運(yùn)城盆地土壤全硒空間變異特征及影響因素

張建杰，楊治平，程 濱，郭軍玲

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030031）

硒（Selenium，Se）廣泛分布于自然環(huán)境中，是人與動(dòng)物生長所必需的一種微量元素[1]。硒由土壤通過植物進(jìn)入食物鏈，其豐缺程度對(duì)人體健康具有重要的影響，硒缺乏或過量都會(huì)引發(fā)疾病，適量的硒攝入則可以改善人體機(jī)體的免疫，提高防癌、抗癌的能力[2]。研究區(qū)域尺度土壤硒元素的含量及空間分布特征對(duì)于功能農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及人體健康具有重要的意義[3]。

張慧等[4]以黑龍江產(chǎn)糧大縣泰來縣為例，研究了該縣耕地土壤硒元素的空間分布特征，分析了土壤硒與土壤成土母質(zhì)、有機(jī)碳、總氮、Fe2O3、Al2O3及pH的相關(guān)性，結(jié)果表明，松嫩平原西部邊緣地帶土壤硒的分布與土壤母質(zhì)、土壤有機(jī)質(zhì)、總氮等有關(guān)。黃春雷等[5]在浙江省中部對(duì)富硒土壤區(qū)的系統(tǒng)調(diào)查研究表明，地質(zhì)背景對(duì)土壤硒含量有控制作用；土地利用方式也是影響土壤硒遷移富集的重要因素，而土壤有機(jī)質(zhì)是影響硒含量的重要因素。邵亞等[6]以西南典型巖溶區(qū)為研究對(duì)象，采用協(xié)同克里格模型，利用地理加權(quán)回歸模型對(duì)土壤硒空間分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，土壤硒的分布與地形地貌及影響土壤硒化學(xué)行為的土壤屬性因子有關(guān)。徐強(qiáng)等[7]研究黑龍江水稻主產(chǎn)縣方正縣的土壤硒空間變異特征結(jié)果表明，該地區(qū)影響硒含量的主要因素為土壤有機(jī)碳、黏粒及粉粒含量。蔡立梅等[8]以廣東省揭陽市為研究對(duì)象，分析了該地土壤硒的空間分布特征，并探討了主要影響因素，結(jié)果表明，該地區(qū)土壤硒總體呈足硒或富硒特征，而不同的土壤成土母質(zhì)是影響硒含量的主要因素，土壤硒含量與土壤有機(jī)碳、Fe2O3及Al2O3呈極顯著正相關(guān)，而與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)。這些研究探討了我國不同省份區(qū)域尺度的土壤硒元素分布特征及影響因素，但我國幅員遼闊，區(qū)域間資源稟賦、生態(tài)環(huán)境存在較大差異，對(duì)于影響土壤硒元素的主導(dǎo)因素也不盡相同。

萬榮縣是山西省農(nóng)業(yè)大縣，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值占整個(gè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的30%左右，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系完整，糧食產(chǎn)量保持平穩(wěn)，水果、蔬菜和中藥材種植面積及產(chǎn)量增幅均較快，特別是蘋果產(chǎn)業(yè)是萬榮縣最突出的特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)[9]。土壤硒含量及分布對(duì)于區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)快速轉(zhuǎn)型發(fā)展至關(guān)重要，而當(dāng)前對(duì)于萬榮縣土壤硒的系統(tǒng)研究尚未見報(bào)道。

本研究利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和ArcGIS相結(jié)合的方法，對(duì)萬榮縣0～20 cm土壤硒的空間異質(zhì)性進(jìn)行分析，以探討硒含量與成土母質(zhì)、海拔高度、pH、土壤有機(jī)質(zhì)和全氮之間的關(guān)系，旨在為該區(qū)開發(fā)功能食品與發(fā)展特色農(nóng)業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

萬榮縣地處黃土高原，山西省西南部、運(yùn)城市西北方。其位于東經(jīng)110°25′56″～110°59′40″、北緯35°13′44″～35°31′42″，總面積1 081 km2。最高的孤山海拔為1 411.8 m，最低的黃河河灘海拔為357 m，相對(duì)高差達(dá)1 054 m。全縣東西長51 km，南北寬33 km。該地屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，但有伏旱，秋季陰雨連綿，四季分明。年降雨量分布極不均勻，主要集中在7、8、9月這3個(gè)月，年均降雨量為542.0 mm；年平均氣溫11.8℃，全年無霜期187.9 d，光能資源比較豐富，年平均日照為2 364.3 h。土壤母質(zhì)主要有花崗片麻巖風(fēng)化物、石灰?guī)r風(fēng)化物、白云巖風(fēng)化物、黃土、洪積黃土和黃土狀母質(zhì)、風(fēng)積砂土、沖積物等。褐土是該縣的主要土壤類型，占縣域總面積的86.92%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究獲取到所需基礎(chǔ)圖件行政區(qū)劃圖、土地利用現(xiàn)狀圖來源于萬榮縣國土資源局；DEM數(shù)字高程圖來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；土壤圖、土壤母質(zhì)分布圖來源于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所）。

