焉耆县北大渠乡土壤硒含量特征及影响因素研究

2021-08-09赵吉海王庆军王刚马宏超范磊善

新疆地质 2021年2期

赵吉海王庆军王刚马宏超范磊善

摘要：通过对焉耆县北大渠乡表层土壤和特色农作物全硒含量测定，分析了研究区表层土壤全硒含量特征及农作物硒含量影响因素。结果表明：表层土壤硒元素含量0.07～1.5 mg/kg，平均0.43 mg/kg，富硒土壤面积105.7 km2，占比88.07%;土壤硒主要以强有机态形式存在，被农作物有效吸收的离子交换态和水溶态硒含量仅占总量的5.94%。不同土壤类型硒平均含量由高到低依次为盐化潮土>潮土>草甸盐土。相关分析结果表明：土壤TOC和pH值是影响研究区表层土壤硒含量的主要因素，在潮土中二者与土壤硒含量相关性最显著。研究区特色农作物中硒含量不仅受土壤全硒含量影响，且与土壤pH值和土壤TOC密切相关。按相关评价标准，研究区有26件小麦、11件玉米、1件番茄和2件葡萄达到安全富硒食品要求，富硒率分别为78.8%、68.8%、66.7%和33.4%。

关键词：北大渠乡;富硒土壤;形态特征;相关分析;富硒农作物

硒是人体必需的微量营养元素之一，具防癌、抗癌、增强免疫力、保护肝脏等重要作用，被科学家称为“抗癌之王”[1]。食物是人体硒元素的主要来源，植物中的硒大多从土壤中吸收，然后富集到植物可食部位[2]。因此，研究土壤硒对农作物安全和人体健康具重要意义。2016—2018年由新疆地质调查院承担完成的新疆焉耆盆地1∶25万土地质量地球化学调查成果显示，焉耆县北大渠乡分布有大量富硒土壤。在此基础上，进一步开展焉耆县北大渠乡中大比例尺（1∶5万）富硒土地专项调查评价工作，研究该区域中表层土壤和特色农作物中硒含量特征及影响因素，为当地合理开发富硒农产品及相关富硒资源提供一定帮助。

1 研究区概况

研究区位于天山南麓焉耆盆地中心地带，地势总体呈西高东低，平均海拔1 200 m左右，属典型大陆荒漠性气候，兼具盆地气候特征，夏季聚热、冬季寒冷。全年降水量64.7 mm，夏季较集中，全年蒸发量2 000.5～2 449.7 mm，相对湿度55%左右。研究区总面积120 km2，土壤类型以盐化潮土和潮土为主，面积分别占38.8%和40.5%。土地利用类型主要以耕地和草地等农用地为主，二者占研究区总面积的73.2%。研究区内出露地层为第四系，主要有下更新统西域组、中更新统乌苏群和上更新统新疆群，均为冲洪积产物。以新疆群分布面积最大，全新统主要为冲积、洪积、沼泽沉积、化学沉积、湖积、风积等不同成因类型。

2 工作方法

2.1 样品采集

本次土壤样品点位采用网格化方式进行布设，兼顾均匀性与合理性，同时参考了地块图斑、地形地貌和土壤类型等因素（图1）。共采集表层土壤样960件（含重复样），样品点位密度为4～16点/km2，采样深度0～20 cm，样品布设土地主要以耕地（水浇地）为主。为避免出现空白区，方便后期进行整体评价，对其它土地利用类型（建筑用地、未利用地等）按4点/km2密度布设采样点进行控制。样品采集以GPS定点为中心点位，在30～50 m范围内向四周辐射。3个分样点等量组合成一个混合样，采样重量约1～1.5 kg。采样时避开沟渠、田埂、路边、旧房基、粪堆、垃圾坑、农药瓶残留点等污染点和新近搬运的外来土。采集样品在室内阴凉处晾干，剔除样品中的植物残体、石块等杂质，过20目尼龙筛，称取300 g送国土资源部乌鲁木齐矿产资源监督检测中心分析，留取重量不少于300 g的样品为库样，装入干净塑料瓶中保存。

本次研究采集4种特色农作物（小麦、玉米、番茄和辣椒）样品共计90件，同时采集每件农作物配套的根系土壤样品共计90件。样品采集、后期加工和保存等环节严格按《区域生态地球化学评价规范》（DZ/T0289-2015）执行。

