湖北省利川市耕地全硒分布及其影響因素

溫權州，冉 露，周富忠

（利川市土壤肥料工作站，湖北 利川 445400）

硒由瑞典化學家Berzelius在采用黃鐵礦制取硫酸時發(fā)現；美國在1934年發(fā)現牲畜食入硒含量過高的牧草引起中毒，故很長一段時間認為硒是一種有毒元素。硒對生命體有益直到1957年才被發(fā)現，1973年硒被世界衛(wèi)生組織確定為人體必需的元素。硒是人體必需的14種微量元素之一，抗氧化性是硒的生化作用基礎。它能改善動物機體的免疫力，提高人體抗衰老、抗癌能力，并對重金屬有解毒作用［1，2］。

硒在環(huán)境中廣泛分布［3］，土壤全硒含量從不足（＜0.175 mg/kg）到有毒（＞3 mg/kg）的范圍窄［4］。土壤和食物中硒缺乏容易引起相關的地方性疾病，包括克山病（在人類中被觀察為心肌?。┖痛蠊枪?jié)?。▽е率苡绊戧P節(jié)畸形）［5，6］。環(huán)境中的高硒也會影響人類和生物群［7-9］。中國是缺硒國家，缺硒土壤占國土面積的1/3以上；從東三省到云貴高原存在一條低硒地帶，此地帶上72%的地區(qū)缺硒，生活在缺硒地區(qū)的人口有4億人［10］。恩施市是“中國第一高硒區(qū)”，并存在獨立硒礦床，是少有的具有工業(yè)開采價值的硒礦床［2，11］。利川市與恩施市比鄰，是典型的貧硒與高硒相交的地帶。以齊岳山為界，利川市被分為貧硒區(qū)和高硒區(qū)，齊岳山以西為貧硒，并有克山病流行；而齊岳山以東則為高硒區(qū)，石煤硒含量平均達111.4 mg/kg［12］。

土壤是動植物硒的主要來源，土壤中硒的含量及形態(tài)直接影響人體硒的攝入量，并影響人的身體健康［1］。中國各地開展了土壤硒分布調查，如廣東?。?3］、青海?。?4］、蘇州市［15］、黑龍江省方正縣［16］、陜西省大巴山區(qū)［17］、湖北省恩施州漁塘壩［8，18］、湖北省恩施州茶園土壤［19］。其他國家如印度［20］和日本［3］也對此進行了研究。以往的研究結果表明，土壤中硒含量的分布受多種因素的影響，如母質、土壤有機質、土類、土地利用、海拔、土壤pH和人類活動，不同研究區(qū)域土壤硒含量的主要影響因素不同［3，13，16，18，21］。但鮮見利川市耕地全硒含量空間分布及影響因素的報道。

利川市為高海拔山區(qū)，是恩施州的第一大縣級市。土壤硒的分布可能與研究區(qū)的海拔和母質有關。因此，研究的目的，一是測定利川市耕地中全硒的含量，二是探討耕地中全硒的空間分布及與之有關的決定因素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

利川市位于中國湖北省西南部，北緯29°42′—30°39′，東經108°21′—109°18′，是清江和郁江的發(fā)源地。全市東西寬92 km，南北長105 km，總面積4 607 km2。該地區(qū)的耕地約占總面積的13%。該地區(qū)海拔落差大，為315～2 041 m，平均海拔1 100 m，根據采樣點的分布，按海拔高度將利川市劃分為谷地（＜500 m，占總面積的1%）、低山（500～800 m，占總面積的6%）、二高山（800～1 100 m，占總面積的22%）、高山（1 100～1 400 m，占總面積的46%）、極高山（＞1 400 m，占總面積的25%）5個垂直分布帶。研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫11.1～16.7℃，年平均降水量1 200～1 600 mm。

1.2 土樣采集

2015年春季在利川市進行了野外調查和土壤樣品采集。使用手持GPS記錄每個采樣點的經度、緯度和海拔高度。以農戶承包耕地的自然地塊為采樣單元，按NY/T1121.1—2006規(guī)定采集耕層（0～20 cm）土壤樣品共668個，涉及利川全市14個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、辦事處），覆蓋了575個村中的485個，樣品村級覆蓋率達84.3%。元堡、沙溪、毛壩等7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土樣覆蓋了90%以上的村，都亭辦事處、涼霧鄉(xiāng)土樣相對偏少，東城辦事處土樣密集、但分布不均、有1/3的村無土樣。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)樣品分布及覆蓋村情況見表1及圖1。

