恩施州宣恩地區(qū)富硒土壤硒含量特征及影響因素研究

鄒 輝, 王 卉, 段碧輝, 王天一, 潘 飛

(湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院,湖北 武漢 430034)

硒(Se)是自然界一種微量元素,是人體和動物必需的重要元素之一,具有增強免疫力、抗癌、拮抗有害重金屬等作用[1]。根據(jù)1∶50萬《恩施州硒資源與生態(tài)農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查》結(jié)果,宣恩縣(除個別區(qū)域外)表層土壤硒元素含量值均在0.4～3 mg·kg-1,土壤硒資源潛力巨大[2]。筆者在參與“湖北省宣恩縣土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查項目”工作時,在宣恩縣萬寨鄉(xiāng)、珠山鎮(zhèn)、椒園鎮(zhèn)一帶發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)富硒土壤區(qū)域,并對其表、深層土壤的硒含量特征、有效性、形態(tài)和土地環(huán)境質(zhì)量等進行了初步總結(jié)。本研究以此為基礎(chǔ),經(jīng)過系統(tǒng)的取樣分析,對富硒區(qū)域土壤硒含量征及其影響因素進行了重點探討,以期為當(dāng)?shù)亻_發(fā)利用富硒土壤資源提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)背景

宣恩縣地處鄂西南,位于恩施土家族苗族自治州南部。本次的研究區(qū)范圍為宣恩縣萬寨鄉(xiāng)、珠山鎮(zhèn)、椒園鎮(zhèn),總面積529 km2(圖1)。研究區(qū)地貌以中低山為主,大地構(gòu)造處于上揚子臺坪八面山臺褶帶北東緣。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育沉積型地層,由老—新依次為奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、白堊系。其中三疊系出露面積最廣,為巴東組、嘉陵江組和大冶組,巖性以砂巖、頁巖、白云巖為主,約占全區(qū)總面積的80%;富硒地層主要為二疊系地層,包括龍?zhí)?、下窯、大隆組并層、茅口孤峰組并層、梁山棲霞組并層,巖性以硅質(zhì)巖、頁巖、灰?guī)r為主,主要分布在研究區(qū)椒園鎮(zhèn)的中部和珠山鎮(zhèn)的南部,萬寨鄉(xiāng)西部有少量分布,占全區(qū)總面積約10%,巖性主要為炭質(zhì)頁巖、灰?guī)r和硅質(zhì)巖。研究區(qū)分布的土壤類型有水稻土、潮土、石灰土、紫色土、黃壤、黃棕壤六種土類,其中黃棕壤和黃壤在全區(qū)分布最為廣泛,二者面積約占全區(qū)的75%。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Sketch map of geographical location of the study area

2 樣品采集與分析測試

土壤樣品按照土地利用圖斑+網(wǎng)格布設(shè),每平方千米平均采樣4件,由3～5個點采集0～20 cm 表層土壤組合而成,共采集2 159件樣品。土壤垂直剖面樣品布設(shè)綜合考慮土壤地質(zhì)背景并結(jié)合土地利用,按土壤發(fā)生層次采集,采集土壤垂向剖面6條。巖石樣品共采集57件,樣品由50 m點距范圍內(nèi)3～5個同一種類巖石子樣組合而成,樣品重量不低于500 g。

樣品分析測試由具有國家級資質(zhì)認(rèn)證的湖北省地質(zhì)實驗測試中心承擔(dān)。巖石、土壤全硒采用原子熒光光譜法測定,pH采用電位法測定,有機質(zhì)、氮采用容量法測定,錳、氧化鎂、氧化鈣、氧化鈉采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定,磷、氧化鋁、氧化鐵、氧化鉀采用X射線熒光光譜法測定,硫采用燃燒-碘量法測定。樣品分析準(zhǔn)確度和精密度等質(zhì)量要求按中國地質(zhì)調(diào)查局《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T0258—2014)、《生態(tài)地球化學(xué)評價樣品分析技術(shù)要求》(DD2005—03)等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

3 土壤硒地球化學(xué)特征

3.1 土壤硒含量特征

目前,國內(nèi)對于富硒土壤尚無統(tǒng)一的行業(yè)和國家標(biāo)準(zhǔn),不同省份和地區(qū)硒元素含量差別較大。本次研究采用李家熙提出的富硒土壤劃分方案,即土壤硒含量≥0.4 mg·kg-1為富硒土壤[3]。

