雄安新区富硒土地资源分布特征及开发利用评价

周亚龙,郭志娟*,王乔林,王成文,宋云涛,刘 飞

雄安新区富硒土地资源分布特征及开发利用评价

周亚龙1,2,3,郭志娟1,2,3*,王乔林1,2,3,王成文1,2,3,宋云涛1,2,3,刘 飞1,2,3

(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000；2.中国地质调查局土地质量地球化学调查评价研究中心,河北 廊坊 065000；3.中国地质科学院地球表层碳－汞地球化学循环重点实验室,河北 廊坊 065000)

采集雄安新区表层土壤样品(0～20cm)、大宗农作物(小麦籽实)及根系土样品,利用GIS空间分析、相关分析等方法对土壤硒含量分布、富集特征及影响因素进行分析,基于生态位适宜性评价理论模型开展富硒土地资源开发利用适宜性评价.结果表明:新区表层富硒土地16993hm2,土壤中硒赋存形态以强有机结合态为主,其次为残渣态和腐殖酸结合态,三者占土壤硒总量的87%以上,生物可利用态硒含量所占比例相对较小(水溶态硒占比4.44%、离子交换态硒占比3.43%).小麦籽实样品富硒率28.45%,籽实中硒含量与根系土壤中硒含量具有显著相关性(=0.77,<0.01).土壤硒富集主要受第四纪沉积地貌环境的影响,此外灌溉水、化肥和大气干湿沉降(燃煤降尘)等外源输入也影响贫化富集.土壤硒含量与沉积地貌环境“标志性”土壤指标Al2O3、Fe2O3、MgO和K2O含量,土壤有机碳(Corg.)、阳离子交换量(CEC)、黏粒和粉粒含量等具有显著正相关关系,与SiO2、Na2O含量和土壤砂粒含量等具有显著负相关关系(<0.01).基于生态位评价理论模型,新区富硒土地资源开发利用适宜性评价结果表明:高适宜区(Ⅰ级)和中适宜区(Ⅱ级)主要位于新区西北容城县南张镇和小里镇、安新县寨里乡和老河头镇等地,土地面积为14397.35hm2,占新区规划总面积的8.13%.

硒；土壤；根系土；农作物；适宜性评价；雄安新区

硒是生命必须微量元素之一,与人体健康息息相关[1-2].人体硒的营养水平主要来源于日常饮食中硒的摄入量,土壤中的硒是植物硒的主要来源[3-4].因此,近年来富硒土地资源的开发利用研究受到广泛关注[5-7].目前,我国已完成的101.7万km2耕地质量1:25万地球化学调查显示,处于低硒含量水平(Se< 0.2mg/kg)的耕地比例高达44.9%.富硒耕地(Se> 0.4mg/kg)比例仅10%[8].基于我国耕地普遍缺硒的现状,开展天然富硒土地资源评价,促进天然富硒土地资源高效利用,对于提升我国人群硒摄入量、构建健康中国具有重要意义.

如何科学高效地开发利用富硒土地资源,是富硒产业发展的关键前提[9].本文利用雄安新区土地质量地球化学调查的土壤与农作物中Se等元素含量数据,对新区富硒土地资源分布特征、土壤硒来源与影响因素、土壤硒形态与生物有效性的分析,基于生态位适宜性评价理论模型开展富硒土地资源开发利用适宜性评价,以期为新区富硒土地资源科学高效利用提供依据,有效支撑“绿色生态宜居”的雄安新区建设,为新区国土空间规划提供重要参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处华北平原,其地理坐标38°43′～ 39°10′N,115°38′～116°20′E,属暖温带季风型半湿润半干旱气候.研究区地势平坦,地面高程5～26m,坡降0.2‰～0.7‰[10].以低海拔平原和洼地地貌为主,区内第四系地层覆盖,以冲洪积、冲湖积和冲积为主,主要由砂、黏土和砾石组成,层厚348～437m[11].研究范围覆盖新区1770km2,其土地利用类型主要包括耕地、园地、林地、草地、交通运输用地、水域及水利设施用地和城镇村住宅用地及工矿用地8种类型(图1),其中耕地面积占比53.33%[12].土壤类型以潮土为主,容城北部零散分布少量褐土,白洋淀周边地区发育少量沼泽土.

