贵州省水城县耕地土壤硒元素地球化学特征及富硒农业应用

骆振华，王 彪，黄 庆，李媛媛，郭佩佩，曾国龙，张传良，宋 晨

(贵州省地质矿产勘查开发局113地质大队)

硒是人体必需微量元素之一，是生物体内一种非常重要的抗氧化剂(侯小东 等，2007)，对人体有着重要的生理调节作用，硒的缺乏与过剩都与人体健康密切相关(李军 等，2011)。食物中硒元素含量来源于植物对土壤中硒的吸收转化，而决定人体内硒的营养水平(陈显著 等，2016)，硒在不同地区影响因素有所不同，存在一定的差异性(周墨 等，2018)，因此，对土壤硒含量分布特征、影响因素及农作物含量水平的研究具有重要意义，便于研究区指导农业生产、优化种植结构，发展山地特色高效农业(周琦，2020)，提供科学可靠依据。

1 研究区概况

水城县地处贵州省西部边缘，位于滇东高原向黔中丘原和广西丘陵的过渡地带，地势北西高、南东低，形成了广泛山地景观，境内山脉走向多追踪地质构造，常呈背斜成谷，向斜成山的现象。研究区出露地层主要为泥盆系-白垩系沉积岩及第四系黏土、砂、淤泥等，境内碳酸盐类岩层分布广泛，岩溶地貌发育，岩溶化山地与砂页岩、玄武岩、紫色砂页岩侵蚀山区交错分布。

耕地土壤类型主要为黄壤、黄棕壤、石灰土，分布情况为黄壤面积占全区约37.0%；黄棕壤面积占全区约22.6%；石灰(岩)土面积占全区约16.0%；紫色土面积占全区约6.7%；水稻土面积占全区约2.9%；粗骨土面积占全区约3.9%；其它土壤类型零星分散分布。

土地利用现状分类主要有旱地、裸地、水田、园地等。全国第二次土地利用调查发现耕地面积约195.036万亩，占水城县面积约36.1%。其中旱地占耕地面积约75.80%；裸地占耕地面积约18.96%；水田占耕地面积约3.01%；果园约1.757万亩，占耕地面积约1.19%。农作物主要种植玉米，特色农产品主要有猕猴桃、茶叶、核桃、刺梨等。

2 样品采集和分析测试

2.1 评价单元划分与样品采集

图1 研究区区域地质图Fig.1 Traffic location of the studying area1—第四系；2—茅台组；3—沙溪庙组；4—自流井组；5—二桥组；6—关岭组；7—嘉陵江组；8—飞仙关组至嘉陵江组并层；9—飞仙关组；10—龙谭组；11—峨眉山玄武岩；12—辉绿岩；13—栖霞组至茅口组并层；14—梁山组至茅口组并层；15—茅口组；16—包磨山组至梁山组并层；17—龙吟组；18—威宁组；19—南丹组；20—马平组；21—马平组至黄龙组并层；22—摆佐组；23—打屋坝组；24—祥摆组至马平组并层；25—祥摆组至摆佐组并层；26—五指山组；27—榴江组至五指山组并层；28—火烘组；29—实测性质不明断层；30—实测正断层；31—实测逆断层；32—平移断层

图2 研究区农作物样品采样点位图Fig.2 Regional geological map of the studying area1—茶叶；2—玉米；3—猕猴桃；4—马铃薯；5—刺梨；6—辣椒

2.2 样品测试

土壤样、农作物样测试分别由湖北省地质实验测试中心、贵州省地质矿产中心实验室，土壤样品分析指标为有机质、N、P、K、B、Mn、Zn、Cu、Mo、Se、Ge、I、F、pH、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Co、Ni、V、Tl，共计23项，农作物样分析指标为Cd、Hg、Pb、As、Cr、Se、Ge共7项。

表1 元素全量分析配套方法Table 1 Supporting methods of element total analysis

表2 农作物样品分析方法检出限最低要求Table 2 Minimum requirements for detection limit of crop sample analysis method

表3 农作物样品分析配套方法Table 3 Supporting methods for crop sample analysis

2.3 数据的统计分析

项目参数统计及地球化学图绘制是在Mapgis中完成，土地质量地球化学评价图件的数据处理和表达是由土地质量地球化学评价管理与维护(应用)子系统软件及Arcgis10.2联合处理完成。

参数统计使用Mapgis软件，原始数据反复剔除异常值(均值±3倍标准离差)后，统计其算术均值(均值下同)、标准离差、变异系数等地球化学参数；相关分析采用SPSS双变量分析，选Pearson相关系数及双侧检验完成。

