西藏拉薩至曲水拉薩河沿岸農(nóng)用地土壤硒鍺空間分布與評價(jià)①

袁 宏，趙 利，王茂麗，徐開鋒，尊珠桑姆，王海勇

(1 四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，成都 610061；2 西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊(duì)，拉薩 851400)

硒(Se)是人和動物必需、對植物有益的微量元素[1]。硒在抵抗細(xì)胞衰老、增強(qiáng)機(jī)體免疫力、預(yù)防癌癥上有重要作用[2]。嚴(yán)重缺硒是克山病、大骨節(jié)病兩種地方性疾病的主要原因。中國是缺硒大國，而青藏高原一帶尤為嚴(yán)重[3]。鍺(Ge)是一種具有多種生物活性的微量元素，對人體具有廣泛的防病治病等功效，被科學(xué)家稱為“21 世紀(jì)的救命鍺”“生命的奇效元素”[4-5]。世界土壤鍺元素平均值為1.0 mg/kg，中國土壤鍺元素平均值為1.7 mg/kg[6]。從植物獲取硒和鍺是對人體最安全有效的來源，富硒富鍺土壤可廣泛應(yīng)用于富硒富鍺農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)。

西藏拉薩地處青藏高原南部，屬于高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候，為一江兩河農(nóng)業(yè)區(qū)，是西藏商品糧主要生產(chǎn)基地[7]。本文研究探討西藏拉薩至曲水拉薩河沿岸農(nóng)用地土壤硒和鍺含量、空間分布特征及影響因素，以為科學(xué)指導(dǎo)利用當(dāng)?shù)馗晃绘N土壤資源，為當(dāng)?shù)赝恋亻_發(fā)利用、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展特色優(yōu)質(zhì)富硒富鍺農(nóng)牧業(yè)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為拉薩市至曲水縣拉薩河沿岸沖積平原，主要為農(nóng)業(yè)種植的平谷洼地，屬于一江兩河農(nóng)業(yè)區(qū)，具體范圍如圖1 所示。研究區(qū)地處雅魯藏布江支流拉薩河流域，喜馬拉雅山北側(cè)，區(qū)內(nèi)以下沉氣流為主，全年晴朗天氣較多，冬季嚴(yán)寒天氣較少，夏季很少有極高氣溫，主要為高原半干旱季風(fēng)氣候?？傮w氣候較為溫暖、干燥，年平均氣溫為7.4℃，平均相對濕度為30% ～ 50%，全年降水量200 ～ 500 mm，干燥度為1.5 ～ 10，干濕指數(shù)3 ～ 7，≥10℃積溫為2 177℃，無霜期133 d，全年日照時(shí)數(shù)在3 000 h 以上。拉薩地區(qū)地形地貌的基本特點(diǎn)是山巒重疊、山高坡陡、溝谷縱橫、溝深谷狹，并且山上植物較少[8]。

圖1 研究區(qū)范圍及采樣點(diǎn)

根據(jù)《西藏自治區(qū)土地利用總體規(guī)劃(2006—2020 年)》，研究區(qū)農(nóng)用地主要屬于基本農(nóng)田和一般農(nóng)田，土地利用現(xiàn)狀主要為水澆地。該區(qū)屬于典型的農(nóng)牧區(qū)，農(nóng)業(yè)以種植業(yè)為主，糧食作物主要有小麥、青稞，經(jīng)濟(jì)作物主要有蔬菜、瓜類、油菜等；農(nóng)用地土壤類型主要為潮土。潮土是河流沉積物受地下水運(yùn)動和耕作活動影響而形成的土壤，土壤腐殖積累過程較弱，具有腐殖質(zhì)層、氧化還原層及母質(zhì)層等剖面層次，沉積層理明顯[7]。它是拉薩河地區(qū)的主要農(nóng)業(yè)耕作土壤。

1.2 樣品采集

根據(jù)HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[9]和DD2008—06《土地質(zhì)量地球化學(xué)評估技術(shù)要求(試行)》[10]的相關(guān)要求，結(jié)合研究區(qū)河谷沖積平原的地形特點(diǎn)，按照拉薩河流向、農(nóng)用地分布與集中情況將研究區(qū)劃分為若干農(nóng)用地塊，采用分塊隨機(jī)布點(diǎn)法對土壤采樣點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，分塊內(nèi)采樣點(diǎn)間距約500 m，共設(shè)置土壤采樣點(diǎn)位124 個(gè)，如圖1 所示。