1.2 样品采集与测试

1.2.1 样品采集 在系统分析研究区土地利用类型数据的基础上,根据研究区耕地、园地、林地、草地和建设用地等土地利用类型图斑面积情况,采用差异化布点的方式(表1)分类布设样点[13],系统采集表层土壤样品37818件.采集大宗农作物(小麦籽实)及对应根系土样品136件,其中按照4km×4km网格采样密度在全区采集116件,在富硒土壤区采集20件.采集灌溉水样品101件.根据研究区内不同沉积地貌单元布置土壤垂直剖面8条,其中冲洪积平原亚区布置5条(PM01、PM02、PM03、PM04和PM07),冲积平原亚区布置3条(PM05、PM06和PM08).土壤垂直剖面样品采集以1个/10cm的密度等间距采样,采样深度0～200cm.野外样品采集加工方法执行DZ/T 0295-2016规范[14].

图1 研究区地理位置及其土地利用类型

表1 差异化分类布设样点控制数

1.2.2 样品测试 土壤样品和灌溉水样Se元素分析测试由河南省岩石矿物测试中心(BAF-2000原子荧光光度计)和中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所中心实验室(XGY-2020A原子荧光光谱仪)采用氢化物-原子荧光光谱法(AFS)测定,土壤样品分析测试检出限为0.01mg/kg,灌溉水样分析测试检出限为0.0001mg/L,农作物样品分析测试检出限为0.005mg/kg.根系土壤Se形态分析采用逐步浸提方法依次提取土壤硒水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化物结合态、强有机结合态和残渣态等.土壤理化性质等相关指标: 采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定MgO、K2O和Na2O,X射线荧光光谱法(XRF)测定Al2O3、Fe2O3和SiO2,容重法(VOL)测定土壤有机碳(Corg.),离子选择性电极法(ISE)测定pH值.依据LY/T 1243-1999标准[15],采用容量法(VOL)测定CEC,依据NY/T 1121.3-2006标准[16],采用比重计法测定质地.样品分析测试采用国家一级标准土样监控分析测试的准确度,采用重复样监控分析测试的精密度.所有分析测试指标一级标准物质合格率为100%.土壤重复性样品检验Se相对双差合格率99.65%,异常点样品检验Se相对双差合格率96.89%,样品分析测试质量均满足相关规范要求,分析数据可靠.

1.3 评价方法与标准

1.3.1 富硒评价标准 根据DZ/T 0380-2021标准[17],中酸性土壤(pH£7.5)中土壤富硒标准阈值为³0.40mg/kg,碱性土壤(pH>7.5)中土壤富硒标准阈值为³0.30mg/kg.目前没有小麦籽实富硒国家,本次小麦籽实富硒标准参照已有的相关大宗农作物中富硒水稻籽实硒含量的规定[18],富硒小麦硒含量标准为0.04～0.30mg/kg.

硒输入量=++(1)

其中:为农田土壤硒的输入通量,g/(hm2·a);为大气干湿沉降对农田土壤硒的输入通量,g/(hm2·a);为灌溉水对农田土壤硒的输入通量,g/(hm2·a);为化肥对农田土壤硒的输入通量,g/(hm2·a).

灌溉水中硒输入通量=•.其中,为灌溉水样中硒的含量(mg/L),为每年单位面积农田灌溉用水量(m3/(hm2·a)).大气干湿沉降和化肥输入通量引用相关研究结果.

2 结果与讨论

2.1 土壤硒含量与空间分布

如图2所示,研究区土壤Se元素含量区间为0.01～5.70mg/kg,平均值为0.22mg/kg,中位数为0.20mg/kg,标准差为0.20mg/kg,元素变异系数为93.94%,属高度变异[19],其区域分布具有明显差异.雄安新区表层土壤Se 含量背景值(剔除3倍离差以后的数据平均值0.20mg/kg)略低于全国土壤背景值(0.29mg/kg)[20],略高于河北省海河平原北部土壤背景值(0.18mg/kg)[21].

