富硒区土壤养分质量评价：以陕西省紫阳县闹热村为例

于龙龙，吴 磊，张志敏，晁 旭，冯海艳，杨忠芳

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2.陕西省地质调查中心，陕西 西安 710068)

0 引 言

硒是地球上一种稀少且分散的元素，其地壳丰度为0.13 mg/kg，是人和动物必需的微量元素[1]。硒元素对维持人体正常生理功能至关重要，具有保护心肌健康、抗氧化、防衰老、增强人体免疫力、重金属解毒以及防癌、抗癌、治癌等功能[2]。硒的摄入量过少会导致克山病、大骨节病等疾病[3]，同时也会对人体的心血管系统造成影响[4]。据统计，我国有72%的县市存在不同程度的缺硒，三分之一的地区极度缺硒[5]。硒是人体必需的微量元素，但硒的摄取只能通过日常膳食植物性或动物性有机硒进行补充[6]。研究认为土壤是人和动物体内硒的主要来源，而植物是土壤硒元素的重要吸收者和转移者，人体通过富硒农产品摄入硒元素[7]。在天然富硒地区种植农作物可以得到比人工富硒产品更优质的富硒产品，同时也进一步降低了富硒产品的成本[8]。因此天然富硒区农产品的开发日益引起人们的关注。

紫阳县地处陕西南部，是我国两大高硒区之一，表层土壤硒含量平均值为0.94 mg/kg，明显高于全国表层土壤硒含量平均值，该区表层土壤硒含量在空间分布上呈现南北高、中间低的分布格局[9]，该县双安镇土壤硒含量高达15.74 mg/kg[10]。该县双安镇、高桥镇和蒿坪镇玉米、萝卜、水稻和黄豆等主要农作物产品硒含量的检测结果表明，97%以上的农作物样品达到了陕西省的富硒食品及相关产品硒含量标准(DB61/T 556—2012)，其中双安镇闹热村农作物硒含量平均值大于0.40 mg/kg[11]。目前，紫阳县已经涌现出茶叶、魔芋、果醋和硒菇等规模化富硒产品行业，当地的富硒土壤资源为富硒农产品的开发提供了有力保障，为了配合当地政府部门提高富硒农产品的品质和产量，摸清当地土壤的养分状况就成为当务之急。土壤养分评价是依据土壤中植物营养元素和有机质的含量水平进行的[12]，国内在湖北恩施地区已开展了相关研究，但研究结果不容乐观，主要表现在：表层土壤养分淋失严重[13]，耕地地力水平整体偏低[14]，且养分高低不均营养失衡，土壤酸化严重[15]，可见富硒区土壤养分评价对于富硒区农业生产和土壤管理具有重要的意义。有研究表明陕南茶园部分土壤养分元素含量水平低于临界值[16]，因此，本研究选取了位于陕西省紫阳县双安镇土壤高硒带上的富硒区域闹热村为研究区，通过采集表层土壤样品，分析测试大量元素氮、磷、钾，中量元素钙、镁、硫和锌、锰等微量元素以及有机质和pH值等16项指标，获得了陕西紫阳闹热村土壤营养元素的含量地球化学特征、分级特征和地球化学空间分布状况，评价了富硒土壤养分综合等级，为全面掌握富硒土壤中养分质量状况和对富硒土地的开发利用提供了科学理论支撑。

1 研究区概况

本文研究区位于陕西省安康市紫阳县双安镇，地属陕西南部(图1)，地理坐标为：东经108°33′50.16″，北纬32°40′09.84″。气候属亚热带湿润半湿润-大陆性季风气候，温暖多雨，无霜期210～270 d。年平均气温12～15.7 ℃，年降水量750～1 200 mm，年平均日照1 440～1 840 h。紫阳县是著名的富硒农产品产地，盛产富硒玉米、水稻、黄豆和茶叶等。闹热村土壤类型以棕黄壤为主。

