基于生態(tài)位理論的土壤硒資源評價及利用

祝亞飛，劉 俊，王 陽，齊曉波,汪建飛

(1.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；3.安徽科技學院資源與環(huán)境學院，安徽 滁州 233100)

硒(Selenium,Se)作為人體正常生長發(fā)育所需要的基本微量元素，可以有效防止細胞因氧化而引起的衰老，并具有有效預防癌癥、提高人體免疫力、降低重金屬毒性等功能[1-2]。硒過量和缺乏都會導致人體產(chǎn)生一些疾?。何^量可導致智力低下、皮膚褪色等； 硒缺乏可引發(fā)克山病、 白肌病、 大骨節(jié)病等[3-5]。 由于硒無法靠人體自身合成，而是通過從外部攝取來獲取，土壤便是人體和動植物體從外部獲取硒的最根本來源[6]， 區(qū)域內(nèi)的土壤硒資源對人體健康有重要意義。 通過研究土壤硒的地球化學特征及其影響因素，明確區(qū)域土壤硒資源的空間分布特征，為發(fā)展區(qū)域特色富硒農(nóng)業(yè)提供理論依據(jù)[7]。

近些年來，各個領(lǐng)域都在重視有關(guān)土壤硒資源開發(fā)利用方面的研究。 國內(nèi)的研究方向主要集中于硒的地球化學特征、 硒和土壤其他理化性質(zhì)以及重金屬元素之間的拮抗協(xié)同機制等方面[8-9]；國外的研究方向則更側(cè)重于探究土壤-作物系統(tǒng)中的不同形態(tài)硒的遷移轉(zhuǎn)化機制和規(guī)律、硒元素在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中的各種循環(huán)機理以及硒的生物有效性等[10]。目前的研究大多針對富硒土壤，而對區(qū)域硒資源在足硒層次以及非富硒區(qū)域如何發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)的研究較少[11-13]。 因此， 本文基于生態(tài)位理論，通過研究硒和其他理化性質(zhì)在土壤中的富集特征，分別進行生態(tài)位適宜性評價，最后利用地統(tǒng)計學方法，結(jié)合研究區(qū)生態(tài)敏感性分布結(jié)果，將全區(qū)進行硒資源綜合利用分區(qū)[14-16]。最后結(jié)合綜合利用分區(qū)結(jié)果，進一步探究如何科學地開發(fā)和利用區(qū)域土壤硒資源，為高效利用硒的經(jīng)濟價值和發(fā)展特色富硒農(nóng)業(yè)提出科學建議[17]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樣點布設

研究區(qū)(39°26'～39°50'N，116°13'～116°43'E)位于北京市南郊， 地理位置為華北平原的東北部， 整體區(qū)域西北較高、 東南較低， 總體地勢較為平坦， 海拔高度在15～45m之間，自然坡度為0.08%至0.01%，基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)條件較好，適合發(fā)展各類特色農(nóng)業(yè)。研究區(qū)土壤母質(zhì)主要以沖積物為主，其次是風砂沖積物，洪沖積物最少；質(zhì)地構(gòu)型以海綿型為主，夾層型最少。

圖1 研究區(qū)位置和樣點分布

1.2 數(shù)據(jù)獲取

按1km×1km網(wǎng)格采樣，取表層土(0～20cm)，共采集167份土樣。本文利用SPSS 22.0、Excel 2019、ArcGIS 10.3和ENVI 5.3進行數(shù)據(jù)分析和相關(guān)圖形繪制。

1.3 研究方法

1)單因子生態(tài)位適宜性分析

a. 主導因子

(1)

式中：Ni為評價因子i的生態(tài)位適宜度(i∈[1，n])；Xi為現(xiàn)實生態(tài)位；Diopt為最適生態(tài)位；Dimin為最小生態(tài)位。

b. 區(qū)位因子

(2)

式中：Ni為生態(tài)位適宜度(i∈[1，n])；Xi為現(xiàn)實生態(tài)位；Diopt為最適生態(tài)位；Dimin為最小生態(tài)位；Dimax為最大生態(tài)位。

c. 限制因子

(3)

式中：Ni為生態(tài)位適宜度(i∈[1，n])；Xi為現(xiàn)實生態(tài)位；Diopt為最適生態(tài)位；Dimin為最小生態(tài)位；Dimax為最大生態(tài)位。

2)生態(tài)位適宜性綜合分析

a. 生態(tài)位適宜性綜合指數(shù)分析

(4)

式中：N為生態(tài)位適宜性綜合指數(shù)；Ni為生態(tài)位適宜度(i∈[1，n])；n為評價因子個數(shù)。

b. 生態(tài)位適宜性綜合分析

(5)