對研究區(qū)2 159件表層土壤樣品進行分析,統(tǒng)計結(jié)果見表1。研究區(qū)土壤硒含量平均值0.665 mg·kg-1,遠(yuǎn)高于恩施州土壤硒背景值,也大幅超過中國表層土壤(A層)硒含量均值0.29 mg·kg-1[4],含量變化范圍為0.103～10.800 mg·kg-1,變異系數(shù)為1.1407,起伏變化較大,空間差異明顯。2 159件土壤樣品w(Se)區(qū)間統(tǒng)計直方圖見圖2,大部分樣品的w(Se)高于0.20 mg·kg-1,其中1 568件樣品達(dá)到富硒土壤標(biāo)準(zhǔn)。

表1 研究區(qū)表層土壤硒含量參數(shù)(單位:mg·kg -1)Table 1 Selenium content parameters of surface soil in study area

3.2 不同成土母質(zhì)硒元素含量特征

通常認(rèn)為土壤硒含量與成土母質(zhì)或地質(zhì)背景密切相關(guān),而恩施地區(qū)豐富的富硒巖石和煤層,是富硒土壤形成的重要條件。本研究統(tǒng)計了研究區(qū)內(nèi)不同成土母質(zhì)土壤硒含量水平見表2。

從土壤硒含量均值來看,除了三疊系巴東組(0.322 mg·kg-1)發(fā)育土壤硒含量水平較低外,其余地層土壤硒含量均>0.4 mg·kg-1,其中龍?zhí)?、下窯、大隆組并層最高,土壤硒含量均值達(dá)到1.853 mg·kg-1,茅口孤峰組并層次之,巴東組土壤硒含量水平最低。綜合來看,研究區(qū)富硒地層和非富硒地層發(fā)育的土壤硒含量水平均較高,因此其硒來源不僅受控于成土母質(zhì),也與母巖在風(fēng)化和成土過程中造成硒的不斷遷移、淋失和富集有關(guān)。

圖2 研究區(qū)表層土壤w(Se)頻數(shù)分布圖Fig.2 w(Se) frequency distribution of surface soil in the study area

表2 研究區(qū)不同成土母質(zhì)土壤硒含量參數(shù)(單位:mg·kg -1)Table 2 Selenium content parameter of soils with different parent materials in the study area

地層名稱樣本數(shù)平均值最大值最小值巴東組5370.3220.560.10嘉陵江組6170.550.940.19大冶組4750.5570.920.19龍?zhí)?、下窯、大隆組并層681.85310.800.24茅口孤峰組并層790.8431.590.31梁山棲霞組并層990.7361.190.31黃龍大埔組并層130.7061.010.29云臺觀寫經(jīng)寺組并層390.6111.080.32紗帽組670.5940.880.29羅惹坪組1070.5891.020.17龍馬溪組420.6150.920.27寶塔組70.6361.060.21南津關(guān)—牯牛潭組并層80.6791.500.47

3.3 不同土壤類型硒元素含量特征

表層土壤硒含量除與成土母質(zhì)有關(guān)外,還與氣候、地形、土壤質(zhì)地等有關(guān)。本研究統(tǒng)計了區(qū)內(nèi)不同土壤類型土壤硒含量水平見表3。

可以看出,硒在不同類型土壤中的分布主要受到成土母質(zhì)的影響。區(qū)內(nèi)紫砂土硒含量較低,均低于0.40 mg·kg-1,其母巖是巴東組紫紅色砂巖,黃壤、黃棕壤硒含量水平較高,其母巖主要是研究區(qū)富硒地層二疊系和三疊系的頁巖、灰?guī)r。

3.4 土壤硒含量的垂向變化特征

王美珠等對中國一些主要土壤含硒量的分析測定表明[5],由于生物積累作用和淋溶作用相對強弱的差別,硒在土壤剖面中的分布可歸結(jié)為3種形式:①上高下低,生物積累大于淋溶作用;②上低下高,生物積累小于淋溶作用;③上下相近,生物積累等于淋溶作用。

表3 研究區(qū)不同土壤類型硒含量參數(shù)(mg·kg-1)Table 3 Selenium content parameters of different soil types in the study area

為厘清土壤硒與成土母質(zhì)之間的關(guān)系,查明硒從母質(zhì)層至表層的含量變化特征,在研究區(qū)內(nèi)依據(jù)不同成土母質(zhì)布設(shè)了6個典型的土壤剖面,硒含量隨深度變化曲線見圖3。

由圖可知,6條剖面的土壤硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)出表聚性的特征,即表層土壤具有相對較高的硒質(zhì)量分?jǐn)?shù);其中剖面XECP01、XECP04、XECP06表現(xiàn)為上高下低型,說明生物積累作用較強;剖面XECP02、XECP04、XECP05表現(xiàn)為上下高中間低的特征,表明硒的表聚性外,在剖面深部也相對富集,即表層生物積累作用與淋溶作用強度相當(dāng)。

