巴彥淖爾市臨河區(qū)狼山鎮(zhèn)和新華鎮(zhèn)一帶富硒土壤地球化學(xué)特征及影響因素

袁宏偉，陳江均，郭騰達(dá)，吳艷君，楊 敏

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)巖漿活動(dòng)成礦與找礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020；3.中國冶金地質(zhì)總局山東局測(cè)試中心，山東濟(jì)南 250014；4.中國冶金地質(zhì)總局，北京 100025)

0 引言

硒(Se)為人體必需的微量元素，可提高動(dòng)物體的免疫功能，刺激蛋白和抗體的產(chǎn)生并具有特殊的抗氧化、抗癌、解毒作用，科學(xué)補(bǔ)硒可以預(yù)防高血壓、克山病等多種疾病(譚見安等，1991；Altekin et al.,2005；酈逸根等，2007；孫朝等，2010；魏然等，2012)。糧食是人體中硒的重要來源，農(nóng)作物中的硒主要在其生長(zhǎng)過程中通過根系從土壤中吸收累積，并經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體。因此，土壤中硒含量及其形態(tài)轉(zhuǎn)換會(huì)影響到作物對(duì)硒的吸收富集并最終影響人體健康。我國是大面積缺硒的國家，土壤硒區(qū)域分布很不均勻，總體硒含量較低，由東北至西南和西藏高原構(gòu)成一條缺硒帶，缺硒省份有22個(gè)，約占全國總面積的72%，其中30%為嚴(yán)重缺硒地區(qū)(王自健等，1989；孫國新等，2017)。自1999年以來，全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查與生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)工作全面實(shí)施(奚小環(huán)，2007)，各地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)大面積富硒土壤分布，其中浙江、江西、海南、青海等地區(qū)富硒土壤的開發(fā)利用非常成功(劉秀金等，2020)。硒在不同賦存介質(zhì)和不同生態(tài)地質(zhì)環(huán)境中，表現(xiàn)為不同的地球化學(xué)特性，分布極為不均勻，土壤中硒含量與多種因素有關(guān)，且影響因子呈現(xiàn)出地區(qū)差異性(宋明義等，2008)。曾慶良等(2018)認(rèn)為，表層土壤硒含量富集源于地質(zhì)背景；文幫勇等(2014)指出，江西龍南地區(qū)富硒土壤分布受控于富含硒的基巖；廖啟林等(2020)指出,江蘇富硒土壤物質(zhì)來源具有多源復(fù)合性；對(duì)于東北地區(qū)富硒土壤的研究表明，土壤硒含量主要受控于土壤有機(jī)質(zhì)(戴慧敏等，2015；遲鳳琴等，2016；牛雪等2021)。然而在富硒土壤的研究中，對(duì)于內(nèi)蒙古地區(qū)富硒土壤的研究相對(duì)較少，研究其地球化學(xué)特征及影響因子對(duì)硒土資源開發(fā)具有重要意義，并可進(jìn)一步豐富全國富硒土壤的研究。

內(nèi)蒙古自治區(qū)于2004～2009年在河套平原開展了《內(nèi)蒙古河套農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查》工作，在呼包平原、巴彥淖爾市臨河區(qū)、烏拉特前旗一帶發(fā)現(xiàn)了大面積的硒高含量區(qū)，并在巴彥淖爾市狼山鎮(zhèn)和新華鎮(zhèn)一帶硒高含量區(qū)開展25 km2的1∶1萬土壤地球化學(xué)測(cè)量工作，進(jìn)行土壤樣品的系統(tǒng)采集。本文以該數(shù)據(jù)總結(jié)研究區(qū)富硒土壤的地球化學(xué)特征，探討土壤硒元素含量特征和影響因素，為研究區(qū)富硒土資源開發(fā)提供基礎(chǔ)依據(jù)，并進(jìn)一步完善內(nèi)蒙古地區(qū)富硒土壤的研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市臨河區(qū)東北部狼山鎮(zhèn)和新華鎮(zhèn)一帶，距臨河區(qū)約20 km，面積為25 km2，屬于河套平原腹地。研究區(qū)南臨黃河、北靠陰山山脈，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，氣候總體特點(diǎn)為：四季分明，冬春季漫長(zhǎng)而寒冷，夏秋季短促而炎熱；云霧少降水量少、風(fēng)大、氣候干燥。南部多年平均降水為138.8 mm，北部為156.2 mm，蒸發(fā)量達(dá)2 236.7 mm，蒸發(fā)量為降水量的16.1倍。區(qū)內(nèi)熱量的地理分布由南向北遞減，年平均氣溫6.9 ℃，晝夜溫差較大，日較差13～17 ℃，有利于光合產(chǎn)物的積累，無霜期為130 d。

