地质通报  2020, Vol. 39 Issue (12): 1932-1943  
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汤奇峰, 徐春丽, 刘斯文, 魏吉鑫, 张明, 张旭, 刘久臣. 江西赣州市瑞金盆地天然富硒土地资源特征与保护利用[J]. 地质通报, 2020, 39(12): 1932-1943.
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Tang Q F, Xu C L, Liu S W, Wei J X, Zhang M, Zhang X, Liu J C. Characteristics and protection and utilization of natural selenium-rich land resources in Ruijin Basin, Ganzhou, Jiangxi Province[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(12): 1932-1943.
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基金项目

中国地质调查局项目《全国矿山地质环境综合调查与评价(国家地质实验测试中心)》(编号:DD20190703)和《湘鄂重金属高背景区1:5万土地质量地球化学调查与风险评价》(编号:DD20160323)

作者简介

汤奇峰(1979-), 男, 博士, 助理研究员, 从事生态环境地球化学调查研究。E-mail:tang_qifeng@126.com

通讯作者

刘久臣(1978-), 男, 硕士, 助理研究员, 从事生态环境与地球化学研究。E-mail:jiuchenliu@sina.com

文章历史

收稿日期: 2020-07-10
修订日期: 2020-10-21
江西赣州市瑞金盆地天然富硒土地资源特征与保护利用
汤奇峰1, 徐春丽1,2, 刘斯文1, 魏吉鑫2, 张明3, 张旭4, 刘久臣1    
1. 国家地质实验测试中心/自然资源部生态地球化学重点实验室, 北京 100037;
2. 中国地质大学(北京), 北京 100083;
3. 中国地质调查局南京地质调查中心, 江苏 南京 210016;
4. 江西省地质调查研究院, 江西 南昌 330030
摘要: 江西瑞金盆地作为赣州四大盆地之一,是赣州农业产业的主要分布区之一。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瑞金盆地及周边部署了716 km2的调查面积,通过调查共发现富硒土壤130 km2。在调查成果基础上提取瑞金盆地天然富硒土地资源,对其空间分布特征、含量分布特征、环境质量、营养状况、大气质量、灌溉水质量特征进行了详细的分析,并对土壤中硒的来源进行了推定,提出了瑞金盆地天然富硒土地资源与区域农业、旅游、特色小镇、地质文化村等"富硒土地+"的保护利用建议,为瑞金市富硒土地资源的保护和高效利用提供科学支撑。
关键词: 脱贫攻坚    富硒土地资源    煤系地层    瑞金盆地    赣州    
Characteristics and protection and utilization of natural selenium-rich land resources in Ruijin Basin, Ganzhou, Jiangxi Province
TANG Qifeng1, XU Chunli1,2, LIU Siwen1, WEI Jixin2, ZHANG Ming3, ZHANG Xu4, LIU Jiuchen1    
1. Key Laboratory of Eco-geochemistry of Ministry of Natural Resources/National Research Center for Geoanalysis, Beijing 100037, China;
2. China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
3. Nanjing Center of China Geological Survey, Nanjing 210016, Jiangsu, China;
4. Geological Survey Institute of Jiangxi Province, Nanchang 330030, Jiangxi, China
Abstract: Ruijin of Ganzhou in Jiangxi Province is the cradle of the People's Republic of China and the famous "Red Capital".It is situated in the Ruijin Basin which is one of the four major basins in Ganzhou and one of the main agricultural areas.For the purpose of poverty alleviation in Ganzhou, the 1:50000 geochemical survey of land quality was deployed covering an area of 716 km2, and a total of 130 km2 of selenium-enriched land was found.According to the investigation results, the natural selenium-rich land resources in the Ruijin Basin were extracted, and their spatial distribution, content characteristics, environmental quality, nutritional status, atmospheric quality and irrigation water quality were assessed in full detail.The source of soil selenium was thus deduced, and suggestions on the protection and utilization of natural selenium-rich land resources in relation to regional agriculture, tourism, distinctive towns and geological culture villages in the Ruijin Basin were put forward.The results provide a scientific support for the protection and efficient utilization of selenium-rich land resources in Ruijin.
Key words: poverty alleviation    selenium-rich land resources    coal measures strata    Ruijin Basin    Ganzhou    