图2 雄安新区表层土壤硒(Se)含量统计直方图

研究区圈定表层富硒土地面积为16993hm2,占总面积的11.05%,其中无重金属污染的富硒耕地9380hm2.主要分布在容城县西部的南张镇、小里镇,安新县寨里乡、老河头镇等地(图3).此外,研究区还存在5.54%的土壤硒缺乏地块.

图3 土壤硒(Se)含量等级

2.2 土壤硒赋存形态特征

土壤中硒的赋存形态特征是研究土壤-作物系统中硒含量关系的关键因素之一,其生物有效性是评价土壤硒有效性的重要指标之一[22].研究区小麦籽实根系土壤中Se赋存形态均以强有机结合态为主(图4),其次为残渣态和腐殖酸结合态,所占比例均值分别为45.60%、30.11%和11.29%,其他4种形态的硒含量均值所占比例相对较小,水溶态硒占比4.44%,离子交换态硒占比3.43%,碳酸盐态硒占比2.96%,铁锰结合态态硒占比2.17%.

2.3 农作物硒含量与硒富集评价

雄安新区116件小麦籽实样品中Se含量介于0.001～1.152mg/kg,平均值为0.074mg/kg,达到富硒小麦标准的样品33件,研究区小麦籽实富硒率达28.45%,此外5件小麦籽实样品含量超过富硒标准上限(0.30mg/kg).新区富硒小麦籽实主要位于研究区容城西部、安新西北部、安新老河头镇等地区.

富硒土壤区20件小麦籽实样品中Se含量区间0.076～1.858mg/kg,平均值为0.555mg/kg,显著高于全区116件小麦籽实样品Se含量均值.富硒土壤区小麦籽实样品富硒率100%,此外11件小麦籽实样品含量超过富硒标准上限.

图4 根系土壤中硒的赋存形态分布特征

2.4 土壤富硒成因与影响因素探讨

土壤中硒元素含量主要受地质背景(成土母质、地貌、土壤类型等)自然因素[2,23-24]和人类活动(燃料燃烧、金属冶炼、化肥等)[7,25]的影响.

王慧卿介绍，这项工作首先是根据医院实际情况选择合适的岗位评价方法——要素计点法，接着初步拟订岗位模型的要素框架，并筛选岗位评价模型的评价要素和评价维度。项目组最终选定基于七因素的岗位评价模型（图1），每个因素又设有2～3个维度，每个要素具有不同评分权重。以业务支撑要素为例，在影响层次和贡献度两个维度交叉联系的基础上，项目组确定了从68分至400分的不同的评分标准。

2.4.1 地质因素控制富集因子 研究区位于华北平原海河流域,地表出露地层为第四系冲洪积松散地层,以冲积、洪积和湖积为主,地层厚348～437m,无基岩出露.研究区沉积地貌特征反映其土壤中硒的富集不是来源于基底岩石原地风化成因.研究区土壤垂直剖面硒的分布模式也证实了该特征.不同地貌单元垂直剖面中土壤硒的含量随深度变化如图5所示,各垂直剖面中土壤硒元素含量的分布模式总体上均表现为线性表聚型,即从表层到深部硒含量逐渐降低,一定程度上反映研究区土壤硒含量仅在表层富集,该分布模式可能反映其来源可能未受成土母质的影响,有可能受到外源输入的影响.

质地是土壤一种重要的自然属性,可反映母质来源及成土过程中的地球化学特征[26].研究区土壤垂直剖面中硒含量与土壤质地中粉粒和黏粒含量均呈现显著正相关(= 0.48和0.60,<0.01),而与土壤质地中的砂粒含量呈现显著负相关(=-0.59,< 0.01),反映土壤黏粒对Se具有较强的吸附富集作用,土壤中黏粒含量越多,硒含量越高.

除地质背景影响外,土壤硒含量还与成土过程中硒的次生富集作用有关.土壤物理、化学和生物作用对硒的吸附固定、活化迁移有重要影响,决定了土壤硒的富集贫化及生物有效性[7].土壤中SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O和K2O等指标含量组合特征对地貌环境具有“指示”或“标志性”意义[27-28].相关分析显示(表2),研究区表层土壤硒含量与地貌环境“标志性”指标Al2O3、Fe2O3、MgO和K2O含量具有显著正相关关系,与SiO2和Na2O具有显著负相关关系(<0.01).表层土壤硒含量与土壤理化性质中的有机碳(Corg.)、阳离子交换量(CEC)和土壤黏粒和粉粒含量等具有显著正相关关系,与pH值和土壤砂粒含量具有显著负相关关系(<0.01).

