锌(Zn)是生物体不可或缺的微量元素，它对动植物的生长发育、生理代谢有重要的作用；同时Zn也是人体最易缺乏的营养元素之一^[1-3]。锌缺乏在国际上是一个重要的公共卫生问题，在发展中国家更突出^[4-5]。锌在人体内代谢旺盛，但人体不能合成锌，也没有锌的特殊储存机制，因此要求在食物摄取中有足够的锌补足^[6-7]。土壤中锌的空间分异性很大，在中国中南部地区土壤存在大面积缺锌现象^[8]。寻找天然富锌土地资源，开发天然富锌农产品，以满足人体对锌的日常需求, 具有十分重要的现实意义。

中国人体锌摄入普遍不足，为富锌土地资源利用、天然富锌农产品开发奠定了广阔的市场，成为地球化学调查成果转化应用的重要方向。前人对土壤与农产品中Zn含量关系进行过调查和研究，探讨了土壤分布与地质背景和岩石地球化学的关系^[9-11]，但关于赣州石城地区土壤和农作物锌地球化学研究较少。2018年，按照中国地质调查局支撑赣州六县脱贫攻坚1：5万土地质量地球化学调查工作要求，开展石城县土地质量地球化学调查，在调查区发现了可开发的富锌土地资源。本次研究查明了石城县土壤及农作物中Zn、Se等有益微量元素分布特征，初步查明了地质背景、成土母质与土壤中Zn含量的关系，提出富锌土地资源利用的综合建议, 为合理开发利用石城县富锌资源, 促进当地经济发展，支持石城县脱贫攻坚工程提供了科学依据。

1.   研究区概况

石城县位于江西省东南部、赣州市东北部，是千里赣江的发源地，因“环山多石、耸峙如城”而得名，素有“中国白莲之乡”、“中国烟叶之乡”之称。石城县总面积1581.53 km²，其中山地面积1407.56 km²，约占总面积的89%；耕地面积158.15 km²，约占总面积的10%；水面面积47.45 km²，约占总面积的3%；道路、城镇、村落、厂矿158.13 km²，约占总面积的10%。全县海拔最高为1389.9 m，最低为173 m，按海拔高度和相对高度划分，全县地貌主要可分为中低山和丘陵2个类型。中低山海拔高度500~1400 m，相对高度200~500 m，占全县总面积的21.3%；丘陵海拔高度500 m以下，相对高度200 m以下，占全县总面积的78.7%。该县土壤类型以红壤与酸性紫色土为主，分布规律为海拔600 m以下为红壤或紫色土，600~1000 m为黄红壤，1000 m以上为山地黄壤或山地草甸土。成土母质类型与分布规律表现为，粗晶花岗岩风化物分布在县城以北的中高及中山地区，石英岩类风化物分布在全县各个乡(镇)的丘陵、山地，紫色砂砾岩类风化物、紫色泥页岩类风化物分布在中部西南的中低丘地区。此外，还有少量泥质岩类风化物和第四纪红色粘土零星分布。

石城县是具有辉煌历史的中央苏区全红县。多年来由于交通不便、频繁的自然灾害等，导致这片大山深处的红土地成为了罗霄山脉集中连片特困县。“居难安、食难饱、衣难添、路难行”是长期以来石城县的真实写照。2018年，中国地质调查局支撑赣州六县脱贫攻坚1：5万土地质量地球化学调查工作在石城县展开，工作区包含小松镇、丰山乡、琴江镇(县政府驻地)、屏山镇、珠坑乡、大由乡和龙岗乡7个乡镇，调查面积达400 km²(图 1)。

图  1  石城县调查区范围与区域地质简图

Figure  1.  Regional geological map and the surveying area in Shicheng County

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2.   样品采集与测试

表层土壤样品平均采集密度为8/km²，采样深度为0~20 cm，共计3200件。土壤样品采集位置均选择在采样地块的中间部位，避开沟渠、林带、田埂、路边及微地形高低不平的无代表性地段。每件土壤样品由3~5个子样等量混合而成，样品重量为1.5 kg。在典型种植区采集莲子、烟叶、花生、果蔬等农作物120件，以及对应根系土120件。对应不同农作物种植区，在灌溉季采集灌溉水样品26件。研究区内布置大气干湿沉降采集点4个，放置集尘桶收集大气沉降物，时间周期为一年。