2 实验材料和方法

2.1 样品采集和处理

本研究按照土地质量地球化学评价1:50 000的采样密度共采集表层土壤样品138件，土壤样品采集时间为在上一季农作物收割之后，下一季农作物种植且施肥之前。采样时避开了沟渠、田埂、路边等不具有代表性的地方。采样地点以GPS定点为中心，采取样点中心50 m区域内3～5个分样点。采集样品前清除地表草根等杂物，采样深度为0～20 cm，将样品中明显的石块、农作物秸秆等进行剔除，采到的各个分样点样品均匀混合后，采用四分法选用1.0～1.5 kg的土壤样品放入样品袋中。采样的同时如实详细记录土壤质地、周围景观等样点信息，具体采样点位分布见图1。

图1 研究区地理位置及样品点位图

样品加工在野外驻地进行，样品放置在通风良好的室内进行风干处理，去除风干后样品中的破碎植物秸秆，用木槌碾碎土壤样品，使其全部通过20目(孔径为0.85 mm)的塑料尼龙网筛。

2.2 样品分析方法

土壤样品测试严格按照《区域地球化学勘查样品分析方法》(DZ/T0279—2016)、《地质矿产部实验室质量管理规范》(DZ/T0130—2006)、《地球化学调查(比例尺1:50 000)规范样品分析技术要求及补充规定》执行。采用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES，6300，美国热电公司)、X射线荧光光谱法(XRF，ZSX Primus-Ⅱ，日本理学公司)、发射光谱分析法(ES，E5000，中国聚光科技(杭州)股份有限公司)、容量法(VOL)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS，iCAP Q，美国热电公司)等方法测定相关指标。测试结果均采用国家一级标准物质进行准确度和精密度检验，其中准确度采用RE= ΔlgC=|lgCi-lgCs|检验,精密度均采用RD=100×|C1-C2|/(C1+C2)检验，各项数据均符合《土壤质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)要求，土壤元素分析方法与检出限见表1。

表1 元素分析方法与检出限(单位：mg/kg)

2.3 数据处理和图件绘制方法

数据统计采用IBM SPSS Statistics 20软件完成，图件采用ArcGIS10.4.1绘制，图件绘制方法采用反距离权重法。

3 结果分析和讨论

3.1 表层土壤硒和植物营养元素含量及分布特征

3.1.1 土壤硒元素含量及分布特征

研究区表层土壤样品硒元素含量平均值为3.85 mg/kg，含量范围在0.5～25.3 mg/kg之间。根据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)，研究区17%的土壤样品硒含量达到富硒水平，83%的土壤样品硒含量达到过剩水平。硒含量达到过剩水平的区域主要分布在研究区自西北向东南一带，占研究区总面积的52%，研究区表层土壤硒含量分级见图2。

图2 表层土壤硒元素含量分级图

3.1.2 大量营养元素含量及分布特征

大量植物营养元素包括碳、氢、氧、氮、磷、钾6种，其中碳和氧来自空气中的二氧化碳，氢和氧来自水，而氮、磷、钾几乎全部来自土壤[17]。

研究区表层土壤大量营养元素的地球化学分布见图3。土壤氮元素含量的平均值为1 997.29 mg/kg，含量范围在690.12～6 199.93 mg/kg之间，相对高含量区(大于2 022.71 mg/kg)主要分布在闹热村西部，相对低含量区(小于1 899.86 mg/kg)主要分布在闹热村东部和南部。土壤磷元素含量平均值为1 713.08 mg/kg，含量范围在154.43～7 199.84 mg/kg之间，相对高含量区(大于2 226.38 mg/kg)主要分布在闹热村南部，相对低含量区(小于1 139.65 mg/kg)主要分布在闹热村北部。土壤钾元素(K2O)含量平均值为2.84%，含量范围在0.97%～4.44%之间，相对高含量区(大于3.32%)主要分布在闹热村北部，相对低含量区(小于2.68%)主要分布在闹热村南部(图3)。

