貴州省黔南州耕地土壤硒地球化學特征及富硒資源評價

李大吉,傅良同,蒙信禮,高建才,劉興金

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊,貴州 都勻 558000;2.黔南民族師范學院旅游與資源環(huán)境學院,貴州 都勻 558000)

0 引言

硒是一種十分稀有的分散元素,在地殼中的豐度值僅為0.05mg/kg[1]。硒具有抗氧化、拮抗毒素、調(diào)節(jié)免疫、調(diào)節(jié)信號通路、降血壓和保護肝臟等作用[2-3],人體缺硒會導致多種疾病發(fā)生,如克山病、大骨節(jié)病以及視覺器官等疾病[2-5]。目前,我國有三分之二的人口生活在缺硒地區(qū)[6],人類主要通過膳食食物來提高人體攝硒量,而食物主要來源于植物可食部分,土壤中的硒含量與植物中硒含量是密切相關(guān)的[7-8]。因此,了解土壤中硒地球化學性質(zhì)、受制因素以及植物對土壤中硒吸附能力,有利于開發(fā)富硒特色農(nóng)產(chǎn)品,帶動地方經(jīng)濟發(fā)展,鞏固脫貧攻堅成果。本文依托“貴州省黔南州耕地質(zhì)量地球化學調(diào)查評價”項目,通過系統(tǒng)采集耕地土壤、農(nóng)作物以及配套根系土樣品,取得相應的分析測試數(shù)據(jù),查明耕地土壤中硒元素地球化學特征,掌握富硒耕地土壤資源量以及農(nóng)作物富硒程度,旨在為當?shù)氐母晃r(nóng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

黔南州地處貴州高原中南部,處于廣西丘陵過渡的斜坡地帶上,地勢總體為北高南低。地貌主要分為山地、丘陵、盆地以及河谷等,最高海拔為1961m,最低海拔為242m,海拔高差為1719m,平均海拔高度為997m。全州屬亞熱帶東亞季風區(qū),同時具有明顯的亞熱帶季風濕潤氣候特征和高原山區(qū)的氣候特點;年平均氣溫介于13.6～19.6℃之間,自北向南、自西向東氣溫逐漸遞增,年平均降水1300mm左右。黔南州北部和西北部與遵義市及貴陽市為鄰,東與黔東南州相連,南與廣西壯族自治區(qū)毗鄰,西與安順市與黔西南州接壤,州內(nèi)交通十分便利。黔南州下轄2個縣級市、9個縣和1個自治縣,國土面積為2.62萬km2。

1.2 地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置主要位于江南復合造山帶黔南坳陷區(qū)都勻南北向隔槽式褶皺變形區(qū);地質(zhì)構(gòu)造受到造山運動及凹陷趨勢的影響,海相沉積(主要為化學沉積、生物沉積和機械沉積)多,厚度大,形成了一系列平行的排列整齊有序的、平緩寬大的背斜和陡峻狹長的向斜相間的隔槽式褶皺,褶皺方向基本為SN向。研究區(qū)處于一個完整的地質(zhì)構(gòu)造單元之中,特別是新元古代形成地臺基底后,多次接受海相沉積,形成了地層發(fā)育齊全,層次完美,厚度大,化石豐富的特點;地層由老到新出露為新元古代青白口系、南華系、震旦系,古生代的寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系,中生代的三疊系、白堊系以及新生代的第四系地層均有出露[9]。

1.3 成土母巖

研究區(qū)成土母巖主要以碳酸鹽巖及碎屑巖為主,局部有變質(zhì)巖,少量有巖漿巖出露(圖1)[10]。其中碳酸鹽巖(石灰?guī)r和白云巖)為全區(qū)主要巖性,面積約為19811km2,占全區(qū)比例75.62%;其次為碎屑巖(砂巖(含硅質(zhì)巖)、泥(頁)巖、紫紅色砂頁巖和炭質(zhì)頁巖),面積約為5214km2,占全區(qū)比例19.90%;變質(zhì)巖(板巖、變余凝灰?guī)r和變余砂(礫)巖)面積約為1124km2,占全區(qū)比例4.29%,巖漿巖(玄武巖和輝綠巖)分布面積約為48km2,占全區(qū)比例0.18%。