每個(gè)點(diǎn)位采集表層土壤樣品1 個(gè)，采樣深度0 ～20 cm。同時(shí)，在有成片大面積較統(tǒng)一的作物種植的土壤采樣點(diǎn)采集剖面樣品，共采集剖面樣品8 組(含小麥/青稞種植土壤剖面樣品4 組、大棚蔬菜種植土壤剖面樣品4 組)，采樣深度0 ～ 120 cm。每個(gè)土壤剖面采集4 個(gè)樣品，采樣深度分別為：0 ～ 30、30 ～ 60、60 ～ 90 和90 ～ 120 cm。

每個(gè)采樣點(diǎn)用GPS 記錄坐標(biāo)、高程，現(xiàn)場填寫采樣記錄表、拍照和樣品裝袋編號。表層土壤采樣時(shí)，需將土壤表面覆蓋的植被、落葉等雜物清除，并采用木鏟去除與金屬采樣器接觸部分的土壤，最后用木鏟自上而下刮取土壤。為增強(qiáng)取樣的代表性，以取樣點(diǎn)為中心按5 點(diǎn)混合四分法取樣，每個(gè)土壤樣品采集量約2 kg。土壤剖面采樣自下而上進(jìn)行，先采剖面的底層樣品，再采中層樣品，最后采上層樣品。

1.3 樣品檢測

土樣由西南冶金地質(zhì)測試所進(jìn)行分析檢測，檢測內(nèi)容包括：pH、陽離子交換量、全硒、有效硒、全鍺、有效鍺、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀，具體方法參照GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[11]、HJT 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[9]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。其中，pH 采用電位法測定；全硒、全鍺含量采用原子熒光法測定；有效鍺含量采用10.0 g樣品加20 ml 稀鹽酸(1︰5)浸提，ICP-MS 測定；有效硒含量采用水浸提的水溶態(tài)硒和0.1 mol/L 磷酸二氫鉀浸提的交換態(tài)硒之和表示；陽離子交換量采用銨鹽快速法測定；堿解氮、全氮含量采用凱氏蒸餾法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法測定；速效鉀、全鉀含量采用原子吸收分光光度法測定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定；全磷含量采用HClO4-H2SO4消化分光光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Miscrosoft Excel 2013 進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，采用IBM SPSS 24.0 進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，采用SigmaPlot 12.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)制圖，采用Surfer 14.0進(jìn)行Kriging 插值分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤硒含量分析與評價(jià)

研究區(qū)土壤硒含量如表1 所示，可見，全硒含量介于0.026 ～ 0.198 mg/kg，平均值為0.083 mg/kg，全硒平均含量較背景值有所減少，并遠(yuǎn)小于我國土壤硒的平均含量0.29 mg/kg[12]。曲航等[13]研究指出西藏土壤硒含量平均值為(0.150 ± 0.084)mg/kg，由此，研究區(qū)土壤硒含量也僅為西藏土壤硒平均含量的一半左右。從變異系數(shù)看，研究區(qū)土壤硒含量的變異系數(shù)為0.32，表現(xiàn)為中等變異性，說明研究區(qū)土壤硒含量一定程度上受到人為活動影響。

表1 土壤硒、鍺含量描述性統(tǒng)計(jì)

目前土壤硒含量未有一個(gè)全國性的豐缺標(biāo)準(zhǔn)，參考廣西壯族自治區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)DB45/T 1442—2016《土壤中全硒含量的分級要求》[15]旱地土壤硒含量＞3 mg/kg 為過硒，0.49 ～ 3 mg/kg 為富硒，0.16 ～0.49 mg/kg 為足硒，＜0.16 mg/kg 為缺硒。研究區(qū)124個(gè)土壤樣品中僅有4 個(gè)樣品全硒含量處于足硒含量范圍，其余120 個(gè)樣品均為缺硒含量范圍，如圖2所示。研究區(qū)土壤樣品有效硒含量介于0.001 1 ～0.009 2 mg/kg，平均值為0.003 7 mg/kg，土壤樣品有效硒平均含量占全硒含量約 4.5%，變異系數(shù)為0.453，也表現(xiàn)為中等變異性。