1.3 樣品采集

土壤樣品于2019年9月采集于山西省運(yùn)城市萬榮縣。采集前將行政區(qū)劃、土地利用現(xiàn)狀、數(shù)字高程模型、土壤圖、土壤母質(zhì)分布圖等進(jìn)行疊加，結(jié)合當(dāng)?shù)氐闹饕N植作物等因素確定樣點(diǎn)代表性，同時(shí)兼顧了樣點(diǎn)的均一性進(jìn)行樣點(diǎn)布設(shè)；在采樣過程中使用GPS記錄樣點(diǎn)的經(jīng)緯度及海拔信息，并記錄了作物種植類型、主要農(nóng)事管理措施等信息，共采集樣點(diǎn)101個(gè)，采樣深度為0～20 cm表層土壤（圖1）。將采集的土壤樣品進(jìn)行自然風(fēng)干，剔除植物根系、砂礫、動(dòng)物殘?bào)w等雜物，經(jīng)研磨后過0.84 mm尼龍篩備用。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

在室內(nèi)分析測(cè)定土壤全硒、pH、全氮、有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)。其中，土壤全硒含量采用鹽酸-硝酸-高氯酸-氫氟酸消解，使用原子熒光光度計(jì)測(cè)定；土壤pH測(cè)定采用離子選擇性電極法（ISE）；全氮含量采用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用外熱源加熱-重鉻酸鉀氧化-容重法[10]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的先決條件是數(shù)據(jù)必須滿足正態(tài)分布。采用Kolmogorov-Smirnov（K-S）檢驗(yàn)對(duì)所有元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，表明土壤硒含量原始數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布（D值為0.54，雙截尾概率小于0.05，且偏度系數(shù)Skewness為0.65，峰度系數(shù)Kurtosis為3.68），經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后滿足正態(tài)分布。采用單因素方差分析（ANOVA）不同成土母質(zhì)、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和pH等理化性狀及海拔高度對(duì)土壤硒含量的影響。

采用R3.6.2進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析和正態(tài)分布檢驗(yàn)[11]，并繪制相關(guān)圖件；采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析土壤硒的空間異質(zhì)性[12-13]（基于GS＋5.0完成），采用ArcGIS 10.3繪制土壤硒元素的空間分布圖；分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來源于TAN等[14]的研究結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 萬榮縣土壤全硒含量的描述性統(tǒng)計(jì)

萬榮縣土壤全硒含量服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布（表1、圖2），偏度系數(shù)為-0.05，峰度系數(shù)為3.12；土壤全硒的平均含量為0.20 mg/kg，非常接近我國土壤硒含量水平[15]（0.21 mg/kg），整體處于足硒水平；表層土壤全硒含量范圍為0.11～0.35 mg/kg，極差為0.24 mg/kg，土壤硒在表層土壤含量范圍變化幅度較大；變異系數(shù)為0.22，為中等變異程度。

表1 萬榮縣表層土壤全硒含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析

2.2 萬榮縣土壤全硒分布的空間自相關(guān)性分析

從表2可以看出，萬榮縣土壤硒元素的理論模型采用球狀模型擬合較好，其決定系數(shù)為0.940，殘差為7.73×10-5，表明理論模型能夠較好地反映土壤硒元素的空間結(jié)構(gòu)特征。塊金值反映系統(tǒng)內(nèi)由隨機(jī)因素引發(fā)的空間異質(zhì)性，基臺(tái)值反映整個(gè)系統(tǒng)的變異。塊基比則反映由隨機(jī)因素所導(dǎo)致的異質(zhì)性占整體空間異質(zhì)性的比例[16-17]，如果該值小于0.25，表明系統(tǒng)內(nèi)具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，其空間變異受母質(zhì)、土壤類型、氣候、地形、等結(jié)構(gòu)性（自然）因素影響較大；如果該值大于0.75，則表明其空間變異受施肥、耕作等隨機(jī)（人為）因素影響較大。萬榮縣土壤硒的塊基比為0.385，接近0.25，表明其具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，其空間變異受自然因素影響較人為因素大。土壤全硒的變程為18.050 km，說明土壤硒在較大的空間尺度范圍內(nèi)空間自相關(guān)。