1—縣市界線;2—州界線;3—省界線;4—縣市駐地;5—州駐地;6—石灰?guī)r;7—白云巖;8—砂巖(含硅質(zhì)巖);9—泥(頁)巖;10—紫紅色砂頁巖;11—黑色頁巖;12—板巖;13—變余凝灰?guī)r;14—變余砂(礫)巖;15—玄武巖;16—輝綠巖。圖1 黔南州成土母巖分布圖

1.4 土壤類型

根據(jù)貴州省土壤調(diào)查結(jié)果研究區(qū)有10個土類[11],分別為黃壤、紅壤、黃棕壤、石灰土、水稻土、粗骨土、紫色土、潮土、草甸土和沼澤土(圖2)。研究區(qū)以黃壤和石灰土分布最廣,二者面積約占全區(qū)國土面積的70%左右。其中黃壤屬于成熟的地帶性土壤,主要分布在海拔高度500～1400m區(qū)間內(nèi)[12];石灰土屬于非地帶性土壤,主要分布在石灰?guī)r和白云巖內(nèi)[13]。

1—縣市界線;2—州界線;3—省界線;4—縣市駐地;5—州駐地;6—黃壤;7—石灰土;8—水稻土;9—粗骨土;10—紅壤;11—黃棕壤;12—紫色土;13—潮土;14—草甸土;15—沼澤土。圖2 黔南州土壤類型圖

2 樣品采集與測試分析

2.1 樣品采集

研究區(qū)重點評價耕地(旱地、水田和水澆地),其次是園地(茶園和果園),考慮到裸地、采礦用地可能后續(xù)發(fā)展成為耕地或者園地,也進行了評價。采樣點平均布點密度為9.63件/km2,每件樣品由4～6個子樣混合組成,具體根據(jù)野外地形情況靈活選擇子樣點數(shù)量。子樣點混合后采用四分法留取1.0～1.5kg裝入樣品袋,采樣深度為0～20cm連續(xù)取樣,子樣點離中心樣點距離為20～50m范圍內(nèi),大部分樣點采集航跡主要為“S”形或“X”形等,樣品均用不銹鋼鍬、木質(zhì)等聯(lián)合采集。全區(qū)共采集49281件耕地土壤樣品(表1)。

表1 黔南州耕地土壤樣統(tǒng)計表

農(nóng)作物采集975件及其配套根系土945件(荔波縣的蜜柚果皮(15件)、果肉(15件)和葉(15件)在同一顆樹上采集,對應只采集一次根系土),其中大宗農(nóng)作物2類,特色農(nóng)作物12類(表2,圖3)。

表2 黔南州農(nóng)作物類型統(tǒng)計表

1—縣市界線;2—州界線;3—省界線;4—縣市駐地;5—州駐地;6—水田;7—旱地;8—茶園;9—果園;10—水澆地;11—裸地;12—工礦用地;13—林地;14—草地;15—城鎮(zhèn)村用地;16—交通運輸用地;17—水域及水利設施用地;18—其他用地;19—水稻;20—玉米;21—茶葉;22—油菜;23—水果;24—蔬菜。圖3 黔南州農(nóng)作物采樣點位分布圖

本次975件農(nóng)作物均采集于富硒耕地土壤中。農(nóng)作物采集于收獲盛期,根據(jù)地塊實際形狀,選擇梅花點法、對角線法、蛇形法等進行多點取樣,然后等量混勻后組成一個混合樣品。每一混合樣大型果實由5～10個以上的植株組成(即分點樣),小型果實由10～20個以上的植株組成。農(nóng)作物樣品的采集量為待測試樣量的3～5倍,每分點采集量則隨樣點的多少而變化。根系土樣品采集與農(nóng)作物采集同步進行,采集方法與耕地土壤樣品采集方法一致。

2.2 樣品測試

樣品測試由云南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局中心實驗室完成。耕地土壤樣品和根系土樣品中硒分析測試方法為原子熒光光譜法(AFS),檢出限為0.003×10-6;農(nóng)作物中硒分析測試方法為電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS),檢出限為0.005×10-6。實驗室內(nèi)部采用國家一級標準物質(zhì)進行質(zhì)量監(jiān)控,硒元素分析方法報出率、準確度、精密度、重復性檢驗合格率等滿足規(guī)范要求[14]。