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

4 區(qū)內(nèi)富硒土壤形成影響因素分析

前人對于土壤硒含量的影響因素已有諸多的研究[6],富硒土壤的形成,很大程度取決于成土母質(zhì)(母巖)類型,而土壤質(zhì)地、pH值、有機質(zhì)也會對土壤中的硒含量產(chǎn)生影響。因此,本研究主要針對影響土壤硒含量水平的因素進行討論。

4.1 成土母巖

前人研究表明高硒土壤主要來源于富硒巖石和煤系地層,而恩施地區(qū)巖石中的較高的硒含量,是高硒土壤形成的重要條件[7]。筆者在研究區(qū)共采集了不同地質(zhì)時代的巖石樣品57件,對不同地層單元巖石中硒含量進行了分析,分析結(jié)果(表4)表明:元素硒普遍存在于各類巖石,其含量卻與巖石的形成時代和巖性密切相關(guān)。在各個時代形成的巖石當(dāng)中,二疊系地層所賦存的硒含量最高,富硒巖石主要為硅質(zhì)巖和頁巖,其中龍?zhí)?、下窯、大隆組并層硅質(zhì)巖硒含量達(dá)到10.680 mg·kg-1,其次為茅口孤峰組并中的頁巖,硒含量為2.052 mg·kg-1,三疊系嘉陵江組中的灰?guī)r硒含量也較高,其余時代地層硒含量均<0.1 mg·kg-1。此外區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖石地層中,二疊系和三疊系出露面積占總區(qū)的70%左右。由此可見,研究區(qū)二疊系和三疊系中含硒量較高的硅質(zhì)巖、頁巖和灰?guī)r是區(qū)內(nèi)土壤中硒的主要來源之一,而硒經(jīng)過母質(zhì)風(fēng)化和成土過程中不斷遷移,形成了宣恩地區(qū)大面積的富硒土壤。

4.2 土壤性質(zhì)和組分

表4 不同時代地層巖石中硒含量特征Table 4 Characteristics of selenium content in strata of different ages

表5 研究區(qū)表層土壤硒含量與pH及其他元素含量間的相關(guān)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(雙側(cè))上顯著相關(guān);*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

研究區(qū)土壤硒與OrgC有顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.01),將土壤類型作為統(tǒng)計單元,土壤Se含量與有機碳做相關(guān)關(guān)系圖(圖4所示),不同類型土壤中有機碳與土壤硒呈明顯的正相關(guān)關(guān)系,且有機碳與硒均可擬合為一條較好的直線。前人研究表明[10],有機質(zhì)對硒具有一定的吸附和固定作用,硒能夠以腐殖質(zhì)締合的形態(tài)存在并在土壤中固定下來 。但是當(dāng)土壤中有機質(zhì)含量較高時,有機質(zhì)會通過靜電吸附大量硒,抑制硒向植物遷移,從而導(dǎo)致硒的生物有效性下降。

硒與P(p<0.01)、S(p<0.01)、和N(p<0.01)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。研究表明,土壤中P多數(shù)以磷灰石形式存在,而磷灰石主要吸附 Se4+,而幾乎不吸收 Se6+,說明研究區(qū)內(nèi)土壤中的硒主要以亞硒酸鹽形式存在。硒屬于親硫元素,與硫具有相似的地球化學(xué)性質(zhì),因此兩者相關(guān)性顯著。硒與Al(p<0.01)、Na(p<0.01)和K(p<0.01)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究表明,Se和 Al地球化學(xué)來源不同,前者屬于親硫元素,后者屬于親石元素,因而在含量上互為消長[11];硒與Na、K也存在顯著相關(guān),但相關(guān)系數(shù)較低。

5 結(jié)論

(1) 研究區(qū)內(nèi)的土壤硒含量水平較高,均值0.665 mg·kg-1,遠(yuǎn)高于恩施州土壤硒背景值,總體達(dá)富硒水平。

(2) 地質(zhì)背景對土壤硒含量有控制作用 。二疊系與三疊系地層分布區(qū)的土壤硒含量都明顯高于其他地質(zhì)背景區(qū),這多與這些地層中含硒量較高的硅質(zhì)巖、頁巖和灰?guī)r有關(guān)。

(3) 土壤中有機碳、N、P、Al與硒含量具有明顯的相關(guān)性,反映了區(qū)內(nèi)硒的多因素富集特征。其中有機質(zhì)對硒含量影響較大,表現(xiàn)為對硒的吸附與固定作用;此外研究區(qū)大面積酸性土壤也是土壤中硒易累積的重要因素。