3 结果与讨论

3.1 表层土壤硒空间分布特征

表4 表层土壤硒元素的地球化学特征值Table 4 Geochemical characteristic values of surface soil selenium

运用土地质量地球化学评价管理与维护(应用)子系统对表层土壤评价单元赋值(图3)，研究区耕地土壤二级(较高)硒元素含量耕地面积118.378万亩，占总耕地面积65.19%；其次硒等级为一级(高)耕地20.765万亩，占总耕地11.44%；硒等级为含硒耕地18.419万亩，占总耕地10.14%。富硒耕地总面积为160.308万亩，占耕地面积的88.35%，总体面积分布范围广，占有区域大；其中发现发耳乡、鸡场乡、龙场乡、木果乡、果布戛乡等地硒元素含量整体偏高。

图3 研究区土壤硒含量分布图Fig.3 Location of sampling points for crop samples in the studying area1—过剩>3.0；2—特级1.2-3.0；3—一级0.3-1.2；4—二级0.5-0.8；5—三级0.4-0.5；6—含硒0.2-0.4；7—低硒≤0.2；8—非耕地

3.2 土壤硒含量影响因素分析

3.2.1 不同母质成因的土壤硒含量分布特征

不同成土母质中土壤硒元素含量分布不同(蔡大为 等，2020)，成土母质中硒元素含量的高低是决定土壤中硒元素含量高低的重要因素，基岩风化剥蚀产生的碎屑物和溶解物是当地母质土壤主要的物质来源(林乃武，2019)。硒元素常见的残渣态硒不易释放，植物难以利用，其含量取决于土壤母质(张艳玲 等，2002)。

根据研究区主要成土母质发育的土壤硒元素含量统计结果得出(表5、图4)：二叠系砂岩中发育的土壤硒含量最高，平均为0.79 mg/kg；其次是石炭系砂岩、二叠系白云岩发育的土壤硒含量平均为0.76 mg/kg，均达到富硒标准。侏罗系-白垩系中砂岩、页岩硒元素含量最低，平均值为0.35 mg/kg。二叠系地层中硒含量均值为0.81 mg/kg，获取土壤样品数据最多；三叠系地层中硒含量均值为0.49 mg/kg，获取土壤样品数据次之。可以发现，研究区大部分富硒土壤多发育在二叠系地层中，与二叠系地层广泛分布有关，其次是三叠系地层。因此，成土母质硒含量较高是富硒土壤形成的重要条件。

图4 研究区不同时代成土母质土壤硒元素含量直方图统计(剔除异常值)Fig.4 Distribution map of soil selenium content in the study area

表5 不同时代成土母质土壤硒元素含量统计Table 5 Selenium content statistics of parent material of soil in different ages

续表

3.2.2 不同土壤类型中耕地硒含量特征

不同土壤类型，质地、结构及其形成环境不同(林乃武，2019)，土壤硒元素含量可能也存在差异。根据不同土壤类型耕地土壤硒含量统计(表6)，研究区耕地不同土壤类型中硒含量不同，棕壤硒含量最高，平均为0.70 mg/kg，其次为水稻土平均为0.68 mg/kg，粗骨土硒含量平均为0.67 mg/kg，紫色土含量最低，平均为0.48 mg/kg。参照贵州省耕地质量地球化学调查评价项目成果资料，水城县内棕壤成土母质系列来源多样，造成硒元素含量偏高因素多；水稻土成土母质主要为冲积、洪积、古河道沉积系列，有机质含量偏高造成土壤硒含量偏高(邓军 等，2019)；粗骨土成土母质为砂岩、粉砂岩坡残积硅质系列，以石灰岩、页岩、粘土岩等为主，硒元素含量背景相对偏高(胡秋 等，2020)；其他土壤类型硒元素含量成因有待进一步研究。

表6 不同土壤类型区土壤硒元素背景值统计Table 6 Background value statistics of soil Se in different soil type area

3.2.3 不同土壤利用现状中耕地硒含量特征

由于自然地理条件存在差异，不同的土地利用硒元素含量不同，同时采取不同的耕作及管理措施，对土壤硒含量有一定的影响。统计不同土地利用现状分类中硒的含量(表7)，发现硒含量差别较大，以茶园硒含量最高，平均为0.9 7mg/kg，超过富硒土壤标准，茶园土壤类型主要以偏酸性红壤为主，在酸性和湿润的土壤中，硒元素主要以亚硒酸盐(Se4+)的形式存在，同时易被红壤中大量的铁铝氧化物和黏土矿物所吸附(梁东丽 等，2017)，最终导致茶园土壤中硒的富集；其次为其他园地，平均为0.83 mg/kg；另外是水田平均为0.67 mg/kg，果园、旱地最低，平均为0.63 mg/kg。