2.2 样品分析测试

本次所有样品（土壤和农作物）均由国土资源部乌鲁木齐矿产资源监督检测中心（新疆维吾尔自治区矿产实验研究所）承担完成。土壤和农作物样品中的测试指标严格按《多目标区域地球化学调查规范（1∶250000）》（DZ/T0258-2014）和《生态地球化学评价样品分析技术要求（试行）》（DD2005-03）等相关标准进行分析。表层土壤分析指标为全硒含量、有机碳（Corg）和pH值等。分析方法分别为原子荧光光谱法（AFS）、重络酸钾容量法和电位法（ISE），检出限为0.01×10-6、0.063%和0.03;农作物中全硒和根系土中硒的7种形态采用等离子体质谱法（ICP-MS），检出限分别为0.005×10-6和0.001×10-6～0.008×10-6。采用内部质量和外部质量监控相结合的方法控制样品分析质量，其中内部质量监控从检出限高低、精密度、准确度等质量参数进行监控，合格率在95%以上。采取送外检样和插入标准监控样方法对外部质量进行控制，合格率为100%。样品分析质量达到相关技术标准要求。

2.3 数据处理

通过Spss20.0软件对实验数据进行参数统计和相关性分析，利用Microsoft Excel 2016软件对数据进行相关元素含量散点图制作，采用MapGis6.7和ArcGis10.2软件绘制研究区土壤类型图和硒元素地球化学等级评价图等。

3 结果与讨论

3.1 土壤硒总体分布特征

本次研究表明，北大渠乡表层土壤全硒含量为0.07～1.5 mg/kg，平均0.43 mg/kg，标准差为0.143 mg/kg，变化系数33.1%。总体来看，研究区内土壤硒含量分布相对均匀，表层土壤全硒含量均值明显高于我国土壤全硒背景值（0.29 mg/kg）[3]，且高于陕西紫阳富硒区土壤硒含量（0.323 mg/kg），但与南部沿海（福建寿宁土壤硒含量0.44 mg/kg）和华中地区（湖北恩施土壤硒含量1.88 mg/kg）的富硒区相比硒含量水平相对较低[4-6]。据谭见安对土壤硒元素含量丰缺性划分标准[7]，结合最新《天然富硒土地划定和标识》（DD2019-10），对研究区表层土壤硒含量进行相关统计（表1）。发现区内12.1%的土壤为足硒土壤，85.6%的土壤达到富硒土壤水平，1.49%的土壤為硒潜在不足，缺硒土壤仅占0.81%，无硒中毒地区。总体来看，研究区表层土壤整体富硒水平较高。

据《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T0295-2016），以土地利用现状图为底图，对样品数据进行空间差值处理，并绘制了研究区表层土壤硒含量等级划分图（图2）。从图中可看出，研究区土壤全硒含量整体处于高-适中水平，其中适中土壤面积占比为10.67%，主要分布在北渠村西北部、六十户村的东北角及段家庄西北角;富硒土壤面积105.7 km2，占比88.07%，主要集中分布在十号渠村—北大渠村—六十户村之间。综合区内土壤环境综合等级，研究区富硒土壤中清洁富硒土壤和轻微污染富硒土壤面积分别为49.01 km2和55.97 km2，二者在富硒土壤中占比达99.32%，说明研究区具开发无公害富硒食品产地潜力。

3.2 土壤中硒形态特征

土壤中全硒量表征的是土壤中硒含量的总体水平，并不是土壤中所有硒都能被农作物吸收利用，只有生物有效性较强的硒才易被农作物吸收[8-10]。统计研究区90件根系土壤样品中不同形态硒的均值含量可看出（表2），整体呈强有机结合态>残渣态>腐殖酸态>离子态>碳酸盐态>铁锰态>水溶态，其中强有机结合态硒含量均值为0.141 mg/kg，占总量的4.9%，残渣态和腐殖酸态硒含量分别为0.106 mg/kg和0.063 mg/kg，二者共同占比达41.83%，水溶态硒和离子交换态硒含量仅占总量的5.94%。由此可见，研究区土壤中硒的存在形式主要以强有机结合态硒和残渣态硒存在，可被农作物直接吸收利用的离子交换态和水溶态硒含量占比较低。离子交换态和水溶态硒的变异系数处于中等变异，说明此两种形态的硒受一定环境影响，其含量在空间上存在一定波动性。