圖2 研究區(qū)土壤全硒含量散點(diǎn)圖

2.2 土壤硒含量空間分布特征

研究區(qū)表層土壤全硒、有效硒含量平面等值圖如圖3 所示。研究區(qū)絕大部分土壤全硒含量＜0.16 mg/kg，表現(xiàn)為缺硒(圖3A 中白色區(qū)域)，僅研究區(qū)中部往下一小面積區(qū)域的土壤有足硒特征(圖3A 中淺灰色區(qū)域)，其面積僅占總面積的約1.0%。這與前人[12-13]對西藏高原缺硒的論述吻合。研究區(qū)土壤有效硒含量普遍較低，大部分地區(qū)均＜0.005 5 mg/kg，整體上南部稍多，南部主要為基本農(nóng)田，結(jié)合土壤有效硒含量的中等變異性，說明該區(qū)域土壤有效硒含量受農(nóng)業(yè)種植影響較大。

從硒的剖面分布看，研究區(qū)0 ～ 30 cm 深度土壤全硒含量介于0.047 ～ 0.102 mg/kg，平均值0.079 mg/kg；30 ～ 60 cm 土層介于0.055 ～ 0.116 mg/kg，平均值0.089 mg/kg；60 ～ 90 cm 土層介于0.07 ～ 0.13 mg/kg，平均值0.10 mg/kg；90 ～ 120 cm 土層介于0.052 ～0.117 mg/kg，平均值0.085 mg/kg，即研究區(qū)0 ～ 120 cm深度土壤全硒含量均低于背景值。土壤有效硒含量0 ～ 30 cm 土層介于0.003 1 ～ 0.007 1 mg/kg，平均值0.005 2 mg/kg；30 ～ 60 cm 土層介于0.002 8 ～ 0.009 4 mg/kg，平均值0.005 7 mg/kg；60 ～ 90 cm 土層介于0.002 2 ～0.007 7 mg/kg，平均值0.004 4 mg/kg；90 ～ 120 cm 土層介于0.001 2 ～ 0.005 5 mg/kg，平均值0.003 8 mg/kg，即研究區(qū)0 ～ 120 cm 深度土壤有效硒含量均較低。

2.3 土壤鍺含量分析與評價(jià)

從表1 看，研究區(qū)土壤全鍺含量介于0.91 ～ 1.62 mg/kg，平均值為1.27 mg/kg，均低于背景值，略高于世界土壤鍺元素平均值(1.0 mg/kg[6])，低于我國土壤鍺元素平均值(1.7 mg/kg[6])。從變異系數(shù)看，研究區(qū)土壤樣品全鍺含量變異系數(shù)為0.102，近弱變異性，說明受人為活動影響較小。

當(dāng)前對富鍺土壤尚無一個(gè)權(quán)威性的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，2017 年曾妍妍等[6]暫定新疆土壤富鍺標(biāo)準(zhǔn)為1.3 mg/kg。研究區(qū)124 個(gè)土壤樣品中，全鍺含量≥1.3 mg/kg 的樣品有54 個(gè)，比例達(dá)43.5%，如圖4 所示。研究區(qū)80% 的土壤樣品全鍺含量集中在1.09 ～ 1.42 mg/kg，土壤富鍺情況較好。研究區(qū)土壤有效鍺含量介于0.006 ～ 0.034 mg/kg，平均值為0.013 mg/kg，80% 的土壤樣品有效鍺含量集中在0.008 ～ 0.017 mg/kg，有效鍺含量占鍺總量約1%，變異系數(shù)為0.323，表現(xiàn)為中等變異性。

2.4 土壤鍺空間分布特征

研究區(qū)土壤鍺空間分布情況如圖5 所示。研究區(qū)大部分土壤全鍺含量≥1.3 mg/kg，表現(xiàn)為富鍺(圖5A中深灰色區(qū)域)，面積約占研究區(qū)總面積的55.6%。說明研究區(qū)具有富鍺土壤開發(fā)的潛力，可以考慮富鍺農(nóng)牧產(chǎn)品的開發(fā)與推廣。研究區(qū)土壤有效鍺含量普遍較低，大部分地區(qū)均＜0.018 mg/kg；高值主要集中在研究區(qū)中部拉薩河西側(cè)，該區(qū)主要為大棚蔬菜種植，結(jié)合研究區(qū)土壤有效鍺含量的中等變異性，說明該區(qū)域土壤有效鍺含量受大棚種植影響較大。