Se是动物和人体必需的微量营养元素[1],是一种可从饮食中获得的矿物质,一定程度上有助于预防心脏病、中风、动脉粥样硬化和某些类型的癌症[2],也有助于缓解骨关节炎、类风湿关节炎、情绪障碍和白内障的症状[3-5]。由于硒是动物和人体中一些抗氧化酶(谷胱甘肽过氧化物酶GSH- Px))和硒蛋白的重要组成部分,在体内起着平衡氧化还原环境的作用,被国内外尊称为“生命的火种”,享有“长寿元素”、“抗癌之王”、“心脏守护神”、“天然解毒剂”等美誉[6]。人和动物硒摄入主要来源于各类含硒植物。植物蛋白质中Se含量取决于植物生长土壤中的Se含量,比如生长在富硒土壤中的巴西坚果每颗可提供超过100×10-6 g的硒,生长在低硒土壤中的植物能提供的Se含量要低一个数量级。

土壤硒是植物吸收硒的主要来源,是开发天然富硒食品的重要物质基础。因此,近年富硒土地资源开发利用受到广泛关注[7-14]。开发富硒农产品是提升中国人体硒摄入水平的安全有效途径,富硒土地资源评价与利用规划是土地质量地球化学调查成果服务于特色农产品发展与脱贫攻坚的重要切入点[15]。2007—2016年,江西省地调院对赣州市3.94×104 km2土地展开了1:25万土地质量地球化学调查,初步查明了土壤环境质量。在摸清土壤家底的基础上,需要更精准地掌握土壤全量、有效态、农作物、灌溉水等情况,从而更详细地指导区域国土规划、现代农(果)业发展规划、生态建设与环境保护规划、名优特农产品开发等,进一步转化为生产力,促进区域经济发展,特别是老区脱贫,因此要积极推进1:5万土地质量地球化学调查工作。本文依托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项目,利用江西赣州瑞金盆地及周边716 km2调查范围(图 1)的土壤与农作物中Se等元素的含量数据,研究发现富硒土壤130 km2。通过对富硒土地分布区地质环境、农产品等Se含量进行分析,划分了富硒土地等级,研究了土壤硒成因来源,为有效利用富硒土地资源、促进绿色生态农业发展、服务脱贫攻坚等提供了科学依据。

图 1 瑞金盆地调查区地质图 Fig.1 Geological sketch map of study area in the Ruijin Basin
1 地质背景

瑞金地区地处欧亚大陆板块与滨西太平洋板块消减带的内侧华南加里东造山带,位于武夷、罗霄两块体的交接带,即武夷隆起西侧、罗霄褶皱带中部。区域地质构造复杂,岩浆活动强烈。研究区除奥陶系、志留系、三叠系外,其余各时代岩层均有分布(图 1)。以寒武系变质岩分布最广,次为白垩系、第四系、古近系—新近系,其他地层零星分布[16-17]。区内北部东西两侧寒武系八村群牛角河组变质发育较显著,岩性为变余细粒长石石英砂岩、变余粉砂岩、板岩夹含炭板岩、炭质板岩;东西两侧出露震旦系赣州群周田组和茅店组,岩性为砂岩、细砂岩夹粉砂质泥岩,含砾砂岩、砾岩等;区内东部零星分布震旦系乐昌峡群坝里组和老虎塘组,岩性主要为硅质板岩、变质细砂岩、变余长石石英砂岩、凝灰质砂岩等;而中部沿绵江流域大面积分布第四系全新统联圩组和更新世莲塘组。按地形特征,可分为侵蚀构造低山丘陵地形、侵蚀构造地形、河谷侵蚀堆积地形和侵蚀地貌类型。总体而言,瑞金是一个“八分山水一分田,一分道路和庄园”的山多、耕地少的丘陵山区。山地土壤主要为红壤和黄壤。瑞金地势东、北、西三面高、中南低,构成以象湖镇为中心的瑞金盆地。城区主要建设在河漫滩或一、二级阶地上。地层主要有第四系冲洪积物和白垩系半风化红砂岩。第四系地表具有典型的“二元相”结构,上部为粘土、亚粘土,局部地段有淤泥出现,下部为砂、砾卵石层,以下为半风化红砂岩。瑞金处华中气候区与华南气候区的过渡地带,属中亚热带湿润气候。

2 样品采集与测试

瑞金市1:5万土地质量地球化学调查野外工作方法执行中华人民共和国地质矿产行业标准《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[18]

