江西省信丰县山稻基地硒及相关元素分布特征

杨 兰, 张 安, 王 运, 邹勇军, 王 鹤

(1.东华理工大学 江西省数字国土重点实验室,江西 南昌 330013;2.江西省地质调查勘查院 地质环境监测所,江西 南昌 330001)

硒(Se)被称为“长寿元素”,是人体健康必需的微量元素之一(Gerla et al.,2011)。中国乃至世界大部分地区都缺硒,硒元素被加工成为各种营养品以供人体所需。现已开发的富硒农产品有水稻、脐橙、茶叶、油茶、玉米等,由于水稻更易富硒,且种植广泛、产量高,深受人们喜爱。

农产品中的Se主要来自土壤,而土壤中的Se与重金属元素之间具有一定的伴生关系(王运等,2019;成晓梦等,2021;米振华等,2021;Rahimzadeh et al.,2017)。有些地方富硒农田遭受重金属污染(Arif et al.,2019),土壤重金属超标会直接或间接危害人体健康(孙莉娜等,2018;任军等,2021;章艳红等,2022)。重庆江津区土壤中As与水稻中As含量成极显著正相关关系,水稻对硒和重金属富集能力为:Cd> Se>Hg>As>Cr>Pb(付婷婷等,2019)。湖北省利川市汪营镇土壤中的Se、Cr、Cd、Ni存在显著的正相关性,水稻达到富硒标准,但有不同程度的Cd超标(兰敏,2019)。重金属含量高会影响水稻的健康生长,适量的Se浓度对As、Cd、Pb、Hg和Cu能起到一定的拮抗作用,从而减少重金属的毒性(Pokhrel et al.,2020; 胡居吾等,2019;许永东,2017;Muhammad et al.,2019;Chang et al.,2019;Deng et al.,2018)。同时,硒的吸收活性将直接或间接影响农作物的生长发育(Xie et al.,2021)。各国学者对水稻富硒及重金属含量方面研究较多,而对山稻的富硒及相关元素方面研究偏少(Wang et al.,2020;Ding et al.,2020)。

山稻营养价值高,虫害抗性、适应性和耐旱性强,经济效益较好,可有效防止水土流失(吴建忠等,1997)。笔者采集江西省信丰县山稻基地表层土壤、山稻、根系土及土壤垂向剖面样品进行硒及相关元素的测试分析,开展质量评价等工作,以期发现绿色富硒山稻,进一步提高山稻的经济价值,为大规模种植山稻,增加农民收入,助力振兴赣南苏区提供依据。

1 研究区概况

山稻基地位于江西省赣州市信丰县西北部的油山镇幸福村塘仔里(图1),面积为0.42 km2。该基地是信丰县精准扶贫示范基地,并已成为当地特色景点。该区地貌以丘陵为主,海拔平均为260 m,常年气候温润、阳光充足、雨量充沛,属亚热带季风湿润气候,年平均气温为19.2 ℃。地层岩性主要为震旦系坝里组砂岩、板岩,第四系联圩组细砂、粉砂黏土,亚黏土等。土壤以黄棕壤为主。区内水源较丰富,水质优良,附近无矿山和工厂分布。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of study area

2 工作方法

2.1 样品布设与采集

本次样品布设、采集方法和采样密度均严格依据《土地质量地球化学评价规范》(中华人民共和国国土资源部,2016)要求进行,采集表层土壤样品4件,山稻及根系土样品各2件,1条土壤垂向剖面样品5件(图2)。

图2 山稻基地采样点Fig.2 Sampling distribution in the upland rice base

土壤样品采集于山稻收割以后,尚未施用底肥和种植以前。样点布设依据土地利用方式,结合最新的遥感影像,遵循代表性原则,避开公路和村庄等人为干预影响较大的区域,同时兼顾空间分布的均匀性。在布设的采样点上,以GPS定位点为中心,向周围辐射50 m为分样点,采集4～6个子样品混合成一个土壤样品,采样深度为0～20 cm。样品采集时使用铁锹挖出土壤,剔除枯叶、根系等杂物,并用竹片剥离土壤与铁锹接触的部分,剩下的土壤装入样品袋。

山稻样品采集时间为收获盛期。样点布设是在利用表层土壤样品的地球化学测试结果划分土壤质量等级的基础上,遵循代表性原则,采用棋盘式取样法,选10棵山稻的稻穗混合成1件样品,根系土样品为对应山稻样品根系的土壤。

