天然富硒土壤成因分類研究及開發(fā)適宜性評價

劉道榮,焦森

(1.中化地質(zhì)礦山總局 浙江地質(zhì)勘查院，浙江 杭州 310002； 2.中化地質(zhì)礦山總局，北京 100013)

0 引言

硒是動物和人體生理必需的微量營養(yǎng)元素，是人體谷胱甘肽過氧化物酶的組成部分，能調(diào)節(jié)維生素A、C、E、K的吸收，具有阻斷基因突變，抗氧化，提高免疫力，拮抗砷、鎘、汞等重金屬毒性的作用[1-3]。人體缺硒易導致心血管病、糖尿病等，嚴重時易引發(fā)大骨節(jié)病、克山病[4]。缺硒地區(qū)人群通過適度補硒，尤其是食用天然富硒農(nóng)產(chǎn)品，能達到預防疾病的效果。天然富硒土壤是指土壤中硒元素(或有效態(tài)硒)含量達到某一特定范圍值，具備生產(chǎn)富硒農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地條件，并能生產(chǎn)天然富硒農(nóng)產(chǎn)品的土壤[5-6]。因此，富硒土壤是開發(fā)出天然富硒農(nóng)產(chǎn)品的先決條件，是稀缺的土壤資源，具有重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟價值。

土壤硒來源、富硒土壤成因是決定土壤硒生物有效性及富硒土地資源可利用性的根本原因[1]。不同成因類型的富硒土壤生產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品富硒程度不同[7]。因此，劃分富硒土壤的成因類型，對分類指導富硒土壤開發(fā)具有重要意義，但相關研究程度還比較低。不同研究者雖然從天然富硒土壤成因或主要控制因素出發(fā)，對分類進行了探索[7-9]，但這些分類方案或適用范圍較小，或分類標準不一，一定程度上影響和制約了富硒土壤的評價與開發(fā)。筆者總結了我國主要天然富硒區(qū)富硒土壤成因與富硒土壤分類研究進展，提出基于母巖——成土母質(zhì)的天然富硒土壤成因類型劃分方案，并對黑色巖系型、含煤巖系型、火山巖型、淺變質(zhì)巖型等4種重要亞類的富硒土壤特征及開發(fā)適宜性進行概略評述，提出天然富硒土壤開發(fā)適宜性評價指標，以期為富硒土壤資源科學利用提供依據(jù)。

1 天然富硒土壤成因認識與分類研究現(xiàn)狀

1.1 天然富硒土壤成因認識

巖石是決定多數(shù)地區(qū)土壤硒含量的關鍵因素[1]。天然富硒土壤主要分布于富硒巖石、煤系地層分布區(qū)及硒礦化、金屬硫化物礦化區(qū)[4,10-12]。浙西富硒土壤多與寒武系黑色巖系密切相關[13-14]；浙北嘉善富硒土壤的形成與湖沼相沉積有關[15]。陜西紫陽富硒土壤與寒武—奧陶—志留系(除梅子埡組)的黑色含炭巖系分布一致[16]。湖北恩施富硒土壤與二疊系煤系地層及黑色巖系有關[4,17]。貴州富硒土壤多與二疊系煤層、寒武系黑色巖系以及磷塊巖分布有關[18-19]。安徽省富硒土壤與震旦—二疊系地層、侏羅系火山巖、燕山期侵入巖等高硒巖石分布區(qū)空間分布一致，其中寒武系石煤、硅質(zhì)巖、灰?guī)r，石炭系炭質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖，二疊系灰?guī)r等巖石硒含量較高(w(Se)>0.12×10-6)[8]。福建壽寧富硒土壤與侏羅系火山碎屑巖類有關[20]。海南富硒土壤主要與變質(zhì)巖(變質(zhì)粉細砂巖、板巖等)有關[21]。廣西全州富硒土壤與二疊系黑色炭質(zhì)巖系的高硒背景有密切關系[22]；南寧市富硒土壤主要由二疊系碳酸鹽巖和寒武系碎屑巖等高硒巖層引起[23]。江西龍南縣富硒土壤查證結果表明，富含硒的基巖(煤、炭碳質(zhì)巖類等巖石)是富硒土壤分布的控制因素[24]；贛南典型地區(qū)富硒土壤主要與煤系地層和石炭系頁巖、粉砂巖、灰?guī)r等廣泛分布有關[25]。上述典型地區(qū)天然富硒土壤分布都受控于地質(zhì)背景，黑色巖系、煤系地層、炭質(zhì)泥(頁)巖、火山碎屑巖、部分變質(zhì)巖、碳酸鹽巖等富硒巖石風化后，易形成富硒土壤。