式中：S為生態(tài)位適宜性加權(quán)求和綜合指數(shù)；Ni為生態(tài)位適宜性綜合指數(shù)；Wi為生態(tài)位適宜性權(quán)重；n為生態(tài)位維數(shù)。

結(jié)合生態(tài)位適宜性分析結(jié)果，通過GIS軟件將適宜性綜合評價結(jié)果分為：高適宜區(qū)、中適宜區(qū)、低適宜區(qū)和不適宜區(qū)[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤硒分布特征分析

1)土壤硒描述性統(tǒng)計分析 對研究區(qū)土壤硒含量、有機質(zhì)和pH進行描述性統(tǒng)計，研究區(qū)表層土壤硒含量介于0.09～0.41mg·kg-1之間，其算術(shù)平均值為0.19mg·kg-1，相較于我國平均土壤硒含量0.29mg·kg-1偏低；土壤有機質(zhì)含量介于2.84～39.60g·kg-1之間，其算術(shù)平均值為15.36g·kg-1；土壤pH值介于7.65～8.89之間，其算術(shù)平均值為8.41，整體偏堿性。研究區(qū)土壤硒和有機質(zhì)均為中度變異(37.44%、43.73%)土壤pH值呈弱變異性(3.33%)，這可能與研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的種植模式、土地利用類型不同及環(huán)境因素差異有關(guān)。

2)土壤硒空間分布特征分析 空間自相關(guān)性是探究相關(guān)元素之間是否存在顯著關(guān)系的基礎(chǔ)， 是進行地統(tǒng)計數(shù)學處理的重要依據(jù)。圖2為全局莫蘭指數(shù)散點圖和局部莫蘭指數(shù)聚類圖，研究區(qū)土壤硒全局莫蘭指數(shù)均值為0.848；局部莫蘭指數(shù)聚類圖表表明，全區(qū)高-高聚類主要分布在中北部，低-低聚類主要分布在西部和東部地區(qū)。利用Geoda軟件檢驗全局莫蘭指數(shù)特征：Z=3.29>1.96；P<0.01。符合空間自相關(guān)分析的要求。

(a) 全局莫蘭指數(shù)散點圖 (b) 局部莫蘭指數(shù)聚類圖

研究區(qū)土壤硒與土壤其他理化性質(zhì)的相關(guān)性分析如圖3所示。結(jié)果表明，土壤硒與有機質(zhì)、pH和重金屬Hg等呈不同程度的相關(guān)。硒與pH呈正相關(guān)(P<0.05)。研究區(qū)表層土壤pH平均值為8.41， 為中、 堿性土壤。 硒與有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，表明有機質(zhì)對硒具有一定的吸附和固定作用，這與文獻[19]研究認為硒是典型親生物元素，在富含有機質(zhì)的土壤環(huán)境中易富集的結(jié)論一致，但有關(guān)研究表明，土壤中大量N、P的存在不利于土壤硒向植物遷移轉(zhuǎn)化。硒與Hg呈正相關(guān)(P<0.05)，這與它們同屬于親硫元素，具有相似的地球化學性質(zhì)有關(guān)。硒與As、Ni 呈正相關(guān)(P<0.05)，但相關(guān)系數(shù)較小，而與Cd無相關(guān)關(guān)系，表明土壤中硒的自然來源與土壤母質(zhì)有關(guān)。

圖3 硒與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

為進一步揭示土壤硒與理化性質(zhì)及環(huán)境要素之間的關(guān)系，利用方差分解探究各指標對硒的影響，結(jié)果顯示有機質(zhì)、pH和Hg對土壤硒積累的貢獻作用較大，與相關(guān)性分析結(jié)果相同。而根據(jù)以往研究，在酸性和堿性環(huán)境下表層土壤硒主要與pH呈不同程度負相關(guān)關(guān)系[20]；在中性環(huán)境下，呈較弱正相關(guān)關(guān)系[21]。本文結(jié)果可能與樣點分布以農(nóng)田為主，受土地利用方式及種植管理模式影響有關(guān)[22]；Cr、Ni和Cd對土壤硒積累無貢獻作用，說明土壤硒含量受Cr、Ni和Cd的影響不大。

2.2 生適宜性評價

1)土壤硒生態(tài)位適宜性評價體系構(gòu)建 土壤硒資源開發(fā)利用受多方面因子的影響，如天然的成土母質(zhì)會影響土壤硒含量的高低，區(qū)域的基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)設施和條件會影響富硒農(nóng)業(yè)的發(fā)展，還要考慮發(fā)展富硒產(chǎn)業(yè)所投入的經(jīng)濟占比及經(jīng)濟收益。因此本文從主導因子、區(qū)位因子和限制因子3個方面建立指標體系，通過熵值法確定各評價因子權(quán)重，如表1所示。本文富硒分級標準參考文獻[23-24]劃分。

