江西信豐油山地區(qū)土壤硒及重金屬元素地球化學(xué)特征

王運(yùn)　鄒勇軍　王鶴　汪成缽

摘要： 為研究江西信豐油山地區(qū)綠色富硒土壤的分布特征，進(jìn)一步指導(dǎo)當(dāng)?shù)馗N，提高農(nóng)作物質(zhì)量，通過在油山地區(qū)采集1 277件表層土壤樣，選取典型土壤橫向和縱向剖面，研究該區(qū)土壤Se及重金屬元素的地球化學(xué)特征。油山地區(qū)綠色富硒土壤主要分布于西部震旦系;橫向上，沿河水流動(dòng)方向，土壤中的Se、As、Cr、Ni和Cu含量逐漸降低，Se與As、Cr、Ni、Cu呈顯著正相關(guān);垂向上，土壤中的Se與重金屬元素在地表富集，Se僅與As呈顯著正相關(guān);土壤Se與重金屬元素來源于震旦紀(jì)壩里組黑色碳質(zhì)板巖，隨水共同遷移，富集于母巖近區(qū)及河流匯集區(qū)。

關(guān)鍵詞： 土壤地球化學(xué);硒;重金屬元素;江西油山

中圖分類號(hào)：X142;P595

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-1871（2019）02-152-09

Se被稱為“長壽元素”，是人體健康必需的微量元素之一[1]。土壤中的Se與重金屬元素之間具有一定的伴生關(guān)系[2-4]。目前，國內(nèi)外均有富硒農(nóng)田遭受重金屬污染的報(bào)道[1，5-6]。江西省信豐縣油山地區(qū)土壤中部分重金屬元素含量明顯高于中國土壤背景值，存在富硒土壤被重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。為此，本文選取富硒面積較大的信豐縣油山地區(qū)作為研究區(qū)，采集1 277件表層土壤樣，并選取典型土壤橫向和縱向剖面進(jìn)行研究，圈定綠色富硒土壤區(qū)，以指導(dǎo)當(dāng)?shù)馗N，提高農(nóng)作物質(zhì)量。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于贛南信豐縣西北部，包括油山鎮(zhèn)南部地區(qū)和大阿鎮(zhèn)西部地區(qū)，總面積為152 km2，地勢四周高、中間低，呈盆地地形，海拔為200～400 m。全區(qū)地貌可劃分為低山、丘陵和平原3種類型，丘陵分布面積最大，約占全區(qū)面積的70%，山谷間發(fā)育河流沉積物。區(qū)內(nèi)無工礦企業(yè)，以農(nóng)業(yè)為主，主產(chǎn)水稻，經(jīng)濟(jì)作物主要有臍橙、花生、半夏和煙葉等。研究區(qū)土地利用類型主要有水田、旱地、果園和林地等。西部以林地為主，種植杉樹、松樹、竹子和山茶;中部以果園為主，種植臍橙和獼猴桃;東部以水田為主，種植水稻、半夏和煙葉。

研究區(qū)出露的地層主要有震旦紀(jì)壩里組和老虎塘組，主要為灰黑色長石石英細(xì)砂巖、黑色碳質(zhì)板巖;寒武紀(jì)牛角河組，主要為灰黑色高碳質(zhì)板巖（石煤層）、含碳硅質(zhì)巖和灰色長石石英砂巖;泥盆紀(jì)云山組、中棚組、三門灘組和嶂崠組，主要為石英質(zhì)礫巖、砂礫巖、石英砂巖、長石石英砂巖、巖屑長石石英砂巖及泥巖等;石炭紀(jì)梓山組和馬平組，主要為砂巖、頁巖及含碳頁巖等;白堊紀(jì)大鳳組、周田組、橫坑里組和窯前組，主要為紫紅色礫巖、砂巖、粉砂巖及頁巖等;第四紀(jì)全新世山背組和聯(lián)圩組，主要為砂礫層、細(xì)砂、粉砂黏土及亞黏土等（圖1）。該區(qū)主要有NE向、NNE向和NW向斷裂，其中NE向及NW向斷裂最為發(fā)育。