表7 不同耕地利用类型区土壤养分元素背景值统计表Table 7 Background value statistics of soil nutrient in different cultivated land use type area

3.2.4 土壤养分指标、环境指标及酸碱度对硒含量的影响

根据表层土壤硒含量与养分指标、环境指标及酸碱度相关分析结果 (表8)，可以看出土壤硒与有机质、氮、磷、锰、钼、碘、锗、汞、镉、砷呈显著正相关，与钾、硼、氟、酸碱度呈负相关，与锌、铜、铅、镍、铬相关弱。

表8 研究区土壤硒含量与养分指标、环境指标及酸碱度的相关性Table 8 Correlation of soil Se with nutrient index, environmental index and pH value in the studying area

硒在土壤中存在形态为有机结合态、水溶态、可交换态、残渣态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态等(兰叶青 等，1994)。有机结合态是土壤中硒元素的主要结合态；水溶态易被植物吸收利用，且含量容易受到土壤的理化性质、氧化物等影响；可交换态硒主要指被粘土矿物等吸附而形成的SeO42-态硒(张艳玲 等，2002)。土壤有机质在腐质化过程中可产生腐植酸和细颗粒胶体，易与硒产生结合，研究区硒与有机质显著正相关，可能是由于硒能够以与腐殖质结合的形式存在，或者在有机质增加的情况下促进了土壤微生物的活性，加强了土壤中硒元素的吸附和固定作用，从而使硒快速固定富集在表层土壤中。锰对硒具有强的吸附能力，且强于黏土矿物(李晓慧 等，2018)，使土壤中硒固定下来。新疆伊犁土壤研究表明土壤全量硒与有机质等呈显著正相关(王琪 等，2014)；贵池富硒区研究发现，表层土壤中的Cd、Hg、As三种元素易与硒伴生，并发现其相互之间存在着协同作用(沈燕春，2011)；本次研究成果与前人一致。研究区土壤硒与其他指标相关性差异、机制有待于进一步深入研究。

3.3 农作物硒含量分析

3.3.1 主要农作物富硒情况及硒富集系数

表9 主要农作物富硒限量值统计表Table 9 Statistical table of Selenium-enriched limit value of main crops

研究区15件猕猴桃，富硒率3.33%，根系土硒元素均值为1.24 mg/kg，猕猴桃硒元素含量低，富集系数小；15件辣椒样品、17件茶叶样品均不富硒，富集能力低。农作物的富集系数与地理环境、土壤质地、土壤养分指标等因素有关。30件马铃薯样品，富硒率为3.33%，富集能力一般；30件玉米样品，富硒率为20.00%，根系土硒元素均值为0.70 mg/kg，富集系数相对偏大；15件刺梨样品，富硒率为6.67%，根系土硒元素均值为0.94 mg/kg。不同农作物对土壤硒元素的富集能力有所差异，不同土壤硒元素的含量同样对农作物富集能力有影响，研究区玉米的硒富集能力最强，其次是马铃薯，第三为茶叶，猕猴桃的富硒能力最弱 (表10)。

表10 主要农作物富硒情况及硒富集系数统计Table 10 Se rich condition and Se enrichment coefficient statistics of main agricultural product

3.3.2 农作物安全性分析

参照国家标准《食品安全国家标准 食品中污染物限量》，以镉、汞、铅、砷、铬等为指标，按一票否决制的评价规则进行农作物安全性评价(郝应龙 等，2019)，根据评价标准及评价结果可看出(表11)，122件农作物样品马铃薯重金属镉超标，达13.33%；刺梨重金属铅超标，达6.67%；表明研究区农作物多数安全，存在马铃薯、刺梨重金属超标现象，建议后续对农作物进行监测评价。

表11 农作物安全性评价表Table 11 Safety evaluation of agricultural product

续表

4 结论

(1)研究区土壤以富硒为主，面积大，主要农作物玉米富硒性好，安全性高，表明研究区具有发展富硒特色农业的潜质。

(2)研究区土壤硒含量受控于成土母质与土壤类型，二叠系、三叠系地层发育土壤硒含量明显高于其它地层母质发育土壤，棕壤中硒元素含量明显高于其它土壤类型。土地利用现状分类对土壤硒的迁移富集有一定的影响，园地土壤对硒元素富集具有优势。

(3)土壤硒含量与有机质、氮、磷、锰、钼、碘、锗、汞、镉、砷呈显著正相关，与钾、硼、氟、酸碱度呈显著负相关。