土壤采样点布设依据土地利用方式,结合最新的遥感影像,遵循代表性原则,避开公路、村庄等人为干预影响较大区域,网格布点采样,平均采样密度为8件/ km2,样点主要分布在农田、菜地、荷塘、果园等土地利用类型的地块内,兼顾空间均匀性,少量样点分布在林地、荒地和建设用地中。以GPS定位点为中心,向四周辐射确定4~6个分样点,等份组合成一个混合样,一般采用“X”形布设分样点。采集深度0~20 cm土柱为样品。此外,按照规范要求,采集农作物、灌溉水、大气干湿沉降等系列样品。大气干湿沉降物、灌溉水等样品采集点位分别按照50个点/10000 km2、1个点/16 km2进行部署,农作物和根系土采集点位按照1点/4 km2进行部署。采集土壤样品5752件,其中白垩系周田组样品1508件,白垩系茅店组样品252件,白垩系河口组样品152件,寒武系牛角河组样品383件,震旦系坝里组样品290件,震旦系老虎塘组样品54件,第四系全新统联圩组样品10件。采集灌溉水样品50件、农作物及根系土样品221件,采样点位见图 2

图 2 瑞金盆地调查区农作物和灌溉水采样点位图 Fig.2 Locations of the crops and irrigating water samples

按照规范要求,各类样品测试营养元素、重金属元素等指标。样品测试由安徽省地质实验研究所完成,Se元素采用原子荧光法(AFS)测定。所有测试按《多目标区域地球化学调查规范(1:250000)》(DZ/T0258—2014)、《生态地球化学评价样品分析方法和技术要求》(DD2005—03)、《区域生态地球化学评价样品分析技术要求补充规定》中地球化学样品分析测试质量要求及质量控制的有关规定执行,并按相关规范所列质量要求通过验收。

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93%。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。

3 结果和讨论 3.1 土壤硒空间分布特征

天然富硒土地是指含有丰富天然Se元素,且有害重金属元素含量小于农用地土壤污染风险筛选值要求的土地[19]。根据《天然富硒土地划定与标识》(DD 2019—10)标准,中酸性土壤(pH≤7.5)中土壤富硒标准阈值为大于等于0.40 mg/kg。通过调查分析,瑞金地区Se元素平均值为0.27 mg/kg,中位数为0.22 mg/kg,最大值为3.01 mg/kg,最小值为0.00 mg/kg,标准差为0.17 mg/kg,元素变异系数大于50%,区域分布具有明显差异。

瑞金土壤Se平均值略低于全国土壤背景值(0.29 mg/kg)和赣州土壤背景值(0.28 mg/kg)。调查区土壤Se相对高值区集中于沙洲坝镇及九堡镇和云石山乡,空间上呈面状分布,极高值区,土壤Se含量大于0.4 mg/kg。调查区其他地区为土壤Se含量低值区,含量一般小于0.27 mg/kg。

3.2 调查区不同成土母质及其土壤Se含量特征

调查区出露的地层主要有第四系、白垩系、石炭系、寒武系、震旦系等。其中白垩系茅店组上段和寒武系牛角河组下段土壤Se含量较高(表 1),平均值远超富硒标准0.40 mg/kg,分别为1.24 mg/kg和1.11 mg/kg,石炭系梓山组土壤Se平均值也大于富硒标准。然而,调查区土壤Se含量最高的是二叠系,乐平组和车头组虽然样品量少,但是Se平均值和中位数均大于1.1 mg/kg。

表 1 瑞金地区不同地层表土Se元素含量 Table 1 Distribution characteristics of soil Se in different types of parent materials in Ruijin  

区内震旦系为老虎塘组和坝里组,覆盖样品共344件。该地质单元内土壤Se含量范围为0.05~1.20 mg/kg。寒武系为牛角河组和高滩组,其岩性以长石石英细砂岩、板岩、炭质板岩和石煤层为主,在该地质单元内共采集419件土壤样品。该地质单元内土壤中Se含量显著高于赣州市背景值,Se含量范围为0.11~135 mg/kg,变异系数高达8.65,含量的空间离散程度高。

白垩系茅店组上段和寒武系牛角河组下段土壤Se含量平均值虽然较高,但中位数并不富硒,主要是因为Se含量的空间离散程度高。

茅店组以紫红色砾岩、砂砾岩为主,夹少量砂岩、粉砂岩、泥岩,局部夹玄武岩及凝灰岩,整体上Se含量偏低。

二叠系乐平组、车头组和小江边组及石炭系梓山组土壤Se含量平均值、中位数均明显高于富硒标准,特别是乐平组和车头组,最小值都高于0.5 mg/kg。乐平组原称“乐平煤系”,为一套海陆交互相含煤沉积,泥页岩厚度大,有机质丰度高;车头组为一套含磷铁结核的黑色含炭质页岩、泥岩、硅质岩、粉砂岩沉积;小江边组岩性为灰黑色钙质页岩、含炭泥岩夹少量薄层泥灰岩及大量灰岩凸镜体;梓山组原称“梓山煤系”,以陆相沉积和滨浅海相沉积为主,中部为含煤建造。其共同特点是有机质含量高,对Se具有较强的吸收、络合作用,因此有利于Se的富集。

