浙江建德市永久基本農田示范區(qū)硒元素分布規(guī)律及其來源

劉 健，汪一凡，林鐘揚，潘少軍，向 宇

（浙江省地質調查院，浙江·杭州 311203）

近年來，硒元素（Se）對于植物以及人體的有效性逐漸得到重視，越來越多的富硒土壤被發(fā)現和利用[1]。硒在我國分布十分不均衡，富硒地區(qū)和貧硒地區(qū)同時存在[2]。我國土壤中硒的含量除中南、華東地區(qū)以外，華北、西北、西南、東北地區(qū)表層土壤硒含量均低于全國平均水平[3]。對于華東地區(qū)的浙江省，以往曾對其西部龍游地區(qū)進行過硒的研究[4]，其他地區(qū)研究則較少。

筆者在毗鄰浙江省龍游縣的建德地區(qū)開展1:50 000土地質量地球化學調查項目中，在建德市永久基本農田示范區(qū)中圈定了富硒土壤，分析了土壤硒含量、空間分布特征及其來源，以期為今后土壤硒的進一步研究提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

建德市位于杭州市西部，錢塘江上游，地理坐標：北緯 29°12'20"～29°46'27"、 東 經 118°53'46"～119°45'51"。該 區(qū)地處浙西丘陵山地和金衢盆地毗連處，地表以分割破碎的低山丘陵為特色，大部分地區(qū)地質構造屬錢塘江凹槽帶，山嶺屬天目山、千里崗和龍門山系，山脈大致呈北東向西南走向。整個地勢為西北和東南兩邊高、中間低，自西南向東北傾斜。水系由周邊向中間匯集，主要河流由西南流向東北，與山脈走向基本一致。

該區(qū)地處江山—紹興拼合帶北西側，隸屬于揚子地層區(qū)，主要出露地層為古生界寒武系、奧陶系、志留系及中生界白堊系。區(qū)內構造巖漿活動較強烈，形成一系列北東向線型褶皺和脆性斷裂。在研究區(qū)北部，出露巖漿巖侵入體，在南部，巖漿噴出地表，形成火山洼地構造。

建德市境內土壤有紅壤、黃壤、紫色土、石灰（巖）土、粗骨土、潮土和水稻土7種類型。土地總面積約2 321 km2，其中耕地約265 km2，永久基本農田示范區(qū)劃定面積約81 km2。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2017年，在研究區(qū)開展了1:50 000土地質量地球化學調查，采用網格化布點，平均控制密度約為12件/km2，采集半徑20 m范圍內0～20 cm的5坑組合樣品，去除碎石、雜物后，原始樣重≥1 000 g。采樣注重代表性、均勻性和控制性，避開人為污染、施肥和近期堆積土。樣品在充分自然風干、揉碎后，用20目篩過篩后，送實驗室200 g，副樣保留500 g。

農產品按1件/km2密度，采集半徑20～50 m范圍內主要農作物，以對角線或梅花形采集10～20株代表性農作物的可食部分，重量≥500 g，農作物樣品采集后直接送實驗室處理分析。

全區(qū)實際完成調查面積約81 km2，采集表層土壤1 001件，其中重復樣29件，稻谷樣30件，蓮子樣10件。

2.2 樣品分析

土壤、農產品樣品中多項指標的分析測定，由自然資源部杭州礦產資源監(jiān)督監(jiān)測中心完成。土壤中Se元素采用氫化物發(fā)生—原子熒光光譜法（HG-AFS）測定，農作物中Se采用原子熒光光譜法測定。兩類樣品分別以國家一級土壤標準物質GSS系列和GBW系列進行準確度、精密度監(jiān)控。以3%以上的重復樣和5%以上的重復分析來評定采樣和分析誤差，隨機抽查異常點監(jiān)控分析質量，確保了數據分析質量和全國范圍的可比性。

2.3 數據處理

采用中國地質調查局發(fā)展研究中心開發(fā)的“土地質量地球化學調查與評價數據管理與維護（應用）子系統(tǒng)”及ArcGIS軟件相結合，分析統(tǒng)計土壤、農產品樣品中化學組分含量數據及地球化學參數（平均值、標準差等），并編制地球化學圖件和評價圖件。利用土壤和作物中硒元素的含量及相關地球化學特征，揭示硒元素在土壤－農作物系統(tǒng)中的遷移和富集情況，從而圈定富硒土壤和優(yōu)選特色農作物，為富硒農業(yè)的發(fā)展規(guī)劃提供科學依據。

