湖北省宜城市東南部地區(qū)土壤硒元素物質(zhì)來源淺析

楊 波, 馮久林, 陳以春, 卞 超, 王本哲, 石 磊

(湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊(duì),湖北 襄陽 441002)

元素在自然界的存在形式多種多樣,其存在形式也不是一成不變的,而是通過各種生態(tài)循環(huán)不斷轉(zhuǎn)換和遷移的,其中與人類息息相關(guān)的一組生態(tài)循環(huán)為“元素→土壤→植物→人體”。土壤中某些元素的豐缺對動植物和人類的遺傳、生長發(fā)育、新陳代謝有著重要影響。元素硒是對生命體極為重要的一個微量營養(yǎng)元素,在大陸地殼中含量很低,且分布極不均勻。中國處于低硒地帶,全國有72%的國土面積存在不同程度的缺硒現(xiàn)象。缺硒能直接導(dǎo)致癌癥、肝病、心血管病、糖尿病、前列腺病、白內(nèi)障等40多種疾病,間接導(dǎo)致多達(dá)400多種疾病。

本次工作以湖北省宜城市作為研究對象,在多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查的基礎(chǔ)上開展土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià),工作比例尺為1∶5萬,可以基本查明區(qū)內(nèi)富硒優(yōu)質(zhì)土地資源。宜城是全國重要的糧油生產(chǎn)基地,屬全國糧食生產(chǎn)先進(jìn)縣市。區(qū)內(nèi)土地資源豐富,土壤及農(nóng)產(chǎn)品中硒含量高[1-2]。因此,分析土壤中富硒物質(zhì)來源,對于科學(xué)合理利用富硒資源、改善人類健康具有重大意義。

1 研究區(qū)概況

宜城市位于湖北省西北部、漢水中游,交通位置十分便利,素有“五邑要道、八省通衢”之稱。調(diào)查區(qū)位于宜城市東南部,涉及鄭集和孔灣2個鎮(zhèn),調(diào)查面積310 km2;該區(qū)地處“荊襄走廊”北部,整體地勢自西北向東南微傾斜,總體地貌以沖積平原、崗地和丘陵為主;區(qū)內(nèi)氣候溫和,雨量適中,四季分明,屬北亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候;主要土壤類型為水稻土、潮土,其次為黃褐土、石灰土等;地層比較簡單,第四系覆蓋區(qū)面積約占95%,主要由漢江及其支流蠻河的沖積物、洪積物組成,西南部零星出露中元古界崆嶺群及震旦系地層。

2 樣品采集與分析測試

湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì)于2015年在研究區(qū)開展土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)工作,采集表層土壤樣1 776件,土壤水平剖面樣250件,土壤垂直剖面樣200件,土壤形態(tài)樣20件(圖1)。其中表層土壤樣與水平剖面樣為0～20 cm的耕作層土壤;深層土壤為20～200 cm的土壤,垂向剖面土壤樣的深度為地下水層面以下50 cm(枯水期)或100 cm(豐水期),土壤分層明顯時分層采樣,若分層不明顯,按照20～50、50～100、100～150、150～200 cm的規(guī)格采集樣品;土壤形態(tài)樣按1點(diǎn)/15 km2的密度采集0～20 cm的耕作層土壤。樣品的采集和加工等環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照《區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0289-2015)執(zhí)行。

樣品的分析測試工作由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心承擔(dān)。各類樣品分析測試采用氫化物—原子熒光光譜法(HG-AFS),測試土壤樣品的全量硒和形態(tài)樣品的分量硒(七步形態(tài)分析)。所有的測試結(jié)果都滿足《生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)樣品分析技術(shù)要求》(DD2005-03)等規(guī)范規(guī)定的分析準(zhǔn)確度和精密度等質(zhì)量要求。所有樣品分析合格率100%,重復(fù)樣、異常抽查檢驗(yàn)的合格率99.66%。

圖1 宜城評價(jià)區(qū)表層土壤及剖面采樣點(diǎn)位圖Fig.1 Bitmap of surface soil and profile sampling sites in Yicheng evaluation area1.表層土壤樣點(diǎn)采樣點(diǎn)位;2.土壤水平剖面樣點(diǎn)采樣點(diǎn)位;3.土壤垂直剖面樣點(diǎn)采樣點(diǎn)位。

3 表層土壤中Se含量特征

土壤作為巖石圈表面的疏松表層,是土地的重要載體,是最基本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素,為作物生長提供必需的營養(yǎng)和水分。

