遼寧北部地區(qū)巖石-土壤-植物中硒元素地球化學研究

丁秋紅，唐 韜，王齡廣，陳樹旺，邢德和

1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧省第七地質大隊有限責任公司，遼寧 丹東 118000；3.遼寧省地質礦產調查院有限責任公司，遼寧 沈陽 110032

0 引言

硒（Se）元素對于植物以及人體的有效性已經得到廣泛的重視，在中國東北地區(qū)越來越多的富硒土壤被發(fā)現(xiàn)和利用［1-3］.在地學界，對硒元素的研究多集中在土壤硒的含量、分布、存在形式及其轉化，以及土壤質量評價方面［4-12］.遼寧北部鐵嶺地區(qū)地處松遼平原中段，是遼寧省主要的產糧區(qū)，素有“遼北糧倉”之稱.筆者在鐵嶺地區(qū)開展1∶25萬生態(tài)地質調查，將巖石－土壤－植物系統(tǒng)作為一個整體來研究硒元素的釋放與遷移、植物吸收與積累及其分布的動態(tài)特征與數(shù)量規(guī)律，分析了硒元素在巖石、土壤和植物中的含量、空間分布特征及其變化規(guī)律，以期為土壤硒的生態(tài)環(huán)境演化研究提供科學依據，為遼寧北部地區(qū)開發(fā)富硒農林產品起到有效的推動作用.

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

研究區(qū)地處遼寧省北部，行政區(qū)主要包括鐵嶺市以及沈陽市的康平、法庫兩個縣.該區(qū)屬溫帶季風氣候，全年四季分明，雨量適中，在農業(yè)氣候綜合區(qū)劃中屬于遼北溫和半濕潤農業(yè)氣候區(qū)，適宜多種農作物生長.主要河流為遼河、秀水河.

研究區(qū)分為3個地貌單元：東部低山丘陵區(qū)屬長白山余脈，是主要的林業(yè)基地，該區(qū)地貌以丘陵為主，少量低山及河谷平原，海拔高度200～696 m；中部為山前傾斜平原，是東部低山丘陵向西部沖積平原過渡地帶，呈帶狀北東向分布；西部沖積平原為遼河及秀水河等沖積而成，發(fā)育有二級、一級階地，二級階地海拔高度100 m左右，一級階地沿河谷邊部近河床分布，相對高度5～10 m，為堆積階地，遼河河床內見有心灘和邊灘.

1.2 區(qū)域地質

研究區(qū)地層出露較全，主要有太古宇，中、新元古界，古生界的寒武系、奧陶系、志留系、石炭系、二疊系，中生界的侏羅系、白堊系和新生界的第四系.其中，第四系較為發(fā)育，出露面積接近全區(qū)總面積的一半，主要分布于康平、昌圖、開原以及鐵嶺至沈北一帶的河漫灘、階地以及兩岸沖積平原處.基巖組成有沉積巖、巖漿巖和變質巖.研究區(qū)經歷了長期復雜的構造和變質作用以及多期巖漿活動，發(fā)育有多種礦產資源.新生代升降運動形成松遼拗陷、河谷階地等現(xiàn)代構造特征和地貌景觀.

1.3 土壤地質

根據成土母質或成土母巖、地貌和第四紀地質等特征，研究區(qū)內的土壤包括：棕壤、褐土、草甸土、沼澤土、水稻土、風砂土以及新積土和鹽堿土等.棕壤主要分布在低山丘陵區(qū)，包括酸性巖質棕壤、中性巖質棕壤、基性巖質棕壤、碳酸鹽質棕壤以及碎屑巖質棕壤等；草甸土、沼澤土和風沙土主要分布在平原區(qū)、河漫灘、一級階地等［13］.

2 材料與方法

本次研究，采取巖石－土壤－植物綜合取樣法，在采樣點上進行植物、土壤和成土母巖取樣.植物樣品取地上部分的莖、葉和果實，同時采集其立地土壤的A、B層土壤及其基巖的巖石樣品（如果能夠采到）.采用五點取樣法在20～200 m2范圍內采集混合樣.其中植物樣品采集10～20株代表性植物并進行混合，混合后的新鮮樣品重量不少于500 g.室溫下干燥，干燥后樣品重量不低于50 g.采樣的樣地盡量滿足下列要求：①樣地內有足夠的植物數(shù)量；②同一樣地內土壤條件基本一致；③樣地間采集植物類型盡量相同.