3.3 农作物硒及其他矿物质富集状况

瑞金地区特色农产品的富硒率较高,杨梅、茶叶的富硒率100%,链子、花生的富硒率为81%、58%。相对应根系土中Se的含量与果实并无明显的对应关系。杨梅、茶叶根系土主要采自梓山组影响区域,土壤富硒率达81%和93%;而花生和莲子根系土大多位于瑞金盆地,受白垩系红层影响,Se含量较低,根系土中的富硒率仅为20%和5%(表 2)。

表 2 瑞金地区特色农产品-根系土富硒特征 Table 2 Statistics of Se in the distinctive products and rhizospheric soil samples

统计数据显示,物种与Se的富集相关,莲子和花生生长的土壤尽管Se含量尚未达到富硒土壤的标准,但果实的富硒率较高。通过富集系数统计发现(表 3),莲子、花生和水稻的Se富集系数远高于杨梅。因此,在布局富硒产业发展时既要考虑土壤的富硒状况,同时要关注农产品对Se的偏好,尽量选择一些经济价值较高、富硒能力强的作物种类,如白莲。

表 3 农作物硒富集系数 Table 3 Bioconcentration factors of Se in crops

按照GB2762—2017及GB15168—2018标准对杨梅、花生、茶叶、莲子4种经济农产品的安全性以及相对应的根系土的生态风险进行评价。结果表明,各种农作物果实中Cd、Cr、Hg、Pb、As的含量均低于限量值,农作物安全性很高。根系土中重金属含量低于GB15168—2018中土壤污染风险的筛选值,土壤环境质量清洁。

农产品的营养价值是构成健康食品的主要因素,本文采用《中国食物成分表》[22]中相对应食物可食部分的主要矿物质元素Ca、P、K、Mg、Fe、Zn、Se、Cu、Mn进行对比分析。

杨梅、花生、茶叶、莲子4种特色农产品中的10~11种的有益元素均全部检出,达到或超过全国同类食品中矿物质元素的含量,富含十多种微量元素(表 4)。

表 4 瑞金地区特色农产品矿物质营养元素特征(以每100g可食部分计) Table 4 Mineral nutrition elements in the distinctive products

同中国食物成分表中对应的食品矿物质含量对比,瑞金特色农产品中的矿物质元素有如下特点:①瑞金杨梅果实中的Se和Cu元素含量明显高于食物成分表中杨梅的含量,Se含量是表中的8.1倍;②瑞金花生中的Ca、P、K、Mg、Fe、Zn、Se、Cu、Mn九种元素均明显高于中国食物成分表中的含量,Se平均含量为表中的2.2倍;③茶叶中的K、Mg、Fe、Mn均显著高于表中对应的食品,其中Mn含量为表中的9倍;④瑞金莲子中的Ca、P、K、Se、Mn含量显著高于食物表中的莲子,其中Se含量是食物表中的4倍,Ca含量为3倍,Mn为4倍。

3.4 富硒土地资源评价

根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618—2018),对瑞金地区表层土壤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(图 3),瑞金调查区一等(清洁)土壤面积697.6 km2,占评价面积的97.02%,二等(轻微污染)面积20.50 km2,占比2.76%,三等(轻度污染)面积1.61 km2,占比0.22%,无四、五等土壤,土壤综合环境质量状况优良。

图 3 瑞金地区土壤环境地球化学综合等级 Fig.3 Comprehensive geochemical classification map of soil environmental quality in Ruijin

中华人民共和国农业行业标准《绿色食品产地环境质量》(NY/T 391—2013)要求,选择土壤环境指标Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu和肥力指标全氮、有机质、速效钾和有效磷,采用“一票否决法”进行绿色食品产地评价。土壤重金属元素无一超标的条件下,肥力要素达到Ⅰ~Ⅱ级,划分为AA级绿色食品产地;土壤重金属无超标,肥力要素为Ⅲ级时,划分为A级绿色食品产地;一项以上重金属超标的情况下,划分为其他产地。

在719 km2调查范围内,满足NY/T391—2013《绿色食品产地环境质量》标准的AA级绿色食品产地345 km2,A级绿色食品产地335 km2,不满足标准的土地39 km2。瑞金市瑞金盆地内,九堡河流域及武阳-谢坊镇沿绵江流域周围村镇一带平缓地区是AA级和A级绿色食品产地集中分布的区域。