區(qū)域上以黃河及周圍高山?jīng)_洪積所形成的第四系地層為主(圖1)，主要分布有第四系全新統(tǒng)沖積砂礫石層(Qhal)、沖湖積層砂、軟泥(Qhall)、化學(xué)沉積鹽、堿、泥(Qhch)。全新統(tǒng)沖積砂礫石層(Qhal)主要分布在黃河兩岸及呼勒斯太蘇木以北地區(qū)，為沖積細(xì)砂、粉砂及砂礫石。全新統(tǒng)沖湖積層砂、軟泥(Qhall)廣泛分布在臨河區(qū)一帶的平原區(qū)，主要由粉砂、泥組成，近山厚度較小，遠(yuǎn)山厚度較大。全新統(tǒng)化學(xué)沉積鹽、堿、泥(Qhch)主要分布于五原縣塔爾湖鎮(zhèn)一帶，以湖泊干涸后形成的鹽、堿、泥為主。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置(a)(據(jù)滕學(xué)建等，2019修改)區(qū)域地質(zhì)圖(b)

2 樣品采集與測(cè)試

2.1 樣品采集

采用網(wǎng)格疊加高分辨率遙感影像圖布設(shè)土壤樣品采集點(diǎn)位。按200 m×200 m設(shè)計(jì)采樣大格，每個(gè)大格再分割為a、b、c、d四個(gè)采樣小格，每個(gè)小格布置2～4個(gè)采樣點(diǎn)位。在Se高含量區(qū)，每個(gè)小格布置4個(gè)采樣點(diǎn)位，一般區(qū)域布置2個(gè)采樣點(diǎn)位，點(diǎn)位布設(shè)在采樣小格內(nèi)具有代表性的耕地地塊內(nèi)，同時(shí)兼顧采樣點(diǎn)位分布的均勻性，共布設(shè)土壤采樣點(diǎn)位6250個(gè)。

在采樣點(diǎn)位布置圖基礎(chǔ)上，以野外實(shí)際確定的采樣點(diǎn)位為中心、周圍10 m范圍內(nèi)，根據(jù)地塊形狀，按照蛇形法、棋盤法等選擇4個(gè)子樣點(diǎn)，與中心點(diǎn)一同采樣。子樣點(diǎn)選擇在同一地塊內(nèi)，當(dāng)采樣地塊面積較小時(shí)，在相同利用類型的地塊內(nèi)選擇子樣點(diǎn)。每個(gè)子樣點(diǎn)的采樣部位、深度及重量均一致，等份組合成一個(gè)混合樣。采樣點(diǎn)位避開明顯的污染源、新近搬運(yùn)的堆積土、垃圾土、水土流失嚴(yán)重的地段、田埂及道路。土壤樣品采集層位為0～20 cm，采樣時(shí)去除表面雜物，用鐵鍬挖取地表20 cm深的土柱，用竹片去除與金屬采樣器接觸部分的土壤，樣品中去除動(dòng)、植物殘留體、礫石塊等，0～20 cm上下用竹板均勻刮取采集土壤樣品。

