運(yùn)城市土壤硒含量分布特征及其影響因素

呂小娜，昝亞玲，郭 娟

（運(yùn)城學(xué)院 生命科學(xué)系，山西 運(yùn)城，044000）

硒是一種存在于土壤中的礦物質(zhì)，也是人體內(nèi)必需的一種微量元素，它具有各種功效，主要有抗細(xì)胞衰老、抗癌、增強(qiáng)人體免疫力等作用，但人體內(nèi)硒含量攝入過多或者是硒含量攝入過少都會對身體健康產(chǎn)生不好的影響[1-2]。在土壤、植物，以及人體的傳播過程中硒元素會不斷積累，人和動物在生長過程中所需要的硒元素也主要是來源于土壤[3]。所以，研究土壤硒對人體的健康具有非常重要的意義。近幾年，國外對土壤硒的研究主要側(cè)重于生態(tài)系統(tǒng)中硒循環(huán)、土壤與作物間之間硒的轉(zhuǎn)化，以及硒的生物可利用性等方面[4]。而國內(nèi)側(cè)重于硒元素的具體分布特征、生物有效性，以及地球化學(xué)特性方面[5]，目前已在湖北[6]、陜西[7]、安徽[8]、江西[9]、浙江[10]、海南[11]、貴州[12]、青海[13]、新疆[14]、廣東[15]等地發(fā)現(xiàn)富硒資源。針對足硒及以下土壤研究較少，同時對于我國北方糧食主產(chǎn)旱作區(qū)硒的研究也相對欠缺。目前此區(qū)域相關(guān)研究多集中在肥力指標(biāo)方面[16]，而關(guān)于硒含量空間特征及開發(fā)利用則鮮見報道。擁有“運(yùn)城蘋果”品牌特色的運(yùn)城市屬于典型的旱作區(qū)域，光照充足，土壤肥沃，具有十分獨(dú)特的氣候條件，是發(fā)展棉、糧、水果等各種農(nóng)產(chǎn)品的良好基地，土壤硒研究目前還處于空白。因此，本文對運(yùn)城市耕地土壤硒含量及其空間分布規(guī)律進(jìn)行分析，為合理應(yīng)用土壤硒資源、提高富硒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

運(yùn)城市位于運(yùn)城盆地中心（N 34°48′45″～35°22′30″，E 110°42′53″～110°11′15″），管轄6 個鄉(xiāng)、7 個鎮(zhèn)、8 個街道。全市地形由東北向西南傾斜，上下呈現(xiàn)平川、高山、洼地、山丘等地貌。境內(nèi)絕大部分地區(qū)地勢都比較平緩，只有一小部分地區(qū)為臺地、湖灘洼地。該市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，春溫比秋溫低，夏季高溫多雨，秋雨比春雨多，冬季寒冷干燥，光熱資源豐富，南北部溫差較大，南部四級多風(fēng)[17]。運(yùn)城市享有山西“烏克蘭”的稱號。全市棉花和小麥的總產(chǎn)量占山西省的50%以上，也是全國優(yōu)質(zhì)蘋果的產(chǎn)地之一[18]。依據(jù)土壤普查資料可知，運(yùn)城市分布有82 個土種、22 個土屬、10 個亞類、4個土類（沼澤土、草甸土、褐土、鹽土）等[17]。

1.2 樣品采集與預(yù)處理

參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T166—2004）[19]及《土地質(zhì)量地球化學(xué)評估技術(shù)要求（試行）》（DD2008-06）[20]相關(guān)要求，研究區(qū)的表層土壤按1 km×1 km 為1 個單位面積，采集4 個土樣進(jìn)行混合，形成1 個土樣，最終共采集了210 個耕地表層土壤（0～20 cm）樣本，并將海拔高度、點(diǎn)位的經(jīng)緯度、耕地類型等進(jìn)行了記錄。樣品采集后運(yùn)回到運(yùn)城學(xué)院環(huán)境生態(tài)實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后去除雜質(zhì)，研磨，過100 目尼龍篩，室溫避光保存。土壤有機(jī)質(zhì)、pH，以及土壤全硒分別采用重鉻酸鉀外加熱法、電位計法、微波消解-氫化物發(fā)生原子熒光光譜法進(jìn)行測定；土壤類型數(shù)據(jù)從1∶30 萬運(yùn)城市土壤類型圖中提取。運(yùn)城市采樣點(diǎn)分布圖見圖1。