3 硒地球化學特征

對研究區(qū)49281件耕地土壤樣品中硒元素分析統(tǒng)計,全區(qū)耕地土壤中硒含量變化介于0.02～19.20mg/kg之間,平均含量為0.57mg/kg,中位數(shù)為0.48mg/kg,標準差為0.43mg/kg;變化系數(shù)為75%,表明全州硒元素分異性較強;黔南州耕地土壤中硒背景值為0.49mg/kg(背景值按全區(qū)原始數(shù)據(jù)按平均值±3倍標準離差剔除后數(shù)據(jù)平均值),略高于貴州省耕地土壤中的背景值0.482kg[15],遠高于全國表層土壤中硒元素背景值0.184mg/kg[16]。根據(jù)研究區(qū)所轄12縣市統(tǒng)計各轄區(qū)內(nèi)耕地土壤中硒元素平均含量如圖4所示,研究區(qū)耕地土壤中硒元素在各縣市分布不均,甕安縣、福泉市、龍里縣、貴定縣、長順縣耕地土壤中硒平均含量分別為0.74mg/kg、0.66mg/kg、0.65mg/kg、0.69mg/kg和0.64mg/kg,均高于黔南州耕地土壤中硒平均含量,其余縣市耕地土壤中硒平均含量差異較小,但都低于黔南州耕地土壤中硒平均含量。

圖4 黔南州各縣市耕地土壤中硒元素平均含量柱狀圖

通過對不同成土母巖、土壤類型、土地利用類型及酸堿強度的分析,分別統(tǒng)計各區(qū)耕地土壤中硒元素平均含量(表3、表4、表5、表6),研究區(qū)耕地土壤中硒元素總體上受成土母巖影響很大,而土壤類型、土地利用類型以及酸堿強度對其影響相對較弱。硒元素在玄武巖、黑色頁巖、變余砂(礫)巖區(qū)內(nèi)土壤平均含量分別能達到1.03mg/kg、0.72mg/kg和0.72mg/kg,遠高于研究區(qū)背景值,而板巖區(qū)內(nèi)平均含量僅為0.39mg/kg,其他母巖區(qū)內(nèi)變化相對較小。不同土壤類型區(qū)內(nèi)硒元素平均含量差異性不明顯,僅黃棕壤內(nèi)硒元素平均含量達到了0.87mg/kg;硒元素平均含量在采礦用地中最高,達1.01mg/kg,而其他土地利用類型區(qū)內(nèi)硒元素平均含量存在明顯差異。不同酸堿強度中硒元素平均含量差別相對較小,僅僅在強酸性中硒平均含量為0.64mg/kg,其他酸堿強度中硒元素平均含量差距較小。

表3 黔南州不同成土母巖耕地土壤硒平均值統(tǒng)計表

表4 黔南州不同土壤類型耕地土壤硒平均值統(tǒng)計表

4 富硒資源評價

4.1 富硒耕地土壤資源

在《土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范》(DZ/T0295—2016)的基礎上,結(jié)合貴州省耕地土壤硒元素含量特征,本次耕地土壤硒等級劃分為7個等級(表7)。把耕地土壤中硒元素含量介于0.4～3.0mg/kg之間標準劃分為富硒耕地土壤[17],分別對應特級、一級、二級和三級共4個等級,過剩、含硒和低硒等級不屬于富硒耕地土壤范疇。

表7 貴州省耕地土壤硒元素地球化學等級評價標準

研究區(qū)共圈出富硒耕地土壤面積3701.20km2,占全區(qū)評價地類面積的72.35%,富硒耕地土壤資源主要集中在福泉市、甕安縣、長順縣、龍里縣、貴定縣和惠水縣;其中甕安縣和福泉市富硒耕地土壤資源面積超過其評價地類面積的90%,長順縣富硒耕地土壤資源面積達到了其評價地類面積的85.86%,除獨山縣外,其余縣市富硒耕地土壤資源面積比例均超過其評價地類面積的50%(表8,圖5)。

表8 黔南州富硒耕地土壤資源面積統(tǒng)計表

1—縣市界線;2—州界線;3—省界線;4—縣市駐地;5—州駐地;6—過剩;7—特級;8—一級;9—二級;10—三級;11—含硒;12—低硒;13—非評價地類。圖5 黔南州耕地土壤中硒元素地球化學等級圖

4.2 富硒農(nóng)作物資源

4.2.1 富硒農(nóng)作物評價

為發(fā)展研究區(qū)富硒農(nóng)產(chǎn)業(yè),重點突出農(nóng)作物富硒特性,本次使用評價標準重點考慮當前國家以及地方現(xiàn)行的富硒標準(表9)。