在Se含量不同的區(qū)域布設(shè)5條土壤垂直剖面。由于土壤垂向分層不明顯，按20 cm的密度等間距采集土壤樣品，剖面樣品采集深度為2 m。

2.2 測(cè)試分析

本研究分析測(cè)試由內(nèi)蒙古自治區(qū)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所完成。所用測(cè)試方法為電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-OES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法(AFS)、凱氏蒸餾-容量法(VOL)、電位法(ISE)，分析方法檢出限見表1，樣品測(cè)試均符合《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295-2016)質(zhì)量要求。

表1 分析方法檢出限

3 結(jié)果與分析

通過土壤樣品分析測(cè)試，獲得了研究區(qū)耕地土壤中Se和對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)有益的營養(yǎng)元素N、P、K2O、Mo、Mn、Ni、Cu、Zn及有害重金屬元素Cd、Hg、As、Pb、Cr等的地球化學(xué)數(shù)據(jù)。使用SPSS軟件對(duì)研究區(qū)耕地土壤樣品分析數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得上述元素最小值(Xmin)、最大值(Xmax)、算術(shù)平均值(X)、中位數(shù)(M)、標(biāo)準(zhǔn)離差(S)和變異系數(shù)(Cv)等地球化學(xué)參數(shù)(表2)。

表2 研究區(qū)耕地土壤元素特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表(n=6 250)

續(xù)表2

3.1 土壤Se元素含量特征

研究區(qū)耕地土壤樣品中Se含量介于(0.06～0.77)×10-6之間，平均含量為0.32×10-6(表2)。依據(jù)3σ準(zhǔn)則，剔除加減三倍的離群數(shù)據(jù)后，研究區(qū)耕地土壤Se背景值為0.32×10-6，是巴彥淖爾市表層土壤背景值0.20×10-6①的1.6倍，表明研究區(qū)耕地土壤中Se含量相對(duì)于巴彥淖爾市表層土壤更為富集?？傮w來看，研究區(qū)耕地土壤中Se含量比中國土壤背景值0.2×10-6(遲清華和鄢明才，2007)高，但比湖北恩施(1.49×10-6)(楊良策等，2015)和陜西紫陽(4.1×10-6)(喻大松，2015)土壤Se含量低。按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295-2016)中Se養(yǎng)分等級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)定，研究區(qū)耕地土壤中達(dá)到富Se水平(0.4×10-6以上)的樣品數(shù)為1 072個(gè)，占全部采樣點(diǎn)位的17.2%；Se含量適中(0.175×10-6～0.4×10-6)的樣品數(shù)為4 849個(gè)，占比77.6%；其余5.2%的耕地土壤樣品Se含量小于0.175×10-6，處于邊緣～缺乏水平。

3.2 土壤營養(yǎng)元素含量特征

耕地土壤的營養(yǎng)元素中，N含量范圍為0.0144%～0.2998%，平均含量0.0883%；P含量范圍為(423～2362)×10-6，平均含量882×10-6；K2O含量范圍為1.95%～3.29%，平均含量2.56%；Cu含量范圍為(11.5～67.4)×10-6，平均含量29.5×10-6；Ni含量范圍為(17.1～48.8)×10-6，平均含量35.4×10-6；Zn含量范圍為(40.4～138.8)×10-6，平均含量80.8×10-6；Mn含量范圍為(391～991)×10-6，平均含量716×10-6；Mo含量范圍為(0.27～2)×10-6，平均含量0.74×10-6。

研究區(qū)耕地土壤中N、P、Cu、Zn、Ni、Mn等有益元素含量與巴彥淖爾市背景值相比，富集系數(shù)K≥1.2，呈富集狀態(tài)。Mo、K的富集貧化特征不明顯，與巴彥淖爾市背景值基本相當(dāng)。