成土母質(zhì)是巖石經(jīng)過風化作用后，就地殘積或搬運后在地殼表層形成的疏松堆積物，是形成土壤的物質(zhì)基礎。成分不同的成土母質(zhì)，發(fā)育形成的土壤中元素含量差異較顯著。土壤硒常具有明顯的繼承性，其含量高低更大程度上取決于成土母質(zhì)硒含量[13,22,26-27]。如花崗巖硒含量低，其形成的母質(zhì)和土壤硒含量都較低[14,25]；而炭硅質(zhì)巖類風化物、含煤巖系風化物常形成富硒土壤[13,24]。由于成土母質(zhì)對土壤硒來源具有較好的指示意義，因此可根據(jù)成土母質(zhì)類型來進行天然富硒土壤成因分類。值得注意的是，運積母質(zhì)通常是多種巖石風化的產(chǎn)物，因此，殘積母質(zhì)較運積母質(zhì)能更好地反映母巖的成分。在天然富硒土壤成因、土壤硒來源判斷上，要注意二者差異。

1.2 天然富硒土壤成因分類研究現(xiàn)狀

目前尚無天然富硒土壤系統(tǒng)的成因分類方案。大多數(shù)研究者都從土壤硒的來源或富硒土壤主控因素出發(fā)，進行分類研究。

王銳等[9]按富硒土壤主要控制因素，將我國主要農(nóng)耕區(qū)土壤硒成因類型分為4種：①受煤系、黑色地層影響及控制，②受沉積作用影響，③受土壤有機質(zhì)影響及控制，④受基性火山巖影響；并對每個成因類型典型區(qū)土壤硒元素含量分布特征及來源等進行了概述。但其分類標準不統(tǒng)一，且對土壤硒的生物有效性、農(nóng)產(chǎn)品富硒特點及開發(fā)利用前景等未進行評述，難以區(qū)分不同類型富硒土壤的可利用性。

賈十軍[8]根據(jù)地質(zhì)背景差異，將安徽省自然成因富硒土壤分為兩類，分別為高硒巖石風化形成和特殊沉積環(huán)境形成，同時指出特殊沉積環(huán)境形成的富硒土壤其沉積物母質(zhì)的源區(qū)或水系上游，一般存在高硒地層。實際上這二類富硒土壤的成因相近，只是前者為殘積母質(zhì)，后者為運積母質(zhì)，該方案難以區(qū)別不同高硒地層形成的富硒土壤差異。

宋明義[13]通過對比各類富硒土壤差異，按不同成土母質(zhì)，將浙江省天然富硒土壤成因類型歸納為4種，即火山巖型、石煤型、燃煤型、湖沼型，并詳細對比了各類型富硒土壤的基本特征、土壤重金屬及有效硒含量、農(nóng)產(chǎn)品硒含量、富硒土壤可開發(fā)利用程度，認為石煤型富硒土壤的可利用性最高，其次為燃煤型和湖沼型，火山巖型最低。并提出針對不同類型富硒土壤的開發(fā)利用建議，對浙江省富硒土壤開發(fā)利用具有較好指導作用。但從全國范圍來看，富硒土壤母質(zhì)類型眾多，僅按火山巖型、石煤型、燃煤型、湖沼型無法完全歸納，如變質(zhì)巖類風化物、碳酸鹽巖類風化物、泥頁巖類風化物等形成的富硒土壤都不屬于上述分類范圍，因此該分類方案還有待進一步完善。