表9 黔南州農(nóng)作物使用富硒標準統(tǒng)計表

由于采集農(nóng)作物類型較多,并不能現(xiàn)行每類農(nóng)作物有富硒標準,其中蜜柚葉(15件)無富硒標準,因此這里不做富硒評價。

根據(jù)表10中結(jié)果來看,全州農(nóng)作物達到富硒標準的有494件,富硒率占評價農(nóng)作物總數(shù)的51.46%,富硒農(nóng)作物農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆３厣r(nóng)作物中的茶葉和梨子外,其余農(nóng)作物均不同程度達到富硒標準;大宗農(nóng)作物玉米306件中有301件富硒,富硒率為98.37%;特色農(nóng)作物中紫王葡萄、刺梨、蜜柚果皮、萵筍、高鈣蘋果、西紅柿和辣椒富硒率在80%及以上,其中紫王葡萄、刺梨、蜜柚果皮和萵筍富硒率高達100%。

表10 黔南州農(nóng)作物富硒統(tǒng)計表

4.2.2 農(nóng)作物-土壤中硒富集規(guī)律

為研究農(nóng)作物從土壤中吸收硒元素能力,采用富集系數(shù)來表達,其含義是指某種物質(zhì)或元素在生物體的濃度與生物生長環(huán)境(水、土壤、空氣)中該物質(zhì)或元素的濃度之比[18]。

根據(jù)實驗室測試農(nóng)作物結(jié)果,梨子和蜜柚果肉中硒含量全低于檢出限,這里不做討論,其余農(nóng)作物中硒的平均富集系數(shù)如表11所示。

表11 黔南州不同農(nóng)作物對土壤中硒的平均富集系數(shù)統(tǒng)計表

根據(jù)表11可知,水稻、玉米、蜜柚葉和萵筍中硒的平均富集系數(shù)在4%以上,其中水稻中硒的平均富集系數(shù)最高到6.10%;紫王葡萄、高鈣蘋果、刺梨、金錢橘和水晶葡萄中硒的平均富集率低于2%,其余農(nóng)作物中硒的平均富集率介于2%～4%之間。

綜上所述,研究區(qū)內(nèi)農(nóng)作物對土壤中的硒富集程度是較低的,整體平均富集系數(shù)均低于7%,且平均富集系數(shù)變化差異小;農(nóng)作物對土壤中的硒吸收受多種因素制約,如土壤中硒的賦存狀態(tài)[19]、有機質(zhì)[20-22]、pH[20-23]、農(nóng)作物不同部位[24]以及農(nóng)作物種類[25]等對農(nóng)作物硒的吸收都有影響,具體如何影響,還需進一步系統(tǒng)研究。盡管研究區(qū)內(nèi)農(nóng)作物對土壤中硒的富集系數(shù)較低,但還應該考慮到農(nóng)作物硒含量水平是否滿足人體對硒需求量,因此出現(xiàn)農(nóng)作物富集系數(shù)低,農(nóng)作物中硒含量達到富硒程度現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)黔南州耕地土壤中硒元素整體含量偏高,空間分布不均,其含量變化范圍處于0.02～19.20mg/kg之內(nèi),平均含量為0.57mg/kg。在不同成土母巖分布區(qū)內(nèi)耕地土壤中硒元素含量存在顯著的差異性,受區(qū)內(nèi)的成土母巖影響顯著;不同土壤類型、土地利用類型和酸堿強度對硒含量都有一定的影響。

(2)黔南州富硒耕地土壤資源豐富,富硒耕地土壤資源面積達到3700km2以上,占區(qū)內(nèi)評價地類面積的72%以上,富硒耕地土壤資源主要集中在福泉市、甕安縣、長順縣、龍里縣、貴定縣和惠水縣。

(3)黔南州富硒農(nóng)作物種類豐富,以大宗農(nóng)作物玉米和特色農(nóng)作物紫王葡萄、刺梨、蜜柚果皮、萵筍、高鈣蘋果、西紅柿以及辣椒最好,富硒率均在80%以上,為當?shù)靥厣晃r(nóng)業(yè)發(fā)展指明了方向。

(4)黔南州農(nóng)作物對土壤中硒的平均富集系數(shù)低,整體未超過7%,農(nóng)作物對土壤中的硒吸收受多種因素綜合影響結(jié)果。