表1 土樣采集情況

圖1 采樣點分布

1.3 樣品制備和測定

樣品在室溫下自然風干，研磨過0.15 mm（或100目）尼龍篩，儲存于密封的塑料容器中用于分析測定。

采用NY1104—2006測定土樣的全硒含量。土壤全硒測定對前處理作如下調整：土樣量由2.0 g下調為0.5 g，樣品消解由100 mL三角瓶改為150 mL消化管，消解溫度160～170℃，消解儀設置溫度200～210℃，消解時間4 h以上，以土樣變白或灰白色，液體變淺黃色或無色為消解終點。

測定儀器為北京海光公司生產的AFS-230E原子熒光光度計。儀器設置條件，爐高8 mm，燈電流80 mA，輔助電流40 mA，負高壓300V，載氣流量400 mL/min，屏蔽氣900 mL/min。載液為5%HCl，還原劑為0.8%KBH4+0.4%NaOH。按NY/T1121.2—2006測定土樣pH，NY/T1121.6—2006測定土樣有機質。采用平行結果和插入參比樣對土樣全硒、有機質、pH測定結果進行質量控制。若平行結果異常，該樣品重新測定；參比樣測定結果出現異常，該批樣品全部重新測定。

1.4 統計分析

用縣域耕地資源管理信息系統（揚州市土壤肥料站）繪制采樣點分布圖；土壤全硒含量測定結果頻次分布（圖2）轉換成對數（以10為基數）后近似正態(tài)分布（圖3），故用log10轉換數據進行方差分析；Excel進行數據統計、方差分析、相關系數計算及多重比較［22］；同時計算土壤全硒算術平均值（AM）和幾何平均值（GM）展示數據的總體趨勢；多重比較皆為鄧肯氏檢驗。

圖2 樣品數全硒含量分布

圖3 樣品全硒含量對數轉換分布

2 結果與分析

2.1 利川市耕地土壤全硒含量及空間分布特征

668份土壤樣品測定結果見表2。全硒的含量范圍為0.011～6.121 mg/kg，算術平均值（AM）和幾何平均值（GM）分別為0.465、0.349 mg/kg。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間耕地土壤全硒含量差異顯著（表2），土壤全硒含量最高的是汪營鎮(zhèn)（AM=0.752 mg/kg，GM=0.659 mg/kg），最低的是建南鎮(zhèn)（AM=0.097 mg/kg，GM=0.082 mg/kg），汪營鎮(zhèn)是建南鎮(zhèn)的8倍左右。

表2 利川市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤樣品全硒含量

按文獻［23］的土壤全硒含量六級分類標準，缺（≤0.125 mg/kg）、少（0.126～0.175 mk/kg）、足（0.176～0.450 mg/kg）、富（0.451～2.000 mg/kg）、高（2.001～3.000 mg/kg）、過（＞3.000 mg/kg），進行樣品統計，利川市樣品全硒含量算術平均值達富硒水平，富硒以上樣本占32.78%。全部樣品中，10.03%為缺、3.74%為少、53.44%為足、31.59%為富、0.60%為高、0.60%為過。4個高硒點分別分布在文斗鄉(xiāng)黃土村9組（2.097 mg/kg）、新田榜村6組（2.364 mg/kg），毛壩鎮(zhèn)聯心村1組（2.234 mg/kg），沙溪鄉(xiāng)高源村6組（2.979mg/kg）；4個過硒點分別分布在毛壩鎮(zhèn)青巖村2組（3.066 mg/kg）、紅衛(wèi)村1組（3.179 mg/kg），文斗鄉(xiāng)聯峰村3組（3.098 mg/kg），柏楊壩鎮(zhèn)欄堰村14組（6.121 mg/kg）。

按文獻［24］的土壤全硒含量四級分類標準，極低（＜0.100 mg/kg）、低（0.101～0.200 mg/kg）、中（0.201～0.400 mg/kg）、高（富，＞0.400 mg/kg），利川市耕地樣品富硒比例達40.87%。