圖1 運(yùn)城市采樣點(diǎn)分布圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 22.0 對土壤樣品硒含量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和描述性統(tǒng)計。使用GS＋對土壤硒含量的數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)擬合，分析在土壤硒的空間變異結(jié)構(gòu)。ArcGIS 10.8 軟件中采用普通克里金法繪制運(yùn)城市土壤硒含量的空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤硒含量的統(tǒng)計特征

對210 個土樣硒含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計（表1），并利用K-S 法進(jìn)行原始數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，結(jié)果均服從正態(tài)分布（表1、圖2）。運(yùn)城市表層土壤中硒含量變化范圍為0.09～0.55 mg·kg-1，平均值為0.28 mg·kg-1（表1），對比其他地區(qū)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)（表2），運(yùn)城市土壤硒含量均值遠(yuǎn)高于西藏[21]、黑龍江[3]、新疆[22]，但是低于湖北恩施[23]、陜西紫陽[24]、海南省[25]等地，是中國[26]土壤硒平均含量的0.96 倍，是全球[27]土壤硒平均含量的0.7 倍。土壤pH 是7.70～8.86，平均值是8.26，雖然土壤的酸堿度的跨度比較大，但總體來看，是以堿性土壤為主（表1）。土壤中有機(jī)質(zhì)最小值是1.20 g·kg-1，最大值是49.00 mg·kg-1，平均值是20.56 mg·kg-1（表1）。

表2 運(yùn)城市與其他地區(qū)表層土壤硒含量對比

圖2 運(yùn)城市土壤硒含量直方圖

表1 運(yùn)城市土壤硒描述性統(tǒng)計

依據(jù)《天然富硒土地劃定與標(biāo)識》（DD2019-10）的分類標(biāo)準(zhǔn)[28]和譚見安教授對土壤硒含量的分類標(biāo)準(zhǔn)[29]（表3），對運(yùn)城市的土壤硒含量做出散點(diǎn)圖（圖3）。結(jié)果表明，按照第1 個標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)城市土壤硒≥0.3 mg·kg-1就是富硒土壤，在研究區(qū)域的210 個土壤樣品中，有67 個樣品的硒含量是在富硒含量范圍（圖3）。按照第2 個標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)城市土壤硒含量處于富硒水平的有15 個，而處于足硒水平的有178 個。由此可見，運(yùn)城市土壤整體都處在足硒和富硒的水平。

表3 我國部分富硒土壤劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖3 運(yùn)城市土壤硒含量散點(diǎn)圖

2.2 土壤硒含量的空間變異特征

對運(yùn)城市土壤硒含量進(jìn)行半方差函數(shù)擬合，由表4 可知，運(yùn)城市土壤硒含量半方差函數(shù)擬合模型為球狀模型。

空間變異主要是由結(jié)構(gòu)性變異以及隨機(jī)性變異兩部分組成。變程（α）為半方差函數(shù)到達(dá)基臺值時所間隔的距離；塊金系數(shù)［C0/（C0＋C）］是塊金值（C0）（非采樣間隔所造成的變異）和基臺值（C0＋C）（半方差函數(shù)會隨著間距的遞增，達(dá)到一定程度后會出現(xiàn)的平穩(wěn)值）的比值[30]。當(dāng)塊金系數(shù)小于0.25 時，硒元素空間相關(guān)性極強(qiáng)，從而結(jié)構(gòu)性因素會影響它的變異性；塊金系數(shù)在0.25～0.75 之間時，空間相關(guān)性呈中等；當(dāng)塊金系數(shù)大于0.75 時，主要受到隨機(jī)因素的影響。從表4 可知，土壤硒含量的塊金系數(shù)是0.513，這表明土壤硒元素的空間相關(guān)性呈中等，表明受自然因素（成土母質(zhì)、土壤類型、有機(jī)質(zhì)以及地形地貌等）和隨機(jī)因素及人為活動如耕作施肥共同的影響。運(yùn)城市土壤硒含量的變程是13.5 km（表4），說明半方差函數(shù)在間隔距離是13.5 km 時，而達(dá)到平穩(wěn)階段，在這一尺度范圍中，硒元素的含量存在非常強(qiáng)的連續(xù)性。

