富硒區(qū)土壤養(yǎng)分質(zhì)量評價：以陜西省紫陽縣鬧熱村為例

于龍龍，吳 磊，張志敏，晁 旭，馮海艷，楊忠芳

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068)

0 引 言

硒是地球上一種稀少且分散的元素，其地殼豐度為0.13 mg/kg，是人和動物必需的微量元素[1]。硒元素對維持人體正常生理功能至關(guān)重要，具有保護(hù)心肌健康、抗氧化、防衰老、增強(qiáng)人體免疫力、重金屬解毒以及防癌、抗癌、治癌等功能[2]。硒的攝入量過少會導(dǎo)致克山病、大骨節(jié)病等疾病[3]，同時也會對人體的心血管系統(tǒng)造成影響[4]。據(jù)統(tǒng)計，我國有72%的縣市存在不同程度的缺硒，三分之一的地區(qū)極度缺硒[5]。硒是人體必需的微量元素，但硒的攝取只能通過日常膳食植物性或動物性有機(jī)硒進(jìn)行補(bǔ)充[6]。研究認(rèn)為土壤是人和動物體內(nèi)硒的主要來源，而植物是土壤硒元素的重要吸收者和轉(zhuǎn)移者，人體通過富硒農(nóng)產(chǎn)品攝入硒元素[7]。在天然富硒地區(qū)種植農(nóng)作物可以得到比人工富硒產(chǎn)品更優(yōu)質(zhì)的富硒產(chǎn)品，同時也進(jìn)一步降低了富硒產(chǎn)品的成本[8]。因此天然富硒區(qū)農(nóng)產(chǎn)品的開發(fā)日益引起人們的關(guān)注。

紫陽縣地處陜西南部，是我國兩大高硒區(qū)之一，表層土壤硒含量平均值為0.94 mg/kg，明顯高于全國表層土壤硒含量平均值，該區(qū)表層土壤硒含量在空間分布上呈現(xiàn)南北高、中間低的分布格局[9]，該縣雙安鎮(zhèn)土壤硒含量高達(dá)15.74 mg/kg[10]。該縣雙安鎮(zhèn)、高橋鎮(zhèn)和蒿坪鎮(zhèn)玉米、蘿卜、水稻和黃豆等主要農(nóng)作物產(chǎn)品硒含量的檢測結(jié)果表明，97%以上的農(nóng)作物樣品達(dá)到了陜西省的富硒食品及相關(guān)產(chǎn)品硒含量標(biāo)準(zhǔn)(DB61/T 556—2012)，其中雙安鎮(zhèn)鬧熱村農(nóng)作物硒含量平均值大于0.40 mg/kg[11]。目前，紫陽縣已經(jīng)涌現(xiàn)出茶葉、魔芋、果醋和硒菇等規(guī)模化富硒產(chǎn)品行業(yè)，當(dāng)?shù)氐母晃寥蕾Y源為富硒農(nóng)產(chǎn)品的開發(fā)提供了有力保障，為了配合當(dāng)?shù)卣块T提高富硒農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量，摸清當(dāng)?shù)赝寥赖酿B(yǎng)分狀況就成為當(dāng)務(wù)之急。土壤養(yǎng)分評價是依據(jù)土壤中植物營養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)的含量水平進(jìn)行的[12]，國內(nèi)在湖北恩施地區(qū)已開展了相關(guān)研究，但研究結(jié)果不容樂觀，主要表現(xiàn)在：表層土壤養(yǎng)分淋失嚴(yán)重[13]，耕地地力水平整體偏低[14]，且養(yǎng)分高低不均營養(yǎng)失衡，土壤酸化嚴(yán)重[15]，可見富硒區(qū)土壤養(yǎng)分評價對于富硒區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤管理具有重要的意義。有研究表明陜南茶園部分土壤養(yǎng)分元素含量水平低于臨界值[16]，因此，本研究選取了位于陜西省紫陽縣雙安鎮(zhèn)土壤高硒帶上的富硒區(qū)域鬧熱村為研究區(qū)，通過采集表層土壤樣品，分析測試大量元素氮、磷、鉀，中量元素鈣、鎂、硫和鋅、錳等微量元素以及有機(jī)質(zhì)和pH值等16項指標(biāo)，獲得了陜西紫陽鬧熱村土壤營養(yǎng)元素的含量地球化學(xué)特征、分級特征和地球化學(xué)空間分布狀況，評價了富硒土壤養(yǎng)分綜合等級，為全面掌握富硒土壤中養(yǎng)分質(zhì)量狀況和對富硒土地的開發(fā)利用提供了科學(xué)理論支撐。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)位于陜西省安康市紫陽縣雙安鎮(zhèn)，地屬陜西南部(圖1)，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)108°33′50.16″，北緯32°40′09.84″。氣候?qū)賮啛釒駶櫚霛駶?大陸性季風(fēng)氣候，溫暖多雨，無霜期210～270 d。年平均氣溫12～15.7 ℃，年降水量750～1 200 mm，年平均日照1 440～1 840 h。紫陽縣是著名的富硒農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地，盛產(chǎn)富硒玉米、水稻、黃豆和茶葉等。鬧熱村土壤類型以棕黃壤為主。