(1) 通過對樣品化驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析,全區(qū)1 776件表層土壤樣品中硒元素含量變化范圍為0.08～2.25 mg/kg,均值為0.31 mg/kg,變異系數(shù)為0.35,在整個評價(jià)區(qū)呈分異分布(表1)。

對評價(jià)區(qū)表層土壤中Se含量進(jìn)行等級劃分,采用累計(jì)頻率0.5、1.5、4、8、15、25、40、60、75、85、95、97、98.5、99.5(%)分級間隔對應(yīng)的含量作等量線[3],劃分出五個標(biāo)準(zhǔn)15個色區(qū)(圖2),即富足(0.48～0.59)、

較富足(0.37～0.48)、適度(0.24～0.37)、較缺乏(0.14～0.24)、缺乏(0.12～0.14)。

表1 宜城評價(jià)區(qū)表層土壤中硒元素含量特征表Table 1 Characteristics of Se elements in surface soil of Yicheng evaluation area

評價(jià)區(qū)硒元素的地球化學(xué)分帶性非常明顯,Se的低背景區(qū)(藍(lán)色區(qū)域)分布在遠(yuǎn)離河岸的平原區(qū)(槐營—蔣灣村一帶)、崗地區(qū)(呂崗—鐘崗—許崗村一帶);背景區(qū)(黃色區(qū)域)沿漢江、蠻河流域分布,走向與河流流向一致;高背景區(qū)(紅色區(qū)域)集中在蔣灣—王洲村一帶,蠻河的河道轉(zhuǎn)彎處;特高背景區(qū)(深紅色區(qū)域)零星分布在研究區(qū)西南部邊緣,震旦系碳酸鹽巖地層中,璞河一帶河流沖積物中也有分布。

圖2 宜城評價(jià)區(qū)Se地球化學(xué)圖Fig.2 Se geochemical map of Yicheng evaluation area

(2) 各地層單元中的硒元素呈現(xiàn)不同的富集現(xiàn)象,表現(xiàn)為震旦系>第四系全新統(tǒng)沖積物>中元古界崆嶺群>第四系更新統(tǒng)沖積物>第四系更新統(tǒng)殘坡積物,即硒在震旦系與第四系全新統(tǒng)沖積物中呈富集,濃集比例K(K=Se在各地層單元的平均含量/表層土壤中的平均含量)分別為1.74、1.06,而在其他地層中呈現(xiàn)一定的虧缺(表2)。

(3) 在不同的土壤類型中,硒元素在灰潮土和石灰土中含量最高,平均含量為0.35 mg/kg(表3)。通過宜城縣土壤分布圖[4]可以看出,灰潮土的分布幾乎與河流走向一致,系河流作用的產(chǎn)物。而石灰土則分布在震旦系碳酸鹽巖區(qū),與其成土母巖密切相關(guān)。

表2 宜城評價(jià)區(qū)主要地層中硒元素含量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of the content of Se elements in the main strata of the Yicheng evaluation area

表3 宜城評價(jià)區(qū)各類土壤中硒元素含量統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of the content of Se elements in various soils in Yicheng evaluation area

圖3 土壤剖面中Se的含量變化特征Fig.3 Change characteristics of Se content in soil profile

4 深層土壤中Se含量特征

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是自然地質(zhì)地球化學(xué)作用和人類生產(chǎn)活動共同作用的產(chǎn)物。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤Se元素自然來源主要為巖石的風(fēng)化產(chǎn)物,土壤中Se元素含量與母質(zhì)巖性和成土過程密切相關(guān)[5]。為研究硒元素在不同土壤發(fā)生層位的變化規(guī)律,在研究區(qū)各不同類型功能區(qū)測制了8條土壤水平剖面,在水平剖面上按照500 m的間距測制了50條土壤層垂直剖面,主要利用“橫拉縱切”的“T”型剖面追蹤法,即采用表層土壤水平剖面測量加深層垂直剖面測量的方法。針對研究區(qū)Se異常分布、所處地質(zhì)環(huán)境背景等地質(zhì)地球化學(xué)特點(diǎn)及地貌形態(tài),在研究區(qū)各功能區(qū)隨機(jī)選擇了8條剖面來剖析。

測量結(jié)果表明,各垂向剖面中Se的含量變化趨勢非常相似,80%的剖面在土壤層垂向上由深部至地表整體表現(xiàn)為逐漸上升的特征,且在第二層次—第一層次變化趨勢明顯,往深層次三—五層顯得比較平緩(圖3)。研究區(qū)硒元素表現(xiàn)為地表富集而在深部貧化,即評價(jià)區(qū)成土母質(zhì)對表層土壤中硒的貢獻(xiàn)很小,表層硒元素主要來自外源物質(zhì)輸入,深部硒可能與地表富硒物質(zhì)風(fēng)化淋濾作用和植物生長擾動改造有關(guān)。

