恩施州宣恩地区富硒土壤硒含量特征及影响因素研究

邹 辉, 王 卉, 段碧辉, 王天一, 潘 飞

(湖北省地质科学研究院,湖北 武汉 430034)

硒(Se)是自然界一种微量元素,是人体和动物必需的重要元素之一,具有增强免疫力、抗癌、拮抗有害重金属等作用[1]。根据1∶50万《恩施州硒资源与生态农业地质调查》结果,宣恩县(除个别区域外)表层土壤硒元素含量值均在0.4～3 mg·kg-1,土壤硒资源潜力巨大[2]。笔者在参与“湖北省宣恩县土地质量地球化学调查项目”工作时,在宣恩县万寨乡、珠山镇、椒园镇一带发现优质富硒土壤区域,并对其表、深层土壤的硒含量特征、有效性、形态和土地环境质量等进行了初步总结。本研究以此为基础,经过系统的取样分析,对富硒区域土壤硒含量征及其影响因素进行了重点探讨,以期为当地开发利用富硒土壤资源提供一定的科学依据。

1 研究区背景

宣恩县地处鄂西南,位于恩施土家族苗族自治州南部。本次的研究区范围为宣恩县万寨乡、珠山镇、椒园镇,总面积529 km2(图1)。研究区地貌以中低山为主,大地构造处于上扬子台坪八面山台褶带北东缘。区内主要发育沉积型地层,由老—新依次为奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、白垩系。其中三叠系出露面积最广,为巴东组、嘉陵江组和大冶组,岩性以砂岩、页岩、白云岩为主,约占全区总面积的80%;富硒地层主要为二叠系地层,包括龙潭、下窑、大隆组并层、茅口孤峰组并层、梁山栖霞组并层,岩性以硅质岩、页岩、灰岩为主,主要分布在研究区椒园镇的中部和珠山镇的南部,万寨乡西部有少量分布,占全区总面积约10%,岩性主要为炭质页岩、灰岩和硅质岩。研究区分布的土壤类型有水稻土、潮土、石灰土、紫色土、黄壤、黄棕壤六种土类,其中黄棕壤和黄壤在全区分布最为广泛,二者面积约占全区的75%。

图1 研究区地理位置示意图Fig.1 Sketch map of geographical location of the study area

2 样品采集与分析测试

土壤样品按照土地利用图斑+网格布设,每平方千米平均采样4件,由3～5个点采集0～20 cm 表层土壤组合而成,共采集2 159件样品。土壤垂直剖面样品布设综合考虑土壤地质背景并结合土地利用,按土壤发生层次采集,采集土壤垂向剖面6条。岩石样品共采集57件,样品由50 m点距范围内3～5个同一种类岩石子样组合而成,样品重量不低于500 g。

样品分析测试由具有国家级资质认证的湖北省地质实验测试中心承担。岩石、土壤全硒采用原子荧光光谱法测定,pH采用电位法测定,有机质、氮采用容量法测定,锰、氧化镁、氧化钙、氧化钠采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定,磷、氧化铝、氧化铁、氧化钾采用X射线荧光光谱法测定,硫采用燃烧-碘量法测定。样品分析准确度和精密度等质量要求按中国地质调查局《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T0258—2014)、《生态地球化学评价样品分析技术要求》(DD2005—03)等相关技术标准有关规定执行。

3 土壤硒地球化学特征

3.1 土壤硒含量特征

目前,国内对于富硒土壤尚无统一的行业和国家标准,不同省份和地区硒元素含量差别较大。本次研究采用李家熙提出的富硒土壤划分方案,即土壤硒含量≥0.4 mg·kg-1为富硒土壤[3]。

对研究区2 159件表层土壤样品进行分析,统计结果见表1。研究区土壤硒含量平均值0.665 mg·kg-1,远高于恩施州土壤硒背景值,也大幅超过中国表层土壤(A层)硒含量均值0.29 mg·kg-1[4],含量变化范围为0.103～10.800 mg·kg-1,变异系数为1.1407,起伏变化较大,空间差异明显。2 159件土壤样品w(Se)区间统计直方图见图2,大部分样品的w(Se)高于0.20 mg·kg-1,其中1 568件样品达到富硒土壤标准。