研究區(qū)地下水分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水和基巖裂隙水3類，其中基巖裂隙水分布面積最廣。地下水補(bǔ)給、逕流與排泄遵循山區(qū)基巖裂隙水補(bǔ)、逕、排規(guī)律，小型山間洼地范圍內(nèi)即可成為較完整的水文地質(zhì)單元，地表分水嶺與地下分水嶺大體一致，大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給源，逕流途徑短，在山前低洼處以泉或散滲形式排泄地表，逐步匯集成河，總體特點(diǎn)為“近地補(bǔ)給，短途逕流，洼地排泄”。地表河流密布，南部水系主要流入走馬壟水庫。

2 工作方法

2.1 樣品布設(shè)與采集

根據(jù)土地利用方式，結(jié)合最新的遙感影像，土壤樣品布設(shè)遵循代表性原則，避開公路和村莊等人為干預(yù)影響較大的區(qū)域，以1 km2為單位格子，再將1 km2格子分成4個(gè)小格子進(jìn)行網(wǎng)格化布點(diǎn)?；静蓸用芏葹?～16個(gè)點(diǎn)/km2，平均采樣密度為 8個(gè)點(diǎn)/km2。樣點(diǎn)主要分布在水田，采樣深度為 0～20 cm。

2.2 測試分析

土壤樣品分析測試在陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所完成。主要測試分析Se含量，重金屬元素Cd、As、Hg、Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量，有機(jī)質(zhì)含量和pH值，測試方法參見文獻(xiàn)[7-8]，檢出限見表1，方法檢出限、準(zhǔn)確度和精密度均達(dá)到或優(yōu)于規(guī)范要求。

3 土壤地球化學(xué)特征

3.1 土壤中各元素地球化學(xué)特征

油山地區(qū)1 277件表層土壤樣品的元素地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)，利用中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所開發(fā)的Gechem studio1.5.7軟件和SPSS 22.0軟件處理完成。

與全國土壤背景值[9]相比（表2），油山地區(qū)土壤中的有機(jī)質(zhì)、Cd、Cr背景值略高，而Se、As、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的背景值和pH值略低。與贛州市土壤地球化學(xué)背景值[10]相比，油山地區(qū)土壤中的有機(jī)質(zhì)、Cr、Cu、Ni背景值略高，而Se、As、Cd、Hg、Zn背景值和pH值略低。通過對比，發(fā)現(xiàn)該區(qū)土壤重金屬元素含量無明顯偏高，土壤質(zhì)量較好。土壤中各元素變異系數(shù)較大，表明元素分布不均勻，可能由于地質(zhì)背景、土地利用類型不同引起。

3.2 不同地質(zhì)單元土壤元素地球化學(xué)特征

不同的地質(zhì)背景決定了土壤中元素的富集與貧化[11]。對不同地層的1 277件土壤樣品進(jìn)行研究（表3），發(fā)現(xiàn)地層由老到新，土壤中As、Hg、Se、Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量逐漸減少，pH值逐漸升高，Cd含量變化不大，有機(jī)質(zhì)在白堊系土壤中含量最低。震旦系土壤中As、Hg、Se、Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量分別是全新統(tǒng)聯(lián)圩組土壤的3.44倍、1.14倍、1.68倍、1.38倍、1.73倍、1.73倍、1.23倍和1.28倍，故震旦系土壤Se及重金屬相對富集。

3.3 不同土地利用類型土壤元素地球化學(xué)特征

由表4可知，水田中的有機(jī)質(zhì)、Cd和Hg含量最高，而Se、As、Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量及pH值最低;旱地的pH值最高;果園有機(jī)質(zhì)含量最低;林地Se、As、Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量最高，Cd含量最低?？傮w看，水田、旱地、果園和林地土壤中的Se、As、Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量逐漸增高，Cd和Hg含量逐漸降低。

4 土壤剖面地球化學(xué)特征

水田是油山地區(qū)主要的土地利用類型，水田土壤各元素含量與水稻品質(zhì)有關(guān)。以水稻田土壤為例，研究土壤剖面Se及重金屬元素分布及含量特征。

4.1 橫向剖面元素地球化學(xué)特征

選取震旦紀(jì)壩里組和土壤清潔的山間盆地為研究對象，沿小河自上游至下游，從水稻田中依次采集土壤樣品16件（圖2）并進(jìn)行測試分析（表5），研究Se和重金屬元素的分布及遷移規(guī)律。