用普通克里格法插值估算，土壤全硒含量的空間分布如圖4。富硒區(qū)（0.450 mg/kg以上）主要分布在利川西南部，足硒區(qū)（0.175～0.450 mg/g）主要分布在東北部，缺、少硒區(qū)（＜0.175 mg/g）主要分布在西北角。富硒區(qū)和足硒區(qū)相互嵌套，分別占利川市國土面積的46.4%和45.6%。缺、少硒區(qū)分布在利川邊緣，僅占國土面積的8.0%。

圖4 湖北省利川市耕地土壤全硒含量的地理分布

2.2 耕地不同利用方式、海拔、土類及成土母質與土壤全硒的關系

按不同因素分類統計耕地全硒含量，結果見表3。水田和旱地不同利用方式土壤全硒含量差異極顯著（t檢驗），旱地明顯高于水田，且旱地變幅大、水田變幅小。不同海拔高度、土類及成土母質（除泥質巖與石英砂巖外）的耕地全硒含量差異顯著。按海拔劃分，耕地全硒含量排序為極高山＞谷地＞高山＞二高山＞低山，除谷地外，其他耕地隨著海拔升高，耕地全硒含量升高，幾何平均值極高山是低山的3倍左右。利川九大土類中，石灰土、潮土耕地面積小，草甸土、沼澤土無耕地，皆未取樣。不同土類中紫色土最低，水稻土略高，再是垂直地帶性土壤黃壤、黃棕壤、棕壤，與海拔由低到高分布規(guī)律一致；棕壤全硒含量最高，是紫色土的3.3倍（AM）、4.9倍（GM）。按成土母質排序為（6種成土母質中未采集到河流沖積物發(fā)育的耕地土樣）：第四紀黏土＞石灰?guī)r＞泥質巖＞石英砂巖＞紫色巖，第四紀黏土母質發(fā)育的耕地全硒含量最高，是含量最低的紫色巖發(fā)育的耕地的2.5倍（AM）、3.0倍（GM）。

表3 利川耕地不同利用方式、海拔、土類及成土母質土壤全硒變化情況表

2.3 耕地全硒與土壤有機質、p H、海拔的相關關系

用Excel中CORREL函數求相關系數（r），用公式t=r（n-2）1/2/（1-r）1/2（n≤30）計算統計量t，再用TINV函數求t的99%、95%臨界值；或用公式z=r（n-1）1/2（n＞30）計算統計量z，用NORMINV函數求z的99%、95%臨界值。確定耕地全硒與有機質、pH、海拔高度的相關性。

按耕地利用方式、土類、成土母質分類計算土壤全硒與土壤有機質、pH和海拔的相關系數，并分類統計采樣點土壤有機質、pH的最大值、最小值、算術平均值和幾何平均值，結果見表4?？傮w看，土壤全硒與土壤有機質、耕地海拔分布呈極顯著正相關，與土壤pH相關性不顯著；各采樣點的有機質、pH變幅較大，有機質均值處于中等水平，pH均值呈中性。從耕地不同利用方式看，水田、旱地的土壤全硒皆與土壤有機質呈極顯著正相關，旱地的土壤全硒還與耕地海拔分布呈極顯著正相關；土壤有機質均值水田明顯高于旱地，但變幅水田小于旱地；水田、旱地的pH相當，變幅水田小于旱地。按土類劃分，各土類的土壤全硒與土壤有機質皆呈極顯著正相關，與土壤pH和海拔無顯著相關性；不同土類有機質均值排序與土壤全硒基本一致（水稻土除外），而pH基本相反。按成土母質劃分，石英砂巖發(fā)育的土壤全硒與土壤有機質相關性不顯著，其他母質發(fā)育的土壤全硒與土壤有機質呈極顯著正相關；第四紀黏土和石灰?guī)r母質發(fā)育的土壤全硒與耕地海拔分布呈極顯著或顯著正相關。

表4 不同因素下利川市土壤全硒與有機質、p H及海拔高度的相關關系

3 小結與討論

3.1 利川市耕地土壤全硒含量及其分布特征

利川市耕地全硒含量（AM=0.465 mg/kg、GM=0.349 mg/kg）約為中國平均硒含量（AM=0.239 mg/kg，n=354）的2倍［6］。利川市耕地全硒含量也高于廣東?。ˋM=0.28 mg/kg，n=260）［13］、青 海 ?。ˋM=0.369mg/kg，n=573）［14］、黑龍江省方正縣（AM=0.23 mg/kg，n=127）［16］和中國洋河流域（GM=0.30 mg/kg，n=171）［21］。但利川市耕地全硒含量低于恩施漁塘壩（AM=4.75 mg/kg，n=150）［18］和日 本（AM=0.51 mg/kg，GM=0.43 mg/kg，n=180）［3］。

