湖北省宜城市东南部地区土壤硒元素物质来源浅析

杨 波, 冯久林, 陈以春, 卞 超, 王本哲, 石 磊

(湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

元素在自然界的存在形式多种多样,其存在形式也不是一成不变的,而是通过各种生态循环不断转换和迁移的,其中与人类息息相关的一组生态循环为“元素→土壤→植物→人体”。土壤中某些元素的丰缺对动植物和人类的遗传、生长发育、新陈代谢有着重要影响。元素硒是对生命体极为重要的一个微量营养元素,在大陆地壳中含量很低,且分布极不均匀。中国处于低硒地带,全国有72%的国土面积存在不同程度的缺硒现象。缺硒能直接导致癌症、肝病、心血管病、糖尿病、前列腺病、白内障等40多种疾病,间接导致多达400多种疾病。

本次工作以湖北省宜城市作为研究对象,在多目标区域地球化学调查的基础上开展土地质量地球化学评价,工作比例尺为1∶5万,可以基本查明区内富硒优质土地资源。宜城是全国重要的粮油生产基地,属全国粮食生产先进县市。区内土地资源丰富,土壤及农产品中硒含量高[1-2]。因此,分析土壤中富硒物质来源,对于科学合理利用富硒资源、改善人类健康具有重大意义。

1 研究区概况

宜城市位于湖北省西北部、汉水中游,交通位置十分便利,素有“五邑要道、八省通衢”之称。调查区位于宜城市东南部,涉及郑集和孔湾2个镇,调查面积310 km2;该区地处“荆襄走廊”北部,整体地势自西北向东南微倾斜,总体地貌以冲积平原、岗地和丘陵为主;区内气候温和,雨量适中,四季分明,属北亚热带季风性湿润气候;主要土壤类型为水稻土、潮土,其次为黄褐土、石灰土等;地层比较简单,第四系覆盖区面积约占95%,主要由汉江及其支流蛮河的冲积物、洪积物组成,西南部零星出露中元古界崆岭群及震旦系地层。

2 样品采集与分析测试

湖北省地质局第八地质大队于2015年在研究区开展土地质量地球化学评价工作,采集表层土壤样1 776件,土壤水平剖面样250件,土壤垂直剖面样200件,土壤形态样20件(图1)。其中表层土壤样与水平剖面样为0～20 cm的耕作层土壤;深层土壤为20～200 cm的土壤,垂向剖面土壤样的深度为地下水层面以下50 cm(枯水期)或100 cm(丰水期),土壤分层明显时分层采样,若分层不明显,按照20～50、50～100、100～150、150～200 cm的规格采集样品;土壤形态样按1点/15 km2的密度采集0～20 cm的耕作层土壤。样品的采集和加工等环节严格按照《区域生态地球化学评价规范》(DZ/T 0289-2015)执行。

样品的分析测试工作由湖北省地质实验测试中心承担。各类样品分析测试采用氢化物—原子荧光光谱法(HG-AFS),测试土壤样品的全量硒和形态样品的分量硒(七步形态分析)。所有的测试结果都满足《生态地球化学评价样品分析技术要求》(DD2005-03)等规范规定的分析准确度和精密度等质量要求。所有样品分析合格率100%,重复样、异常抽查检验的合格率99.66%。

图1 宜城评价区表层土壤及剖面采样点位图Fig.1 Bitmap of surface soil and profile sampling sites in Yicheng evaluation area1.表层土壤样点采样点位;2.土壤水平剖面样点采样点位;3.土壤垂直剖面样点采样点位。

3 表层土壤中Se含量特征

土壤作为岩石圈表面的疏松表层,是土地的重要载体,是最基本的农业生产要素,为作物生长提供必需的营养和水分。

(1) 通过对样品化验结果统计分析,全区1 776件表层土壤样品中硒元素含量变化范围为0.08～2.25 mg/kg,均值为0.31 mg/kg,变异系数为0.35,在整个评价区呈分异分布(表1)。