沿河水流動(dòng)方向（圖2），Se、As、Cr、Ni和Cu含量逐漸降低。當(dāng)河流一側(cè)有山谷沖積與河流沉積匯集時(shí)，Se、As、Cr、Ni和Cu含量略升高（樣品號(hào)為NXF098A1、NXF099A1、NXF100A1、NXF101B4和NXF124A2）;當(dāng)河流兩側(cè)均有山谷沖積與河流沉積匯集時(shí)，Se、As、Cr、Ni和Cu含量顯著升高（樣品號(hào)為NXF124D1）。有機(jī)質(zhì)含量、pH值、Hg、Cd、Zn和Pb含量則無明顯的變化規(guī)律。顯然，山谷沖積對河流沉積形成土壤的Se、As、Cr、Ni、Cu含量具有疊加效應(yīng)。

對土壤橫向剖面各元素進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表6和圖3?？芍?，Se與As、Cr、Ni、Cu呈顯著正相關(guān)，與Cd、Zn、Pb呈低正相關(guān)，與Hg無相關(guān)性。重金屬元素之間呈正相關(guān)，其中Cd與Ni、Zn呈顯著正相關(guān)，Cr與Ni、Cu、Pb呈顯著正相關(guān)。有機(jī)質(zhì)與Cd呈顯著正相關(guān)，與Hg、Pb、Cr、Se呈正相關(guān)，與As、pH值呈負(fù)相關(guān)。

4.2 垂向剖面元素地球化學(xué)特征

為研究各元素在水稻田土壤中的垂向分布特征，選擇上述橫向剖面中部位置的水稻田，施工1條垂向剖面，剖面深度為180 cm，共分7層（表7），土壤垂向剖面地球化學(xué)數(shù)據(jù)見表8。

通過分層采樣并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)Cd、Cu、Zn、有機(jī)質(zhì)含量及pH值在耕作層（A層）含量最高。隨剖面深度增加，Cd、Cu、Zn、有機(jī)質(zhì)含量及pH值呈非線性減少，至潛育層（G層），Cd、Cu、Zn、有機(jī)質(zhì)含量及pH值最少，表明這些元素在地表具有明顯的富集趨勢，不易向深部遷移。Hg、Cr、Ni和Pb含量在犁底層（Ap層）最高，可能因長期犁地引起。Se、As含量在滲育層（P層）最高。由于長期浸水，潛育層（G層）產(chǎn)生機(jī)械淋溶，土壤中Cd、Hg、Cr、Ni、Cu、Zn、Pb和有機(jī)質(zhì)流失，這些元素在土壤剖面中含量最低。土壤垂向剖面各元素分帶明顯，以潴育層（Gw層）為界，潴育層之上（0～65 cm）各元素含量較高，潴育層之下各元素含量較低，表明這些元素在地表富集趨勢明顯（圖4）。

土壤垂向剖面各元素之間的相關(guān)性見表9?？芍琒e與As呈顯著正相關(guān)，與Cd、Hg、Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，與pH值呈負(fù)相關(guān)，而與Hg無相關(guān)性;重金屬元素之間具有正相關(guān)性，其中Cd與Cu、Zn呈顯著的正相關(guān)，Pb與Hg呈顯著正相關(guān)，Cr、Ni、Cu、Zn、Pb相互之間呈顯著正相關(guān);有機(jī)質(zhì)與Cd、Cu、Zn、Pb呈顯著正相關(guān)，與Hg、Cr、Ni、Se呈正相關(guān)，與As無相關(guān)性。

研究表明，在土壤橫向剖面和垂向剖面上，Se與重金屬元素Cd、Hg、Cr、Ni、Cu、Zn、Pb均呈正相關(guān)，與Hg無相關(guān)性，說明Se與除Hg之外的重金屬元素的地球化學(xué)行為相似，富Se土壤確實(shí)存在重金屬元素污染的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是As污染。