5 土壤中硒元素各相態(tài)含量特征

對調(diào)查區(qū)土壤中各相態(tài)硒的平均含量分析顯示(表4),硒的含量特征為殘?jiān)鼞B(tài)>強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)>腐殖酸結(jié)合態(tài)>水溶態(tài)>離子交換態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)>鐵錳結(jié)合態(tài),其中殘?jiān)鼞B(tài)和強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)硒累計(jì)占70%,表明土壤中硒主要為難溶態(tài),即硒主要以穩(wěn)定形式賦存于土壤中[6]。分析結(jié)果還顯示,碳酸鹽巖結(jié)合態(tài)硒平均含量是鐵錳結(jié)合態(tài)的2.6倍,這與Se的特高背景區(qū)位于震旦系碳酸鹽巖成土母質(zhì)區(qū)的特點(diǎn)相一致。

表4 宜城評價(jià)區(qū)土壤中各相態(tài)硒含量統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of each phase selenium content in the soil of Yicheng evaluation area 單位:ng/g

6 土壤中硒元素遷移規(guī)律解析

綜上所述,評價(jià)區(qū)土壤中硒元素具備以下三個特征:

(1) 硒元素在地表富集,深部貧化;

(2) 硒的(極)高背景區(qū)位于評價(jià)區(qū)西南端震旦系碳酸鹽巖地層中;

(3) 硒元素主要以穩(wěn)定的形式賦存于土壤中,且碳酸鹽結(jié)合態(tài)的硒高于鐵錳結(jié)合態(tài)的硒。

結(jié)合本地區(qū)的地貌特征——西高東低,可以從空間上對硒的來源作出推測(圖4):西部地勢較高的碳酸鹽巖系提供了富硒物質(zhì),自西向東的蠻河為富硒物質(zhì)遷移提供了搬運(yùn)力。據(jù)宜城縣土壤圖記載,璞河一帶在20世紀(jì)80年代之前曾為一處與蠻河聯(lián)通的水庫(綠色區(qū)域),為硒元素提供了富集的空間位置。河流長期反復(fù)沉積、淋濾作用在蠻河與漢江的河流交匯部位形成了特定的物理化學(xué)環(huán)境,為硒元素就地富集提供了一處地球化學(xué)障,人類長期的耕作活動為硒元素在表層土壤中的活化富集起到了促進(jìn)作用。

圖4 宜城評價(jià)區(qū)硒元素遷移路線推測圖Fig.4 Speculating diagran of migration route of Se element in Yicheng evaluation area1.震旦系上統(tǒng)燈影組白云巖、含燧石條帶白云巖;2.震旦系下統(tǒng)陡山沱組含磷薄層白云巖夾磷塊巖;3.硒元素地球化學(xué)高背景區(qū);4.硒元素遷移路線。

7 結(jié)論與建議

(1) 研究區(qū)富硒異常為第四系全新統(tǒng)沖積物Se的富集所致,富硒物質(zhì)系富硒巖層風(fēng)化產(chǎn)物在河流搬運(yùn)作用下,于特定的沉積環(huán)境、特定的物理化學(xué)條件(如pH、Eh等)下沉積、富集而成。

(2) 研究區(qū)富硒土壤處于漢江流域、漢江與蠻河的交匯部位,對富硒土壤是源自漢水沖積物還是其支流蠻河沖積物存在異議。多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查成果顯示,在宜城市西南部、蠻河中下游雷河鎮(zhèn)一帶地區(qū)也發(fā)現(xiàn)有60多平方千米的富硒土壤異常,異常區(qū)與本次調(diào)查區(qū)域位置相鄰,地質(zhì)地理環(huán)境非常相似,因此,可以初步得出結(jié)論,研究區(qū)內(nèi)富硒土壤應(yīng)該源自蠻河流域的河流沖積物。

(3) 因本次調(diào)查工作范圍的限制,震旦系地層只在工區(qū)西南角有零星出露,評價(jià)工作并未對該層位的基巖作相關(guān)的化學(xué)分析,對其作出富硒物質(zhì)來源的推理,主要是根據(jù)該層位基巖風(fēng)化產(chǎn)物——石灰土中Se元素平均含量高達(dá)0.35 mg/kg,單樣點(diǎn)的最高含量為2.25 mg/kg的特征得出。建議加強(qiáng)對該區(qū)域震旦系、寒武系等地層的研究,追根溯源,從長遠(yuǎn)角度可持續(xù)利用其富硒資源。

參考文獻(xiàn)：

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