对评价区表层土壤中Se含量进行等级划分,采用累计频率0.5、1.5、4、8、15、25、40、60、75、85、95、97、98.5、99.5(%)分级间隔对应的含量作等量线[3],划分出五个标准15个色区(图2),即富足(0.48～0.59)、

较富足(0.37～0.48)、适度(0.24～0.37)、较缺乏(0.14～0.24)、缺乏(0.12～0.14)。

表1 宜城评价区表层土壤中硒元素含量特征表Table 1 Characteristics of Se elements in surface soil of Yicheng evaluation area

评价区硒元素的地球化学分带性非常明显,Se的低背景区(蓝色区域)分布在远离河岸的平原区(槐营—蒋湾村一带)、岗地区(吕岗—钟岗—许岗村一带);背景区(黄色区域)沿汉江、蛮河流域分布,走向与河流流向一致;高背景区(红色区域)集中在蒋湾—王洲村一带,蛮河的河道转弯处;特高背景区(深红色区域)零星分布在研究区西南部边缘,震旦系碳酸盐岩地层中,璞河一带河流冲积物中也有分布。

图2 宜城评价区Se地球化学图Fig.2 Se geochemical map of Yicheng evaluation area

(2) 各地层单元中的硒元素呈现不同的富集现象,表现为震旦系>第四系全新统冲积物>中元古界崆岭群>第四系更新统冲积物>第四系更新统残坡积物,即硒在震旦系与第四系全新统冲积物中呈富集,浓集比例K(K=Se在各地层单元的平均含量/表层土壤中的平均含量)分别为1.74、1.06,而在其他地层中呈现一定的亏缺(表2)。

(3) 在不同的土壤类型中,硒元素在灰潮土和石灰土中含量最高,平均含量为0.35 mg/kg(表3)。通过宜城县土壤分布图[4]可以看出,灰潮土的分布几乎与河流走向一致,系河流作用的产物。而石灰土则分布在震旦系碳酸盐岩区,与其成土母岩密切相关。

表2 宜城评价区主要地层中硒元素含量统计Table 2 Statistics of the content of Se elements in the main strata of the Yicheng evaluation area

表3 宜城评价区各类土壤中硒元素含量统计Table 3 Statistics of the content of Se elements in various soils in Yicheng evaluation area

图3 土壤剖面中Se的含量变化特征Fig.3 Change characteristics of Se content in soil profile

4 深层土壤中Se含量特征

农田生态系统是自然地质地球化学作用和人类生产活动共同作用的产物。农田生态系统中土壤Se元素自然来源主要为岩石的风化产物,土壤中Se元素含量与母质岩性和成土过程密切相关[5]。为研究硒元素在不同土壤发生层位的变化规律,在研究区各不同类型功能区测制了8条土壤水平剖面,在水平剖面上按照500 m的间距测制了50条土壤层垂直剖面,主要利用“横拉纵切”的“T”型剖面追踪法,即采用表层土壤水平剖面测量加深层垂直剖面测量的方法。针对研究区Se异常分布、所处地质环境背景等地质地球化学特点及地貌形态,在研究区各功能区随机选择了8条剖面来剖析。

测量结果表明,各垂向剖面中Se的含量变化趋势非常相似,80%的剖面在土壤层垂向上由深部至地表整体表现为逐渐上升的特征,且在第二层次—第一层次变化趋势明显,往深层次三—五层显得比较平缓(图3)。研究区硒元素表现为地表富集而在深部贫化,即评价区成土母质对表层土壤中硒的贡献很小,表层硒元素主要来自外源物质输入,深部硒可能与地表富硒物质风化淋滤作用和植物生长扰动改造有关。

5 土壤中硒元素各相态含量特征

对调查区土壤中各相态硒的平均含量分析显示(表4),硒的含量特征为残渣态>强有机结合态>腐殖酸结合态>水溶态>离子交换态>碳酸盐结合态>铁锰结合态,其中残渣态和强有机结合态硒累计占70%,表明土壤中硒主要为难溶态,即硒主要以稳定形式赋存于土壤中[6]。分析结果还显示,碳酸盐岩结合态硒平均含量是铁锰结合态的2.6倍,这与Se的特高背景区位于震旦系碳酸盐岩成土母质区的特点相一致。