土壤垂向剖面布设在土壤分层齐全,具代表性的土壤陡坎处,剖面深度为200 cm。在剥离剖面表面浮土和枯枝杂叶后,进行分层取样。

2.2 样品测试分析

土壤和山稻样品元素测试由陕西省地质矿产实验研究所有限公司完成,测试指标、分析方法及检出限见表1。测试标准依据《土地质量地球化学评价规范》(中华人民共和国国土资源部,2016)。

表1 样品分析方法检出限

3 结果与讨论

3.1 表层土壤中硒及重金属分布特征

从表层土壤样品的元素平均含量(表2)来看,Se、Hg、Cr、Cu平均含量略高于中国土壤背景值(魏复盛等,1990),而Cd、As、Ni、Pb、Zn平均含量略低于中国土壤背景值。与赣州市土壤地球化学平均值(雍太健等,2020)相比,Se、Cr、Ni、Cu平均含量略高于赣州市土壤地球化学平均值,而Cd、As、Hg、Zn平均含量略低于赣州市土壤地球化学平均值。本区表层土壤pH为4.58～5.21,平均值为4.81,为强酸性。表层土壤样品中50%为富硒土壤,全区Se平均含量为0.39×10-6,其等级为适量(表3)。

表2 表层土壤中元素地球化学特征参数统计

表3 表层土壤pH、硒、环境地球化学等级划分界限(中华人民共和国国土资源部,2016)

土壤环境地球化学等级按照式(1),计算土壤污染物i的单项污染指数Pi:

(1)

式中,Ci为土壤中i指标的实测浓度,Si为污染物i在《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试用)》(中华人民共和国生态环境部等,2018)中的筛选值。通过计算,本区表层土壤重金属元素单项污染指数Pi<1(表2),表明表层土壤环境地球化学等级为清洁(表3)。

3.2 垂向剖面中硒及重金属分布特征

为研究各元素在山稻种植土壤中的垂向分布特征,对1条土壤垂向剖面开展研究。经野外观察,将其在垂向上分为5层(表4),并分别采样测试(表5)。

表4 土壤垂向剖面野外描述

表5 土壤垂向剖面地球化学数据

研究发现腐殖质层中Cd、Hg、Cr、有机质含量最高,随剖面深度增加呈减少趋势,表明这些元素在地表富集趋势明显;而Ni、Cu、Pb含量和pH,随剖面深度增加呈增加趋势,表明这些元素易受风化作用影响。淋溶层中Se、Cd、Hg、Pb、有机质含量低于腐殖质层和淀积层,而As、Ni含量高于腐殖质层和淀积层,表明在强烈的淋溶作用下,各元素之间的地球化学行为不同(图3)。

图3 土壤垂向剖面地球化学图Fig.3 The geochemical map of vertical profile of soil

对土壤垂向剖面中的各元素之间的相关性进行分析,发现Se含量与Cd、As、Hg、Cr、有机质含量呈正相关,与Ni、Cu、Zn、Pb含量及pH呈负相关;重金属之间,Cd含量与Hg含量呈显著正相关,Ni与Cu、Zn和Pb含量呈显著正相关(表6);pH与Cu、Zn含量为显著正相关,与Cr含量为显著负相关,说明土壤酸碱度是控制Cr迁移的主要因素。

表6 土壤垂向剖面Se、重金属元素、有机质、pH相关性分析

4 山稻中硒及重金属分布特征

4.1 稻谷中硒及重金属分布特征

研究区山稻稻谷Se含量为0.047×10-6和0.058×10-6(表7),达到富硒稻谷(0.04×10-6～0.30×10-6)水平(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等,2008);无机As、Hg、Cd、Cr和Pb含量均低于污染物限量值。因此,本区山稻为绿色富硒山稻。

表7 山稻分析测试结果

4.2 根系土中硒及重金属分布特征

研究区山稻根系土样品Se含量分别为0.55×10-6和0.31×10-6,平均值为0.43×10-6。依据表3和表8,山稻根系土为强酸性富硒土壤,土壤环境地球化学等级为清洁。

表8 山稻根系土分析测试结果

4.3 生物富集系数

用生物富集系数(KBCF;Jakubus et al.,2019)表示山稻对重金属元素的富集能力,KBCF值越大,则山稻对重金属元素的吸收能力越强(庞荣丽等,2019)。其计算公式为:

KBCF=C农作物/C根系土

(2)

式中,C农作物为元素在农作物中的含量(10-6),C根系土为元素在农作物对应根系土中的含量(10-6)。Se和8种重金属元素的平均富集系数排序为:Cd>Hg>Zn>Cu>Se>Ni>Pb>无机As>Cr(表9),表明研究区内山稻易于吸收Cd和Hg,说明富硒山稻对Cd和Hg的迁移富集能力较强,有重金属超标的风险。

表9 Se与重金属元素的生物富集系数

富集系数是衡量植物修复土壤重金属元素的一个重要指标,当富集系数大于1时,表明该植物具有良好的修复潜力(董中凯等,2023)。本次发现山稻中Hg和Cd的富集系数较高(表9),分别为1.229和1.632,说明山稻对土壤中的Hg和Cd具有良好的修复潜力。因此,山稻可作为修复Hg和Cd污染土壤的优选植物。

5 土壤中硒形态模拟研究

除土壤总硒外,硒的价态和形态是影响植物吸收与积累硒的最重要因素。土壤中硒主要为可利用态硒、潜在可利用态硒和不可利用态硒(徐争启等,2011)。其中可利用态硒为水溶态硒与离子交换态硒,容易被植物吸收;潜在可利用态硒为碳酸盐结合态与铁锰氧化结合态硒,在适当的环境下可释放出游离态硒,被植物吸收;不可利用态硒主要为残渣态、腐殖酸结合态与强有机结合态硒,不易被植物吸收。

本次以可利用态硒为研究对象,其化学价态主要为Se(Ⅳ),其次为Se(Ⅵ)(沈春燕等,2011;王莹,2008;刘永贤等,2018)。为了解本区土壤中硒形态,将Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ)分别输入环境水化学软件Visual MINTEQ 3.1开展模拟实验。模拟温度设为25 ℃,硒含量设为本区平均含量0.39×10-6,不考虑氧化还原和吸附反应。结果表明,Se(Ⅳ)在不同pH条件下,硒形态有H2SeO3、HSeO3-和SeO32-(图4a)。当溶液pH从0升高至6时,H2SeO3占比由100%降低至0,HSeO3-占比由0增加至100%;当溶液pH从6升高至12时,HSeO3-占比由100%降低至0,SeO32-占比由0增加至100%。

图4 Se在水溶液中的化学形态Fig.4 Chemical form of Se in aqueous solution

Se(Ⅵ)在不同pH条件下,存在HSeO4-和SeO42-两种形态(图4b)。HSeO4-在pH为0～4时,其在溶液中的占比由100%降低至0。SeO42-在pH为0～4时,其在溶液中的占比由0增加至100%。

本区土壤pH为4.58～5.21,因此硒形态主要为HSeO3-和SeO42-。土壤中的HSeO3-易被黏土、有机质、铁的化合物等吸附,导致其含量比SeO42-含量高,但生物有效性低(姜英等,2016;周维等,2012;Liu et al.,2022;Feng et al.,2023)。另外,HSeO3-和SeO42-常被用于拮抗植物重金属(如Cd)毒性,且前者比后者效果好(向旭敏等,2023)。因此,为提高农作物品质,可向根部土壤分别喷洒SeO42-溶液和HSeO3-溶液,前者可提高农作物的富硒率,后者可降低农作物重金属超标的风险。

6 结论

(1)本区表层土壤为强酸性,硒平均含量等级为适量,土壤环境地球化学等级为清洁;山稻根系土为强酸性,硒平均含量等级为富硒,土壤环境地球化学等级为清洁。

(2)土壤垂向剖面显示Cd、Hg、Cr、有机质在地表富集趋势明显,且Se含量与Cd、As、Hg、Cr、有机质含量呈正相关,与Ni、Cu、Zn、Pb含量及pH呈负相关,表明山稻有重金属污染风险。

(3)本区土壤中硒形态主要为HSeO3-和SeO42-,HSeO3-生物有效性低于SeO42-,但对重金属拮抗效果好,因此,可通过喷洒SeO42-和HSeO3-溶液改善农作物品质。

(4)本区种植的山稻绿色富硒,且对Hg和Cd表现出良好的富集能力,可作为修复Hg和Cd污染土壤的优选植物。