2 實驗材料和方法

2.1 樣品采集和處理

本研究按照土地質(zhì)量地球化學(xué)評價1:50 000的采樣密度共采集表層土壤樣品138件，土壤樣品采集時間為在上一季農(nóng)作物收割之后，下一季農(nóng)作物種植且施肥之前。采樣時避開了溝渠、田埂、路邊等不具有代表性的地方。采樣地點以GPS定點為中心，采取樣點中心50 m區(qū)域內(nèi)3～5個分樣點。采集樣品前清除地表草根等雜物，采樣深度為0～20 cm，將樣品中明顯的石塊、農(nóng)作物秸稈等進(jìn)行剔除，采到的各個分樣點樣品均勻混合后，采用四分法選用1.0～1.5 kg的土壤樣品放入樣品袋中。采樣的同時如實詳細(xì)記錄土壤質(zhì)地、周圍景觀等樣點信息，具體采樣點位分布見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置及樣品點位圖

樣品加工在野外駐地進(jìn)行，樣品放置在通風(fēng)良好的室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干處理，去除風(fēng)干后樣品中的破碎植物秸稈，用木槌碾碎土壤樣品，使其全部通過20目(孔徑為0.85 mm)的塑料尼龍網(wǎng)篩。

2.2 樣品分析方法

土壤樣品測試嚴(yán)格按照《區(qū)域地球化學(xué)勘查樣品分析方法》(DZ/T0279—2016)、《地質(zhì)礦產(chǎn)部實驗室質(zhì)量管理規(guī)范》(DZ/T0130—2006)、《地球化學(xué)調(diào)查(比例尺1:50 000)規(guī)范樣品分析技術(shù)要求及補(bǔ)充規(guī)定》執(zhí)行。采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES，6300，美國熱電公司)、X射線熒光光譜法(XRF，ZSX Primus-Ⅱ，日本理學(xué)公司)、發(fā)射光譜分析法(ES，E5000，中國聚光科技(杭州)股份有限公司)、容量法(VOL)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS，iCAP Q，美國熱電公司)等方法測定相關(guān)指標(biāo)。測試結(jié)果均采用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確度和精密度檢驗，其中準(zhǔn)確度采用RE= ΔlgC=|lgCi-lgCs|檢驗,精密度均采用RD=100×|C1-C2|/(C1+C2)檢驗，各項數(shù)據(jù)均符合《土壤質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)要求，土壤元素分析方法與檢出限見表1。

表1 元素分析方法與檢出限(單位：mg/kg)

2.3 數(shù)據(jù)處理和圖件繪制方法

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用IBM SPSS Statistics 20軟件完成，圖件采用ArcGIS10.4.1繪制，圖件繪制方法采用反距離權(quán)重法。