表4 土壤硒含量的半變異模型及其相關(guān)參數(shù)

2.3 土壤硒含量空間分布特征

對于偏低的富硒標(biāo)準(zhǔn)更容易擴(kuò)大具有開發(fā)價值的高硒土壤區(qū)域[31]。本文在譚教授[29]劃分的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，依據(jù)《天然富硒土地劃定與標(biāo)識》（DD2019-10）[28]將原富硒標(biāo)準(zhǔn)0.40 mg·kg-1調(diào)至0.30 mg·kg-1，然后按照標(biāo)準(zhǔn)將運(yùn)城市的土壤硒含量劃分為過量、高硒、中等、邊緣、缺硒5 個等級，并繪制出了運(yùn)城市土壤硒含量空間分布圖（圖4）。由表5 統(tǒng)計得知，運(yùn)城市土壤中，絕大部分地區(qū)土壤表現(xiàn)出足硒及以上的特征，而缺硒和硒過量（硒毒）的現(xiàn)象并不存在。其中，富硒土壤所占的面積是運(yùn)城市的33.49%，而足硒土壤所占的面積是運(yùn)城市的65.10%。由圖4 可見，運(yùn)城市的南部以及西北部（泓芝驛鎮(zhèn)和北相鎮(zhèn)）主要是富硒土壤，運(yùn)城市的中部和北部主要是足硒土壤。

圖4 運(yùn)城市土壤硒含量空間分布特征

表5 土壤硒豐缺分級界限值

2.4 土壤硒含量的影響因素

2.4.1 土壤pH 和有機(jī)質(zhì) 影響土壤有效性和元素賦存比較重要的2 個要素是土壤pH 和土壤有機(jī)質(zhì)[32]。由表6 可知，土壤硒含量與土壤pH 值相關(guān)性并不顯著，相關(guān)系數(shù)為-0.103。這可能是與運(yùn)城市所布的點(diǎn)位均位于耕地，土地利用狀況復(fù)雜，受到的人類活動干擾較大有關(guān)，這與鄧軍等[33]的研究結(jié)果是一致的。有機(jī)質(zhì)和土壤硒的相關(guān)系數(shù)是0.394，呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性，這與余飛等[31]的研究結(jié)果是一致的。

表6 運(yùn)城市土壤硒含量與pH、有機(jī)質(zhì)相關(guān)分析

2.4.2 成土母質(zhì) 運(yùn)城市鹽湖區(qū)內(nèi)的幾種成土母質(zhì)的硒含量略有差異。由圖5 可知，各母質(zhì)中表層土壤硒平均值由低到高依次排序?yàn)椋簻嫌伲?.20 mg·kg-1）＜黃土狀（0.24 mg·kg-1）＜黃土質(zhì)（0.26 mg·kg-1）＜石英砂巖風(fēng)化殘、坡積物（0.30 mg·kg-1）＜河流沖積沉積物（0.31 mg·kg-1）＜沖積物（0.32 mg·kg-1）＜湖積沖積（0.33 mg·kg-1）＜洪積沉積物（0.34 mg·kg-1）＜沖積沉積物（0.35 mg·kg-1）。由此可見，湖積沖積、洪積沉積物和沖積沉積物的成土母質(zhì)硒含量比較高；溝淤、黃土質(zhì)和黃土狀的成土母質(zhì)硒含量較低。其中，除了溝淤、黃土狀、黃土質(zhì)、石英砂巖風(fēng)化殘、坡積物之外，其余成土母質(zhì)的硒含量均高于研究區(qū)土壤硒的平均含量。沉積物、坡積物和沖積物的母質(zhì)土層比較厚，耕地土壤的通氣性良好，有利于接納上部沖流下來的土壤養(yǎng)分，所以耕地土壤硒含量會就比較高，這幾種母質(zhì)主要是分布在鹽湖區(qū)的中南部；而黃土母質(zhì)比較疏松，質(zhì)地輕，不利于土壤硒含量的積累，主要分布在鹽湖區(qū)的北部，土壤硒含量較低。