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3.1.3 中量营养元素含量及分布特征

中量营养元素通常指钙、镁和硫元素，钙元素可以促进植物的生长发育，镁元素是叶绿素的重要构成，硫元素是植物体内氨基酸和蛋白质的构成成分[18]。

研究区表层土壤钙元素(CaO)含量平均值为4.96%，含量范围在0.37%～20.89%之间，相对高含量区(大于7.52%)主要分布在闹热村北部和中部，相对低含量区(小于3.74%)主要分布在闹热村西北部和南部。土壤镁元素(MgO)含量平均值为3.11%，含量范围在1.73%～13.97%之间，相对高含量区(大于4.21%)主要分布在闹热村南部，相对低含量区(小于2.92%)主要分布在闹热村东北部、东南部和西北部。土壤硫元素含量平均值为348.38 mg/kg，含量范围在45.87～4 710.61 mg/kg之间，相对高含量区(大于525.24 mg/kg)主要分布在闹热村东北部和西北部，相对低含量区(小于281.23 mg/kg)主要分布在闹热村东部和南部(图3)。

图3 研究区土壤营养元素、有机质和pH值地球化学分布图

3.1.4 微量营养元素含量及分布特征

土壤中的Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B是植物正常生长发育必需的微量营养元素, 它们多是组成酶、维生素和生长激素的成分, 直接参与有机体的代谢过程,对农作物的品质有着重要的影响作用[19]。

研究区表层土壤中，钼元素含量范围为1.15～307.08 mg/kg，平均值为20.96 mg/kg，相对高含量区(大于55.14 mg/kg)主要分布在闹热村东部和西部，分布面积较小；锰元素和铁元素含量范围分别为68.22～2 052.86 mg/kg和1.04%～13.52%，平均值分别为747.92 mg/kg和6.33%，相对高含量区(大于784.82 mg/kg和大于6.37%)主要分布在闹热村南部；铜元素含量范围为9.13～738.72 mg/kg，平均值为107.81 mg/kg，相对高含量区(大于102.17 mg/kg)主要分布在闹热村南部；锌元素含量范围为51.69～1 204.62 mg/kg，平均值为231.18 mg/kg，相对高含量区(大于273.85 mg/kg)分布在闹热村中部偏南的区域；氯元素含量范围为23.99～8 121.05 mg/kg，平均值为47.68 mg/kg，相对高含量区(大于49.69 mg/kg)主要分布在闹热村西北部；硼元素含量范围为14.11～195.57 mg/kg，平均值为74.72 mg/kg，相对高含量区(大于89.93 mg/kg)主要分布在闹热村西北部和西南部(图3)。

3.1.5 土壤有机质及pH分布特征

土壤有机质是土壤肥力的一项重要指标，对土壤养分供应、土壤结构、土壤的生态功能都有重要的影响，可以促进植物和土壤微生物的活性[20]。土壤酸碱度是土壤重要的理化性质，正常土壤pH值范围在5～8之间，过酸或者过碱会对土壤微量金属营养元素的有效性造成影响[21-22]。

3.2 表层土壤营养元素分级

根据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)中土壤营养元素划分标准(表1)，研究区内土壤养分元素/指标评价等级及相对比例如图4所示。

图4 研究区土壤养分元素/指标评价等级相对比例图

3.2.1 大量营养元素等级划分

研究区所采土壤样品中氮、钾元素含量均在适中及以上水平，其中氮元素含量等级为很丰富、丰富和适中的土壤样品分别占34.1%、65.0%和0.9%；钾元素含量等级为很丰富的样品占31.3%，等级为丰富的样品占60.0%，等级为适中的样品占8.7%；磷元素含量在研究区分布不均匀，从很丰富到缺乏各个等级都有分布，其中32.9%的土壤样品磷元素含量很丰富，21.0%的土壤样品磷元素含量等级为丰富，40.8%的土壤样品磷元素含量等级为适中，4.6%的土壤样品磷元素含量等级为稍缺乏，0.7%的土壤样品磷元素含量等级为缺乏。