将采集的土壤样品置于干净、无污染的场地自然风干。在风干过程中，适时翻动，并将大土块捏碎以加速干燥，同时剔除土壤以外的杂物。风干后用橡皮锤将土壤样品锤碎，并过2 mm(10目)的尼龙筛。样品全部过筛混合均匀后装入干净的自封袋中，编号后送至实验室。莲子、烟叶、花生样品在无污染、无扬尘、通风的条件下自然风干后，送至实验室进一步处理。果蔬、大气干湿沉降与灌溉水样品，采集后直接送至实验室进行处理。所有样品均由安徽省地质实验研究所测试。土壤与根系土、大气干湿沉降物、灌溉水、农作物等样品测试指标见表 1。

表  1  各类样品分析测试指标

Table  1.  The analytical indicators for all samples

土壤样品测试指标		灌溉水	大气干湿沉降物	农作物
有机质、氮、磷、钾、硼、锰、锌、铜、硒、钼及碱解氮、速效磷、速效钾	酸碱度、砷、镉、铬、汞、铅、镍、铜、锌、钴、钒、锰	酸碱度、总磷(以P计)、总砷、总汞、总镉、六价铬、总铅、总铜、总锌、总硒、硼	砷、镉、汞、铬、铅、铜、镍、镉、硒	铅、铬、镉、汞、砷、锰、铜、钙、镁、铁、锌、锗、硒、磷、钾、氟

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样品测试严格执行《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)^①、《生态地球化学评价样品分析技术要求》(DD 2005—03)^②等规定选用的分析方法。所有项目各元素报出率均大于99.8%，各元素国家一级标准物质测定值准确度、精密度合格率均为100%，各元素重复性检验一次合格率均大于97.5%，异常检查合格率均大于95%，外部质量控制样插入比例约8.26%，各批次各元素合格率均大于93%，相关系数均大于0.93。样品分析数据均通过“中国地质调查局区域地球化学样品分析质量检查组”验收，分析质量良好，数据质量可靠。

3.   结果和讨论

3.1   土壤锌元素含量特征

石城县调查区表层土壤中Zn含量在22.0×10^-6~268.7×10^-6之间，平均值为72.25×10^-6，剔除异常值后的平均值为72.01×10^-6。参照《中国矿产地质志：江西卷》^[12]的地层系统，将调查区表层土壤与其所在地层对应。结果显示，调查区表层土壤中Zn含量及分布受地质背景控制明显，青白口系周潭岩组、南华系万源岩组、白垩系周田组岩性主要为紫红色砂砾岩、钙质粉砂岩，土壤Zn含量较高，这一特征与前人研究结果一致^[13-16](表 2)。土壤中Zn元素主要来自风化红层，风化物质中的锌在中性—弱碱性条件下沉淀进入土壤，形成丰富的Zn元素储备库。

表  2  调查区不同地质单元土壤中Zn含量

Table  2.  Zn content in soils of different geological units in the survey area

地层名称	坝里组	河口组	洪山组	老虎塘组	莲荷组	茅店组
Zn平均含量/10-6	60.56	52.58	59.82	59.42	56.88	67.62
样品数/个	155	340	66	5	38	236
地层名称	沙坝黄组	石溪组	塘边组	万源岩组	周潭岩组	周田组
Zn平均含量/10-6	61.37	70.20	63.16	77.65	83.10	79.52
样品数/个	29	8	330	787	373	723

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从土壤营养指标角度，依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)对石城县表层土壤中的Zn元素进行丰缺评价(图 2；表 3)。结果显示，石城县土壤中的Zn含量总体以较丰富和丰富为主，上述两者占比达49.62%，主要分布于石城县北部、琴江沿岸河谷地带，以及南部的大由乡和龙岗乡。土壤中的Zn含量超过84×10^-6，富锌土壤面积达85.48 km²。

图  2  石城县调查区土壤中锌元素丰缺分级图

Figure  2.  Classification of zinc abundance and deficiency in soil, Shicheng

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表  3  石城县调查区土壤中锌丰缺分级统计

Table  3.  Classification of zinc abundanceand deficiency in soil, Shicheng

分级	丰富(一等)	较丰富(二等)	中等(三等)	较缺乏(四等)	缺乏(五等)
分布面积/km2	85.48	113.56	68.24	83.86	49.00
面积占比/%	21.31	28.31	17.05	20.96	12.25

