陕西关中富硒土壤研究及开发利用——以三原—阎良地区为例

乔新星，晁旭，任蕊，张继军，胡奎，李傲瑞，张志敏

(1.陕西省水工环地质调查中心，陕西 西安 710068； 2.陕西省地质调查院，陕西 西安 710054)

0 引言

硒作为人体必需的微量元素，因其可提高动物体免疫功能和刺激蛋白、抗体的产生及特殊的抗氧化、抗癌、解毒作用而备受关注，科学补硒可以预防高血压、克山病等多种疾病[1-3]。随着人们对硒的认识，富硒农产品也逐步热销，极大地提高了农产品的附加值[4-7]。研究表明，植物中的硒主要来源于土壤，并经食物链进入人体，土壤硒含量、形态转化等影响到作物对土壤硒的吸收富集并最终影响人体健康[2]，因此研究土壤硒含量、赋存形态、迁移转化及其影响因素等具有重要意义。

在三原—阎良地区开展了土壤和农作物样品系统采集分析，查明了区内富硒土壤和富硒农作物分布情况，提出了富硒农作物种植示范基地建设建议，以期为富硒资源开发利用、种植结构调整与富硒产业发展提供理论依据。

1 研究区概况

研究区地处关中平原腹地，位于泾渭冲积平原区，行政区划涉及三原、阎良等县，是陕西省重要的粮食、蔬菜基地，调查面积约1 255 km2。研究区属暖温带大陆性季风气候，四季分明，气候温和，多年平均气温为12～13℃，多年平均降水量550～750 mm。区内土地利用比较单一，主要以农用地为主。区内交通条件较好，铁路纵横交错，高速公路、一级公路四通八达，为富硒土壤资源开发利用提供了有利条件(图1)。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location map of the study area

研究区以全新统冲积层为主，包括现代河床冲积层及其下部冲积层，主要成分为浅黄褐色砂质黏土、黏质砂土，夹粉砂土、砂砾层等，此外见少量未分更新统风成黄土、上更新统风积层(马兰黄土)。区内土壤类型以塿土为主，黄绵土、新积土次之，其中塿土熟化程度高，疏松易耕，适耕时间长，保水、保肥能力好，土壤矿物质丰富，肥力较高，是适宜农业发展的优质土类[8]。

2 研究方法

2.1 样品采集与分析测试

区域调查土壤样品采样密度为4件/km2，采样深度为0～0.2 m，采样方法为多坑组合法，样品质量1 kg，共采集表层土壤样品5 022件。根据区内农作物类型、土壤类型、土地利用类型分布和土壤硒区域分布采集作物样，在作物采样田块按照梅花形法或交叉点法，采集大宗农作物小麦、玉米、油菜籽的籽实以及芹菜、白菜、大蒜等蔬菜样品，采样时避开株体过大或过小、遭受病虫害或机械损伤以及田边路旁的植株。作物样品质量大于500 g，共采集845件样品。在采集农作物样品的同时采集相同点位的根系土样品，样品质量1 kg。

土壤样经自然风干，用木棒压碎团块，过20目尼龙筛后，提取500 g送实验室分析。植物样洗净晾干，去掉非食用部分后剁碎或组织捣碎机捣碎，称取适量试样，加硝酸浸泡过夜，再加双氧水，盖好内盖，旋紧外套，放入微波消解仪器内消解3～4 h后，取出冷却，转移溶液，稀释至一定体积进行分析。

样品分析由自然资源部西安矿产资源监督检测中心承担。土壤样品采用原子荧光光谱法(AFS)测定Se、As、Hg，采用X射线荧光光谱法(XRF)测定Cr、Cu、P、Pb、S、Zn、TFe2O3、K2O，采用等离子体发射光谱法(ICP-AES)测定MgO、CaO，采用氧化还原容量法(VOL)测定N、Corg，采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定Cd、Mo、Co、Ni，采用离子选择性电极法(ISE)测定F、pH等共计29项元素。土壤水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、铁锰结合态、强有机结合态、残渣态硒含量采用等离子体发射光谱法(ICP-AES)测定。植物样品采用原子荧光光谱法(AFS)分析Se、As、Sb、Hg，采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Pb，采用离子选择性电极法(ISE)测定F。测试过程中随机加入4个国家一级标准物(GBW07423、GBW07430、GBW07446、GBW07429)控制分析质量，所有样品的报出率为100%，准确度和精密度监控样合格率达98%以上。