根据富硒土壤划分的标准《天然富硒土地划定与标识》(DD 2019—10),对瑞金地区富硒土壤分布情况进行了评价(图 4)。瑞金市富硒土壤面积266 km2,其中富硒面积119 km2,潜在富硒面积147 km2,集中分布于沙洲坝镇、九堡镇和云石山乡。

图 4 瑞金市土壤Se元素地球化学等级图 Fig.4 Geochemical grading map of soil Se in Ruijin
3.5 富硒土地资源保护利用

在上述土壤环境质量评价、养分评价和无公害、绿色食品种植产地评价的基础上,基于图斑评价结合调查数据和遥感数据,针对绿色食品产地中的水田、旱地、果园、茶园、其他园地等主要土地利用类型,进行AA级绿色食品产地区划统计,共圈定AA级绿色食品产地11处(图 5)。

图 5 瑞金地区AA级绿色食品产地分布 Fig.5 Distribution of AA green food producing areas

结合农作物种植和地方特色,在无公害绿色富硒土地资源评价的基础上,进行集中连片的无公害、富硒产业基地圈定(图 6),共圈定无公害绿色富硒农业产业基地16处(表 5)。

图 6 瑞金地区无公害绿色富硒、富锌土地资源分布 Fig.6 Distribution of green selenium-rich and zinc-rich soil resources
表 5 瑞金市无公害绿色富硒农业产业基地 Table 5 List of green selenium-rich agricultural industrialized parks in Ruijin

以瑞金市黄柏乡龙湖-直坑村绿色富硒重点区为例,该区的主要地层为第四系全新统联圩组砾、砂、亚砂土、亚粘土,石炭系梓山组下段灰白色厚层状石英质砂砾岩、石英质细砾岩夹厚层状石英砂岩及粉砂岩或煤线,以及白垩系石溪组流纹质晶屑凝灰岩、流纹岩砾岩、砂岩夹油页岩、粉砂岩。土壤中的硒主要来自石炭系梓山组的煤系地层,以及第四系沉积物接受上游或周边含硒较高的沉积物成土。区内土壤B、Mn和Mo元素丰富,未见重金属污染,Se平均含量为0.41 mg/kg,莲子Se含量为0.134 mg/kg。适宜推广种植白莲、水稻、花生、大豆、红薯等易富硒农作物。

瑞金市叶坪乡马山村绿色富硒重点区主要地层为寒武系牛角河组下段和第四系联圩组。寒武系牛角河组下段为变余细粒长石石英砂岩、变余粉砂岩、板岩夹含炭板岩、炭质板岩,第四系联圩组为砾、砂、亚砂土、亚粘土。部分石炭系华山岭组,其上部为石英质砾岩、砂岩、细砂岩、砂质页岩局部夹含炭页岩,下部为灰白色厚层状石英质砾岩、石英细砂岩或粉砂质页岩。土壤中硒的来源与寒武系炭质板岩、石炭系煤系地层和第四纪河流沉积有关。土壤营养元素丰富,无重金属污染,土壤中Se平均含量1.46 mg/kg,花生、杨梅中Se含量均高于中国食物营养成分表中Se的含量,重金属元素含量不超标。适宜推广种植水稻、花生、大豆、红薯等易富硒农作物。

总体而言,研究区土壤硒主要来源于煤系地层、炭质板岩、灰黑色燧石灰岩、含炭沥青质灰岩等,与前人研究结论一致[23]。天然富硒土地资源有利于发展地方特色富硒农业,助力革命老区脱贫致富。

4 结论

(1) 通过在江西省瑞金地区开展的1:5万土地质量地球化学调查,发现区内土壤环境质量总体优良,土壤养分适中。

(2) 在瑞金市调查发现富硒土壤119 km2(0.4~3 mg/kg),潜在富硒土壤147 km2(0.3~0.4 mg/kg),富硒土壤资源较丰富,具有开发富硒农产品的潜力。土壤富硒主要与黑色岩系有关。

(3) 主要特色农产品中Cd、Cr、Hg、Pb、As五种重金属元素均低于GB2762—2017标准中的限量值,根系土中的8种重金属元素含量低于筛选值。多种农产品富硒率高,在无公害、绿色食品产地区开发富硒绿色产品潜力巨大。

(4) 瑞金地区农作物富含人体所需的多种微量元素,其中瑞金的莲子、花生中Se含量是中国食物成分表中平均含量的2~4倍,富硒特色绿色农产品前景光明。圈定无公害、绿色富硒农业产业基地16个,将极大促进瑞金地区富硒土地资源的开发利用,推动精准扶贫工作。

致谢: 感谢中国地质大学(北京)杨忠芳教授、夏学齐副教授对本文提出的宝贵意见。感谢审稿专家对本文提出的指导与修改意见。

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