在研究區(qū)采集巖石樣品60件，土壤A層樣品171件，土壤B層樣品169件，植物樣品189件（圖1）.樣品由中國地質調查局國家地質實驗測試中心測試分析.數(shù)據統(tǒng)計分析使用Excel工作表.

圖1 研究區(qū)采樣點分布示意圖Fig.1 Distribution sketch map of sampling sites in the study area

3 分析結果

3.1 巖石Se元素地球化學

本次研究的60件巖石樣品分別來自碳酸鹽巖、花崗巖、火山巖、碎屑沉積巖和變質巖.分析結果表明，Se在不同類型的巖石中分布不均勻，同類巖石，不同樣品的Se含量差別也較大（表1）.巖石Se含量介于0.22×10－6～0.62×10－6，平均值為0.08×10－6.其中，火山巖中的Se含量最高，平均值為0.14×10－6；其次為碳酸鹽巖，平均值為0.11×10－6；最低為變質巖，平均值為0.05×10－6.Se元素含量最大值出現(xiàn)在碳酸鹽巖類中，巖性為灰?guī)r，達0.62×10－6.

表1 研究區(qū)巖石中硒元素含量特征表Table 1 Characteristics of Se content in rocks of the study area

地殼中Se元素的豐度為0.05×10－6［14］，在研究區(qū)除變質巖Se元素平均值為0.05×10－6外，其他各類巖石Se元素的平均含量均高于地殼中Se元素的豐度值，總體上巖石中Se質量分數(shù)呈現(xiàn)火山巖＞碳酸鹽巖＞花崗巖/沉積巖＞變質巖的規(guī)律.

3.2 土壤Se元素地球化學

本次研究的171件土壤A層樣品和169件土壤B層樣品，分別采自棕壤、草甸土、水稻土和風砂土.分析結果表明，硒元素在不同類型的土壤中分布不均勻，同類土壤不同深度的Se元素的含量差別也較大（表2）.A層土壤Se含量介于0.1×10－6～0.30×10－6，平均值為0.24×10－6；B層土壤Se含量介于0.08×10－6～0.22×10－6，平均值為0.19×10－6.在A層土壤樣品中，棕壤中的Se含量最高，平均值為0.30×10－6；其次為水稻土，平均值為0.23×10－6；最低為風砂土，平均值為0.1×10－6.Se元素含量最大值出現(xiàn)在碳酸鹽巖類棕壤中，達0.85×10－6.在B層土壤樣品中，仍然是棕壤中的Se含量最高，平均值為0.22×10－6；其次為水稻土，平均值為0.18×10－6；最低為風砂土，平均值為0.08×10－6.在A層土壤中Se元素平均含量0.24×10－6，明顯高于B層土壤中Se元素平均含量0.19×10－6.在研究區(qū)，土壤中Se含量總體上呈現(xiàn)棕壤（A、B層）＞水稻土（A、B層）＞草甸土（A、B層）＞風砂土（A、B層）的規(guī)律.

表2 研究區(qū)土壤中硒元素含量特征表Table 2 Characteristics of Se content in soils of the study area

世界范圍內大部分土壤Se含量為0.10×10－6～2.00×10－6，缺Se土壤Se含量平均為0.15×10－6，個別土壤Se含量低于0.01×10－6，而高Se土壤Se含量高達30×10－6～324×10－6，大多數(shù)土壤中Se平均含量為0.20×10－6［15］.中國東北平原土壤Se含量為0.01×10－6～5.30×10－6，平均含量為0.184×10－6［2］.在遼寧北部地區(qū)，土壤A層Se含量平均為0.24×10－6，略高于全球大多數(shù)土壤Se含量平均值，明顯高于東北平原土壤Se含平均值.

關于富硒土壤的定義國內外并未有統(tǒng)一的標準［16-18］，譚見安［17］以我國地方病與低硒環(huán)境為依據提出了中國硒元素生態(tài)景觀界限值，將土壤中Se含量低于0.125×10－6的土壤稱為低硒土壤；土壤中Se量高于0.4×10－6時，稱其為富（高）硒土壤.遼寧北部地區(qū)除風沙土外，土壤A層Se含量變化范圍均介于0.125×10－6～0.4×10－6之間，相當于足硒土壤的水平.