3 結(jié)果分析和討論

3.1 表層土壤硒和植物營養(yǎng)元素含量及分布特征

3.1.1 土壤硒元素含量及分布特征

研究區(qū)表層土壤樣品硒元素含量平均值為3.85 mg/kg，含量范圍在0.5～25.3 mg/kg之間。根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)，研究區(qū)17%的土壤樣品硒含量達(dá)到富硒水平，83%的土壤樣品硒含量達(dá)到過剩水平。硒含量達(dá)到過剩水平的區(qū)域主要分布在研究區(qū)自西北向東南一帶，占研究區(qū)總面積的52%，研究區(qū)表層土壤硒含量分級見圖2。

圖2 表層土壤硒元素含量分級圖

3.1.2 大量營養(yǎng)元素含量及分布特征

大量植物營養(yǎng)元素包括碳、氫、氧、氮、磷、鉀6種，其中碳和氧來自空氣中的二氧化碳，氫和氧來自水，而氮、磷、鉀幾乎全部來自土壤[17]。

研究區(qū)表層土壤大量營養(yǎng)元素的地球化學(xué)分布見圖3。土壤氮元素含量的平均值為1 997.29 mg/kg，含量范圍在690.12～6 199.93 mg/kg之間，相對高含量區(qū)(大于2 022.71 mg/kg)主要分布在鬧熱村西部，相對低含量區(qū)(小于1 899.86 mg/kg)主要分布在鬧熱村東部和南部。土壤磷元素含量平均值為1 713.08 mg/kg，含量范圍在154.43～7 199.84 mg/kg之間，相對高含量區(qū)(大于2 226.38 mg/kg)主要分布在鬧熱村南部，相對低含量區(qū)(小于1 139.65 mg/kg)主要分布在鬧熱村北部。土壤鉀元素(K2O)含量平均值為2.84%，含量范圍在0.97%～4.44%之間，相對高含量區(qū)(大于3.32%)主要分布在鬧熱村北部，相對低含量區(qū)(小于2.68%)主要分布在鬧熱村南部(圖3)。

反應(yīng)堆壓力容器為核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主設(shè)備之一，固定和包容堆芯及堆內(nèi)構(gòu)件，使核燃料的裂變反應(yīng)限制在一個密封的空間內(nèi)進(jìn)行。它和一回路管道共同組成高壓冷卻劑的壓力邊界，是防止放射性物質(zhì)外逸的第二道屏障之一。在筒體法蘭上鉆有58個螺孔，用以安裝螺栓與頂蓋密封，螺栓擰入過程中如果發(fā)生螺栓咬死的情況，處理起來比較困難，且影響較大。

3.1.3 中量營養(yǎng)元素含量及分布特征

中量營養(yǎng)元素通常指鈣、鎂和硫元素，鈣元素可以促進(jìn)植物的生長發(fā)育，鎂元素是葉綠素的重要構(gòu)成，硫元素是植物體內(nèi)氨基酸和蛋白質(zhì)的構(gòu)成成分[18]。

研究區(qū)表層土壤鈣元素(CaO)含量平均值為4.96%，含量范圍在0.37%～20.89%之間，相對高含量區(qū)(大于7.52%)主要分布在鬧熱村北部和中部，相對低含量區(qū)(小于3.74%)主要分布在鬧熱村西北部和南部。土壤鎂元素(MgO)含量平均值為3.11%，含量范圍在1.73%～13.97%之間，相對高含量區(qū)(大于4.21%)主要分布在鬧熱村南部，相對低含量區(qū)(小于2.92%)主要分布在鬧熱村東北部、東南部和西北部。土壤硫元素含量平均值為348.38 mg/kg，含量范圍在45.87～4 710.61 mg/kg之間，相對高含量區(qū)(大于525.24 mg/kg)主要分布在鬧熱村東北部和西北部，相對低含量區(qū)(小于281.23 mg/kg)主要分布在鬧熱村東部和南部(圖3)。

