宜宾兴文县僰王山镇水田土壤中硒形态分布特征及研究

王玉婷，李忠惠，苟才明

(1．稀有稀土战略资源评价与利用四川省重点实验室，成都 610081；2．四川省地质调查院，成都 610081；3宜宾市农业科学院，四川 宜宾 644000)

前 言

硒(Se)属于硫族元素，与硫的化学性质相似，因为硒在地壳中的含量极低而且较为分散，所以被列为稀有分散元素之一[1]。研究发现，硒在地壳中的丰度只有0.05×10-6，硒与硫的理化性质非常相似，它的化学性质介于金属与非金属之间[2]。自1817年被瑞典科学家贝尔泽柳斯(Berzelius)发现以来，一直是国内外学者热衷研究的元素之一。上世纪30年代至60年代一直认为硒具有一定的毒性，至到1975年以后，硒才被确认为一种生物必须的微量元素。土壤中的硒与人类健康、动植物生长有着密切的联系。土壤中缺硒，一方面会导致动物发生白肌病而死亡，另一方面会导致人体会发生地方性心肌病(比如我国克山病和大骨节病的流行地区)；土壤中硒含量过高，又会导致人体硒中毒而发生脱发、脱甲等现象。但是根据最近的研究资料显示，硒可以提高并改善人和动物的免疫系统，可以预防细胞老化、提高抑癌和抗癌能力等问题[3]。近些年研究表明，土壤中硒的形态分布和生物有效性受成土母岩、土壤理化性质及土地利用方式等各种因素影响[4]。然而不同形态硒的化合物的功效及作用有所不同，准确定性定量分析不同形态的硒对富硒产品营养、安全及健康具有重要意义[5]。

在2014～2016年在宜宾市开展的多目标区域地球化学调查成果显示，宜宾分布有大面积的富硒土地资源，而水稻是宜宾地区的主要粮食作物，水稻中硒含量的多少对人体能吸收多少硒发挥了重要作用。土壤是动植物和人类生存的基础，对研究区富硒稻田土壤进行硒含量调查和硒的形态研究，探讨富硒稻田土壤中硒的分布规律和特征，可以为解析水稻籽实中硒的来源、迁移特点和转化方式提供重要依据[6]。基于以上成果，本文对研究区所在的僰王山镇水垆坝村的富硒土壤、水稻籽实硒含量、土壤中硒的形态分析等进行初步研究，以期为川南宜宾地区天然富硒土地资源开发利用与保护提供一定的技术支持。

1 研究区概况

兴文县位于宜宾市东南，地处东经东经104°52′28″～105°21′23″，北纬28°04′28″～28°27′18″之间，东南与叙永县相邻，南与云南省威信县接壤，西接珙县，北与江安县毗邻。全县耕地面积438.63km2。地貌属盆南山山地地形，全县分为槽坝、丘陵、低山、中山4个小地貌类型。

富硒土壤研究区位于兴文县西北角僰王山镇水垆坝村项目核心试验区内(北纬30°33′22″，东经104°33′22″)。地貌类型以丘陵-中山为主，局部形成百十余亩的冲积平坝，成土母质为奥陶系下统湄潭组二+三段分化形成的冲洪积物，土壤质地以亚砂土、亚粘土为主(图1)。研究区水田种植面积为4.13hm2，主要种植水稻、泽泻等作物。

图1 研究区区域地质简图及采样分布图Fig.1 Regional geological sketch map of the study area and distribution of sampling sites

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

土壤采样点布设于4.13hm2的核心试验田分布地块，表层土样按照地块亩数大小来均匀布样，采样密度约15件/ hm2，样点分布在划分田块中心50m方圆内3～5个土壤样点组合而成，共采集样品57件。根据硒的土壤地球化学特征及土地利用方式提取了26件土壤样做硒的形态分析。