3.3 植物Se元素地球化學

本次研究的187件植物樣品包括玉米（果實）、水稻（果實）、榛子（果實）和雜草（葉部）4類植物.榛子主要產自棕壤，雜草主要產自棕壤和風砂土，水稻主要產自水稻土和草甸土，玉米主要產自棕壤、草甸土、水稻土和風砂土.

分析結果表明，硒元素在不同種類的植物中分布不均勻，同類植物不同植株的Se含量差別較大（表3）.植物中Se含量介于0.004×10－6～0.19×10－6之間，平均含量為0.07×10－6.其中，灌木植物榛子的Se元素含量最高，平均值達0.11×10－6；水稻籽實中的Se元素含量均值為0.05×10－6；玉米籽實中的Se元素含量最低，平均值達0.02×10－6.在研究區(qū)，植物中硒質量分數(shù)總體上呈現(xiàn)榛子＞雜草＞水稻＞玉米的規(guī)律.

表3 研究區(qū)植物中硒元素含量特征表Table 3 Characteristics of Se content in plants of the study area

根據我國糧食衛(wèi)生標準［19-20］，研究區(qū)除玉米籽實外，雜草、榛子和水稻的籽實中Se含量均滿足0.04×10－6～0.30×10－6富Se的標準范圍，但遠遠低于國家富Se糧食限量上限標準0.30×10－6.

研究表明［21-23］，Se作為生態(tài)系統(tǒng)中一種重要的微量元素，也是人體必須的微量元素之一，對人體有重要的生理作用，適量的Se能改善人體的免疫力，提高機體抗氧化能力.長期食用低于0.1×10－6的含Se食物會導致人體Se缺乏反應癥，長期食用Se含量高于1.0×10－6的食物則會引起硒中毒.遼寧北部地區(qū)，野生植物榛子的Se含量介于0.08×10－6～0.13×10－6之間，農作物水稻的Se含量介于0.02×10－6～0.12×10－6之間，農作物玉米的Se含量介于0.004×10－6～0.09×10－6之間，均小于1.0×10－6硒中毒值范圍，處于長期食用安全值范圍內.

4 討論

4.1 巖石－土壤中的Se元素遷移

Se元素在土壤A層中的均值為0.24×10－6，在土壤B層中的均值為0.19×10－6，在巖石中的均值為0.08×10－6.Se元素在土壤中的含量明顯高于在巖石中的含量（圖2），這表明土壤中的Se元素與成土母巖之間既存在成因上的聯(lián)系也存在明顯的區(qū)別，成土母質決定了土壤中Se的最初含量.

圖2 巖石－土壤－植物中硒元素的含量變化Fig.2 Variations of Se content in rock-soil-plant

研究區(qū)成土母巖主要有泥質粉砂巖、細砂巖、砂巖、泥晶灰?guī)r、白云巖、二長花崗巖、玄武巖，各種巖石類型中Se元素含量有所差別，導致其土壤母質層（風化層）中Se元素含量不同.由其母巖風化而來的表層土壤既繼承了成土母巖中Se含量特征，又進一步產生富集作用.同時，從垂向看由深層至淺層，Se元素的含量總體上呈逐漸升高的趨勢，硒質量分數(shù)呈現(xiàn)土壤A層＞土壤B層＞成土母巖的變化規(guī)律.表明在成土過程中硒元素在有機質等物質參與的物理、化學作用下，逐步向表層土壤富集，形成硒元素深部低、地表富集的遷移特征.

有關Se元素在土壤中遷移富集的影響因素，前人做過大量的研究［24-27］.研究結果表明，土壤Se含量受控于成土母質，成土母質是土壤Se元素的主要物質來源，土壤表層Se主要是母質風化和植物富集的結果.同時，土壤理化性質（包括有機質、pH值、黏粒含量）、土地利用方式、海拔高度及外源輸入組分（如施肥、噴灑）等對土壤Se的遷移富集都具有一定的影響作用.

4.2 土壤－植物中的Se元素吸收

從表2、3和圖2的對比結果看，Se元素在土壤A層中的均值為0.24×10－6，在植物中的均值為0.07×10－6，Se元素在土壤A層的中含量明顯高于在植物中的含量.研究表明，植物對土壤中Se的吸收與土壤中Se的有效性密切相關，同時也與植物對土壤中元素的吸收率有關，土壤中Se含量高并不意味著植物對Se的吸收高.

