焉耆縣北大渠鄉(xiāng)土壤硒含量特征及影響因素研究

趙吉海 王慶軍 王剛 馬宏超 范磊善

摘? ?要：通過(guò)對(duì)焉耆縣北大渠鄉(xiāng)表層土壤和特色農(nóng)作物全硒含量測(cè)定，分析了研究區(qū)表層土壤全硒含量特征及農(nóng)作物硒含量影響因素。結(jié)果表明：表層土壤硒元素含量0.07～1.5 mg/kg，平均0.43 mg/kg，富硒土壤面積105.7 km2，占比88.07%;土壤硒主要以強(qiáng)有機(jī)態(tài)形式存在，被農(nóng)作物有效吸收的離子交換態(tài)和水溶態(tài)硒含量?jī)H占總量的5.94%。不同土壤類型硒平均含量由高到低依次為鹽化潮土>潮土>草甸鹽土。相關(guān)分析結(jié)果表明：土壤TOC和pH值是影響研究區(qū)表層土壤硒含量的主要因素，在潮土中二者與土壤硒含量相關(guān)性最顯著。研究區(qū)特色農(nóng)作物中硒含量不僅受土壤全硒含量影響，且與土壤pH值和土壤TOC密切相關(guān)。按相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)有26件小麥、11件玉米、1件番茄和2件葡萄達(dá)到安全富硒食品要求，富硒率分別為78.8%、68.8%、66.7%和33.4%。

關(guān)鍵詞：北大渠鄉(xiāng);富硒土壤;形態(tài)特征;相關(guān)分析;富硒農(nóng)作物

硒是人體必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素之一，具防癌、抗癌、增強(qiáng)免疫力、保護(hù)肝臟等重要作用，被科學(xué)家稱為“抗癌之王”[1]。食物是人體硒元素的主要來(lái)源，植物中的硒大多從土壤中吸收，然后富集到植物可食部位[2]。因此，研究土壤硒對(duì)農(nóng)作物安全和人體健康具重要意義。2016—2018年由新疆地質(zhì)調(diào)查院承擔(dān)完成的新疆焉耆盆地1∶25萬(wàn)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查成果顯示，焉耆縣北大渠鄉(xiāng)分布有大量富硒土壤。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展焉耆縣北大渠鄉(xiāng)中大比例尺（1∶5萬(wàn)）富硒土地專項(xiàng)調(diào)查評(píng)價(jià)工作，研究該區(qū)域中表層土壤和特色農(nóng)作物中硒含量特征及影響因素，為當(dāng)?shù)睾侠黹_(kāi)發(fā)富硒農(nóng)產(chǎn)品及相關(guān)富硒資源提供一定幫助。

1? 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山南麓焉耆盆地中心地帶，地勢(shì)總體呈西高東低，平均海拔1 200 m左右，屬典型大陸荒漠性氣候，兼具盆地氣候特征，夏季聚熱、冬季寒冷。全年降水量64.7 mm，夏季較集中，全年蒸發(fā)量2 000.5～2 449.7 mm，相對(duì)濕度55%左右。研究區(qū)總面積120 km2，土壤類型以鹽化潮土和潮土為主，面積分別占38.8%和40.5%。土地利用類型主要以耕地和草地等農(nóng)用地為主，二者占研究區(qū)總面積的73.2%。研究區(qū)內(nèi)出露地層為第四系，主要有下更新統(tǒng)西域組、中更新統(tǒng)烏蘇群和上更新統(tǒng)新疆群，均為沖洪積產(chǎn)物。以新疆群分布面積最大，全新統(tǒng)主要為沖積、洪積、沼澤沉積、化學(xué)沉積、湖積、風(fēng)積等不同成因類型。