3.3 土壤重金屬元素含量特征

耕地土壤的重金屬元素中，Cd含量范圍為(0.084～0.410)×10-6，平均含量0.199×10-6；Hg含量范圍為(0.007 1～1.016 5)×10-6，平均含量0.030 6×10-6；As含量范圍為(6.6～21.6)×10-6，平均含量15.1×10-6；Pb含量范圍為(15.7～46.6)×10-6，平均含量24.7×10-6；Cr含量范圍為(40.4～93.3)×10-6，平均含量69.1×10-6。與巴彥淖爾市背景值相比，Cd、As、Pb的富集系數(shù)在1.2以上，含量相對(duì)較高，呈富集狀態(tài)；Cr和Hg的富集系數(shù)介于0.8～1.2之間，與巴彥淖爾市土壤背景值基本相當(dāng)，富集貧化特征不明顯。

為保證研究區(qū)富硒土壤的安全利用，對(duì)研究區(qū)土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr進(jìn)行環(huán)境地球化學(xué)評(píng)價(jià)。土壤中Cu、Zn、Ni含量適中時(shí)，是農(nóng)作物生長(zhǎng)必需的營養(yǎng)元素；當(dāng)含量超過閾值時(shí)，則對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)有傷害，是有害元素，因此，將這3個(gè)元素也納入研究區(qū)環(huán)境地球化學(xué)評(píng)價(jià)中。依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295-2016)，各指標(biāo)環(huán)境地球化學(xué)等級(jí)劃分統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 研究區(qū)環(huán)境地球化學(xué)分級(jí)統(tǒng)計(jì)表

從研究區(qū)土壤8項(xiàng)重金屬環(huán)境分級(jí)統(tǒng)計(jì)表可以看出(表3)，研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)良。土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn含量均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-2018)中的各元素風(fēng)險(xiǎn)篩選值，土壤清潔率達(dá)100%。

3.4 土壤酸堿度

研究區(qū)耕地土壤樣品分析結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤pH變化范圍在7.80～10.45之間，平均值為8.77，屬堿性-強(qiáng)堿性土壤。野外調(diào)查過程中也發(fā)現(xiàn)局部地區(qū)鹽堿化強(qiáng)烈，地表可見明顯的鹽堿層。

3.5 土壤剖面Se元素含量特征

研究區(qū)土壤垂直剖面上，Se含量分布總體表現(xiàn)為表聚性特征(圖2)。從CP1、CP2、CP3、CP5剖面可以看出，Se在垂向上總體表現(xiàn)為在淺層土壤中富集，隨剖面深度增加，Se含量逐漸減少；表層0～40 cm 的土壤中，Se含量最高，含量介于(0.22～0.75)×10-6之間，平均含量0.53×10-6。從各土壤剖面不同深度成分看出(表4)，這些剖面表層土壤主要為粉砂質(zhì)粘土，其粘土礦物含量較高，對(duì)Se的吸附固定作用強(qiáng)，因此Se在表層相對(duì)富集。同時(shí)，表層土壤中的有機(jī)質(zhì)也會(huì)對(duì)Se產(chǎn)生吸附作用，進(jìn)一步增加了表層土壤中的Se含量。深度越深，土壤中Se含量越低，特別是在180 cm以下，土壤中Se含量顯著降低。

圖2 研究區(qū)土壤垂直剖面Se含量分布圖Fig.2 Content distribution of Se in soil vertical profiles in the study area

表4 各土壤垂直剖面土壤成分表

Se在土壤垂直剖面CP4表現(xiàn)出表層和深層含量基本相當(dāng)，60～140 cm含量相對(duì)高的特征。該剖面表層土壤主要為粉砂土，粘土礦物含量相對(duì)較少，對(duì)Se的吸附能力較弱，受淋溶作用影響較大，土壤中Se含量較低；60～140 cm的層位上粘土礦物含量相對(duì)更高，對(duì)從表層淋溶向下遷移的Se有明顯的吸附作用，造成該層位土壤中Se含量相對(duì)較高。