表2 萬榮縣土壤全硒的半方差函數(shù)模型

2.3 萬榮縣土壤硒分布特征

根據(jù)擬合的半方差函數(shù)曲線及參數(shù)，使用Kriging插值法繪制了土壤硒元素的分布圖（圖3），以期直觀地反映萬榮縣土壤硒元素的分布特征。交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示，其誤差平均值（7.87×10-4）與標(biāo)準(zhǔn)平均值（-2.86×10-2）均接近于0；均方根預(yù)測(cè)誤差值（3.89×10-2）非常小，且與平均標(biāo)準(zhǔn)誤差值（4.31×10-2）很相近；此外，標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測(cè)誤差值（1.01）最接近于1，表明插值精度能夠用來預(yù)測(cè)該區(qū)域土壤硒的空間分布特征[18]。

從萬榮縣土壤全硒含量的分布圖來看（圖3），土壤硒空間分布特征明顯，總體呈現(xiàn)中部高、東西兩端低的格局。根據(jù)土壤硒元素含量的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[12]：缺硒土壤（＜0.125 mg/kg）、低硒土壤（0.125～0.175 mg/kg）、足硒土壤（0.175～0.450 mg/kg）、富硒土壤（0.450～2.000 mg/kg）、高硒土壤（2.000～3.000 mg/kg）、過量硒土壤（＞3.000 mg/kg），萬榮縣土壤硒含量共分為缺硒、低硒、足硒3個(gè)等級(jí)，其中，缺硒土壤主要分布在裴莊鄉(xiāng)沿黃河區(qū)域一帶以及王顯鄉(xiāng)及漢薛鎮(zhèn)的零星地帶，所占面積90.80 km2，占萬榮縣國土面積的8.44%；低硒土壤主要分布在縣域西部沿黃流域一帶的裴莊鄉(xiāng)、光華鄉(xiāng)和榮河鎮(zhèn)，以及縣域東部的皇甫鄉(xiāng)、漢薛鎮(zhèn)、解店鎮(zhèn)和西村鄉(xiāng)，所占面積240.07 km2，占萬榮縣國土面積的22.31%；足硒土壤主要分布在縣域中部，所占面積745.31 km2，占萬榮縣國土面積的69.26%。

2.4 萬榮縣土壤硒分布的影響因素分析

2.4.1 成土母質(zhì)的影響 一般來講，對(duì)于自然成因的土壤，其含硒量與成土母質(zhì)有直接關(guān)系[5，19]，成土母質(zhì)是表層土壤硒含量的主要來源[20]。將土壤樣本的分布數(shù)據(jù)與成土母質(zhì)圖進(jìn)行疊加，提取了所有樣點(diǎn)的成土母質(zhì)信息，基于ANOVA法，對(duì)不同成土母質(zhì)類型區(qū)的土壤全硒含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示（表3），萬榮縣主要4種成土母質(zhì)發(fā)育的土壤中土壤硒含量存在明顯差異，由洪積黃土（0.211 mg/kg）、黃土（0.199 mg/kg）和黃土狀成土母質(zhì)（0.214 mg/kg）發(fā)育的土壤硒含量顯著高于風(fēng)積砂土（0.161 mg/kg）（P＜0.05），但洪積黃土、黃土和黃土狀成土母質(zhì)發(fā)育的土壤硒含量間差異不顯著（表3）。主要原因可能是由于風(fēng)積砂土的土質(zhì)較砂，多為砂壤，發(fā)育形成的土壤透水透氣性能良好，但保肥保水能力較差；而黃土土壤一般土層深厚，養(yǎng)分含量比較豐富，洪積黃土與黃土狀母質(zhì)一般土質(zhì)較黏，多為中壤或重壤，透水透氣性能較差，反而有利于土壤硒的富集。

表3 萬榮縣不同成土母質(zhì)發(fā)育土壤全硒含量方差分析

2.4.2 土壤理化性質(zhì)的影響 本研究通過分析萬榮縣土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤硒含量之間的關(guān)系結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者具有顯著的線性正相關(guān)性（圖4-A）；萬榮縣土壤全硒含量隨著土壤全氮含量的增加而增加，二者也存在顯著的線性正相關(guān)關(guān)系（圖4-B），土壤有機(jī)質(zhì)和全氮本身具有很好的相關(guān)性[21]，這與陳娟等[22]、李杰等[23]的研究結(jié)果一致。黃春雷等[5]研究認(rèn)為，土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)硒具有吸附和固定作用，一般有機(jī)質(zhì)含量豐富的土壤，對(duì)于土壤中硒的吸附能力較強(qiáng)，土壤中的含硒量也相對(duì)較高，這使得其成為影響土壤硒含量的重要因素之一。遲鳳琴等[20]、陳娟等[22]、商靖敏等[24]研究也得出類似的結(jié)論，與本研究結(jié)果相似。