圖3 研究區(qū)土壤營養(yǎng)元素、有機(jī)質(zhì)和pH值地球化學(xué)分布圖

3.1.4 微量營養(yǎng)元素含量及分布特征

土壤中的Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B是植物正常生長發(fā)育必需的微量營養(yǎng)元素, 它們多是組成酶、維生素和生長激素的成分, 直接參與有機(jī)體的代謝過程,對農(nóng)作物的品質(zhì)有著重要的影響作用[19]。

研究區(qū)表層土壤中，鉬元素含量范圍為1.15～307.08 mg/kg，平均值為20.96 mg/kg，相對高含量區(qū)(大于55.14 mg/kg)主要分布在鬧熱村東部和西部，分布面積較??；錳元素和鐵元素含量范圍分別為68.22～2 052.86 mg/kg和1.04%～13.52%，平均值分別為747.92 mg/kg和6.33%，相對高含量區(qū)(大于784.82 mg/kg和大于6.37%)主要分布在鬧熱村南部；銅元素含量范圍為9.13～738.72 mg/kg，平均值為107.81 mg/kg，相對高含量區(qū)(大于102.17 mg/kg)主要分布在鬧熱村南部；鋅元素含量范圍為51.69～1 204.62 mg/kg，平均值為231.18 mg/kg，相對高含量區(qū)(大于273.85 mg/kg)分布在鬧熱村中部偏南的區(qū)域；氯元素含量范圍為23.99～8 121.05 mg/kg，平均值為47.68 mg/kg，相對高含量區(qū)(大于49.69 mg/kg)主要分布在鬧熱村西北部；硼元素含量范圍為14.11～195.57 mg/kg，平均值為74.72 mg/kg，相對高含量區(qū)(大于89.93 mg/kg)主要分布在鬧熱村西北部和西南部(圖3)。

3.1.5 土壤有機(jī)質(zhì)及pH分布特征

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的一項重要指標(biāo)，對土壤養(yǎng)分供應(yīng)、土壤結(jié)構(gòu)、土壤的生態(tài)功能都有重要的影響，可以促進(jìn)植物和土壤微生物的活性[20]。土壤酸堿度是土壤重要的理化性質(zhì)，正常土壤pH值范圍在5～8之間，過酸或者過堿會對土壤微量金屬營養(yǎng)元素的有效性造成影響[21-22]。

3.2 表層土壤營養(yǎng)元素分級

根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)中土壤營養(yǎng)元素劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)，研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分元素/指標(biāo)評價等級及相對比例如圖4所示。

圖4 研究區(qū)土壤養(yǎng)分元素/指標(biāo)評價等級相對比例圖

3.2.1 大量營養(yǎng)元素等級劃分

研究區(qū)所采土壤樣品中氮、鉀元素含量均在適中及以上水平，其中氮元素含量等級為很豐富、豐富和適中的土壤樣品分別占34.1%、65.0%和0.9%；鉀元素含量等級為很豐富的樣品占31.3%，等級為豐富的樣品占60.0%，等級為適中的樣品占8.7%；磷元素含量在研究區(qū)分布不均勻，從很豐富到缺乏各個等級都有分布，其中32.9%的土壤樣品磷元素含量很豐富，21.0%的土壤樣品磷元素含量等級為豐富，40.8%的土壤樣品磷元素含量等級為適中，4.6%的土壤樣品磷元素含量等級為稍缺乏，0.7%的土壤樣品磷元素含量等級為缺乏。

表2 土壤中營養(yǎng)元素等級劃分[12]

3.2.2 中量營養(yǎng)元素等級劃分

研究區(qū)所采土壤樣品的鈣、鎂元素含量均在適中及以上水平，其中鈣元素含量等級達(dá)到很豐富、豐富和適中的樣品比例分別為2.8%、88.7%和8.5%，鎂元素含量等級均達(dá)到很豐富水平；98.4%的土壤樣品硫元素含量達(dá)到適中及以上水平，1.6%的土壤樣品硫元素含量等級為稍缺乏及以下水平。