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3.2   调查区土地质量地球化学评价

依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)要求，对研究区表层土壤Cd、Hg、Pb、As、Cr、Ni、Cu、Zn八项重金属元素进行综合环境质量评价。结果显示，石城县完成的400 km²调查区中，优先保护的土壤面积为399.91 km²，占评价面积的99.98%，安全利用的土壤面积0.09 km²，占比0.02%，未出现严格管控土壤。评价结果表明调查区土壤地球化学质量整体状况优良，为该地区特色农业开发提供了必要条件。

石城县调查区灌溉水样品分析结果(表 4)显示，其各项指标测定值均满足《农田灌溉用水质标准》(GB 5084—92)^③要求，同时达到《无公害食品：大田作物产地环境条件》(NY 5332—2006)^④和《绿色食品产地环境技术条件标准》(NYT 391—2000)^⑤要求，为划定绿色、无公害农业区奠定了基础条件。

表  4  调查区灌溉水元素平均含量特征

Table  4.  Average content of chemical elements in irrigation water in the survey area mg/L

灌溉水	pH值	As	Hg	Cd	Cr6+	Pb	Zn	Se	B
最大值	7.17	0.0119	0.00007	0.000392	＜0.003	0.0055	0.0155	< 0.2	＜0.02
最小值	6.22	＜0.0004	＜0.00005	< 0.00006	＜0.003	0.0006	< 0.0002	0.00028	＜0.02
中位数	6.66	-	-	-	-	0.0023	-	-	-
标准差	0.25	-	-	-	-	0.0014	-	-	-
灌溉水标准	5.5~8.5	≤0.05-0.1	≤0.001	≤0.01	≤0.1	≤0.2	≤2	≤0.02	≤1-3
评价	达标

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本次在石城县共布设4个大气干湿沉降样点，样品接收期为一年，根据干沉降和湿沉降样品量计算年沉降通量，衡量大气干湿沉降对土壤环境质量的影响程度。结果显示，石城县重金属元素的年沉降通量从大到小依次为：Cr＞Zn＞Cu＞Ni＞Pb＞As＞Cd＞Se＞Hg，以Zn、Cr元素的年沉降通量最大，分别为28.073 mg/(m²·a)、50.117 mg/(m²·a)(表 5)。依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)，对Cd和Hg元素的年沉降通量进行评价，石城县Cd和Hg元素的年沉降通量均符合规范划分一等标准。大气环境质量优良，为调查区绿色富锌土地资源开发提供了保障。

表  5  石城县调查区大气中元素年沉降通量

Table  5.  Annual deposition fluxes of the main elements in the atmosphere in Shicheng mg/(m²·a)

元素	Cd	Hg	As	Pb	Cr	Ni	Cu	Zn	Se
石城县	0.281	0.005	0.328	5.242	50.117	5.868	10.315	28.073	0.155
规范划分标准(一级)	≤3	≤0.5	-	-	-	-	-	-	-
规范划分标准(二级)	＞3	＞0.5	-	-	-	-	-	-	-

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依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)，石城县调查区在综合土壤质量地球化学综合评价、大气干湿沉降物环境质量地球化学评价、灌溉水环境质量地球化学评价结果所形成的土地质量地球化学等级，以二等良好和三等中等为主。其中一等土地面积13.22 km²，占总评价面积的3.29%；二等良好土地面积182.93 km²，占总评价面积的45.58%；三等中等土地面积188.94 km²，占总评价面积的47.07%；四等差等土地面积16.28 km²，占总评价面积的4.06%；无五等土地。石城调查区土地质量优良(图 3)。

图  3  石城县调查区土地质量地球化学等级图

Figure  3.  Geochemical comprehensive grade of land quality in Shicheng

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3.3   富锌特色农作物筛选

采集石城县调查区种植面积较广的莲子、烟叶、花生、大棚果蔬、露天果蔬等农作物共计120件。依照《食品安全国家标准-食品中污染物限量》(GB 2762—2017)^⑥对石城县调查区所有农作物进行评价，各类农作物中的Pb、Cd、Hg、As、Cr含量均不超标。由于中国缺少农作物富锌标准，本文采用《中国食物成分表》^[17]中相对应食物可食用部分的主要矿物质元素Ca、P、K、Mg、Fe、Zn、Se、Cu、Mn作为参照，对上述农产品进行对比研究。结果显示，所有莲子中Zn元素含量都超过《中国食物成分表》中的对应要求，平均含量为食物成分表中含量的1.5倍左右，莲子富硒率也达到15%(参照《江西省富硒食品硒含量分类标准》(DB36/T 566—2017)^⑦)。同时，莲子中其他有益元素含量均衡，Ca、K、P、Mn等元素含量达到食物成分表中含量的2倍左右(表 6)。与其他地区调查发现的富锌农作物相比^[18-22]，石城调查区农作物中有益元素含量更均衡更有效，是更具特色的富锌农产品。