2 基于母巖—母質(zhì)的天然富硒土壤成因分類

2.1 分類方案

如前所述，富硒土壤受控于地質(zhì)背景，土壤硒主要來自成土母質(zhì)(母巖)，若按土壤母巖成因先分大類，再根據(jù)母質(zhì)差異細分亞類，則富硒土壤成因的類別較容易確定。

根據(jù)土壤母巖的成因，按巖石學分類方案，可將天然富硒土壤分為沉積巖型、巖漿巖型、變質(zhì)巖型3個類別(表1)。沉積巖型天然富硒土壤按成土母質(zhì)類型可分為表生沉積型、黑色巖系型、含煤巖系型、碳酸鹽巖型、碎屑巖型等5個亞類；巖漿巖型天然富硒土壤可分為侵入巖型、火山巖型及次火山巖型3個亞類；變質(zhì)巖型天然富硒土壤可分為淺變質(zhì)巖型、中深變質(zhì)巖型2個亞類。

表1 天然富硒土壤成因分類

2.2 分類方案對比

宋明義等[7]提出的火山巖型、石煤型、燃煤型、湖沼型，分別相當于表1中巖漿巖型大類中的火山巖型亞類，沉積巖型大類中的黑色巖系型、含煤巖系型及表生沉積型3個亞類。

本方案新增加了碳酸鹽巖型、碎屑巖型、侵入巖型、次火山巖型、淺變質(zhì)巖型、中深變質(zhì)巖型6個亞類。這6個亞類都有相應的富硒土壤成土母質(zhì)類型，如碳酸鹽巖型，較常見的成土母質(zhì)有白云巖類風化物[14]、泥質(zhì)灰?guī)r類風化物、灰?guī)r類風化物[8,23]。其他亞類對應的富硒土壤成土母質(zhì)見表1。次火山巖型、淺變質(zhì)巖型(千枚巖類風化物)尚未見到公開報道，但與火山巖、泥質(zhì)巖類化學組成類似，推斷存在該類型富硒土壤。

3 天然富硒土壤開發(fā)適宜性評價

3.1 天然富硒土壤重要亞類的主要特征

如前所述，炭質(zhì)硅質(zhì)巖、炭質(zhì)頁巖、煤及煤系地層、磷酸鹽巖、火山巖碎屑巖是形成土壤硒地質(zhì)高背景的主要原因[1,9]，加之分布面積較廣，是天然富硒土壤的重要亞類。尤其是黑色巖系，在云南、貴州、廣西、四川、湖南、湖北、江西、江蘇、浙江、安徽等省份都有分布。此外，由于成土過程中硒的次生富集作用[1]，平原區(qū)也易形成富硒土壤，且開發(fā)條件好，具有重要利用價值。

3.1.1 黑色巖系型

代表性地區(qū)為浙江湖州、杭州、衢州，安徽石臺，陜西安康，鄂西地區(qū)，貴州開陽等。主要富硒地層為寒武系下統(tǒng)荷塘組、留茶坡組、牛蹄塘組、魯家坪組、剪竹壩組，二疊系中統(tǒng)孤峰組、大隆組，巖性以硅質(zhì)巖、炭質(zhì)硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、含炭粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r等為主。土壤硒含量高，局部達到毒硒程度(w(Se)>3.0×10-6)。土壤有效硒含量高，農(nóng)產(chǎn)品富硒率高，如浙江安吉富硒區(qū)稻米富硒率為100%[36]。富硒土地常分布在丘陵盆地區(qū)，相對集中連片，源巖風化區(qū)土壤重金屬含量高，農(nóng)產(chǎn)品中存在一定程度的重金屬超標現(xiàn)象；異地沉積區(qū)富硒土壤重金屬含量較源巖風化區(qū)顯著降低，開發(fā)適宜性高[7]。