3.3 不同土壤类型中全硒含量分析

研究区共有3种土壤类型，分别为盐化潮土、潮土和草甸盐土。统计3种土壤类型中全硒含量特征看出（表3），不同土壤类型中全硒含量存在一定差异，整体表现为：盐化潮土>潮土>草甸盐土。其中盐化潮土全硒含量最高，平均0.442 mg/kg，潮土次之，硒含量均值0.438 mg/kg，草甸盐土最低，为0.395 mg/kg。与研究区表层土壤硒含量均值相比，盐化潮土和潮土中硒含量均高于平均值，仅草甸盐土低于表层土壤平均值。

研究区土壤类型主要以潮土为主，由河流冲积物经长期地下潜水作用和后期人为耕作活动影响形成，该类土壤特点主要是土层深厚且均匀，质地适中，具一定厚度的耕作熟化层。耕层肥力较强，具较高的有机质和养分含量，有利于土壤中硒酸盐物质堆积，该类型土壤中全硒含量相对较高。草甸盐土主要因各类草甸土常年受地下水上下活动影响，以积盐过程和草甸过程相伴形成，土壤碱性较大。土壤表层有一定有机质的积累，但淋失作用较强，硒的迁移淋失作用强于吸附作用，导致草甸盐土中全硒含量相对较低。总体来看，土壤类型不同，所含全硒量各不相同，可能与土壤的熟化程度相关。土壤在不断耕作和熟化过程中，有机质含量的增加促进了表层土壤对硒的吸附和固定作用。

3.4 土壤理化性质与土壤全硒含量相关性分析

土壤中pH值、有机碳（TOC）等理化指标不仅对土壤全硒含量存在一定影响，还是控制土壤有效硒最重要因素[11]。研究区土壤pH值变化范围为7.82～9.34，均值8.48，整体上土壤呈碱性。对研究区内土壤类型与土壤理化指标作相关性分析可看出（图3），3种土壤类型中pH值与土壤全硒含量均呈负相关关系。即随土壤中pH值增大，土壤中全硒含量呈减少趋势，其中潮土中硒含量降低程度比盐化潮土和草甸盐土稍明显。这是因为中酸性土壤中硒主要以亚硒酸盐形式存在，迁移淋溶作用相对较弱，易被土壤中金属氧化物和有机质吸附或络合。通气良好的碱性土壤中，硒主要以硒酸盐形式存在，溶解性好，易溶于水中，生物活性较强，极易被植物所吸收。同时随土壤溶液迁移淋失，土壤中全硒含量降低[12-14]。

硒是典型的亲生物元素，土壤中有机质含量较高时，相对易集中富集，表现为吸附和固定作用[15]。前人研究表明，在成土母质相同条件下，土壤中全硒含量与有机质含量呈正相关。对研究区内不同土壤类型中土壤全硒含量与土壤TOC进行相关性分析（图4），结果表明，随着不同土壤类型中TOC含量增加，土壤中的全硒含量也随之增加，二者呈正相关关系。其中潮土中硒含量与TOC相关性最强，相关系数为0.45（n=354，P<0.01），次为盐化潮土和草甸盐土，相关系数分别为0.28（n=433，P<0.01）和0.22（n=154，P<0.01）。从相关性图中可看出，土壤中TOC含量为0～1.6时，其对土壤全硒含量影响较显著，大于1.6时，对土壤全硒含量影响相对较弱。因此，适量增加土壤中TOC含量，可有效提高土壤中全硒含量。土壤中全硒含量与TOC含量呈正相关关系，这是因为研究区内土壤中硒主要以有机结合态形式存在，土壤中有机质含量的增加有效促进了土壤微生物的活性，加强了硒的吸附和固定作用，使硒快速固定在土壤中[16]。对比3种土壤类型中发现，仅潮土中TOC与土壤全硒含量相关性最强，可能是因为此类土壤是相对成熟的耕作土壤。在后期熟化过程及人为影响作用下，大量有机质被带入土壤中，使土壤表层的硒与有机质结合固定下来，最终土壤中硒含量升高。