2? 工作方法

2.1? 樣品采集

本次土壤樣品點(diǎn)位采用網(wǎng)格化方式進(jìn)行布設(shè)，兼顧均勻性與合理性，同時(shí)參考了地塊圖斑、地形地貌和土壤類型等因素（圖1）。共采集表層土壤樣960件（含重復(fù)樣），樣品點(diǎn)位密度為4～16點(diǎn)/km2，采樣深度0～20 cm，樣品布設(shè)土地主要以耕地（水澆地）為主。為避免出現(xiàn)空白區(qū)，方便后期進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，對(duì)其它土地利用類型（建筑用地、未利用地等）按4點(diǎn)/km2密度布設(shè)采樣點(diǎn)進(jìn)行控制。樣品采集以GPS定點(diǎn)為中心點(diǎn)位，在30～50 m范圍內(nèi)向四周輻射。3個(gè)分樣點(diǎn)等量組合成一個(gè)混合樣，采樣重量約1～1.5 kg。采樣時(shí)避開(kāi)溝渠、田埂、路邊、舊房基、糞堆、垃圾坑、農(nóng)藥瓶殘留點(diǎn)等污染點(diǎn)和新近搬運(yùn)的外來(lái)土。采集樣品在室內(nèi)陰涼處晾干，剔除樣品中的植物殘?bào)w、石塊等雜質(zhì)，過(guò)20目尼龍篩，稱取300 g送國(guó)土資源部烏魯木齊礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心分析，留取重量不少于300 g的樣品為庫(kù)樣，裝入干凈塑料瓶中保存。

本次研究采集4種特色農(nóng)作物（小麥、玉米、番茄和辣椒）樣品共計(jì)90件，同時(shí)采集每件農(nóng)作物配套的根系土壤樣品共計(jì)90件。樣品采集、后期加工和保存等環(huán)節(jié)嚴(yán)格按《區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T0289-2015）執(zhí)行。

2.2? 樣品分析測(cè)試

本次所有樣品（土壤和農(nóng)作物）均由國(guó)土資源部烏魯木齊礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心（新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所）承擔(dān)完成。土壤和農(nóng)作物樣品中的測(cè)試指標(biāo)嚴(yán)格按《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范（1∶250000）》（DZ/T0258-2014）和《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求（試行）》（DD2005-03）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。表層土壤分析指標(biāo)為全硒含量、有機(jī)碳（Corg）和pH值等。分析方法分別為原子熒光光譜法（AFS）、重絡(luò)酸鉀容量法和電位法（ISE），檢出限為0.01×10-6、0.063%和0.03;農(nóng)作物中全硒和根系土中硒的7種形態(tài)采用等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS），檢出限分別為0.005×10-6和0.001×10-6～0.008×10-6。采用內(nèi)部質(zhì)量和外部質(zhì)量監(jiān)控相結(jié)合的方法控制樣品分析質(zhì)量，其中內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)控從檢出限高低、精密度、準(zhǔn)確度等質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，合格率在95%以上。采取送外檢樣和插入標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控樣方法對(duì)外部質(zhì)量進(jìn)行控制，合格率為100%。樣品分析質(zhì)量達(dá)到相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3? 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)Spss20.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，利用Microsoft Excel 2016軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)元素含量散點(diǎn)圖制作，采用MapGis6.7和ArcGis10.2軟件繪制研究區(qū)土壤類型圖和硒元素地球化學(xué)等級(jí)評(píng)價(jià)圖等。

3? 結(jié)果與討論

3.1? 土壤硒總體分布特征

本次研究表明，北大渠鄉(xiāng)表層土壤全硒含量為0.07～1.5 mg/kg，平均0.43 mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.143 mg/kg，變化系數(shù)33.1%?？傮w來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)土壤硒含量分布相對(duì)均勻，表層土壤全硒含量均值明顯高于我國(guó)土壤全硒背景值（0.29 mg/kg）[3]，且高于陜西紫陽(yáng)富硒區(qū)土壤硒含量（0.323 mg/kg），但與南部沿海（福建壽寧土壤硒含量0.44 mg/kg）和華中地區(qū)（湖北恩施土壤硒含量1.88 mg/kg）的富硒區(qū)相比硒含量水平相對(duì)較低[4-6]。據(jù)譚見(jiàn)安對(duì)土壤硒元素含量豐缺性劃分標(biāo)準(zhǔn)[7]，結(jié)合最新《天然富硒土地劃定和標(biāo)識(shí)》（DD2019-10），對(duì)研究區(qū)表層土壤硒含量進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)（表1）。發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)12.1%的土壤為足硒土壤，85.6%的土壤達(dá)到富硒土壤水平，1.49%的土壤為硒潛在不足，缺硒土壤僅占0.81%，無(wú)硒中毒地區(qū)?？傮w來(lái)看，研究區(qū)表層土壤整體富硒水平較高。