從鍺的剖面分布看，研究區(qū)土壤樣品全鍺含量0 ～ 30 cm 土層介于0.99 ～ 1.44 mg/kg，平均值1.27 mg/kg；30 ～ 60 cm 土層介于1.23 ～ 1.39 mg/kg，平均值1.30 mg/kg；60 ～ 90 cm 土層介于1.04 ～ 1.37 mg/kg，平均值1.25 mg/kg；90 ～ 120 cm 土層介于1.20 ～1.40 mg/kg，平均值1.30 mg/kg?？梢姡芯繀^(qū)不同深度土壤均具有富鍺特征，也進(jìn)一步說明研究區(qū)土壤富鍺情況較好。研究區(qū)有效鍺含量0 ～ 30 cm 土層介于0.009 ～ 0.025 mg/kg，平均值0.013 mg/kg；30 ～ 60 cm土層介于0.011 ～ 0.021 mg/kg，平均值0.016 mg/kg；60 ～ 90 cm 土層介于0.010 ～ 0.023 mg/kg，平均值0.017 mg/kg；90 ～ 120 cm 土層介于0.010 ～ 0.023 mg/kg，平均值0.015 mg/kg，即研究區(qū)0 ～ 120 cm 深度土壤有效鍺含量變化較小。

圖3 研究區(qū)土壤全硒(A)、有效硒含量(B)平面等值線圖

圖4 研究區(qū)土壤全鍺含量散點(diǎn)圖

2.5 相關(guān)性分析

硒在巖石-土壤-植物-動物(人)間循環(huán)，有效硒主要發(fā)生在土壤-植物這一環(huán)節(jié)。作為息息相關(guān)的硒循環(huán)體系中的某一特定組分，硒的有效性必然受巖礦類型、土壤母質(zhì)、土壤理化性質(zhì)甚至植物種類的影響[16]。母質(zhì)是土壤形成的基礎(chǔ)，前人研究表明由于母質(zhì)的差異致使土壤特性存在著很大變異[17-19]。由于研究區(qū)地屬拉薩河谷沖積平原，土壤主要為潮土，母質(zhì)較為一致，本文僅從土壤理化性質(zhì)和土壤肥力角度研究分析研究區(qū)土壤硒、鍺的相關(guān)性。前人已明確提出土壤理化性質(zhì)是影響硒的有效性的主要因素之一[12]。但在土壤鍺相關(guān)性研究方面尚少見報(bào)道。

表2 為研究區(qū)土壤硒、鍺含量與土壤基本性質(zhì)的Pearson 相關(guān)分析結(jié)果。從表2 可見，研究區(qū)土壤全硒含量與有效鍺、全磷、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮含量及陽離子交換量(CEC)存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，與全鉀含量存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，與全鍺含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，與有效硒、有效磷、速效鉀含量和pH 不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)土壤有效硒含量與全硒、全鍺、有效鍺、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全氮含量及陽離子交換量和pH 均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖5 研究區(qū)土壤全鍺(A)、有效鍺含量(B)平面等值線圖

表2 表層土壤硒、鍺含量和土壤基本性質(zhì)的Pearson 相關(guān)性

王琪等[12]研究表明，土壤pH 是影響土壤中硒含量的一個(gè)重要因素，中性和酸性土壤中硒的有效性明顯低于堿性土壤，而在堿性土壤中硒主要以溶解性高的硒酸鹽形式存在[20]。有機(jī)質(zhì)也是影響土壤硒全量及其有效性的重要因素。有機(jī)質(zhì)對硒的生態(tài)效應(yīng)的影響具有兩重性，一方面有機(jī)質(zhì)礦化過程會釋放出硒而增強(qiáng)其有效性，另一方面有機(jī)質(zhì)對土壤溶液中硒有較強(qiáng)的固定能力，從而影響硒的傳輸[21-22]。