4 討論

4.1 土壤Se元素來源探討

研究區(qū)位于由北部陰山山脈基巖風(fēng)化、剝蝕、洪水沖積形成的山前沖洪積扇上，因此研究區(qū)成土母質(zhì)的物質(zhì)來源主要為北部陰山山脈基巖區(qū)。如圖3所示，其出露的地層比較齊全，包括新太古代的片麻巖、片巖等區(qū)域深變質(zhì)；中元古代的碳酸鹽巖和板巖等主要地層；古生代、中生代地層主要由海相和海陸交互相的碎屑巖和碳酸鹽巖沉積組成，其中白堊系固陽組和侏羅系五當(dāng)溝組均為含煤碎屑巖，侏羅系長(zhǎng)漢溝組和二疊系大紅山組地層中夾雜有不同厚度的炭質(zhì)泥巖、黑色炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)板巖。雖然基巖區(qū)的地層比較復(fù)雜，但其地層中含有較多炭質(zhì)泥巖、黑色炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)板巖以及煤層等硒含量較高的地層。根據(jù)朱建明和鄭寶山(2002)的研究，炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖及含煤地層中硒含量較高，是形成富硒土壤的重要條件，表明基巖區(qū)的富硒地層具備形成富硒土壤的重要條件。而來自北部山區(qū)高硒含量的第四系沖洪積繼承了基巖區(qū)地層、巖體中各種元素的地球化學(xué)特征，其成土母質(zhì)在物理、化學(xué)風(fēng)化作用下，巖石破碎進(jìn)入土壤，含硒礦物解離，釋放出硒，被表層土壤中大量的粘土礦物、有機(jī)質(zhì)吸附絡(luò)合，從而形成Se的富集。北部基巖區(qū)的地表水，因流經(jīng)富Se的地層也會(huì)導(dǎo)致富含一定量的Se，注入黃河后，黃河水及其泥沙和懸浮物中也溶解、吸附部分Se。經(jīng)《內(nèi)蒙古河套農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查》成果調(diào)查表明，黃河水及其泥沙和懸浮物中確實(shí)溶解、吸附一定含量的硒，而富Se黃河水的灌溉對(duì)土壤中Se的富集也起到了輔助補(bǔ)充作用。綜上推測(cè)研究區(qū)土壤中的硒最終源自于北部陰山山脈基巖區(qū)的富硒地層形成的成土母質(zhì)。

圖3 研究區(qū)北部陰山山脈基巖區(qū)地質(zhì)圖Fig.3 Geological map of bedrock area of Yinshan Mountains in the north of the study area