3 硒元素的含量及分布特征

3.1 硒的空間分布特征

研究區(qū)表層土壤硒含量介于0.10-4.08 mg/kg，平均值為0.34 mg/kg，變異系數為0.68，丘陵區(qū)、平原區(qū)差別顯著。高背景區(qū)集中分布在李家鎮(zhèn)、大同鎮(zhèn)、乾潭鎮(zhèn)東部、大慈巖鎮(zhèn)南部等地區(qū)，低背景區(qū)主要分布在蓮花鎮(zhèn)、楊村橋鎮(zhèn)、三都鎮(zhèn)、下涯鎮(zhèn)北部、梅城鎮(zhèn)東南部等地區(qū)。就背景平均值而言，李家鎮(zhèn)土壤硒含量最高，平均值達0.72 mg/kg；其次為大同鎮(zhèn)、乾潭鎮(zhèn)，平均值分別為0.43 mg/kg、0.44 mg/kg；航頭鎮(zhèn)、大慈巖鎮(zhèn)硒含量分別為0.35 mg/kg、0.37 mg/kg，均高于浙西地區(qū)平均值；蓮花鎮(zhèn)硒含量最低，為0.16 mg/kg；其他地區(qū)介于0.21-0.27 mg/kg，相差不大。具體數據參見表1。

表1 研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)表層土壤硒含量參數統(tǒng)計Table 1 Parameter statistics of selenium content in surface soil of villages and towns in the study area

以富硒標準（含量介于0.4～3.0 mg/kg）[5]在建德市永久基本農田示范區(qū)圈定了富硒土壤約19.28 km2，占評價區(qū)面積的21.33%（圖1），主要分布在李家鎮(zhèn)、大同鎮(zhèn)、乾潭鎮(zhèn)，另外航頭鎮(zhèn)、大慈巖鎮(zhèn)有少量分布，僅在乾潭鎮(zhèn)安仁村東北部個別地塊中硒含量過剩，經調查走訪，硒含量過?？赡芘c當地富硒肥的過量使用有關。參照國標《富硒稻谷》（GBT 22499-2008）[6]，在富硒土壤區(qū)采集的稻谷樣中硒含量全部大于富硒稻谷下限值0.04 mg/kg，即稻谷富硒率達100%，表明建德市永久基本農田示范區(qū)富硒土壤的生物有效性高，適合做富硒農產品開發(fā)。另外，在建德市里葉村、雙泉村一帶富硒土壤區(qū)采集的白蓮樣品也全部富硒，說明建德市大慈巖鎮(zhèn)里葉村、雙泉村富硒土壤區(qū)適合做富硒白蓮開發(fā)。

圖1 研究區(qū)表層土壤全硒評價圖Fig.1 Evaluation chart of total selenium in surface soil of the study area

通過研究區(qū)地質圖與富硒評價圖的對比可看出，區(qū)內富硒土壤分布區(qū)大多與古生界地層，特別是寒武系及奧陶系碳酸鹽巖及泥質巖出露區(qū)吻合性較好，另外，在大同鎮(zhèn)，富硒土壤區(qū)與白堊系泥質粉砂巖出露區(qū)較吻合。在乾潭鎮(zhèn)北部，出露寒武系荷塘組、華嚴寺組、西陽山組、楊柳崗組，巖性主要為炭質頁巖、鈣質泥巖、灰?guī)r、泥質粉砂巖等。李家鎮(zhèn)南東部，主要出露寒武系西陽山組，奧陶系寧國組、胡樂組、印渚埠組等，巖性主要為炭質頁巖、泥質粉砂巖、泥質灰?guī)r等。

研究區(qū)硒元素含量從丘陵向平原區(qū)有逐漸升高的趨勢。從地質背景來看，寒武系、奧陶系成土母巖中硒元素含量明顯高于其他母巖，反映出區(qū)內硒元素分布特征與成土母巖關系密切，前面提到的大同鎮(zhèn)泥質粉砂巖富硒區(qū)可能與山坡上出露的寒武系、奧陶系母巖有關，區(qū)內具有富硒特色土壤分布的優(yōu)越基礎和條件。

3.2 不同土壤類型中硒的分布特征

數據統(tǒng)計表明，建德市土壤中硒元素含量受土壤類型影響較大。石灰?guī)r土中硒元素含量平均值最高，達0.58 mg/kg，粗骨土、紅壤、水稻土、紫色土中硒元素含量相對較低，且平均值接近，均小于全市平均值（0.34 mg/kg）。石灰?guī)r土中，硒元素含量標準離差較大，說明其含量波動較大，受土壤類型以外的其他客觀因素影響較大。統(tǒng)計數據參見表2。