表2 土壤中营养元素等级划分[12]

3.2.2 中量营养元素等级划分

研究区所采土壤样品的钙、镁元素含量均在适中及以上水平，其中钙元素含量等级达到很丰富、丰富和适中的样品比例分别为2.8%、88.7%和8.5%，镁元素含量等级均达到很丰富水平；98.4%的土壤样品硫元素含量达到适中及以上水平，1.6%的土壤样品硫元素含量等级为稍缺乏及以下水平。

3.2.3 微量营养元素等级划分

研究区所采土壤样品钼元素和铁元素含量很丰富，所有样品钼元素含量达到很丰富水平，99.7%的土壤样品铁元素含量达到很丰富水平。锰元素含量达到丰富及以上水平的土壤样品占86%，适中水平的占12.7%，稍缺乏及缺乏水平的占1.3%；硼元素含量达到了适中及以上水平的土壤样品占99.4%，稍缺乏及缺乏水平的仅占0.6%；土壤铜元素和锌元素含量为很丰富和缺乏水平，其中铜元素含量很丰富和缺乏水平的样品比例分别为15.7%和84.3%，锌元素含量很丰富和缺乏水平的样品比例分别为1.4%和98.6%。研究区土壤锌和铜含量水平较低，铜元素和锌元素的缺乏会影响植物的光合作用以及碳水化合物和蛋白质的合成，进而导致植物质量和产量的下降，一般减产10%～20%，严重者会减产一半以上[23]，应当适量施用铜肥和锌肥。

3.2.4 有机质

研究区表层土壤有机质含量水平均在四级(稍缺乏)以上水平，其中，36.7%的土壤样品有机质含量达适中，63.3%的土壤样品有机质含量水平为稍缺乏。研究区表层土壤有机质含量较低，土壤有机质缺乏会导致土壤肥力下降，土壤结构板结，同样也会影响到植物的质量和产量，应当适量施用有机肥料。

3.3 表层土壤养分综合分级

根据《土地质量地球化学评价规范》[12]，研究区表层土壤综合养分等级达到一级水平的面积占研究区总面积的7%，达到二级水平的面积占研究区总面积的45%，达到三级水平的面积占研究区总面积的48%，研究区表层土壤综合养分等级见图5。

图5 研究区表层土壤养分综合等级图

研究区表层土壤养分综合等级均达到了三级及以上水平，土壤营养元素含量总体丰富，80%以上的土壤样品大量营养元素和中量营养元素含量等级均达到二级丰富及以上水平。对比表层土壤硒元素含量地球化学特征图(图2)和综合养分等级图(图5)，表层土壤硒元素含量达到富硒水平的区域和综合养分等级三级的区域以及硒元素含量达到过剩水平的区域以及综合养分等级达到一级、二级的区域近乎重合，表层土壤硒含量过剩的区域与综合养分等级为一等和二等的区域在空间分布上吻合度高，有较好的富硒农产品开发前景。

4 结 论

(1)研究区硒资源丰富，表层土壤硒元素含量范围在0.50～25.30 mg/kg之间，含量平均值为3.85 mg/kg，土壤硒含量为富硒等级和过剩等级的土壤面积比例分别占48%和52%，为当地富硒农产品开发提供了物质基础。

(2)研究区土壤呈中性—弱碱性，表层土壤中的大量元素和中量元素总体达到丰富及以上水平，微量元素锌和铜含量水平较低，土壤有机质较缺乏。在富硒农产品开发过程中，可通过配施微量元素肥料和有机肥料提高土壤的综合养分水平。

(3)研究区表层土壤综合养分等级均达到了三级及以上水平，土壤养分情况整体良好；表层土壤高硒区与综合养分等级为一等和二等的区域在空间分布上吻合度高，有较好的富硒农产品开发前景。