采样时先除去表面杂物，包括植物残留体、砾石、肥料团块等，均匀采集0～20cm土柱，封装布袋中(为防止污染，外套聚乙烯自封袋)，编号。土壤样利用日照自然风干，除去碎石和砾石等杂物，粉碎过20目尼龙筛，将加工好了的土壤样品装入聚乙烯塑料瓶中，外送分析。依据富硒土壤硒形态顺序提取量的测定要求，对提取的26件土壤样品通过玛瑙研钵慢慢研磨至全部通过200目尼龙筛，然后密封保存在聚乙烯袋[7]中待用。

2.2 测试方法

2.2.1 标准溶液的准备

硒标注储备溶液：市售单元素标准储备溶液(ρ=1000μg/mL)。

硒标准工作溶液：移取1.00mL硒标准储备溶液(NaBH4：ρ=g/mL，分析纯及以上)于100mL容量瓶中，加入5mL盐酸(ρ=1.18g/mL，分析纯及以上)，用去离子水稀释到刻度，摇匀，溶液硒的浓度为10μg/mL。

2.2.2 土壤总硒的测定

准确称取0.5g土壤样品(精确至0.1mg)置于50mL高型烧杯中，用少量水湿润，加入10mL硝酸，摇匀并盖上表面皿，置于电热板上低温加热分解；待剧烈作用停止后，揭开表面皿，加入2mL高氯酸钾，再盖上表面皿，在95℃～100℃条件下加热0.5h后，解开表面皿，蒸至刚冒白烟取下，趁热加入5mL盐酸，防止片刻，再加入10mL盐酸；将溶液用水移入50mL容量瓶中，加入5mL铁盐溶液，用水稀释至刻度，摇匀待测[8]。

2.2.3 土壤硒的形态分析

本次硒的形态分析在参照瞿建国等[9-10]推荐的连续浸提取技术的基础上，采用四步五态连续化学浸提技术，由弱到强的选择性顺序提取富硒土壤中硒的五种结合态，并采用原子荧光光谱法测定硒的各种形态的量。

水溶态：称取0.500g土壤于100mL塑料离心管中，加入超纯水20mL，恒温振荡器中设定25℃，然后以200 γ/min的振速振荡1.5h，取出离心管并于γ/min的离心机上离心15min。将上清液倒出，用0.45μm滤膜(不可用滤纸)抽滤后4℃黑暗中保存备用。

可交换态：在上步含有残渣的离心管中加入10mL 0.1mol/L磷酸盐缓冲液，恒温振荡器中设定25℃，然后以200 γ/min的振速振荡1.5h，取出离心管并于4 000γ/min的离心机上离心15min。以下步骤同上。

有机质结合态：在上步含有残渣的离心管中加入10mL 0.1mol/L氢氧化钠溶液，恒温振荡器中设定90℃，然后以200 r/min的振速振荡1.5h，取出离心管并于4 000γ/min的离心机上离心15min。以下步骤同上。

硫化物/硒化物结合态：将上步提取有机质结合态硒的离心管连同残渣置于50℃～60℃烘箱烘干，取出冷却至室温后再离心管中磨细，加入0.5g(精确至0.1mg)KClO3固体，搅拌均匀后置于通风橱中，缓慢准确加入10mL浓HCl，静置1.5h(期间轻摇数次)，待反应完成后，在离心机上于4 000γ/min离心20min，以下步骤同上。

残渣态：将上步装有剩余残渣的塑料离心管虚掩上盖子，置于60℃烘箱中烘干，烘干残渣称取0.100置于25mL高温高压密闭消化罐中，加入2mL HNO3、0.5mL HF和1mL HClO4，静置30min后放入180℃烘箱中高温密闭消解18h以上。

最后，用原子荧光光谱法逐步分析各相态中的硒。测定时，按照AFS操作说明书规定条件启动仪器并调节至最佳工作状态，仪器启动后至少稳定30min。然后以5%盐酸(HCl)为载流，1%硼氢化钠为还原剂。等到连续载流进样读书稳定后，再用标准系列零管进样，确定空白值。先绘制出标准曲线，然后再依次放入样品测定相关参数。每批试料测定时，同时测定试剂空白溶液和标准溶液。