3.5 农作物硒含量特征及与土壤全硒的相关性分析

对研究区90件农作物中硒含量统计显示，农作物种类不同，所含硒的量也各有差异。其中33件小麦中硒含量为0.02～0.43 mg/kg，平均0.168 mg/kg;16件玉米硒含量0.04～0.23 mg/kg，平均0.094 mg/kg;15件番茄硒含量0.01～0.04 mg/kg，平均0.014 mg/kg;20件辣椒硒含量0.01～0.03 mg/kg，平均0.019 mg/kg;6件葡萄硒含量0.01～0.02 mg/kg，平均0.013 mg/kg。总体而言，不同农作物硒平均含量水平表现为：小麦>玉米>辣椒>番茄>葡萄。按《富硒稻谷》（GT/T22499-2008）、陕西省《富硒含硒食品与相关产品硒含量标准》（DB61/T 556-2018）和《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB2762-2017）等相关评价标准，研究区内有26件小麦、11件玉米、1件番茄和2件葡萄達到安全富硒食品要求，富硒率分别为78.8%、68.8%、66.7%和33.4%，辣椒未达到富硒食品要求。

对研究区不同类型农作物中硒含量与其对应的根系土壤中的硒含量、pH值和有机质进行相关性分析（表4），结果发现，除葡萄硒与根系土全量硒呈负相关外，其余4种农作物硒与对应的根系土全量硒均呈不同程度正相关关系，尤其是玉米相关性最强，相关系数为0.429（p<0.01）。土壤pH值与农作物硒均呈正相关关系，有机质与不同农作物硒含量相关性不同。说明土壤全硒量的增加对农作物吸收和富集硒具一定的促进作用。农作物中硒含量还受土壤其它条件影响，如土壤pH值，不同酸碱度条件下，硒存在的形态不同。碱性土壤中，硒主要以硒酸盐形式存在，溶解性较好。随土壤碱性的升高，硒的溶解度相应增大，使[SeO2-3]更易向[SeO2-4]转化，[SeO2-4]易溶于水，易被植物吸收利用。农作物中硒含量还可能与本身对硒的吸收积累能力有关，具体影响机制有待进一步研究。

4 结论

（1）研究区表层土壤全硒含量为0.07～1.5 mg/kg，均值0.43 mg/kg，含量明显高于我国土壤全硒背景值（0.29 mg/kg）。其中85.6%的土壤达到富硒水平，12.1%的土壤为足硒土壤，1.49%的土壤为潜在缺硒，0.81%的土壤为缺硒，无硒过剩土壤。总体来看，北大渠乡表层土壤全硒含量处于富硒水平。

（2）通过硒地球化学等级划分图发现，研究区表层土壤硒含量整体处于高-适中水平，其中适中硒土壤面积占比10.67%，主要分布在北渠村西北部、六十户村的东北角和段家庄西北角;富硒土壤面积达105.7 km2，占比88.07%，主要集中分布在十号渠村-北大渠村-六十户村之间。

（3）从90件根系土壤中不同形态硒含量特征来看，研究区土壤中硒元素主要以强有机结合态形式存在，占总量的34.9%。能被农作物吸收利用的离子交换态硒和水溶态硒含量相对较低，仅占总量的5.94%。

（4）研究区不同土壤类型中硒含量不同，全硒含量由高到低依次为盐化潮土（0.442 mg/kg）>潮土（0.438 mg/kg）>草甸盐土（0.395 mg/kg）;土壤全硒与土壤TOC和土壤pH值之间的相关性表明，土壤全硒与TOC呈正相关关系，与pH值呈负相关，说明这两种指标对土壤全硒含量的富集具重要影响。

（5）相关分析表明，研究区大部分农作物硒含量与根系土壤全硒量和土壤pH值均呈不同程度的正相关关系，与土壤TOC之间的相关性不一。说明作物硒含量除受土壤全硒、pH值及TOC影响外，还与农作物本身对硒的吸收积累能力等因素有密切关系。按相关评价标准，研究区有26件小麦、11件玉米、1件番茄和2件葡萄达到安全富硒食品要求，富硒率分别为78.8%、68.8%、66.7%和33.4%。因此，该区应充分合理开发和推广富硒土地资源，大力发展富硒优质特色农作物。

参考文献

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