2.2 富硒土壤分级标准

硒在地壳中的丰度为0.13×10-6[9]，全国土壤A层和C层背景值分别为0.290×10-6、0．246×10-6，陕西省土壤A层和C层背景值分别为0.115×10-6、0.061×10-6[10-11]，由陕西省已完成的多目标区域地球化学调查区硒元素地球化学统计及富硒农作物生态效应验证，参照《土地质量地球化学评价规范》、土壤硒含量划分标准与不同硒景观区划分标准[12-13]，综合考虑调查区土壤pH值及植物样品硒含量等实际情况，本次工作把土壤Se含量大于0.2×10-6的土壤称为富硒土壤，把土壤硒含量小于等于0.2×10-6的土壤称为低硒土壤[14]。

3 结果讨论

3.1 土壤肥力及土壤环境质量评价

土壤肥力是土壤的基本属性，是土壤为植物生长供应和协调养分、水分、空气和热量的能力，包括水分、养分、空气和温度4大肥力因素，土壤肥力指标一般包括土壤环境条件、土壤物理性状、土壤养分(有机质、全氮、全磷、全钾)储量指标、养分有效态等[15]。作为土壤肥力的重要组成部分，土壤养分的丰缺程度及其供应能力直接影响作物的生长发育和产量。本次工作按照《土地质量地球化学评价规范》要求，依据土壤中氮(N)、磷(P)、钾(K)、有机质等指标的含量水平和丰缺分级标准，评价三原—阎良地区土壤肥力，结果见表1。由表1可知，三原—阎良地区土壤中必需大量元素含量总体较富足，C、Ca、Mg、S含量以丰富为主，其中Ca、Mg、S的丰富和较丰富级土壤占全区的100%，有机质和K含量以较丰富为主，N、P的含量以中等为主。

表1 三原—阎良地区肥力评价结果统计

根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)，按照土壤pH值选择Cd、Hg、As、Pb和Cr相应的风险筛选值及风险管制值评价土壤环境质量。由表2、图2可知，三原—阎良地区土壤基本清洁，无风险土壤面积占全区面积的99.222%；风险可控土壤面积占全区面积的 0.769%，超标元素主要为Cd；风险较高土壤仅占全区面积的0.010%，超标元素为Cd，主要分布在城镇人口密集区，推测与工业加工或人为活动关系密切。

表2 三原—阎良地区土壤环境质量评价结果

图2 三原—阎良地区土壤环境质量综合评价Fig.2 Comprehensive evaluation map of soil environmental quality in Sanyuan-Yanliang area

3.2 土壤硒含量及其分布特征

根据三原—阎良地区土地质量地球化学调查与评价结果，结合本次富硒土壤定义可知，三原—阎良地区以富硒土壤为主，占研究区总面积 95.04%，其中硒含量为(0.2～0.3)×10-6的土壤面积为850.98 km2，占全区的67.81%，在区内广泛分布；硒含量大于0.4×10-6的土壤面积为76.55 km2，占全区的6.10%，主要分布在三原县高渠乡、泾阳县南部、新市镇及相桥镇—田市镇一带；硒含量为(0.3～0.4)×10-6的土壤占21.13%，主要分布在硒含量大于0.4×10-6的土壤周边，在该区中部也有零散分布；低硒土壤面积较小，仅占全区的4.96%，在研究区周边零散分布(表3)。此外，研究区表层土壤Se含量为(0.023～3.060)×10-6，背景值为0.267×10-6，土壤Se含量分别是关中地区土壤Se背景值0.164×10-6的1.63倍，陕西省土壤Se背景值0.115×10-6的2.32倍[16]，富硒程度优势明显，结合土壤肥力、土壤环境评价结果可知，三原—阎良地区土壤总体非常清洁，清洁土壤面积占全区面积大于99%，具备了开发绿色安全富硒食品的土壤环境条件。

表3 三原—阎良地区土壤Se元素含量统计

3.3 土壤pH值、有机质含量与分布

大量研究表明，土壤Se有效性与土壤pH值、有机质等理化性质密切有关。调查结果显示区内表层土壤pH值为7.23～9.28，其中近80%土壤pH值为7.5～8.5，属于碱性、强碱性土壤。一般认为碱性土壤中Se主要以硒酸盐形态存在，有效性很高[17]，因此，三原—阎良地区碱性土壤有利于植物对土壤Se的吸收利用。