3 结果与分析

3.1 水田土壤总硒分布特征

宜宾兴文县僰王山镇水田土壤总硒含量的平均值为0.725mg/kg，高于全国土壤平均值0.290mg/kg[11]的2.5倍，但未超过国家土壤环境质量标准关于硒含量的限定指标范围0.1mg/kg～1.0mg/kg[12]。本文从研究区挑选了5个水田耕作层土壤(0～20cm)采集的样品分析结果来分析(表1)，从表中得知，研究区水田土壤总硒含量变化范围在0.57～0.86mg/kg之间，其中，含量在0.4～1.0mg/kg的样品占100%，不存在含量在0.3～0.4mg/kg的样品，采集的土壤样品硒含量高且频率极为集中。依据谭见安从我国克山病带和低硒环境研究出发，划分的我国硒元素生态景观界限值[13](见表2)，可以看出，研究区的5块水田土壤属于高硒土壤即富硒土壤，且土壤以酸性为主。

表1 研究区稻田土壤总硒和pH值含量统计表Tab.1 Statistical table of the total selenium and pH value (mg/kg)

表2 我国硒元素生态景观界限值[13]Tab.2 The limit value of Se in ecological landscape of China (mg/kg)

3.2 水田土壤硒形态分布特征

为了清楚的了解研究区水田土壤硒的形态分布规律及特征，作者在研究区挑选了5个田块26件表层土壤样品进行了硒的形态分析测试分析，结果见表3、图2所示。从中可知研究区土壤硒的形态分布规律为：有机质结合态>残渣态>硫化物/硒化物结合态>可交换态>水溶态，其中，水溶态硒含量占全量比例为9.67%，可交换态硒占全量比例为13.7%，有机质结合态占全量比例为38.17%，比例最高，硫化物/硒化物结合态占全量比例为16.46%。研究区酸性土壤硒的形态分布特征与吴耀明等提出的在酸性土壤和富含有机质的土壤中硒以硒化物、矿物态硒、有机态硒为主，不易被植物吸收利用或须经微生物分解后，才能供植物利用[14]的观点吻合。

表3 五种形态硒含量的平均值(mg/kg)及占总硒的百分比Tab.3 The average content of five kinds of selenium(mg/kg) and their percentage in total selenium (%)

从图2可以看出，5个水田表层土壤的26个样品中具有相对稳定的硒形态分布模式，其中有机质结合态、硫化物/硒化物结合态为硒元素的主要赋存形态，分别占全量比例的38.17%和16.46%(表3)。残渣态含量较高量，约占全量比例的22.23%，其他各个形态的含量较低。由此可见，研究区有机质结合态是水田土壤中硒的主要存在形态，这与瞿建国等[15]研究结果相吻合。对研究区硒全量和硒形态分析数据进行相关性分析可知，有机质结合态的硒与土壤全量硒成正相关关系(图3)。上述分析表明，研究区土壤硒的富集与硒的有机质结合态的活动密切相关，有机质结合态的吸附是影响研究区土壤富硒的重要因素之一。

注：样品号中27为平均值图2 研究区水田土壤中不同形态硒含量分布Fig.2 The distribution of selenium contents in different combined forms in paddy soil in the study area

图3 土壤硒有机质结合态与土壤硒全量相关关系Fig.3 The relationship between the contents of organic matter binding state selenium and the total selenium in soil

3.3 水田土壤硒的垂直分布特征

前人研究发现，硒在土壤垂向剖面中含量自下而上呈逐渐升高且表层显著富集的特点。由图4可知，研究区水田土壤硒的含量在垂向上呈现出持续变化的趋势。其中，垂向剖面CM01与CM04土壤硒含量随着采样深度的增加而减少的态势，表明土壤中生物积累作用大于淋溶作用所致；垂向剖面CM02土壤硒含量随着采样深度的增加呈现先减少后陡增的态势，这种陡增的变化趋势可能受控于成土母质，其生物积累作用和淋溶作用相等；垂向剖面CM03土壤硒含量随着采样深度的增加而增大，该趋势表明土壤中生物积累作用小于淋溶作用所致[16]。由此看出，垂向土壤剖面中硒的这种变化趋势表明研究区土壤硒含量没有受到外源输入的影响，主要受控于成土母质，且与土壤生物作用、淋溶作用密切相关。