在土壤硒含量方面，從表2 可知研究區(qū)土壤全硒、有效硒含量均與pH 表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性。研究區(qū)土壤pH 介于4.00 ～ 9.00，平均值為7.77，中數(shù)為8.03，土壤大部分為堿性。資料顯示，土壤偏堿性有利于提高植物對土壤中硒的吸收和利用[23]。但是，從顯著性P(0.308 和0.848)和相關(guān)性大小(–0.092 和–0.017)看，研究區(qū)土壤全硒、有效硒含量與pH 不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，與前人論述相悖。反之，研究區(qū)土壤全硒含量與CEC 存在顯著的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性程度最大，與有機(jī)質(zhì)含量存在顯著的中等相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性程度其次。CEC 的大小，基本上代表了土壤可能保持的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量，即保肥性的高低。研究區(qū)土壤樣品CEC 介于1.96 ～ 13.37 cmo/kg，平均值為7.39 cmol/kg。研究區(qū)土壤樣品有機(jī)質(zhì)介于3.21 ～ 47.73 g/kg，平均值為16.98 g/kg。參照全國第二次土壤普查對農(nóng)田土壤養(yǎng)分分級相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)土壤CEC 處于較低水平，土壤有機(jī)質(zhì)處于中等水平，說明研究區(qū)土壤保肥性偏低。研究區(qū)土壤全硒含量與CEC 存在顯著的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系說明，研究區(qū)土壤硒易隨土壤肥力改變而流失。研究區(qū)土壤平均全硒含量也僅為西藏土壤硒平均含量的一半左右，也說明區(qū)內(nèi)土壤硒含量受農(nóng)業(yè)種植影響較大。

在土壤鍺含量方面，從表2 可知研究區(qū)土壤全鍺含量與有效鍺、鉀、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮含量及CEC 存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，與pH 存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)；與全硒、有效磷含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)；與有效硒、速效鉀含量不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)土壤有效鍺含量與全硒、全鍺、全磷、堿解氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全氮含量及CEC 存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，與pH 存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，與有效硒、全鉀、有效磷含量不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。鍺在土壤中主要以殘?jiān)鼞B(tài)、酸可提態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)形式存在，土壤有機(jī)質(zhì)能富集鍺[24]。研究區(qū)土壤全鍺、有效鍺含量均與pH 表現(xiàn)為極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與鍺在土壤中酸可提態(tài)的主要存在形式吻合。研究區(qū)土壤全鍺、有效鍺含量與有機(jī)質(zhì)含量均為極顯著的中等程度正相關(guān)關(guān)系，與研究區(qū)土壤中等水平的有機(jī)質(zhì)含量吻合；研究區(qū)土壤全鍺、有效鍺含量與CEC 均為極顯著的正相關(guān)關(guān)系，也說明研究區(qū)土壤鍺易隨土壤肥力改變而流失。

3 結(jié)論

1)西藏拉薩至曲水拉薩河沿岸農(nóng)用地絕大部分土壤全硒含量＜0.16 mg/kg，僅有一小面積土壤有足硒特征，其面積僅占總面積的約1.0%，土壤平均全硒含量也僅為西藏土壤硒平均含量的一半左右；土壤有效硒含量普遍較低，約占硒總量的4.5%。研究區(qū)大部分土壤全鍺含量≥1.3 mg/kg，表現(xiàn)為富鍺，面積約占研究區(qū)總面積的55.6%；土壤有效鍺約占鍺總量的1%。研究區(qū)具有富鍺土壤開發(fā)的潛力，可以考慮富鍺農(nóng)牧產(chǎn)品的開發(fā)與推廣。

2)在土壤剖面上，研究區(qū)絕大部分區(qū)域0 ～ 120 cm 深度土壤均表現(xiàn)為缺硒，而大部分地區(qū)0 ～ 120 cm深度土壤均具有富鍺特征。

3)相關(guān)分析表明，研究區(qū)土壤全硒含量與陽離子交換量存在顯著的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，土壤全硒、有效硒含量與pH 均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。土壤全鍺、有效鍺含量與堿解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮含量及陽離子交換量存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤全鍺、有效鍺含量均與pH 表現(xiàn)為極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤鍺與有效鍺含量之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。