表4 宜城评价区土壤中各相态硒含量统计Table 4 Statistics of each phase selenium content in the soil of Yicheng evaluation area 单位:ng/g

6 土壤中硒元素迁移规律解析

综上所述,评价区土壤中硒元素具备以下三个特征:

(1) 硒元素在地表富集,深部贫化;

(2) 硒的(极)高背景区位于评价区西南端震旦系碳酸盐岩地层中;

(3) 硒元素主要以稳定的形式赋存于土壤中,且碳酸盐结合态的硒高于铁锰结合态的硒。

结合本地区的地貌特征——西高东低,可以从空间上对硒的来源作出推测(图4):西部地势较高的碳酸盐岩系提供了富硒物质,自西向东的蛮河为富硒物质迁移提供了搬运力。据宜城县土壤图记载,璞河一带在20世纪80年代之前曾为一处与蛮河联通的水库(绿色区域),为硒元素提供了富集的空间位置。河流长期反复沉积、淋滤作用在蛮河与汉江的河流交汇部位形成了特定的物理化学环境,为硒元素就地富集提供了一处地球化学障,人类长期的耕作活动为硒元素在表层土壤中的活化富集起到了促进作用。

图4 宜城评价区硒元素迁移路线推测图Fig.4 Speculating diagran of migration route of Se element in Yicheng evaluation area1.震旦系上统灯影组白云岩、含燧石条带白云岩;2.震旦系下统陡山沱组含磷薄层白云岩夹磷块岩;3.硒元素地球化学高背景区;4.硒元素迁移路线。

7 结论与建议

(1) 研究区富硒异常为第四系全新统冲积物Se的富集所致,富硒物质系富硒岩层风化产物在河流搬运作用下,于特定的沉积环境、特定的物理化学条件(如pH、Eh等)下沉积、富集而成。

(2) 研究区富硒土壤处于汉江流域、汉江与蛮河的交汇部位,对富硒土壤是源自汉水冲积物还是其支流蛮河冲积物存在异议。多目标地球化学调查成果显示,在宜城市西南部、蛮河中下游雷河镇一带地区也发现有60多平方千米的富硒土壤异常,异常区与本次调查区域位置相邻,地质地理环境非常相似,因此,可以初步得出结论,研究区内富硒土壤应该源自蛮河流域的河流冲积物。

(3) 因本次调查工作范围的限制,震旦系地层只在工区西南角有零星出露,评价工作并未对该层位的基岩作相关的化学分析,对其作出富硒物质来源的推理,主要是根据该层位基岩风化产物——石灰土中Se元素平均含量高达0.35 mg/kg,单样点的最高含量为2.25 mg/kg的特征得出。建议加强对该区域震旦系、寒武系等地层的研究,追根溯源,从长远角度可持续利用其富硒资源。

参考文献：

[1] 胡瑞春,张元培,张海强,等.湖北省襄樊—随州地区多目标区域地球化学调查报告[R].武汉：湖北省地质调查院,2011.

[2] 杨波,冯久林,卞超,等.湖北省宜城市土地质量地球化学评价(一期)报告[R].襄阳：湖北省地质局第八地质大队,2016.

[3] 中华人民共和国国土资源部.地球化学普查规范(1∶50 000):DZ/T 0011-2015[S].北京:地质出版社,2015.

[4] 湖北农牧业厅.湖北省分县土壤图集[M].武汉:湖北省农牧业厅,1986.

[5] 文帮勇,张涛亮,李四周,等.江西龙南地区富硒土壤资源开发可行性研究[J].中国地质,2014,41(1):256-263.

[6] 黄淇,成杭新,陈出新,等.北京市房山区富硒土壤调查与评价[J].物探与化探,2013,37(5):889-894.