3.2.3 微量營養(yǎng)元素等級劃分

研究區(qū)所采土壤樣品鉬元素和鐵元素含量很豐富，所有樣品鉬元素含量達(dá)到很豐富水平，99.7%的土壤樣品鐵元素含量達(dá)到很豐富水平。錳元素含量達(dá)到豐富及以上水平的土壤樣品占86%，適中水平的占12.7%，稍缺乏及缺乏水平的占1.3%；硼元素含量達(dá)到了適中及以上水平的土壤樣品占99.4%，稍缺乏及缺乏水平的僅占0.6%；土壤銅元素和鋅元素含量為很豐富和缺乏水平，其中銅元素含量很豐富和缺乏水平的樣品比例分別為15.7%和84.3%，鋅元素含量很豐富和缺乏水平的樣品比例分別為1.4%和98.6%。研究區(qū)土壤鋅和銅含量水平較低，銅元素和鋅元素的缺乏會影響植物的光合作用以及碳水化合物和蛋白質(zhì)的合成，進(jìn)而導(dǎo)致植物質(zhì)量和產(chǎn)量的下降，一般減產(chǎn)10%～20%，嚴(yán)重者會減產(chǎn)一半以上[23]，應(yīng)當(dāng)適量施用銅肥和鋅肥。

3.2.4 有機(jī)質(zhì)

研究區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量水平均在四級(稍缺乏)以上水平，其中，36.7%的土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量達(dá)適中，63.3%的土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量水平為稍缺乏。研究區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，土壤有機(jī)質(zhì)缺乏會導(dǎo)致土壤肥力下降，土壤結(jié)構(gòu)板結(jié)，同樣也會影響到植物的質(zhì)量和產(chǎn)量，應(yīng)當(dāng)適量施用有機(jī)肥料。

3.3 表層土壤養(yǎng)分綜合分級

根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》[12]，研究區(qū)表層土壤綜合養(yǎng)分等級達(dá)到一級水平的面積占研究區(qū)總面積的7%，達(dá)到二級水平的面積占研究區(qū)總面積的45%，達(dá)到三級水平的面積占研究區(qū)總面積的48%，研究區(qū)表層土壤綜合養(yǎng)分等級見圖5。

圖5 研究區(qū)表層土壤養(yǎng)分綜合等級圖

研究區(qū)表層土壤養(yǎng)分綜合等級均達(dá)到了三級及以上水平，土壤營養(yǎng)元素含量總體豐富，80%以上的土壤樣品大量營養(yǎng)元素和中量營養(yǎng)元素含量等級均達(dá)到二級豐富及以上水平。對比表層土壤硒元素含量地球化學(xué)特征圖(圖2)和綜合養(yǎng)分等級圖(圖5)，表層土壤硒元素含量達(dá)到富硒水平的區(qū)域和綜合養(yǎng)分等級三級的區(qū)域以及硒元素含量達(dá)到過剩水平的區(qū)域以及綜合養(yǎng)分等級達(dá)到一級、二級的區(qū)域近乎重合，表層土壤硒含量過剩的區(qū)域與綜合養(yǎng)分等級為一等和二等的區(qū)域在空間分布上吻合度高，有較好的富硒農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)前景。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)硒資源豐富，表層土壤硒元素含量范圍在0.50～25.30 mg/kg之間，含量平均值為3.85 mg/kg，土壤硒含量為富硒等級和過剩等級的土壤面積比例分別占48%和52%，為當(dāng)?shù)馗晃r(nóng)產(chǎn)品開發(fā)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)研究區(qū)土壤呈中性—弱堿性，表層土壤中的大量元素和中量元素總體達(dá)到豐富及以上水平，微量元素鋅和銅含量水平較低，土壤有機(jī)質(zhì)較缺乏。在富硒農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)過程中，可通過配施微量元素肥料和有機(jī)肥料提高土壤的綜合養(yǎng)分水平。

(3)研究區(qū)表層土壤綜合養(yǎng)分等級均達(dá)到了三級及以上水平，土壤養(yǎng)分情況整體良好；表層土壤高硒區(qū)與綜合養(yǎng)分等級為一等和二等的區(qū)域在空間分布上吻合度高，有較好的富硒農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)前景。