3.3 硒在農產品中不同部位的分布特征

硒元素在農產品中的分布并不是均勻的，不同部位硒元素的含量差別較大。本次工作在富硒土壤區(qū)系統(tǒng)采集了15套稻谷的根、莖、葉、籽實樣品，分別對稻谷的不同部位進行分析。從曲線圖上（圖2）可知，各部位的硒元素含量具有根＞葉＞莖≈籽實的特征，說明土壤中的硒元素在向農作物轉移過程中，有相當大部分硒富集在稻谷的根部和葉片上，到達可食部分的硒含量較少。因此，要培育出富硒農產品，土壤的硒含量必須滿足一定的含量水平。

表2 研究區(qū)不同土壤類型中硒含量參數統(tǒng)計Table 2 Statistics of selenium content parameters in different soil types in the study area

圖2 硒在稻谷不同部位的分布特征Fig.2 Distribution characteristics of selenium in different parts of rice

4 影響土壤硒元素含量的主要因素

土壤pH值被認為是控制土壤硒元素生物可利用性的主要因素之一，進而能夠影響硒的傳輸以及作物中硒的含量。對研究區(qū)表層土壤pH值按0.1等間隔劃分為41組，分別計算各組內全量硒的平均值（表3），再對兩者進行相關分析（圖3）。

表3 研究區(qū)硒元素含量分段統(tǒng)計表Table 3 Subsection statistical table of selenium content in the study area

結果顯示，建德市表層土壤pH值與全量硒呈一定的相關性。當pH＜7，土壤中全量Se含量隨pH值增大而增大，當pH＞7，相關性不明顯，但Se含量整體有下降趨勢。

圖3 研究區(qū)土壤pH值與全量硒相關關系圖Fig.3 Correlation between soil pH value and total selenium in the study area

土壤有機質與微量元素的相互作用主要為離子的交換吸附和絡合作用。浙江省嘉興地區(qū)已有調查結果顯示，有機質與土壤全量硒呈正相關。建德市永久基本農田示范區(qū)表層土壤有機質與全量硒含量大致呈正相關關系（圖4），表明該地區(qū)土壤中的有機質對母巖風化物中的硒元素具有強烈的吸附和固定作用。

因此，在進行富硒土壤開發(fā)過程中，土壤pH值及有機質含量兩因素必須進行充分的考慮。

圖4 研究區(qū)土壤有機質與全量硒相關關系圖Fig.4 Correlation between soil organic matter and total selenium in the study area

5 硒元素的來源初探

硒是分散元素，在地殼中，一般和金屬硫化物伴生，巖石中的硒不能被作物吸收。經過風化、物理、化學、微生物等作用，巖石中的硒被轉化成化合物，被沖刷進土壤，以各種形態(tài)存在于其中[7]，而土壤表層硒則主要是母質風化和植物富集的結果。

自然界中巖石經過風化和各種侵蝕作用形成巖石風化物和各種堆積物，構成成土母質層。母質層進一步經歷風化淋溶作用，其原生礦物部分被分解淋失，部分發(fā)生重組，形成新的礦物，經成土作用，最終成土母質組分保留在土壤中。由此可見，土壤繼承了成土母質組分，成土母質元素組成決定了土壤元素組成及其含量特征。土壤的形成是地殼表面的巖石（母巖）經風化后而形成具有一定剖面形態(tài)和肥力特征的土壤的過程，是一個綜合性的過程，歷經原始成土、有機質積聚、富鋁化、鈣化、鹽化、堿化、灰化和潛育化等過程。巖石形態(tài)的變化導致其中的元素含量隨之而變化，在各土壤層位之間形成相對固定的組分特征。

建德市永久基本農田示范區(qū)土壤剖面調查顯示，古生界沉積巖區(qū)剖面各層位土壤中硒元素含量較高，相對較高的兩個剖面為JDP06和JDP12，耕作層硒含量分別為0.69 mg/kg、0.58 mg/kg，兩者所對應的母巖均為古生界的灰?guī)r（碳酸鹽巖）分布區(qū)，由此可見，古生界灰?guī)r中硒的含量較高。從表4中還可看出，土壤中硒含量總體上由深層至淺層呈逐漸升高的趨勢，表明在成土過程中硒元素在有機質、鐵氧化物等作用下，逐步向表層土壤富集，形成富硒土壤。