據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T0295-2016），以土地利用現(xiàn)狀圖為底圖，對(duì)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行空間差值處理，并繪制了研究區(qū)表層土壤硒含量等級(jí)劃分圖（圖2）。從圖中可看出，研究區(qū)土壤全硒含量整體處于高-適中水平，其中適中土壤面積占比為10.67%，主要分布在北渠村西北部、六十戶村的東北角及段家莊西北角;富硒土壤面積105.7 km2，占比88.07%，主要集中分布在十號(hào)渠村—北大渠村—六十戶村之間。綜合區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境綜合等級(jí)，研究區(qū)富硒土壤中清潔富硒土壤和輕微污染富硒土壤面積分別為49.01 km2和55.97 km2，二者在富硒土壤中占比達(dá)99.32%，說(shuō)明研究區(qū)具開(kāi)發(fā)無(wú)公害富硒食品產(chǎn)地潛力。

3.2? 土壤中硒形態(tài)特征

土壤中全硒量表征的是土壤中硒含量的總體水平，并不是土壤中所有硒都能被農(nóng)作物吸收利用，只有生物有效性較強(qiáng)的硒才易被農(nóng)作物吸收[8-10]。統(tǒng)計(jì)研究區(qū)90件根系土壤樣品中不同形態(tài)硒的均值含量可看出（表2），整體呈強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)>殘?jiān)鼞B(tài)>腐殖酸態(tài)>離子態(tài)>碳酸鹽態(tài)>鐵錳態(tài)>水溶態(tài)，其中強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)硒含量均值為0.141 mg/kg，占總量的4.9%，殘?jiān)鼞B(tài)和腐殖酸態(tài)硒含量分別為0.106 mg/kg和0.063 mg/kg，二者共同占比達(dá)41.83%，水溶態(tài)硒和離子交換態(tài)硒含量?jī)H占總量的5.94%。由此可見(jiàn)，研究區(qū)土壤中硒的存在形式主要以強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)硒和殘?jiān)鼞B(tài)硒存在，可被農(nóng)作物直接吸收利用的離子交換態(tài)和水溶態(tài)硒含量占比較低。離子交換態(tài)和水溶態(tài)硒的變異系數(shù)處于中等變異，說(shuō)明此兩種形態(tài)的硒受一定環(huán)境影響，其含量在空間上存在一定波動(dòng)性。

3.3? 不同土壤類型中全硒含量分析

研究區(qū)共有3種土壤類型，分別為鹽化潮土、潮土和草甸鹽土。統(tǒng)計(jì)3種土壤類型中全硒含量特征看出（表3），不同土壤類型中全硒含量存在一定差異，整體表現(xiàn)為：鹽化潮土>潮土>草甸鹽土。其中鹽化潮土全硒含量最高，平均0.442 mg/kg，潮土次之，硒含量均值0.438 mg/kg，草甸鹽土最低，為0.395 mg/kg。與研究區(qū)表層土壤硒含量均值相比，鹽化潮土和潮土中硒含量均高于平均值，僅草甸鹽土低于表層土壤平均值。

研究區(qū)土壤類型主要以潮土為主，由河流沖積物經(jīng)長(zhǎng)期地下潛水作用和后期人為耕作活動(dòng)影響形成，該類土壤特點(diǎn)主要是土層深厚且均勻，質(zhì)地適中，具一定厚度的耕作熟化層。耕層肥力較強(qiáng)，具較高的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，有利于土壤中硒酸鹽物質(zhì)堆積，該類型土壤中全硒含量相對(duì)較高。草甸鹽土主要因各類草甸土常年受地下水上下活動(dòng)影響，以積鹽過(guò)程和草甸過(guò)程相伴形成，土壤堿性較大。土壤表層有一定有機(jī)質(zhì)的積累，但淋失作用較強(qiáng)，硒的遷移淋失作用強(qiáng)于吸附作用，導(dǎo)致草甸鹽土中全硒含量相對(duì)較低?？傮w來(lái)看，土壤類型不同，所含全硒量各不相同，可能與土壤的熟化程度相關(guān)。土壤在不斷耕作和熟化過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)含量的增加促進(jìn)了表層土壤對(duì)硒的吸附和固定作用。