研究区土壤硒含量与地貌环境“标志性”指标、土壤理化性质指标的显著相关性反映土壤硒的富集贫化与土壤黏土矿物、有机质等吸附载体密切相关.在滞水环境形成的湖相或冲湖积沉积物上发育的土壤中,由于土壤偏黏性,富含黏土矿物、有机质等吸附载体,Al2O3和Fe2O3等易发生富集[28];在冲洪积平原故河道高地、扇上平地或缓斜地等沉积环境中,长石类矿物发育,土壤以砂土、粉砂土为主,Na2O和SiO2呈现高值特征.

图5 土壤垂直剖面中硒含量分布与土壤理化性质关系

表2 土壤硒含量与矿物含量和土壤理化性质的相关系数

注:*在0.01水平(双侧)上显著相关.

2.4.2 人类活动影响 河北平原区土壤硒异常成因研究证实,灌溉、化肥和大气干湿沉降是其主要输入途径,其中燃煤、有色金属冶炼等产生的大气降尘是形成土壤硒异常的主要因素[29-31].

雄安新区101件灌溉水样中Se含量均值为0.0029mg/L.根据2019年度河北省水资源公报,河北省农田灌溉用水总量为102.91亿m3,国家统计局数据显示,2019年河北省全省有效灌溉面积448.22万hm2,河北省农田灌溉年需水量约为2295.99m3/ (hm2·a),新区农田区灌溉水Se输入量约为6.66g/ (hm2·a),略高于保定市农田灌溉水Se输入量(5.17g/ (hm2·a))[31]和河北省平原区农田灌溉水Se输入量(3.17g/(hm2·a))[30].新区4件大气干湿沉降样品中Se输入通量均值为3.18mg/kg[32],略低于保定市大气干湿沉降Se输入量(5.15g/(hm2·a))[31]和河北省平原区大气干湿沉降Se输入通量均值(5.88g/(hm2·a))[30],大气干湿沉降硒输入通量的降低可能与近年来新区冬季燃煤减少,部分冶炼企业关停等人类活动有关.根据保定市化肥样品中Se含量数据和单位面积年施肥量,其化肥Se元素输入量约为1.4g/(hm2·a)[32],高于河北省平原区Se化肥输入通量均值(0.81g/ (hm2·a))[30].研究区土壤Se外源输入主要为灌溉水和大气干湿沉降输入,其合计占比达87.54%,化肥输入仅占比12.46%.

2.4.3 农作物富硒成因与影响因素 土壤-农作物系统中Se的吸收、运移与土壤Se含量水平、存在形态、生物有效性及土壤理化性质(pH值、氧化还原电位、有机质)等众多因素有关[33].雄安新区小麦籽实Se生物富集系数(农作物Se含量/根系土Se含量)位于0.005～2.373之间,平均值为0.216.从富硒小麦籽实空间分布位置看,大部分富硒小麦都分布在调查圈定的富硒耕地或者Se含量相对较高耕地中.小麦籽实中Se含量与对应根系土样品中Se含量相关性统计显示(图6a),在置信度为0.01时,两者显著相关,Spearman相关系数为0.79.土壤中硒的水溶态和可交换态含量之和作为植物可利用态硒即有效态硒含量[33].研究区根系土壤中硒有效态含量与小麦籽实中硒含量具有显著相关性,Spearman相关系数为0.75(<0.01)(图6b).从相关性和空间位置的耦合关系看,研究区小麦籽实中Se主要来源于根系吸收、转运土壤中生物可利用态硒.