表4 土壤剖面中硒元素含量特征Table 4 Selenium content characteristics in soil profile

建德市主要巖石類型有鈣質泥巖、泥質頁巖、砂巖、碳酸鹽巖、花崗巖、火山巖等，各種巖石類型中元素含量有所差別，導致其土壤母質層（風化物）中元素含量不同（表5）。有研究者指出，浙江省天然富硒土壤的成因類型主要有四種，即火山巖型、石煤型、燃煤型和湖沼型，且泥質灰?guī)r、白云質灰?guī)r等殘坡積物中硒含量較高[8]。

表5 不同巖石風化物中的硒元素含量特征[9] Table 5 Selenium content characteristics in weathering materials of different rocks

由表5可知，碳酸鹽巖風化物中硒含量最高，平均值達0.38 mg/kg，其次為泥質巖類風化物，平均值為0.3 mg/kg，說明碳酸鹽巖類風化物和泥質巖類風化物形成的土壤中硒含量也較高，與上文指出的硒元素分布特征相一致，亦即建德市永久基本農田示范區(qū)硒元素含量與成土母質關系密切。該結論與以往研究成果較一致[8,10-12]。

由上述初步分析可知，研究區(qū)土壤中硒元素主要來源于區(qū)內古生界碳酸鹽巖及泥質巖，由于元素含量的繼承性，巖石風化后所形成的土壤中硒元素含量自然也相對較高。表2中顯示，石灰?guī)r土中硒元素含量比其他類型土壤的硒元素含量高，也證明了本研究區(qū)硒元素含量與碳酸鹽巖關系較為密切。研究區(qū)李家鎮(zhèn)、大同鎮(zhèn)、乾潭鎮(zhèn)都分布一定面積的古生界碳酸鹽巖及泥質巖，因此這些地區(qū)的土壤中硒元素比其他地區(qū)要高，同時由于農田保護措施較好，硒元素較少流失，從而形成了一定面積的富硒土壤。

5 結語

（1）建德市永久基本農田示范區(qū)表層土壤硒含量介于0.10-4.08 mg/kg，平均值為0.34 mg/kg，變異系數為0.68。富硒土壤分布范圍與區(qū)內古生界碳酸鹽巖及泥質巖出露范圍較吻合，說明硒元素主要來源于區(qū)內古生界碳酸鹽巖及泥質巖。土壤硒元素含量與其有機質含量呈正相關，且當土壤pH＜7時，土壤中硒元素含量與其pH值呈正相關。

（2）通過硒元素的評價，在建德市永久基本農田示范區(qū)發(fā)現了富硒土壤，特別是在李家鎮(zhèn)、大同鎮(zhèn)出現了連片的富硒地塊。建議建德市可根據自身特點，在基本農田保護政策的指導下，制定建德市富硒土地開發(fā)利用規(guī)劃，以圈定的富硒地塊為依據，以農業(yè)合作社或家庭農場為單元，以農產品加工企業(yè)為龍頭，實施富硒農產品開發(fā)計劃。從試驗田做起，通過富硒農產品的開發(fā)示范工作，樹立樣板、總結經驗，逐步擴大規(guī)模。

（3）根據富硒土壤分布及成因特征，可以試點建設“大同鎮(zhèn)富硒大米糧食生產功能區(qū)”、“大慈巖鎮(zhèn)富硒白蓮園區(qū)”。大同鎮(zhèn)為建德市的農業(yè)大鎮(zhèn)，基本農田大多集中連片，交通便利，便于統(tǒng)一規(guī)劃與管理。區(qū)內土壤以清潔—輕微污染為主，質量較高，建議以目前的種植規(guī)模為基礎，整合當地資源優(yōu)勢，建成富硒大米糧食生產功能區(qū)，以“富硒”大米為品牌特征，提升建德市的大米品質。大慈巖鎮(zhèn)地理環(huán)境優(yōu)美，土壤肥沃、陽光充足、水資源豐富，適宜蓮子的生長，近年來白蓮種植規(guī)模大，形成了“十里荷花”的景觀。區(qū)內便利的交通條件、天然的富硒資源、適宜的土壤結構、多樣的礦物元素、充沛的水資源條件等，為白蓮的產業(yè)發(fā)展提供了充分的物質基礎。由于地層中賦含充足的硒元素，可以此為亮點，提升建德市蓮子品質，為當地農業(yè)服務。

（4）本文僅從不同介質中硒元素的含量相關性方面簡要分析了研究區(qū)硒元素的來源，對于硒元素更深層次的來源、硒元素活化遷移機制、硒元素地質與地球化學演化模式等方面，本文并未涉及，這將有待于地質學、土壤學、元素與同位素地球化學等多學科的密切交叉，從本質上揭示硒元素的分布與演化特征，提出普遍適用的模型，服務于農業(yè)生產。