3.4? 土壤理化性質(zhì)與土壤全硒含量相關(guān)性分析

土壤中pH值、有機(jī)碳（TOC）等理化指標(biāo)不僅對(duì)土壤全硒含量存在一定影響，還是控制土壤有效硒最重要因素[11]。研究區(qū)土壤pH值變化范圍為7.82～9.34，均值8.48，整體上土壤呈堿性。對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤類型與土壤理化指標(biāo)作相關(guān)性分析可看出（圖3），3種土壤類型中pH值與土壤全硒含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。即隨土壤中pH值增大，土壤中全硒含量呈減少趨勢(shì)，其中潮土中硒含量降低程度比鹽化潮土和草甸鹽土稍明顯。這是因?yàn)橹兴嵝酝寥乐形饕詠單猁}形式存在，遷移淋溶作用相對(duì)較弱，易被土壤中金屬氧化物和有機(jī)質(zhì)吸附或絡(luò)合。通氣良好的堿性土壤中，硒主要以硒酸鹽形式存在，溶解性好，易溶于水中，生物活性較強(qiáng)，極易被植物所吸收。同時(shí)隨土壤溶液遷移淋失，土壤中全硒含量降低[12-14]。

硒是典型的親生物元素，土壤中有機(jī)質(zhì)含量較高時(shí)，相對(duì)易集中富集，表現(xiàn)為吸附和固定作用[15]。前人研究表明，在成土母質(zhì)相同條件下，土壤中全硒含量與有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)。對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同土壤類型中土壤全硒含量與土壤TOC進(jìn)行相關(guān)性分析（圖4），結(jié)果表明，隨著不同土壤類型中TOC含量增加，土壤中的全硒含量也隨之增加，二者呈正相關(guān)關(guān)系。其中潮土中硒含量與TOC相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.45（n=354，P<0.01），次為鹽化潮土和草甸鹽土，相關(guān)系數(shù)分別為0.28（n=433，P<0.01）和0.22（n=154，P<0.01）。從相關(guān)性圖中可看出，土壤中TOC含量為0～1.6時(shí)，其對(duì)土壤全硒含量影響較顯著，大于1.6時(shí)，對(duì)土壤全硒含量影響相對(duì)較弱。因此，適量增加土壤中TOC含量，可有效提高土壤中全硒含量。土壤中全硒含量與TOC含量呈正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)檠芯繀^(qū)內(nèi)土壤中硒主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)形式存在，土壤中有機(jī)質(zhì)含量的增加有效促進(jìn)了土壤微生物的活性，加強(qiáng)了硒的吸附和固定作用，使硒快速固定在土壤中[16]。對(duì)比3種土壤類型中發(fā)現(xiàn)，僅潮土中TOC與土壤全硒含量相關(guān)性最強(qiáng)，可能是因?yàn)榇祟愅寥朗窍鄬?duì)成熟的耕作土壤。在后期熟化過(guò)程及人為影響作用下，大量有機(jī)質(zhì)被帶入土壤中，使土壤表層的硒與有機(jī)質(zhì)結(jié)合固定下來(lái)，最終土壤中硒含量升高。

3.5? 農(nóng)作物硒含量特征及與土壤全硒的相關(guān)性分析

對(duì)研究區(qū)90件農(nóng)作物中硒含量統(tǒng)計(jì)顯示，農(nóng)作物種類不同，所含硒的量也各有差異。其中33件小麥中硒含量為0.02～0.43 mg/kg，平均0.168 mg/kg;16件玉米硒含量0.04～0.23 mg/kg，平均0.094 mg/kg;15件番茄硒含量0.01～0.04 mg/kg，平均0.014 mg/kg;20件辣椒硒含量0.01～0.03 mg/kg，平均0.019 mg/kg;6件葡萄硒含量0.01～0.02 mg/kg，平均0.013 mg/kg?？傮w而言，不同農(nóng)作物硒平均含量水平表現(xiàn)為：小麥>玉米>辣椒>番茄>葡萄。按《富硒稻谷》（GT/T22499-2008）、陜西省《富硒含硒食品與相關(guān)產(chǎn)品硒含量標(biāo)準(zhǔn)》（DB61/T 556-2018）和《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB2762-2017）等相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)內(nèi)有26件小麥、11件玉米、1件番茄和2件葡萄達(dá)到安全富硒食品要求，富硒率分別為78.8%、68.8%、66.7%和33.4%，辣椒未達(dá)到富硒食品要求。