图4 土壤垂向剖面中硒含量变化特征Fig.4 The distribution characteristics of selenium contents in vertical soil profiles

3.4 水田土壤硒与pH值关系

众所周知，土壤pH值的变化对土壤营养元素、重金属元素以及土壤微生物等方面产生着巨大影响。土壤pH值增高，势必会增加土壤硒的溶解度，进而更容易被植物吸收利用。因此，土壤中pH值的大小直接影响着土壤中硒的含量及硒形态含量的变化[17]。研究发现：研究区土壤pH与土壤硒含量关系图见图5。从图中可以看出，土壤pH值介于4.0～5.5之间时，土壤硒的含量在0.6～0.9之间波动；土壤pH值介于6.0～7.0之间时，土壤硒的含量在0.5～0.8之间波动；土壤pH值高于7.0之后，土壤硒的含量明显下降，说明土壤偏碱性后土壤硒的溶解度增大流失掉了。

图5 土壤硒含量与土壤pH值关系曲线图Fig.5 Relation curve of selenium contents and pH values in soil

同样，土壤硒的有机质结合态、水溶态、硫化物/硒化物结合态的含量也随着土壤pH值的变化有明显差异，见图6。土壤pH值与硒形态的曲线图显示，水溶态随着pH值的增高硒含量呈增长趋势，相关值|r |=0.7；有机质结合态随着pH值的增高硒含量呈下降趋势，相关值|r |=0.5；说明土壤pH值对水溶态、有机质结合态有较强的制约性。硫化物/硒化物结合态随着pH值的增高硒含量基本上在0.1～0.2 mg/kg之间变化，相关值|r |=0.06，表明土壤pH值对硫化物/硒化物结合态制约性较小。

图6 土壤硒形态含量与土壤pH值相关性Fig.6 Correlation between soil selenium form content and soil pH value

4 结 论

通过对宜宾兴文县僰王山镇水田土壤中总硒和硒的形态分析特征的研究，得出如下认识。

4.1 宜宾兴文县僰王山镇水田土壤总硒含量的平均值为0.725mg/kg，远远高于全国土壤硒平均值0.29 mg/kg，含量范围未0.38～1.0 mg/kg，选取5个地块硒含量范围为0.57～0.86mg/kg，依据中国土壤中硒的环境质量标准[12]可知，农牧业用地中总硒的含量在0.1～1.0mg/kg之间，表明研究区土壤硒含量未超标，属于典型的富硒土壤地带。

4.2 该地方的富硒土壤中硒的主要形态以有机质结合态为主，是硒元素的主要赋存形态，其含量比例达38.17%，这反映了土壤中硒的富集与有机质结合态的活动密切相关。

4.3 研究区土壤中水稻可以吸收利用的水溶态和可交换态分别为9.67%、13.47%，这对水稻生长不构成威胁。

4.4 研究区垂向土壤剖面中硒含量的变化趋势表明，该地区硒未收到外源输入的影响，主要受控成土母质，且与土壤生物作用、淋溶作用关系密切。

4.5 硒形态分析和土壤pH值关系研究中，发现研究区土壤pH值对水溶态、有机质结合态有较强的制约性，而对硫化物/硒化物结合态制约性较小。

4.6 通过对比研究区壤pH值土壤硒的关系，推断出土壤偏碱性后，增加了土壤硒的溶解度而使其逐渐流失。

综上所述，本文笔者对宜宾兴文县僰王山镇水田土壤的总硒和硒的形态特征做了分析研究，为宜宾兴文县大力发展富硒农产品提供了基本前提-富硒土壤，但是在开发利用研究区富硒土壤时需考虑土壤pH变化对土壤硒的溶解、吸收的影响。