在土壤－植物系統(tǒng)Se元素吸收的研究中，采用了生物富集系數(shù)BAC（Biological Accumulating Coefficient），即植物灰燼中Se的含量與土壤中Se含量的比值［28］，表示Se元素在植物和土壤之間富集、濃縮、積累、放大和吸收能力與程度的數(shù)量關系，即植物對土壤Se元素的富集能力.富集系數(shù)越大則表示富集能力越強.

分析統(tǒng)計結果（表4）表明，不同的植物在相同的土壤類型下Se富集能力不同，相同的植物在不同的土壤類型下Se富集能力亦不同.其中，玉米對Se元素的富集能力在風砂土中（A層）＞水稻土（A層）＞棕壤（A層）＞草甸土（A層），雜草對Se元素的富集能力風砂土（A層）＞棕壤（A層），水稻對Se元素的富集能力水稻土（A層）＞草甸土（A層）.研究區(qū)的4種植物Se富集系數(shù)平均值較低，除去雜草外，均在0.40以下，富集能力大小依次為雜草＞榛子＞水稻＞玉米.

表4 研究區(qū)不同土壤條件下植物硒富集系數(shù)參數(shù)表Table 4 Se enrichment coefficients of plants by soil conditions in the study area

對研究區(qū)的土壤和立地植物Se含量進行相關性分析.土壤和水稻Se含量的11組對應數(shù)據的相關性分析結果表明兩者之間存在極顯著的正相關關系（圖3a）.土壤和雜草Se含量的27組對應數(shù)據相關性分析結果表明兩者之相關性不明顯（圖3b）.土壤和榛子Se含量的12組對應數(shù)據的相關性分析結果表明兩者之間存在顯著的正相關關系（圖3c）.土壤和玉米Se含量的132組對應數(shù)據相關性分析結果表明兩者之相關性不明顯（圖3d）.由于土壤中的Se存在不均勻性，不同植物對硒富集程度亦不同.上述研究結果表明，通過進一步研究土壤Se含量與不同種類農林產品Se含量的相關關系，對開發(fā)富Se農林產品可以起到有效的指導作用.

圖3 土壤含硒與立地植物含硒量關系Fig.3 Scatter plots showing the correlation between Se content in plants and soils

5 結論

1）研究區(qū)東部為低山丘陵區(qū)，基巖風化物質搬運距離較近，土壤基本保留了當?shù)啬笌r的元素地球化學特征.巖石樣品Se含量平均值高于地殼中Se元素的豐度值，總體上巖石中Se質量分數(shù)呈現(xiàn)火山巖＞碳酸鹽巖＞花崗巖/沉積巖＞變質巖的規(guī)律.土壤Se含量受控于成土母質，與成土母巖之間存在成因上的聯(lián)系，垂向上由深層至淺層，Se質量分數(shù)呈現(xiàn)土壤A層＞土壤B層＞成土母巖的變化規(guī)律.

2）研究區(qū)土壤表層Se平均含量略高于全球大多數(shù)土壤Se含量平均值，明顯高于中國東北平原土壤Se含量平均值.土壤中Se質量分數(shù)總體上呈現(xiàn)棕壤（A、B層）＞水稻土（A、B層）＞草甸土（A、B層）＞風砂土（A、B層）的規(guī)律.除風沙土外，土壤A層Se含量相當于足Se土壤的水平.

3）研究區(qū)植物中Se含量平均值處于長期食用安全值范圍內.植物中Se質量分數(shù)總體上呈現(xiàn)榛子＞雜草＞水稻＞玉米的規(guī)律.除玉米籽實外，雜草、榛子和水稻的籽實中Se含量介于富Se的標準范圍內.

4）不同的植物在相同的土壤類型下對Se的富集能力不同，相同的植物在不同的土壤類型下對Se的富集能力亦不同.研究區(qū)植物對土壤中Se富集能力大小依次為雜草＞榛子＞水稻＞玉米.

5）對研究區(qū)的土壤和立地植物Se含量進行相關性分析結果顯示，土壤與水稻、土壤與榛子之間存在顯著的正相關，土壤與雜草、土壤與玉米之間相關性不明顯.

致謝：沈陽地質調查中心卞雄飛高級工程師，鄭月娟、高飛、張春暉、張志斌教授級高級工程師，共同參加完成野外工作，特此致謝！