對(duì)研究區(qū)不同類型農(nóng)作物中硒含量與其對(duì)應(yīng)的根系土壤中的硒含量、pH值和有機(jī)質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析（表4），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除葡萄硒與根系土全量硒呈負(fù)相關(guān)外，其余4種農(nóng)作物硒與對(duì)應(yīng)的根系土全量硒均呈不同程度正相關(guān)關(guān)系，尤其是玉米相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.429（p<0.01）。土壤pH值與農(nóng)作物硒均呈正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)與不同農(nóng)作物硒含量相關(guān)性不同。說(shuō)明土壤全硒量的增加對(duì)農(nóng)作物吸收和富集硒具一定的促進(jìn)作用。農(nóng)作物中硒含量還受土壤其它條件影響，如土壤pH值，不同酸堿度條件下，硒存在的形態(tài)不同。堿性土壤中，硒主要以硒酸鹽形式存在，溶解性較好。隨土壤堿性的升高，硒的溶解度相應(yīng)增大，使[SeO2-3]更易向[SeO2-4]轉(zhuǎn)化，[SeO2-4]易溶于水，易被植物吸收利用。農(nóng)作物中硒含量還可能與本身對(duì)硒的吸收積累能力有關(guān)，具體影響機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

4? 結(jié)論

（1） 研究區(qū)表層土壤全硒含量為0.07～1.5 mg/kg，均值0.43 mg/kg，含量明顯高于我國(guó)土壤全硒背景值（0.29 mg/kg）。其中85.6%的土壤達(dá)到富硒水平，12.1%的土壤為足硒土壤，1.49%的土壤為潛在缺硒，0.81%的土壤為缺硒，無(wú)硒過(guò)剩土壤?？傮w來(lái)看，北大渠鄉(xiāng)表層土壤全硒含量處于富硒水平。

（2） 通過(guò)硒地球化學(xué)等級(jí)劃分圖發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)表層土壤硒含量整體處于高-適中水平，其中適中硒土壤面積占比10.67%，主要分布在北渠村西北部、六十戶村的東北角和段家莊西北角;富硒土壤面積達(dá)105.7 km2，占比88.07%，主要集中分布在十號(hào)渠村-北大渠村-六十戶村之間。

（3） 從90件根系土壤中不同形態(tài)硒含量特征來(lái)看，研究區(qū)土壤中硒元素主要以強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)形式存在，占總量的34.9%。能被農(nóng)作物吸收利用的離子交換態(tài)硒和水溶態(tài)硒含量相對(duì)較低，僅占總量的5.94%。

（4） 研究區(qū)不同土壤類型中硒含量不同，全硒含量由高到低依次為鹽化潮土（0.442 mg/kg）>潮土（0.438 mg/kg）>草甸鹽土（0.395 mg/kg）;土壤全硒與土壤TOC和土壤pH值之間的相關(guān)性表明，土壤全硒與TOC呈正相關(guān)關(guān)系，與pH值呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明這兩種指標(biāo)對(duì)土壤全硒含量的富集具重要影響。

（5） 相關(guān)分析表明，研究區(qū)大部分農(nóng)作物硒含量與根系土壤全硒量和土壤pH值均呈不同程度的正相關(guān)關(guān)系，與土壤TOC之間的相關(guān)性不一。說(shuō)明作物硒含量除受土壤全硒、pH值及TOC影響外，還與農(nóng)作物本身對(duì)硒的吸收積累能力等因素有密切關(guān)系。按相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)有26件小麥、11件玉米、1件番茄和2件葡萄達(dá)到安全富硒食品要求，富硒率分別為78.8%、68.8%、66.7%和33.4%。因此，該區(qū)應(yīng)充分合理開(kāi)發(fā)和推廣富硒土地資源，大力發(fā)展富硒優(yōu)質(zhì)特色農(nóng)作物。

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