4.2 表層土壤Se元素相關(guān)性及影響因素分析

土壤中礦物組分、有機(jī)質(zhì)含量及酸堿度等因素都會(huì)制約土壤中Se的含量、分布和賦存形態(tài)(周墨等，2018)。從表層土壤Se和其他營養(yǎng)元素相關(guān)關(guān)系散點(diǎn)圖可以看出(圖4)，研究區(qū)表層土壤中Se和Cu、Ni、Zn、Mn、Mo、N、P、K存在相似的變化趨勢(shì)。隨著土壤中Se含量升高，Cu、Ni、Zn、Mn、Mo等元素含量具有一致上升的趨勢(shì)，呈現(xiàn)出比較明顯的正相關(guān)關(guān)系，其原因可能為Se與Cu、Ni、Zn、Mn等元素的伴生效應(yīng)。研究區(qū)地層主要為北部陰山山脈基巖區(qū)第四系沖洪積物，而陰山山脈出露有含煤碎屑巖、炭質(zhì)泥巖、黑色炭質(zhì)頁巖以及炭質(zhì)板巖等地層。研究表明，黑色頁巖、含炭黑色頁巖、含碳質(zhì)巖石、煤層中往往硒含量較高，是富硒土壤形成的重要條件(朱建明和鄭寶山，2002；賈十君，2013)，而Cu、Ni、Zn、Mn等元素為自然源，受控于成土母質(zhì)(周旭和呂建樹，2019)，對(duì)陰山山脈基巖區(qū)第四系沖洪積物成土母質(zhì)成分具有繼承性，因此Se與Cu、Ni、Zn、Mn等元素可能來自陰山山脈巖石中的礦物組分。來自北部陰山山脈的沖洪積成土母質(zhì)在表生物理、化學(xué)風(fēng)化作用下，礦物解離，釋放出Se和Cu、Ni、Zn、Mn、Mo等金屬元素，被研究區(qū)表層土壤高含量的粘土礦物、有機(jī)質(zhì)等吸附絡(luò)合，從而形成正相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)土壤中Se和重金屬元素Cd、Hg、As、Pb、Cr亦存在伴生效應(yīng)，如圖5所示，隨著Se含量的升高，重金屬元素含量也相應(yīng)升高。Se和S地球化學(xué)性質(zhì)類似，Se能以類質(zhì)同象進(jìn)入重金屬硫化物中，一定程度上造成Se和重金屬元素的伴生效應(yīng)(韓偉等，2021)，而研究區(qū)土壤中高含量粘土礦物對(duì)多金屬元素的吸附和有機(jī)質(zhì)的絡(luò)合吸附會(huì)引發(fā)Se與重金屬元素的富集(楊忠芳等，2012)。因此研究區(qū)Cu、Ni、Zn、Mn、Mo等營養(yǎng)元素和重金屬元素與Se的正相關(guān)關(guān)系應(yīng)是其與Se的伴生效應(yīng)導(dǎo)致。不同于金屬元素的伴生效應(yīng)，N、P、K主要反映土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，N、P、K含量高的區(qū)域，土壤肥沃，土壤中有機(jī)質(zhì)含量更高，更有利于Se在土壤中固定，因而也表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。從Se和pH散點(diǎn)圖看出(圖6)，隨著耕地土壤中pH增大，Se含量逐漸下降，其原因可能為Se的甲基化受土壤pH影響，pH越高，甲基化越強(qiáng)，從而增加Se在土壤中的遷移性(李永華等，2005)，并且隨著pH的升高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量降低(戴萬宏等，2009)，不利于Se在土壤中的固定。因此隨著pH的升高，Se在土壤中的遷移性增強(qiáng)，固定性下降，導(dǎo)致含量降低，從而表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性。Se與營養(yǎng)元素和重金屬元素具有正相關(guān)關(guān)系，與pH存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，Se與營養(yǎng)元素中的金屬元素和重金屬元素的相關(guān)性是伴生效應(yīng)的結(jié)果，但與N、P、K的相關(guān)性反映出Se的富集受控于有機(jī)質(zhì)含量。由于pH升高，有機(jī)質(zhì)含量降低，從而導(dǎo)致Se的含量降低，因此Se與pH的負(fù)相關(guān)關(guān)系亦從側(cè)面說明Se的含量受有機(jī)質(zhì)的影響較強(qiáng)。根據(jù)元素的空間分布圖(圖7)，Se元素高含量區(qū)與N、P、K高含量區(qū)分布范圍重疊度較高，都呈現(xiàn)東北高、西南低的趨勢(shì)，也說明表層土壤Se的富集受土壤有機(jī)質(zhì)的影響較強(qiáng)。

圖4 研究區(qū)耕地土壤Se和營養(yǎng)元素散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagrams of Se and nutrient elements in arable soil in the study area

圖5 研究區(qū)耕地土壤Se和重金屬元素散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter diagrams of Se and heavy metal elements in arable soil in the study area

圖6 研究區(qū)耕地土壤Se和pH散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter diagram of Se and pH in arable soil in the study area

圖7 研究區(qū)耕地土壤Se、N、P、K空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of Se,N,P and K in arable soil in the study area