图6 农作物根系土与作物籽实硒含量相关性(N=116)

2.5 富硒土地资源开发利用适宜性评价

生态位适宜性评价是定量表述生物对其生境资源条件的适宜程度,其核心是用N维空间区域描述生态系统中每种生物生存所必需的生境最小阈值.生态位理论广泛应用在土地整治[34]、建设用地适宜性评价[35]、高标准农田建设适宜性评价[36]、土地开发适宜性评价[37]等土地资源相关的领域.

2.5.1 生态位适宜性评价方法 本次生态位富硒土地资源适宜性评价的基本单元以新区全国第二次土地调查形成的图斑为研究单元.根据研究区土地利用现状,从富硒土地开发利用的主导因素、区位因素和限制因素3个维度构建评价指标因子体系[9].指标因子体系及指标效应见表3.

综合考虑新区富硒土地资源开发利用主要在县域范围以内的中小尺度上进行,由于新区范围内光照、温度和气候等无明显差别,地势平坦,因此从富硒土壤开发利用的自身条件、土地利用和生态环境3方面综合考虑,选择土壤硒含量、土壤有机质、土壤质地、土壤酸碱度、土地利用类型和土壤综合污染指数等6个关键因子,构建富硒土地资源开发利用生态位适宜性评价指标体系.综合污染指数是土壤中As、Cr、Cd、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn 8种重金属综合污染等级,评价标准采用GB15618-2018标准中的筛选值[38].综合污染指数采用内梅罗指数法计算,具体计算方法详见文献[12].

各指标生态位适宜度值是通过评判评价单元实现生态位与最适值的贴近程度确定,设定生态位适宜性指数是[0,1]之间.正向效应指标,其指标值越大则生态位值越大,其富硒土地资源开发利用适宜性越强,当评价因子为负向效应因子时,其指标值越小则生态位值越大,其富硒土地资源开发利用适宜性越强.各指标因子计分规则参照GB/T 28407-2012标准[39].

表3 富硒土地资源开发利用适宜性评价指标因子及指标效应

各指标因子权重采用层次分析法和熵权法确定.研究区6项因子指标利用层次分析法确定的指标权重W1,C=0.048,CR=0.038<0.1,分析结果满足一致性检验;利用熵权法确定为W2(表4).采用平均法确定综合指标权重W=(W1+W2)/2.

表4 富硒土地资源生态位适宜性评价指标权重

2.5.2 富硒土地资源适宜性评价 综合考虑适宜度指数值,结合自然断裂点分级结果,将=0.5作为是否适宜的阈值,研究区富硒土地资源开发利用适宜性划分为4个等级.>0.5的区域划为适宜区,由高到低依次划分I级区域(>0.85),Ⅱ级区域(0.75<£0.85)和Ⅲ级区域(0.5<£0.75);将适宜性£0.5的区域划为Ⅳ级区域(即不适宜区).研究区各评价单元富硒土地资源开发利用适宜性等级评价划分结果见图7.

图7 富硒土壤资源开发利用适宜性评价

新区富硒土地资源开发利用高、中适宜区土地面积为14397.35hm2,占新区规划总面积的8.13%.高适宜区(Ⅰ级)土地面积为5314.45hm2,占新区规划总面积的3.00%,其中耕地面积为5068.06hm2,主要位于新区西北容城县南张镇和小里镇、安新县寨里乡等地.该高适宜区域主导因子较好(土壤硒含量富集),土壤肥力、土壤酸碱度、土壤质地等区位因素适宜,土壤环境质量等限制因素对该区域制约作用较小.中适宜区(Ⅱ级)土地面积为9082.90hm2,占新区规划总面积的5.13%,其中耕地面积为5547.29hm2,主要位于新区西南部安新县老河头镇、芦庄乡等地,该适宜区域土壤环境质量等限制因素对其产生了一定的制约作用.低适宜区(Ⅲ级)土地面积96392.31hm2,占新区规划总面积的54.43%,主要是受主导因子(土壤硒含量)等影响.不适宜区(Ⅳ级)土地面积66292.93hm2,占新区规划总面积的37.44%,不适宜区主要受主导因子(土壤硒含量)和区位因素(土地利用类型)等因素的共同控制.