表1 研究区表层土壤硒含量参数(单位:mg·kg -1)Table 1 Selenium content parameters of surface soil in study area

3.2 不同成土母质硒元素含量特征

通常认为土壤硒含量与成土母质或地质背景密切相关,而恩施地区丰富的富硒岩石和煤层,是富硒土壤形成的重要条件。本研究统计了研究区内不同成土母质土壤硒含量水平见表2。

从土壤硒含量均值来看,除了三叠系巴东组(0.322 mg·kg-1)发育土壤硒含量水平较低外,其余地层土壤硒含量均>0.4 mg·kg-1,其中龙潭、下窑、大隆组并层最高,土壤硒含量均值达到1.853 mg·kg-1,茅口孤峰组并层次之,巴东组土壤硒含量水平最低。综合来看,研究区富硒地层和非富硒地层发育的土壤硒含量水平均较高,因此其硒来源不仅受控于成土母质,也与母岩在风化和成土过程中造成硒的不断迁移、淋失和富集有关。

图2 研究区表层土壤w(Se)频数分布图Fig.2 w(Se) frequency distribution of surface soil in the study area

表2 研究区不同成土母质土壤硒含量参数(单位:mg·kg -1)Table 2 Selenium content parameter of soils with different parent materials in the study area

地层名称样本数平均值最大值最小值巴东组5370.3220.560.10嘉陵江组6170.550.940.19大冶组4750.5570.920.19龙潭、下窑、大隆组并层681.85310.800.24茅口孤峰组并层790.8431.590.31梁山栖霞组并层990.7361.190.31黄龙大埔组并层130.7061.010.29云台观写经寺组并层390.6111.080.32纱帽组670.5940.880.29罗惹坪组1070.5891.020.17龙马溪组420.6150.920.27宝塔组70.6361.060.21南津关—牯牛潭组并层80.6791.500.47

3.3 不同土壤类型硒元素含量特征

表层土壤硒含量除与成土母质有关外,还与气候、地形、土壤质地等有关。本研究统计了区内不同土壤类型土壤硒含量水平见表3。

可以看出,硒在不同类型土壤中的分布主要受到成土母质的影响。区内紫砂土硒含量较低,均低于0.40 mg·kg-1,其母岩是巴东组紫红色砂岩,黄壤、黄棕壤硒含量水平较高,其母岩主要是研究区富硒地层二叠系和三叠系的页岩、灰岩。

3.4 土壤硒含量的垂向变化特征

王美珠等对中国一些主要土壤含硒量的分析测定表明[5],由于生物积累作用和淋溶作用相对强弱的差别,硒在土壤剖面中的分布可归结为3种形式:①上高下低,生物积累大于淋溶作用;②上低下高,生物积累小于淋溶作用;③上下相近,生物积累等于淋溶作用。

表3 研究区不同土壤类型硒含量参数(mg·kg-1)Table 3 Selenium content parameters of different soil types in the study area

为厘清土壤硒与成土母质之间的关系,查明硒从母质层至表层的含量变化特征,在研究区内依据不同成土母质布设了6个典型的土壤剖面,硒含量随深度变化曲线见图3。

由图可知,6条剖面的土壤硒质量分数均呈现出表聚性的特征,即表层土壤具有相对较高的硒质量分数;其中剖面XECP01、XECP04、XECP06表现为上高下低型,说明生物积累作用较强;剖面XECP02、XECP04、XECP05表现为上下高中间低的特征,表明硒的表聚性外,在剖面深部也相对富集,即表层生物积累作用与淋溶作用强度相当。

图3 典型土壤剖面硒含量分布特征图Fig.3 Distribution characteristics of selenium content in typical soil profiles