按六級分類標準，足硒區(qū)和富硒區(qū)分別占利川國土面積的46.4%和45.6%，只有8.0%的面積屬于缺硒和少硒地區(qū)。利川市92.0%的面積硒充足（＞0.175 mg/kg）。表明利川是中國富硒地區(qū)，是中國恩施“硒都”的重要組成部分。汪營、文斗、毛壩、沙溪、忠路5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地的全硒含量均值處于富硒水平，僅建南鎮(zhèn)處于缺硒水平，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)處于足硒水平。668份土壤樣品中有8份的全硒含量高于2 mg/kg，分別分布在毛壩鎮(zhèn)的聯心、青巖、紅衛(wèi)村，文斗鄉(xiāng)的黃土、新田榜、聯峰村，沙溪鄉(xiāng)的高源村和柏楊壩鎮(zhèn)的欄堰村。

3.2 不同因素對耕地土壤全硒含量的影響

按不同利用方式、海拔、土類及成土母質劃分，耕地的全硒含量差異顯著（石英砂巖與泥質巖之間差異不顯著）。旱地全硒含量極顯著高于水田，這一發(fā)現與Hidekazu等［3］的發(fā)現一致。漬水可導致土壤中硒降低，因為硒在水田土壤剖面中向下遷移［13］。黎妍妍等［25］發(fā)現低海拔（＜800 m）土壤全硒含量顯著低于中海拔（800～1 200 m）和高海拔（＞1 200 m），后兩者差異不顯著；商靖敏等［21］進一步確認土壤全硒濃度與海拔高度正相關且顯著。這些結果與本研究結果相似。利川市耕地全硒含量呈現隨海拔升高而上升的趨勢，但海拔低于500 m的耕地全硒含量較高；垂直分布的黃壤、黃棕壤和棕壤等土類由低到高全硒含量升高，進一步確認了海拔分布規(guī)律。李明偉等［19］對利川茶園土壤的研究認為，第四紀黏土形成的土壤全硒含量較高，這是較新的發(fā)現；本研究進一步印證了這一結論，第四紀黏土母質發(fā)育的土壤全硒含量最高，石灰?guī)r次之，再次是泥質巖和石英砂巖，紫色巖最低。

3.3 耕地土壤全硒與土壤有機質、p H和海拔的相關性

668份土壤樣品的全硒含量與土壤有機質和海拔高度呈極顯著正相關，但與土壤pH無顯著相關性。陳俊堅等［26］認為，硒的含量變異與土壤pH有明顯負相關，pH是影響土壤全硒含量的重要因素。與本研究之不同，原因有待進一步分析。

按土地利用方式、土類和成土母質分類，除石英砂巖外，其他耕地土壤全硒與土壤有機質的相關系數達極顯著水平（石英砂巖不顯著），這一發(fā)現與Tolu等［27］的發(fā)現一致。Hidekazu等［3］、Yu等［14］、Tolu等［27］提出，有機質通過形成有機礦物結合物在硒遷移中發(fā)揮重要作用，該結合物可保護吸附硒不被浸出或創(chuàng)建缺氧區(qū)（聚集體），其中硒在還原后被固定。在不同母質、土類、海拔下，土壤全硒含量和土壤有機質的變化同步（水稻土受利用方式影響除外）。

不同利用方式中旱地的全硒含量與海拔高度呈極顯著正相關，水田相關性不顯著；按土類劃分，各土類的全硒含量與海拔相關性不顯著；而不同成土母質中第四紀黏土和石灰?guī)r發(fā)育的耕地中全硒含量與海拔呈極顯著或顯著相關，其他則相關性不顯著。

土壤全硒含量受區(qū)域母質性質控制，而非人為輸入。除母質外，土壤有機質含量是土壤全硒空間分布的主要原因。研究結果表明，不同母質、不同土類、不同海拔高度引起的土壤有機質含量的不同分布，可能導致利川市耕地土壤全硒含量的不同分布。