3.1.2 含煤巖系型

代表性地區(qū)為浙江長興、福建三明[37]、湖北恩施。主要富硒地層為二疊系龍?zhí)督M、梁山組、翠屏山組，發(fā)育砂、泥巖夾煤線或透鏡狀煤層。土壤硒含量中等，有效硒含量中等，如長興富硒區(qū)表層土壤硒極大值為1.78×10-6，有效硒平均含量為0.02×10-6，最大值為0.08×10-6[38]。土壤重金屬含量較低，農(nóng)產(chǎn)品富硒率低—中等，如恩施沙地，玉米籽實硒含量等級處于“中等”和“高”的樣品所占比例 為65.33%[39]。富硒土地常分布在丘陵山區(qū)，集中連片程度低—中等，開發(fā)適宜性中等。

3.1.3 表生沉積型

代表性地區(qū)有浙江嘉興、金華、常山、寧波，廣東石鼓等地。主要富硒地層為第四系，土壤母質(zhì)有湖沼相富含有機質(zhì)砂泥質(zhì)沉積物、全新世洪沖積物、湖相沉積物、早中更新世紅土風化物等。土壤硒全量稍低，如嘉善富硒區(qū)硒含量0.40×10-6～1.296×10-6，變異系數(shù)9.4%，硒含量空間變化小[40]。土壤有機質(zhì)含量較高，重金屬含量低；農(nóng)產(chǎn)品富硒率中等(>60%)，重金屬超標率低。富硒土地大多位于平原區(qū)，相對集中連片，開發(fā)適宜性中等—高。

3.1.4 火山巖型

代表性地區(qū)有福建壽寧、浙東沿海、海南等地。主要富硒地層為侏羅系、白堊系，巖性以酸性火山巖、中酸性火山巖及玄武巖類為主。土壤硒含量中等—高，有效硒含量低—中等。土壤呈酸性、強酸性(pH 4～6)，重金屬含量低，農(nóng)產(chǎn)品富硒率低—高，變化較大。如壽寧富硒土壤研究區(qū)硒含量平均值為0.44×10-6，稻米富硒率達到83.33%，茶葉不富硒[20]；海南島基性火山巖區(qū)土壤硒平均值為1.07×10-6，而有效硒平均值為0.012 9×10-6，有效度僅1.21%。富硒土地常分布在丘陵山區(qū)，少數(shù)在平原區(qū)，集中連片程度差異大，開發(fā)適宜性較差—中等。

上述4個富硒土壤亞類特征表明，影響富硒土壤開發(fā)的因素，除了土壤硒含量、硒的有效性外，還與土壤環(huán)境質(zhì)量(重金屬含量)、富硒土地面積、集中連片程度及富硒土地所處地貌景觀等因素有關，其中土壤重金屬含量的高低，即土壤污染風險高低對富硒土壤開發(fā)利用影響最大。基于風險管控原則[41-42]，可將天然富硒土地按土壤污染風險高低劃分為：

優(yōu)先保護類富硒土地(或稱為綠色富硒土地)：土壤中污染物(主要指重金屬，下同)的含量不超過土壤污染風險篩選值時，土壤污染風險低，一般情況下土壤污染風險可以忽略的天然富硒土地。

安全利用類富硒土地：土壤中的污染物含量超過風險篩選值，但低于土壤污染管制值時，可能導致食用農(nóng)產(chǎn)品不符合質(zhì)量安全標準的天然富硒土地。

嚴格管控類富硒土地：土壤中污染物含量高于風險管制值，土壤污染風險高，難以保證農(nóng)產(chǎn)品食用安全性的天然富硒土地。

3.2 天然富硒土壤開發(fā)適宜性評價指標體系

按上述富硒土地類別劃分原則，綠色富硒土地應首先開發(fā)利用，安全利用類富硒土地在一定條件下可開發(fā)利用，而嚴格管控類富硒土地一般不適合開發(fā)利用。因此，天然富硒土壤開發(fā)適宜性評價指標體系主要適用于綠色富硒土地和安全利用類富硒土地。