圖5 不同成土母質(zhì)發(fā)育表層土壤硒含量

2.4.3 土壤類型 由圖6 可知，不同土壤類型中，硒含量的分布也是有差異的，具體表現(xiàn)為：潮土（0.31 mg·kg-1）＞粗骨土（0.30 mg·kg-1）＞褐土（0.25 mg·kg-1）。其中，粗骨土與潮土中的土壤硒含量比褐土高，而與褐土相比，粗骨土和潮土的土壤條件會更利于土壤硒含量的積累，并且處于足硒的范疇。鹽湖區(qū)褐土主要分布在三里路鎮(zhèn)、陶村鎮(zhèn)、龍居里等，可以看出比其他地區(qū)土壤硒含量低，與成土母質(zhì)的分析結(jié)果一致。

圖6 運(yùn)城市不同土壤類型中硒元素的含量

2.4.4 地形地貌 運(yùn)城市地形地貌類型多種多樣，不同地形土壤硒含量的差異比較明顯。由圖7 可知，各地形中土壤硒平均值由低到高依次排序?yàn)椋阂?、二級階地過渡地（0.23 mg·kg-1）＜臺垣及高階地（0.24 mg·kg-1）＜二級階地（0.25 mg·kg-1）=黃土丘陵（0.25 mg·kg-1）＜山前傾斜平原（0.28 mg·kg-1）＜中條山及中低山、山前洪（0.30 mg·kg-1）＜一級階地（0.31 mg·kg-1）＜洪積扇地帶（0.34 mg·kg-1）＜鹽湖北岸的壟崗地帶（0.35mg·kg-1）。由此可見，鹽湖區(qū)北岸的壟崗地帶的土壤硒含量最高，洪積扇地帶、一級階地、中條山，以及中低山山前洪的土壤硒含量較高，一、二級階地過渡地、黃土丘陵、臺恒，以及高階地的土壤硒含量略低。

圖7 運(yùn)城市不同地形地貌土壤硒含量

3 討論與結(jié)論

運(yùn)城市耕層土壤硒含量的范圍是0.09～0.55 mg·kg-1，土壤硒平均含量是0.28 mg·kg-1，而地殼中硒元素的豐度值僅為0.050 mg·kg-1[34]。由此可見，運(yùn)城市表層土壤硒元素有很明顯的累積效應(yīng)。運(yùn)城土壤硒是中國土壤硒平均含量的0.96 倍[26]，接近中國土壤硒平均水平。根據(jù)土壤硒豐缺標(biāo)準(zhǔn)可知，運(yùn)城市土壤缺硒和硒過量（硒毒）的現(xiàn)象不存在，而絕大部分地區(qū)的土壤則表現(xiàn)出足硒及富硒的特征，足硒占該地區(qū)面積的65.10%，富硒占該地區(qū)面積的33.49%，其中富硒土壤面積至少在4.03 萬hm2以上。建議結(jié)合運(yùn)城市的城市發(fā)展規(guī)劃，合理利用該地區(qū)的土壤性質(zhì)，著手開發(fā)與推廣富硒產(chǎn)品，提高土壤中的硒元素含量，從而增加當(dāng)?shù)乜缮a(chǎn)富硒農(nóng)產(chǎn)品的耕地數(shù)量。