5 討 論

5.1 Se與重金屬元素來源

通過對土壤中各元素含量進(jìn)行相關(guān)性分析，可推測各元素之間是否具有相同來源[12-13]。研究區(qū)Se與As、Cr、Ni、Cu、Cd、Zn、Pb呈正相關(guān)性，與Hg無相關(guān)性，說明Se與As、Cr、Ni、Cu、Cd、Zn、Pb具有相同來源。對不同的土地利用類型土壤進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)林地土壤Se和重金屬含量最高，水田土壤Se和重金屬含量最低，可能是因?yàn)榱值囟酁樯狡?，距離母巖近，土壤由母巖直接風(fēng)化而來。水田土壤距離母巖遠(yuǎn)，多由山坡上的林地土壤隨雨水沖積而來。水田土壤橫向剖面顯示，距離母巖近區(qū)土壤的Se與重金屬元素含量明顯高于距離母巖遠(yuǎn)區(qū)。

Se及重金屬元素在黑色巖系中富集[14]。研究區(qū)黑色巖系主要有震旦紀(jì)壩里組和老虎塘組，寒武紀(jì)牛角河組。其中震旦紀(jì)壩里組出露面積約占該區(qū)面積的35%，而震旦紀(jì)老虎塘組、寒武紀(jì)牛角河組僅零星出露。該區(qū)震旦紀(jì)巖石、水系沉積物以及土壤中Se及Ni、Cr、Cu等重金屬元素含量明顯高于其他地層[15]。由于該區(qū)震旦系地勢最高、巖層厚度大、裂隙發(fā)育、基巖裂隙水豐富，巖石風(fēng)化、淋濾后，Se及Ni、Cr、Cu等重金屬元素隨水共同遷移。因此推測，研究區(qū)Se與重金屬元素來源于震旦紀(jì)壩里組黑色碳質(zhì)板巖。

5.2 綠色富硒土壤分布

綠色富硒土壤主要分布于研究區(qū)西部震旦系，土地利用類型以林地為主，少量為果園、旱地和水田。水田達(dá)到富硒標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域多分布于母巖近區(qū)和河流匯集區(qū)。土壤垂向剖面顯示，Se在地表淺部富集。故建議在母巖近區(qū)和河流匯集區(qū)的水田中種植根系淺且易吸收Se元素的農(nóng)作物（如水稻）。

6 結(jié) 論

（1）綠色富硒土壤主要分布于研究區(qū)西部震旦系。橫向上，沿河水流動(dòng)方向，土壤中的Se、As、Cr、Ni、Cu含量逐漸降低，Se與As、Cr、Ni、Cu呈顯著正相關(guān);垂向上，Se與重金屬元素在地表明顯富集，Se僅與As呈顯著正相關(guān)。

（2）土壤Se與重金屬元素來源于震旦紀(jì)壩里組黑色碳質(zhì)板巖，隨水共同遷移，富集于母巖近區(qū)及河流匯集區(qū)。

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Geochemical characteristics of Se and heavy metal elements inthe soil of Youshan， Xinfeng County， Jiangxi Province

WANG Yun， ZOU Yong-jun， WANG He， WANG Cheng-bo

（Jiangxi Institute of Coal Geology for Exploration Research， Nanchang 330001， China）

Abstract：To understand the distribution characteristics of green Se-rich soil in the Youshan area of Xinfeng County， Jiangxing Province， this study carried out a geochemical analysis of Se and heavy metal elements in hope of guiding local cultivation and improving crop quality. A total of 1 277 soil samples were collected from the typical cross and vertical profiles in the Youshan area. The results show that the green Se-rich soil in the Youshan area occurs mainly in the Sinian System in the western of the study area. Horizontally， the contents of Se， As， Cr， Ni and Cu in soils decrease gradually along the direction of the river; vertically， contents of Se and heavy metal elements in soils are enriched on the surface， with a positive relationship between Se and As. Se and heavy metal elements in soils originate from black carbonaceous slate of the Sinian Bali Formation and are accumulated near the parental rocks and convergent areas between rivers with migration of water.

Key words：soil geochemistry; Se; heavy metal elements; Youshan， Jiangxi