此外，由表1可知区内表层土壤有机质丰缺等级以二级和三级为主，一级次之，四级分布较少，土壤有机质含量总体丰富。对区内土壤有机质与土壤全量Se进行相关性计算可知r=0.355，二者呈显著相关关系(P<0．01)。土壤有机质对土壤Se的吸附和固定起重要作用，除成土母质的影响，土壤有机质可能是土壤硒含量最重要的影响因素。通常有机质含量越高的土壤对Se的吸附能力越强，土壤中Se的含量也相对较高[18],其原因可能是土壤有机质具有一定的活化作用将非有效态硒活化为有效态硒，也有可能在微生物生理代谢活动过程中影响着硒形态的转化，分解出一部分有效态硒[19]。也有研究认为表层土壤的Se有80%以上是与有机质相结合的[20]。

3.4 农作物富硒率评价

3.4.1 农作物硒含量与富硒率

依据中国富硒食品硒含量行业标准(HB001/T—2013)统计农作物富硒率，各类作物硒含量最小值、最大值、平均值、中位数、富硒样品数及富硒率结果见表4。由表可知，研究区大宗作物小麦、油菜、玉米富硒率都很高，其中油菜样品富硒率100%，小麦样品富硒率99.4%，玉米样品富硒率88.1%，富硒能力为小麦>油菜籽>玉米，大宗作物的富硒能力相差不大。但不同蔬菜的富硒能力差异大，大蒜富硒能力最强，富硒率达100%，大葱、芹菜、白萝卜、豆角、白菜均达到富硒标准，富硒率大于50%，花白、辣椒、菜花也达到富硒标准，但富硒率为30%～50%，黄瓜、西红柿、茄子的硒含量平均值未达到富硒标准，富硒率也较低，各类蔬菜富硒能力见图3。上述农作物的富硒能力集中体现了三原—阎良地区有发展富硒产业的前途，明确了适合大力推广种植的富硒农作物和蔬菜种类。

表4 农作物富硒含量与富硒率统计

图3 三原阎良地区各类蔬菜硒含量平均值Fig.3 Average value of selenium content in various vegetables in Sanyuan-Yanliang area

3.4.2 农作物与土壤硒相关性

有研究表明，农作物硒含量与土壤硒含量呈正相关关系，土壤硒含量及其存在形态直接影响农作物硒含量及其对硒的吸收和迁移转化[21-24]。以玉米、小麦为例，统计三原—阎良地区不同硒含量土壤中玉米、小麦两种农作物硒含量(见表5)，发现当土壤硒含量大于0.2×10-6时，玉米富硒率明显提高，小麦的富硒率提升不明显，但是当土壤硒含量小于0.2×10-6时，小麦的硒吸附量一般小于0.12×10-6，麦粒的硒吸附量一般小于0.01×10-6。而当土壤中硒含量大于0.2×10-6时，小麦硒吸附量一般大于0.054×10-6，麦粒的硒吸附量一般大于0.057×10-6。随着土壤硒含量升高，小麦麦粒硒含量有明显的增加[15]。

表5 土壤硒与农作物硒含量统计

以土壤硒含量为横坐标，对应的玉米、小麦籽实硒含量为纵坐标，分别绘制两种农作物硒含量散点图。由图4可知，玉米籽实、小麦籽实硒含量与其土壤硒含量线性关系均较好，r值分别为0.621、0.382(表6)，均达显著相关(置信度0.01)，玉米与土壤硒相关性优于小麦，说明农作物硒与土壤硒整体相关性较好。

图4 玉米、小麦硒含量与其根系土硒含量关系Fig.4 The relation of selenium contents in corn and wheat grains with its contents in soils

表6 玉米和小麦硒含量与根系土硒含量相关系数

农作物对土壤Se吸收量与土壤Se的形态组成密切有关[25]。三原地区22个碱性根系土壤Se全量及7种形态Se含量如表7所示，土壤Se全量均值为 0.230，其中残渣态、强有机结合态含量最高，分别占总量的38.46%和31.36%，其次是腐殖酸结合态，占13.83%，而水溶态(占5.70%)、铁锰氧化结合态(占1.45%)、碳酸盐结合态(占 3.55%)和离子交换态(占5.66%)组分较少。且土壤强有机结合态和残渣态Se与Se全量呈显著正相关关系，其中有机结合态Se可提供大量可溶性有机和无机Se为植物利用[8]，而残渣态Se虽然难于被农作物直接吸收利用，但可以在长期的土壤熟化过程中被逐渐释放出来，是土壤Se的储备库源[26-27]。其他形态虽然占全量比值较低，但与全量Se相关程度高，易于被植物所吸收利用。