表  6  石城县调查区莲子中矿物质营养元素特征(以每100 g可食部分计)

Table  6.  Characteristics of mineral elements in lotus seeds in Shicheng

特色农产品		Ca	P	K	Mg	Fe	Zn	Se	Cu	Mn
		/mg	/mg	/mg	/mg	/mg	/mg	/μg	/mg	/mg
莲子(n=40)	果实	158	949	1958	263	5	4	4.9	1	15
	食物成分表	97	550	846	242	3.6	2.8	3.4	1.33	8.23

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3.4   富锌土地资源利用建议

特色有益元素土地资源开发中，要综合考虑土壤养分、有益元素分布特征、土壤环境质量、灌溉水环境质量、农作物富集特点、耕地耕作条件等因素，产生潜在特色有益元素土地开发规划区^[23-25]。对富锌土地资源开发中所需因素进行综合评价，产生石城县调查区适宜富锌产业开发区1个(大由—龙岗绿色富锌产业区)(图 4)。

图  4  石城县大由—龙岗绿色富锌产业区范围与土壤点位图

Figure  4.  Scope of green zinc-enriched industrial zone and the soil sample locations, Shicheng County

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该绿色富锌产业区面积36.41 km²，区内地势平坦、交通便利、水源充足、可开发利用程度高。区内土壤中B、Mn和Mo丰富，N、P中等，有机质、K较缺乏；土壤中Zn平均含量为102×10^-6，超过富锌土壤84×10^-6的富锌标准，低于200×10^-6限量标准；土壤未见重金属污染，属清洁土壤。区内莲子的Zn平均含量为47.01×10^-6，高于中国食物成分表相应食品种类中Zn的含量；莲子的Se平均含量为0.13×10^-6，达到富硒标准；Ca、Cu、Mn等元素含量均高于中国食物成分表中的相应含量；重金属元素含量均不超标。

在富锌产业规划区中，涉及具体开发的产业基地，要根据环境条件、投入成本、预期成效等指标进行排序，并进行分批建设，选出最优的区域作为优先开发区。要将耕地质量高且高度集中地区列为优先和重点开发区域，与土地整治工程结合进行开发^[26-28]。依据此原则提出富锌产业区基地建设建议。具体包括：①按照“统一规划、连片种植、适度规模、分户经营”的理念，在已经确定的大由—龙岗绿色富锌产业区范围，为《石城县2020年蔬菜产业高质量发展工作方案》发展方案再择优选区。在2020年石城县新(扩)建规模蔬菜基地建设中，为大由乡和龙岗乡分别提供钢架大棚0.13 km²及露天蔬菜基地0.1 km²的建设区域，发展富锌蔬菜产业。②在大由乡政府周边村落已有莲子种植的基础上，增加种植面积，形成规模化、产业化种植基地，利用莲子种植过程产生的观赏性和食用性，与乡村旅游和地质文化村建设相结合，助力地方乡村振兴。

4.   结论

(1) 石城县土地环境质量优越。调查区49.62%的土壤中，Zn元素含量处于较丰富或丰富等级，主要分布于石城县北部、琴江沿岸河谷地带、大由乡和龙岗乡。土壤中Zn元素含量及分布受地质背景控制明显，南华系万源岩组、白垩系周田组对应土壤中Zn元素含量较高，其岩性主要为紫红色砂砾岩、钙质粉砂岩。土壤中Zn元素主要来自于风化红层，风化物质中的锌在中性-弱碱性条件下沉淀进入土壤中，形成丰富的Zn元素储备库，为天然富锌土壤的形成提供了优越的条件。

(2) 石城县特色农产品中微量元素丰富，尤其是Zn元素含量达到中国食物成分表中平均含量的2~4倍，且农作物及其根系土中重金属含量均低于限量值，富锌绿色农产品开发前景光明。

(3) 石城县土地质量调查成果在土地资源管护、富锌土地开发、农业安全生产、环境治理等方面具有广阔的应用前景。石城县富锌土地资源开发利用尚处于初级阶段，富锌农产品的开发也刚刚起步，富锌产业建设仍需得到地方政策支持。