本研究結(jié)果表明，土壤硒含量與pH的相關(guān)系數(shù)較低，相關(guān)系數(shù)僅為-0.044（圖4-C），與李杰等[23]對(duì)南寧土壤的研究結(jié)果類似，但與其他研究結(jié)果存在差異[5，8]，這可能是由于在不同區(qū)域，不同地理環(huán)境使得硒在土壤中賦存狀態(tài)存在差異[23]。有研究認(rèn)為，土壤全硒含量與土壤pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為隨著土壤pH值的降低，土壤全硒含量有增加的趨勢(shì)[5，23]。有學(xué)者[8，25]研究表明，pH是控制土壤硒價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素，在酸性和中性土壤中，土壤全硒主要以亞硒酸鹽（SeO32-）的形態(tài)存在，而在通氣良好的堿性土壤中，土壤全硒則主要以硒酸鹽（SeO42-）的形態(tài)存在，一般情況下，亞硒酸鹽形態(tài)的硒容易受黏粒礦物和倍半氧化物固定，而硒酸態(tài)硒則與吸附質(zhì)之間的親和力較弱，溶解度大，所以pH值越高，土壤中的硒越容易受到淋洗，使得硒含量較低。這與本研究結(jié)果類似。

2.4.3 海拔高度的影響ANOVA統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（表4），萬榮縣的海拔高度與土壤硒含量相關(guān)關(guān)系不顯著（P＞0.05），說明不同區(qū)域海拔高度對(duì)于土壤硒含量的影響不盡相同。商靖敏等[24]在洋河流域的研究結(jié)果表明，土壤硒含量隨著海拔高度的增高顯著增加，與蔡立梅等[8]、章海波等[25]在香港的研究結(jié)果一致，認(rèn)為隨著海拔高度的升高，土壤有機(jī)質(zhì)分解變緩，有利于土壤硒的富集。陳娟等[22]在山東淄博市博山區(qū)的研究結(jié)果表明，洪流等沖刷作用將有機(jī)質(zhì)及硒元素帶到低洼處，使得區(qū)域內(nèi)土壤硒含量隨海拔升高而降低，與上述研究結(jié)果相反。

表4 不同海拔高度范圍內(nèi)土壤全硒含量的變化特征

3 結(jié)論與討論

萬榮縣土壤硒含量變幅在0.11～0.35 mg/kg，平均值為0.20 mg/kg，非常接近全國平均水平，研究區(qū)土壤總體上屬于足硒水平，土壤硒含量呈現(xiàn)中部高、東西兩端低的空間分布格局，絕大多數(shù)土壤處于足硒水平，不存在富硒及以上水平的土壤。鑒于萬榮縣是山西省重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)縣，也是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部第二批“農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展先行先試支撐體系建設(shè)縣”，進(jìn)一步提高土壤中的硒含量，對(duì)于改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)水平特別是該縣的水果產(chǎn)業(yè)水平具有重要作用。因此，可以考慮通過施用硒肥等外源途徑來提高土壤中硒的含量，以使其逐步提升富硒水平。

本研究結(jié)果表明，土壤母質(zhì)是影響土壤硒含量的主要因素，不同成土母質(zhì)中以風(fēng)積砂土的含硒量最低（0.161 mg/kg），而黃土母質(zhì)的土壤全硒含量顯著高于風(fēng)積砂土的土壤硒含量，主要是前者的保水保肥能力較差，而后者土層深厚、質(zhì)地相對(duì)較黏，有利于土壤硒的積累。相關(guān)性分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮與土壤硒含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，一般認(rèn)為，土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，對(duì)硒的吸附能力越強(qiáng)[5]；而土壤pH值與土壤硒含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于pH是控制土壤硒形態(tài)的關(guān)鍵因素，而不同形態(tài)的硒與土壤中吸附質(zhì)的親和能力不同，一般是pH值越高，土壤硒越容易被淋洗[23]；海拔高度與土壤硒含量間相關(guān)關(guān)系不顯著。

本研究通過對(duì)萬榮縣的土壤硒含量的空間分布特征及影響因素進(jìn)行定量分析，探討研究區(qū)農(nóng)田土壤硒元素與成土母質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、pH及海拔高度等因素的相關(guān)性，并且按照土壤硒含量的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了區(qū)劃。但發(fā)展功能農(nóng)業(yè)還需要明確土壤硒的形態(tài)及不同作物對(duì)于土壤硒的吸收轉(zhuǎn)化規(guī)律；需要明確增加土壤中硒元素含量的有效管理措施以及為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出空間布局規(guī)劃。這還有待于進(jìn)一步研究。