2)主導因子適宜性分析 本文的主導因子區(qū)域土壤硒的含量，也是發(fā)展當?shù)靥厣晃r(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。根據(jù)評價體系標準對因子進行重分類賦值，得出主導因子適宜性評價結(jié)果如圖4所示。按照評價因子現(xiàn)實生態(tài)位等級將研究區(qū)分為高適宜(Ⅰ級)、中適宜(Ⅱ級)、低適宜(Ⅲ級)和不適宜(Ⅳ級)4種類型區(qū)?？梢钥闯觯芯繀^(qū)表層土壤硒評價以低適宜(足硒)為主，主要集中在研究區(qū)西北地區(qū)和南部地區(qū)；高適宜(富硒)區(qū)主要分布在研究區(qū)中部，表層土壤硒含量較高，適合發(fā)展富硒產(chǎn)業(yè)；中適宜區(qū)(潛在富硒)較少，主要分布在中北部地區(qū)；不適宜區(qū)(缺硒)主要分布在研究區(qū)西部和東部地區(qū)，由于土壤硒含量偏低，不適合發(fā)展富硒產(chǎn)業(yè)。

表2 土壤硒資源開發(fā)利用適宜性評價指標體系及權(quán)重

圖4 主導因子適宜性評價

3)區(qū)位因子適宜性分析 本文選擇區(qū)域最典型區(qū)位因子地形坡度、土壤肥力和土地利用類型進行評價，根據(jù)評價體系標準對因子進行重分類賦值，得出相應適宜性評價結(jié)果(見圖5)。

圖5 有機質(zhì)、坡度、土地利用因子適宜性評價

土壤有機質(zhì)適宜性以中適宜(Ⅱ級)為主，主要集中在中部和南部地區(qū)；高適宜(Ⅰ級)區(qū)主要集中在研究區(qū)西部和東南部，這部分地區(qū)以菜地和糧地為主，在長期耕作與施肥的影響下土壤有機質(zhì)含量較高，評價結(jié)果與實際相符，適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；低適宜(Ⅲ級)和不適宜區(qū)(Ⅳ級)主要集中在研究區(qū)北部和東北部，這部分地區(qū)城鎮(zhèn)化程度較高，農(nóng)業(yè)發(fā)展程度低，土壤有機質(zhì)含量偏低，不適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

地形坡度適宜性評價以高適宜(Ⅰ級)為主，由于研究區(qū)處于華北平原，地形坡度變化較小，研究區(qū)南部和中部及部分北部地區(qū)均為高適宜區(qū)，基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)設施建設較為完善、交通方便，適合發(fā)展農(nóng)業(yè)；低適宜(Ⅲ級)和不適宜區(qū)(Ⅳ級)主要在西北部和中西部地區(qū)，這類地區(qū)地勢較高，農(nóng)業(yè)設施建設較為薄弱、交通不便，不適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

土地利用類型適宜性評價以高適宜為主(Ⅰ級)，主要集中在中部和南部，研究區(qū)耕地較多，且大部分地區(qū)為平原，較適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；低適宜(Ⅲ級)和不適宜區(qū)(Ⅳ級)主要集中在北部，這部分地區(qū)主要為城鄉(xiāng)、工礦和居民用地，結(jié)合城市規(guī)劃發(fā)展考慮，不適合發(fā)展農(nóng)業(yè)。

4)限制因子適宜性分析 本文采用生態(tài)敏感性作為生態(tài)保護建設的限制因子，生態(tài)環(huán)境敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域內(nèi)自然和人類活動干擾的敏感程度。

生態(tài)敏感性評價結(jié)果如圖6所示，利用GIS技術(shù)對DEM數(shù)據(jù)進行高程、坡度、坡向和水系數(shù)據(jù)提取，疊加分析將研究區(qū)生態(tài)敏感性分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級。Ⅰ級為高敏感區(qū)，主要為水源地和生態(tài)保護建設區(qū)，不適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；Ⅱ級為敏感區(qū)，距離水源地和生態(tài)保護建設區(qū)較近，存在人為活動影響到生態(tài)環(huán)境的可能；Ⅲ級為較敏感區(qū)，正常的人為活動和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不會影響到生態(tài)環(huán)境；Ⅳ級為低敏感區(qū)，人為活動對生態(tài)環(huán)境影響較小，適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。研究區(qū)生態(tài)敏感性以低敏感性為主，大部分地區(qū)適合進行人為活動和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