4.3 土壤垂直方向Se相關(guān)性及影響因素分析

從研究區(qū)土壤中Se的垂向分布特征可以看出，Se土壤剖面存在表聚性特征(圖2)。土壤Cu、Ni、Zn、Mn、Mo、N、P、K元素在各剖面的垂直分布特征(圖8)與Se元素類似都具有表聚性特征，其中N、P元素表聚性最強(qiáng)，且其與Se元素的剖面圖形相似性較高，與Se元素的相關(guān)性較強(qiáng)。N、P的強(qiáng)表聚性表明土壤表層的有機(jī)質(zhì)含量高于深層，且表層有機(jī)質(zhì)的富集有利于Se元素的富集固定，導(dǎo)致了Se在表層土壤中聚集。土壤剖面成分中粘土礦物含量也與Se元素含量具有一定的正相關(guān)性(表4)，表現(xiàn)為粘土礦物含量越高，Se元素含量越高。據(jù)Shand et al.(2012)以及Wang and Chen(2003)的研究表明，土壤黏粒對(duì)Se具有富集作用，黏粒含量越高，土壤保肥性越好，能有效減少Se的流失。這與本文的研究結(jié)果基本相符，表現(xiàn)為粘土礦物含量越高，土壤N、P、K等有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤保肥性強(qiáng)，有利于Se元素的富集固定。粘土礦物通過富集有機(jī)質(zhì)進(jìn)而富集固定Se元素，因此，土壤垂直方向上Se的富集主要受有機(jī)質(zhì)與粘土礦物含量影響。綜合分析Se元素在垂直方向上的富集過程，可能為研究區(qū)地處北方干旱地區(qū)，地表水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水通過土壤中毛細(xì)管向上遷移過程中，溶解深部土壤中的Se，并將其帶到表層，表層土壤中的粘土礦物和有機(jī)質(zhì)會(huì)將其吸附固定，使得表層土壤中的Se得到一定程度的補(bǔ)充。研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，引用黃河水進(jìn)行灌溉，《內(nèi)蒙古河套農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查》成果表明，黃河水及其泥沙和懸浮物中也溶解、吸附一定含量的硒，黃河水中攜帶的Se會(huì)對(duì)研究區(qū)表層土壤Se含量起到補(bǔ)充作用。另外，北部基巖區(qū)部分地層中Se含量較高，來自這些區(qū)域的地表水中的Se也會(huì)補(bǔ)充研究區(qū)表層耕地土壤中的Se含量，再加上表層土壤粘土礦物及有機(jī)質(zhì)含量較高，為硒在土壤中的固定、富集提供了有利的條件，導(dǎo)致土壤垂直方向上Se含量的表聚性特征。

圖8 研究區(qū)土壤垂直剖面營養(yǎng)元素分布圖Fig.8 Distribution of nutrient elements in soil profiles in the study area

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)耕地土壤Se含量介于(0.06～0.77)×10-6之間，平均含量為0.32×10-6，Se的背景值為0.32×10-6，是巴彥淖爾市表層土壤背景值0.20×10-6的1.6倍，表明研究區(qū)耕地土壤中Se含量相對(duì)較高。研究區(qū)耕地土壤中Se含量在0.4×10-6以上、達(dá)到富硒水平的樣品數(shù)為1 072個(gè)，占全部采樣點(diǎn)位的17.2%，具有較好的富硒耕地開發(fā)利用潛力。

(2)研究區(qū)耕地土壤中營養(yǎng)元素N、P、Cu、Zn、Ni、Mn富集系數(shù)在1.2以上，含量較巴彥淖爾市表層土壤更為富集。Mo、K的富集系數(shù)介于0.8～1.2之間，富集貧化特征不明顯，與巴彥淖爾市背景值基本相當(dāng)。

(3)研究區(qū)耕地土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr等重金屬元素含量均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》中各元素的篩選值，土壤未受重金屬污染，環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)良。

(4)研究區(qū)土壤中Se和營養(yǎng)元素Cu、Ni、Zn、Mn、Mo、N、P、K及重金屬元素存在正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(5)表層土壤中Se含量主要受土壤有機(jī)質(zhì)含量影響，在土壤垂直方向上Se含量分布總體上表現(xiàn)出表聚性特征，主要受有機(jī)質(zhì)與粘土礦物影響。

[注 釋]

① 黃增芳,王喜寬.2008.內(nèi)蒙古河套農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告[R].呼和浩特:內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院.