京)生态地球化学团队近年来一直从事区域生态地球化学调查与评价的创新研究工作,提出了以元素在不同生态系统中的迁移循环为主线评价生态效应的创新思路,承担或参与了一大批有影响力的地质调查项目,编写了一系列行业标准,在服务民生、支撑土地资源管理及国家重大法规制定等方面取得了重大应用突破。主要硒学研究方向:硒的来源、成因、影响因素及地球化学循环。自2006年以来,主持的硒相关课题包括:国土资源大调查项目7项、财政部专项3项、中央高校基本科研项目2项。有关硒学领域的重要研究成果包括:①主要农耕区土壤硒元素的分布特征及影响因素;②农田生态系统中硒元素的迁移转化规律及循环模型。

DistributionCharacteristics,OriginandInfluencingFactorsofSoilSeleniumConcentrationofMainFarmingAreasinChina

WANG Rui, YU Tao, ZENG Qingliang, YANG Zhongfang*

SchoolofEarthSciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China

Selenium (Se) is one of the important life elements which are beneficial for the animals, plants and human health. In this paper, a research approach of multi-purposes regional eco-geochemistry was introduced. Combined with previous studies, the distribution characteristics of soil Se levels were systematically analyzed. The results showed that the average Se concentration of soil in the main farming area of China was 0.217 mg/kg, while the higher concentrations distributed around Central and South China. The distributions of Se-rich soil were dominated by factors such as coal-related stratum, black shale, soil organic matters, sedimentation and parent rocks.

selenium; eco-geochemistry; distribution characteristics; origin

2017-06-29;接受日期2017-07-13

国土资源部中国地质调查局项目(DD20160323)资助。

王 锐,硕士研究生,主要研究方向为生态地球化学。E-mail:1372661182@qq.com。*通信作者:杨忠芳,教授,博士生导师,主要研究方向为生态地球化学。E-mail:zfyang01@126.com

10.19586/j.2095-2341.2017.0071

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