表7 表层土壤中硒赋存形态统计

3.5 作物安全性分析

根据三原—阎良地区小麦、玉米与蔬菜重金属元素含量，参照《食品中污染物限量》(GB 2762—2017)评价标准(表8)。小麦样品中有4件样品As含量高出安全阈值，2件样品Cd含量高出安全阈值，29件样品Pb含量高出安全阈值，As样品超标率为0.94%，Cd样品超标率为0.47%。

表8 作物中重金属元素含量统计

Pb样品超标率为6.8%，可能与人为活动、农田施肥等污染影响有关。多数油菜样品Pb、Zn含量高出安全阈值，油菜样品Pb、Zn普遍超标可能因为Pb、Zn易在油菜籽中积累[28-30]，其余样品各元素含量均低于国家食品卫生限量标准，达到了安全食品标准。

3.6 富硒土壤开发利用区划建议

实施乡村振兴战略，是新时代做好“三农”工作的总抓手，支撑服务“乡村振兴战略”，民生地质大有可为[31]。目前国内富硒农产品市场前景广阔、发展潜力巨大，是实现农民增收、乡村振兴的朝阳产业，富硒土地资源的开发利用日益重要。综合土地质量地球化学调查评价结果可知，三原—阎良地区土壤环境清洁，土壤硒有效性较强，农作物富硒率高，作为关中地区重要的粮食、蔬菜产地，具有大力发展富硒农业产业的条件。

建议合理开展三原—阎良地区富硒土地开发利用空间规划(见图5)，根据土地质量地球化学调查评价综合结果，在武屯乡—相桥镇—田市镇一带，新市镇周边、大程镇、泾阳县西部及南部，三原县西南一带富硒重点种植规划区(一类区)开展绿色富硒农业种植，其中云阳镇为国家农业蔬菜示范基地，建议打造“云阳绿色富硒蔬菜示范基地”，其余富硒区作为关中地区粮食主产区，建议开展富硒绿色粮食类农产品种植。在富硒种植规划区(二类区)开展无公害富硒农业种植，除云阳镇、康桥乡、北屯乡东南部周边主要种植蔬菜以外，其余地区主要种植小麦、玉米。在绿色种植规划区(三类区)开展一般富硒农业种植计划，主要分布在云阳镇—扫宋乡、阎良区北部、雨金镇东部、田市镇南部地区，主要种植小麦、玉米。

图5 三原—阎良地区富硒土地开发利用空间规划Fig.5 Spatial planning for the development and utilization of selenium-rich land in Sanyuan-Yanliang area

同时建议在三原县南部、新市镇、关山镇南部优选一批示范点，重点开展小麦、玉米、洋葱、大蒜、油菜等富硒能力较强的大宗农作物、蔬菜类经济作物种植工作，研究作物富硒规律和种植方法，建设成为高标准化富硒农业种植示范基地，为关中地区富硒产业发展和技术推广提供科学依据，更好地以民生地质工作支撑服务乡村振兴战略和精准脱贫攻坚战。

4 结论

1)土地质量地球化学调查评价表明，三原—阎良地区土壤中各养分元素含量总体充足，土壤环境总体清洁，富硒土壤广泛分布，具备了开发富硒农产品的基本土壤条件。

2)农作物调查表明，三原—阎良地区大宗农作物均为富硒农作物，大部分蔬菜也都达到了富硒蔬菜的标准，农作物硒含量与土壤总硒、土壤形态硒整体相关性较好，大宗农作物及蔬菜类除油菜外，均符合食品卫生安全标准。

3)三原—阎良地区为关中地区重要的粮食、蔬菜产地，富硒土壤具有生产富硒农作物的潜力，建议重点打造建设一批富硒粮食、蔬菜产业基地，为陕西省富硒资源开发利用提供科学依据，更好地以民生地质工作支撑服务乡村振兴战略和精准脱贫攻坚战。

致谢：本文是在“关中—天水经济区(关中盆地)富硒区地球化学调查与评价”和“陕西省富硒农作物种植示范基地建设”项目研究成果基础上完成的，感谢项目组成员辛勤付出。感谢王会锋教授级高级工程师、郑小锋博士在撰写过程中给予帮助，特别感谢审稿专家提出许多宝贵意见和专业指导！