4 区内富硒土壤形成影响因素分析

前人对于土壤硒含量的影响因素已有诸多的研究[6],富硒土壤的形成,很大程度取决于成土母质(母岩)类型,而土壤质地、pH值、有机质也会对土壤中的硒含量产生影响。因此,本研究主要针对影响土壤硒含量水平的因素进行讨论。

4.1 成土母岩

前人研究表明高硒土壤主要来源于富硒岩石和煤系地层,而恩施地区岩石中的较高的硒含量,是高硒土壤形成的重要条件[7]。笔者在研究区共采集了不同地质时代的岩石样品57件,对不同地层单元岩石中硒含量进行了分析,分析结果(表4)表明:元素硒普遍存在于各类岩石,其含量却与岩石的形成时代和岩性密切相关。在各个时代形成的岩石当中,二叠系地层所赋存的硒含量最高,富硒岩石主要为硅质岩和页岩,其中龙潭、下窑、大隆组并层硅质岩硒含量达到10.680 mg·kg-1,其次为茅口孤峰组并中的页岩,硒含量为2.052 mg·kg-1,三叠系嘉陵江组中的灰岩硒含量也较高,其余时代地层硒含量均<0.1 mg·kg-1。此外区内发育的岩石地层中,二叠系和三叠系出露面积占总区的70%左右。由此可见,研究区二叠系和三叠系中含硒量较高的硅质岩、页岩和灰岩是区内土壤中硒的主要来源之一,而硒经过母质风化和成土过程中不断迁移,形成了宣恩地区大面积的富硒土壤。

4.2 土壤性质和组分

表4 不同时代地层岩石中硒含量特征Table 4 Characteristics of selenium content in strata of different ages

表5 研究区表层土壤硒含量与pH及其他元素含量间的相关性Table 5 Correlation between selenium content in surface soil and pH and other elements contents in the study area

注:**在0.01水平(双侧)上显著相关;*在0.05水平(双侧)上显著相关。

研究区土壤硒与OrgC有显著的正相关关系(p<0.01),将土壤类型作为统计单元,土壤Se含量与有机碳做相关关系图(图4所示),不同类型土壤中有机碳与土壤硒呈明显的正相关关系,且有机碳与硒均可拟合为一条较好的直线。前人研究表明[10],有机质对硒具有一定的吸附和固定作用,硒能够以腐殖质缔合的形态存在并在土壤中固定下来 。但是当土壤中有机质含量较高时,有机质会通过静电吸附大量硒,抑制硒向植物迁移,从而导致硒的生物有效性下降。

硒与P(p<0.01)、S(p<0.01)、和N(p<0.01)呈显著的正相关关系。研究表明,土壤中P多数以磷灰石形式存在,而磷灰石主要吸附 Se4+,而几乎不吸收 Se6+,说明研究区内土壤中的硒主要以亚硒酸盐形式存在。硒属于亲硫元素,与硫具有相似的地球化学性质,因此两者相关性显著。硒与Al(p<0.01)、Na(p<0.01)和K(p<0.01)呈显著负相关关系。研究表明,Se和 Al地球化学来源不同,前者属于亲硫元素,后者属于亲石元素,因而在含量上互为消长[11];硒与Na、K也存在显著相关,但相关系数较低。

5 结论

(1) 研究区内的土壤硒含量水平较高,均值0.665 mg·kg-1,远高于恩施州土壤硒背景值,总体达富硒水平。

(2) 地质背景对土壤硒含量有控制作用 。二叠系与三叠系地层分布区的土壤硒含量都明显高于其他地质背景区,这多与这些地层中含硒量较高的硅质岩、页岩和灰岩有关。

(3) 土壤中有机碳、N、P、Al与硒含量具有明显的相关性,反映了区内硒的多因素富集特征。其中有机质对硒含量影响较大,表现为对硒的吸附与固定作用;此外研究区大面积酸性土壤也是土壤中硒易累积的重要因素。