3.2.1 綠色富硒土地開發(fā)適宜性評價

根據(jù)富硒土壤資源的分布情況、土壤安全類別劃定成果，可將綠色富硒土地按開發(fā)條件(影響富硒土地開發(fā)要素)進行規(guī)劃分區(qū)、利用。開發(fā)條件包括：富硒土地面積、地形地貌、富硒土地集中連片程度、農(nóng)作物富硒率、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設施條件等5個要素。對各要素進行開發(fā)適宜性評價，分為適宜、較適宜、不適宜三級，分別賦值3、1、0，各要素適宜性判別標準如表2。

式中：y為富硒土地開發(fā)適宜程度；x為影響富硒土地開發(fā)要素的取值。當y≥13時，為適宜開發(fā)；7≤y<13且富硒土地面積≥300畝時，為較適宜開發(fā)；富硒土地面積<300畝或y<7時，為不適宜開發(fā)。

采用上述標準，對浙江海鹽縣澉浦鎮(zhèn)富硒土壤開發(fā)適宜性進行評價。澉浦鎮(zhèn)平原區(qū)富硒土壤面積約8 000畝[43]，土壤硒含量0.40×10-6～0.79×10-6，富硒區(qū)地勢平坦，富硒土地集中連片分布在茶院、六里村等地，土壤重金屬含量低，為綠色富硒土地，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設施較完善，周邊無潛在污染源，但稻米富硒率約64%，按表2逐項打分，結果顯示富硒土地較適宜開發(fā)(y=12)，需要篩選更易富硒作物。目前，澉浦鎮(zhèn)富硒土地已進行商業(yè)開發(fā)，并生產(chǎn)出富硒蘆筍、富硒稻米及富硒果蔬等農(nóng)產(chǎn)品。

3.2.2 安全利用類富硒土地開發(fā)適宜性評價

安全利用類富硒土地開發(fā)適宜性評價可參照綠色富硒土地開發(fā)適宜性評價方法，各要素判別標準參照表2執(zhí)行，但適宜開發(fā)程度(y)標準有所不同。當y≥13時，為較適宜開發(fā)；y<13時，為不適宜開發(fā)。

表2 綠色富硒土地開發(fā)要素適宜性評價

特殊情況下，當綠色富硒土地被安全利用類富硒土地分割或綠色富硒土地與安全利用類富硒土地緊鄰，但綠色富硒土地和安全利用類富硒土地各自面積都小于300畝，而二者之和超過300畝時，可統(tǒng)一按安全利用類富硒土地評價其開發(fā)適宜性。

4 結論

天然富硒土壤常受控成土母質(zhì)，基于母質(zhì)差異，可將其分為沉積巖型、巖漿巖型及變質(zhì)巖型等3類，進一步可細分為表生沉積型、黑色巖系型、含煤巖系型等10個亞類。不同成因類型的天然富硒土壤特征及開發(fā)適宜性差異較大，異地沉積的黑色巖系型、表生沉積型等綠色富硒土地開發(fā)適宜性高。

天然富硒土地開發(fā)適宜性可在富硒土地安全類別劃分基礎上，根據(jù)富硒土地面積、地形地貌、富硒土地集中連片程度、農(nóng)作物富硒率、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設施條件等5個要素的評價結果確定。

由于天然富硒土壤成土母質(zhì)類型眾多，本分類方案中的成因亞類還可根據(jù)新的富硒土壤母質(zhì)類型進行補充，使該分類方案更加完善。

致謝：論文編寫過程中得到浙江省地質(zhì)調(diào)查院宋明義教授級高級工程師、康占軍高級工程師的幫助；審稿專家在本文修改過程中提出了寶貴意見，在此一并表示感謝！