運(yùn)城市土壤硒元素含量空間相關(guān)性為中等，說明土壤硒含量分布受自然因素影響和人為活動的影響。從空間分布上看，運(yùn)城市的中部和北部主要為足硒土壤，運(yùn)城市南部和西北部（泓芝驛鎮(zhèn)和北相鎮(zhèn)）主要為富硒土壤。

籠統(tǒng)地說，土壤中硒的主要賦存形式有元素硒、硒化合物、硒酸鹽、亞硒酸鹽等，pH 值對其賦存形式有重要作用[35]。根據(jù)研究說明，土壤的pH 值越高，土壤中硒的含量就會越低[3]。一是隨著土壤堿性的逐漸增強(qiáng)，土壤硒的形態(tài)會從亞硒酸鹽（SeO32-）向硒酸態(tài)（SeO42-）進(jìn)行轉(zhuǎn)化[36]，因硒酸鹽與吸附質(zhì)的親和力較弱，導(dǎo)致硒酸鹽被植物吸收消耗或造成土壤硒淋溶，進(jìn)而造成土壤硒含量的持續(xù)下降[1]。二是土壤的甲基化能力會隨著土壤pH 值的增加而加強(qiáng)，促進(jìn)其在土壤中的遷移，從而導(dǎo)致土壤硒含量越低[37-38]。但是本文土壤硒含量與土壤pH 值相關(guān)性并不顯著，相關(guān)系數(shù)為-0.103。這可能是與運(yùn)城市所布的點(diǎn)位均位于耕地，土地利用狀況復(fù)雜，受到的人類活動干擾較大有關(guān)。土壤硒元素會受到土壤有機(jī)質(zhì)吸附和固定作用的影響，土壤中有機(jī)質(zhì)含量越高，硒被固定和吸附作用就越強(qiáng)，本文有機(jī)質(zhì)和土壤硒的相關(guān)系數(shù)是0.394，呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性。運(yùn)城平原地區(qū)的坡度比較緩，耕地居多，土地利用的程度比較高，人為的干預(yù)程度大，土壤硒含量相對充足，中條山為中山區(qū)，中條山位于研究區(qū)地形最高部位，隨著海拔高度的逐漸增加、氣溫降低，從而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)分解緩慢，鹽湖富含的礦物質(zhì)資源豐富，地下水經(jīng)流附近耕地使土壤養(yǎng)分含量豐富，土壤硒含量處于較高水平[38]。而黃土丘陵、一、二級階地過渡地等地區(qū)的交通不便利，尤其是下雨后，雨水沖刷使得土壤養(yǎng)分不斷流失，又因?yàn)榈匦卧驅(qū)е罗r(nóng)業(yè)投入不便，耕作的難度也比較大，這一地形主要分布在上王鄉(xiāng)等地，周圍的耕地土壤硒含量比較低，這與前文耕地土壤硒含量分布得出的數(shù)據(jù)分析結(jié)果是一致的。母質(zhì)是土壤形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。不同的成土母質(zhì)，發(fā)育不同的土壤類型，對土壤硒含量的影響也很重要[39]。鹽湖區(qū)褐土主要分布在三里路鎮(zhèn)、陶村鎮(zhèn)、龍居里等，可以看出該地區(qū)比其他地區(qū)土壤硒含量低，與成土母質(zhì)的分析結(jié)果一致?？傊?，在研究區(qū)中土壤硒含量的影響因素（成土母質(zhì)、土壤類型、地形地貌、土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)）對土壤硒含量及分布有顯著的影響，土壤pH和土壤硒含量相關(guān)性不顯著。運(yùn)城市的地形地貌條件極為復(fù)雜，導(dǎo)致土壤硒的空間分布呈現(xiàn)出較強(qiáng)的變異性和復(fù)雜性，之后還需要結(jié)合植物吸收和土壤相關(guān)指標(biāo)等過程分析，才能更清晰、全面、更準(zhǔn)確的認(rèn)識運(yùn)城市土壤硒含量的分布。