圖6 生態(tài)敏感性分級

5)生態(tài)位適宜性綜合分析 綜合疊加計算得出生態(tài)位適宜性評價結(jié)果如圖7所示，研究區(qū)分為高適宜、中適宜、低適宜和不適宜4個類別。高適宜區(qū)主要分布在中部和西南部，適宜發(fā)展富硒產(chǎn)業(yè)；中適宜區(qū)主要在南部和東部地區(qū)，為潛在富硒產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)，可作為土壤硒資源利用后備區(qū)；低適宜區(qū)主要集中在水源地和生態(tài)保護建設地周圍，根據(jù)生態(tài)保護原則，此類地區(qū)不適合發(fā)展富硒產(chǎn)業(yè)；不適宜區(qū)主要在西北部，這部分地區(qū)地形坡度偏高、交通不便、基礎(chǔ)農(nóng)田設施建設滯后，不適合發(fā)展農(nóng)業(yè)以及富硒產(chǎn)業(yè)。

圖7 生態(tài)適宜性評價

2.3 土壤硒資源綜合利用分區(qū)

基于生態(tài)位適宜性評價結(jié)果，結(jié)合農(nóng)用地等級，得出區(qū)域土壤硒資源綜合利用分區(qū)結(jié)果。為科學地為區(qū)域特色富硒產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出建議，將研究區(qū)劃分為富硒產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)、重點農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)和綜合產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)(見圖8)。

圖8 土壤硒資源綜合利用分區(qū)

富硒產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)主要在研究區(qū)中部，這部分區(qū)域的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設施較好，耕地質(zhì)量等級較高，土壤硒資源較為豐富，特色富硒農(nóng)業(yè)發(fā)展前景廣闊，可充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢，以重點開發(fā)綠色富硒農(nóng)產(chǎn)品為核心，構(gòu)建富硒小麥、西甜瓜、蔬菜和玉米等特色產(chǎn)品農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，走特色富硒生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展道路。具體開發(fā)過程中，應調(diào)查清楚各類農(nóng)產(chǎn)品含硒值，掌握具體地塊土壤硒分布情況，堅持以當?shù)靥厣晃r(nóng)產(chǎn)品為基礎(chǔ)，有針對性地打造富硒農(nóng)產(chǎn)品。

重點農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)主要集中在研究區(qū)中部和南部部分區(qū)域，這部分區(qū)域產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好、交通便利，基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)發(fā)展較好，土壤硒資源為潛在富硒和足硒。應堅持基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)發(fā)展為主導，并加強人工富硒相關(guān)技術(shù)的研究，通過外源富硒技術(shù)加強和改良農(nóng)產(chǎn)品籽粒果實硒含量，綜合發(fā)展現(xiàn)代基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)和特色富硒產(chǎn)業(yè)[25]。

綜合產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)主要在研究區(qū)中西部，該部分區(qū)域耕地質(zhì)量等級相對較低，應有針對性地發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)，加強農(nóng)田監(jiān)管和保護，改良農(nóng)田土壤障礙因子，優(yōu)化土地生產(chǎn)要素投入結(jié)構(gòu)，提高耕地質(zhì)量等級，提升生產(chǎn)能力和生態(tài)效益。結(jié)合當?shù)赝临|(zhì)狀況，優(yōu)化種植模式和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，通過合理施用復合肥、改進耕作措施、集中安置管理糧田和農(nóng)產(chǎn)品品種改良等措施挖掘農(nóng)田發(fā)展?jié)摿26]。

3 結(jié)論

本文基于生態(tài)位理論對土壤硒資源開發(fā)利用進行適宜性評價，通過分區(qū)結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)土壤硒含量在0.09～0.41mg·kg-1之間，均值為為0.19mg·kg-1，總體屬于足硒，全區(qū)土壤硒全局莫蘭指數(shù)均值為0.848，存在顯著的空間正相關(guān)性；

(2)全區(qū)表層土壤硒低適宜(足硒)主要集中在研究區(qū)西北地區(qū)和南部地區(qū)，高適宜(富硒)區(qū)主要分布在研究區(qū)中部，表層土壤硒含量較高；土壤有機質(zhì)以中適宜(Ⅱ級)為主，主要集中在中部和南部地區(qū)，地形坡度和土地利用類型主要以高適宜(Ⅰ級)為主，生態(tài)敏感性以低敏感性為主，地理條件與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件較好，適合構(gòu)建以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)為主導的生產(chǎn)體系；

(3)本文將生態(tài)位適宜性評價結(jié)果和農(nóng)用地土地利用等別相結(jié)合，將研究區(qū)劃分為富硒產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)、重點農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)和綜合產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)。結(jié)合不同類型的發(fā)展區(qū)實際狀況給出相應的發(fā)展建議，富硒產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)應充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢，重點開發(fā)綠色富硒農(nóng)產(chǎn)品；重點農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)應堅持基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)發(fā)展為主導，并加強人工富硒相關(guān)技術(shù)的研究；綜合產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)應加強農(nóng)田監(jiān)管和保護，提高耕地質(zhì)量等級。