3 结论

3.1 雄安新区土壤硒含量均值为0.22mg/kg,圈定表层富硒土地面积16993hm2,其中无重金属污染的富硒耕地9380hm2.土壤硒赋存形态以强有机结合态为主,其次为残渣态和腐殖酸结合态的硒,三者占土壤硒总量的87%以上;而生物可利用态硒含量均值所占比例相对较小(水溶态硒占比4.44%,离子交换态硒占比3.43%).全区小麦籽实样品富硒率28.45%,小麦籽实中硒含量与根系土壤中硒含量具有显著相关性(=0.77,<0.01).

3.2 新区土壤硒富集主要受第四纪沉积地貌环境的影响.土壤硒含量与沉积地貌环境“标志性”指标Al2O3、Fe2O3、MgO和K2O含量显著正相关,与SiO2和Na2O含量显著负相关(<0.01).土壤硒含量与有机碳(Corg.)、阳离子交换量(CEC)、黏粒和粉粒含量显著正相关,与土壤砂粒含量显著负相关(<0.01).此外,新区灌溉水、化肥和大气干湿沉降(燃煤降尘)等外源输入影响其土壤硒异常分布.

3.3 新区富硒土地资源开发利用高适宜区(Ⅰ级)和中适宜区(Ⅱ级)主要位于新区西北容城县南张镇和小里镇、安新县寨里乡和老河头镇等地,土地面积为14397.35hm2,占新区规划总面积的8.13%.

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Distribution characteristics and utilization evaluation of selenium-rich land resources in Xiong’an New District.

ZHOU Ya-long1,2,3,GUO Zhi-juan1,2,3*,WANG Qiao-lin1,2,3,WANG Cheng-wen1,2,3,SONG Yun-tao1,2,3,LIU Fei1,2,3

(1.Institute of Geophysical & Geochemical Exploration,Chinese Academy of Geological Sciences,Langfang 065000,China；2.Research Center of Geochemical Survey and Assessment on Land Quality,China Geological Survey,Langfang 065000,China；3.Key Laboratory of Geochemical Cycling of Carbon and Mercury in the Earth’s Critical Zone,Chinese Academy of Geological Sciences,Langfang 065000,China),2022,42(8)：3913～3921

Surface soil samples (0～20cm),bulk crops (wheat seeds) and root soil samples were collected from Xiong’an New District for characterizing the distribution and enrichment of soil selenium through GIS spatial analysis,correlation analysis,etc. Then,the suitability assessment of development and utilization of selenium-rich land resources was carried out with the theory model of niche suitability evaluation. The results show that the surface selenium-rich land in the new area is about 16993hm2; and the soil selenium is mainly in the form of strong organic binding,then in the residue and humic acid binding state,together accounting for more than 87% of the total pool. The proportion of average bioavailable selenium content is relatively small (water-soluble selenium accounts for 4.44%,ion-exchange selenium accounts for 3.43%). The selenium-enriched rate in wheat seed samples is 28.45% and significantly correlated with that in root soil (=0.77,<0.01). The content of soil selenium has a significant positive correlation with “signature” soil indicators of sedimentary geomorphological environment,such as the content of Al2O3,Fe2O3,MgO,K2O,soil organic carbon (Corg.),cation exchange capacity (CEC),clay and silt,and negatively correlated with the content of SiO2、Na2O and soil sand (<0.01). Obviously,the enrichment of soil selenium is mainly affected by Quaternary sedimentary geomorphic environment even though its anomaly could be related to external sources such as irrigation water,chemical fertilizers,atmospheric dry and wet deposition (coal burning and dust reduction). And the niche theory modeling results show that the high-suitability areas (level I) and the moderately suitable areas (level II) are mainly present in Nanzhang and Xiaoli Town of Rongcheng County,Zhaili and Laohetou Town of Anxin County in the northwest of the new area,covering an area of 14397.35hm2,or accounting for 8.13% of the area.

selenium；soil；root soil；crop；suitability evaluation；Xiongan New District

X53

A

1000-6923(2022)08-3913-09

2022-01-04

中国地质调查局地调项目(DD20189123,DD20190518)

* 责任作者,高级工程师,gzhijuan@mail.cgs.gov.cn

周亚龙(1984-),男,湖北武汉人,高级工程师,硕士,主要从事环境地球化学研究.发表论文40余篇.