地质通报  2020, Vol. 39 Issue (12): 1952-1959  
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周殷竹, 刘义, 王彪, 周金龙, 王思源. 青海省囊谦县农耕区土壤硒的富集因素[J]. 地质通报, 2020, 39(12): 1952-1959.
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Zhou Y Z, Liu Y, Wang B, Zhou J L, Wang S Y. Influence factors of soil selenium in cultivated area of Nangqian County, Qinghai Province[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(12): 1952-1959.
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基金项目

中国地质调查局项目《兰州-西宁经济区综合地质调查》(编号:DD20160262)

作者简介

周殷竹(1990-), 女, 博士, 工程师, 从事同位素水文地球化学研究。E-mail:yinzhu_zhou@qq.com

通讯作者

刘义(1988-), 男, 硕士, 工程师, 从事水工环地质调查及评价研究。E-mail:liuyi51861@163.com

文章历史

收稿日期: 2020-06-20
修订日期: 2020-08-27
青海省囊谦县农耕区土壤硒的富集因素
周殷竹1, 刘义1, 王彪2, 周金龙3, 王思源1    
1. 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心, 河北 保定 071051;
2. 北京市水利规划设计研究院, 北京 100048;
3. 新疆农业大学水利与土木工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830052
摘要: 土壤质量地球化学调查结果显示,青海省囊谦县城周边农耕区存在较大范围的足量(0.15 < Se≤0.30 mg/kg)-富硒(Se>0.30 mg/kg)土地。足-富硒土壤的分布对成土母质具有较好的继承性。同时,土壤Se含量还受地球化学环境、土壤类型与质地、土壤性质等自然条件综合影响。其中,富硒土的土壤类型主要为草甸土(Se=0.08~0.69 mg/kg,平均值0.26 mg/kg)和栗钙土(Se=0.20~0.42 mg/kg,平均值0.32 mg/kg)。土壤Se含量通常随土壤pH值的增加而降低。硒更易富集于土壤壤质化程度较高、粒度较细的红粘土和黑粘土中。富含有机质(12.1~98.6 g/kg,平均值30.8 g/kg)和铁铝氧化物(铁氧化物含量2.86%~6.34%,平均值4.34%,铝氧化物含量10.07%~17.87%,平均值13.59%)的土壤有利于土壤硒的富集。
关键词: 富硒土地    影响因素    农耕区    青海省囊谦县    
Influence factors of soil selenium in cultivated area of Nangqian County, Qinghai Province
ZHOU Yinzhu1, LIU Yi1, WANG Biao2, ZHOU Jinlong3, WANG Siyuan1    
1. Center for Hydrogeology and Environmental Geology, CGS, Baoding 071051, Hebei, China;
2. Beijing Institute of Water, Beijing 100048, China;
3. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, Xinjiang, China
Abstract: The results of geochemical evaluation of soil quality show that there is large area of selenium-rich (Se>0.30 mg/kg)sufficient (0.15 < Se≤0.30 mg/kg) land (65.25 km2) in cultivated area around Nangqian County.Selenium-rich/sufficient soil shows a good inheritance of parent material.Meanwhile, soil selenium content is affected by natural factors including geochemistry, environment for soil formation, soil type/texture and soil properties.Meadow soil (soil Se content ranging between 0.08 mg/kg and 0.69 mg/kg with an average of 0.26 mg/kg) and chestnut soil (soil Se content ranging between 0.20 mg/kg and 0.42 mg/kg with an average of 0.32 mg/kg) are the main selenium-rich soil types.Soil Se content generally shows an opposite trend of pH.Selenium is more liable to be enriched in red clay and black clay with higher loamification level and finer particles.Higher organic matter (ranging between 12.1 g/kg and 98.6 g/kg with an average of 30.8 g/kg) and iron-aluminum oxides content (from 2.86% to 6.34% with an average of 4.34% and from 10.07% to 17.87% with an average of 13.59%, respectively) are advantageous to soil selenium enrichment as well.
Key words: Se-rich land    influence factors    cultivated area    Nangqian County, Qinghai    

硒(Se)是人体与动物必需的微量元素,是一种有机体的重要保护性因子[1]。硒缺乏或过量都会产生不同的生物效应。硒缺乏可引发克山病、大骨节病、白肌病等地方性疾病[2-3];硒过量可导致“蹒跚症”“碱毒症”等慢性中毒症的发生[4-6],体现在皮肤褪色、指甲和手指变形、贫血、智力低下等[7]。土壤Se含量及空间分布状况可直接影响到农作物的吸收,进而通过食物链影响人体健康[8]

中国约72%市(县)的土壤处于严重缺硒或低硒状态[9],低硒带呈北东—南西走向,中国华北、东部、西北属于缺硒地区[10-11]。富硒土地主要分布在我国东南部平原区[12-15],其中以湖北恩施最著名[7],西北平原区以陕西紫阳较为出名[16],而在高原地区尤为罕见,仅在青海省海东市的平安-乐都[17]和玉树州囊谦县[18]有富硒土的报道。

1 研究区概况

青海省玉树州囊谦县地处青藏高原东部,南部为横断山脉,北部毗邻青藏高原主体,是青海省通往西藏地区的重要交通枢纽。研究区位于囊谦县及附近扎曲河谷区(东经96°17′00″~96°36′00″、北纬32°06′00″~32°25′00″),总体呈西北高、东南低,河谷低、两侧高的特点,海拔高程在3640~4800 m之间。

研究区地势高寒,太阳辐射强烈,日照时间较长,多年平均气温3.7℃,平均降水量为525.2 mm,平均蒸发量为899.4 mm。全区地形复杂,各地气候差异较大。河谷地带多为小气候区,温暖而湿润。

研究区土层较薄,质地疏松,土壤类型主要有高山寒漠土、高山草甸土、黑钙土、山地草甸土、灰褐土、高山草原土、栗钙土7类。农牧业是囊谦县的支柱产业,占三产总产值比重为79.0%,集中在海拔3800 m以下的低山丘陵区、丘间洼地及河谷平原区。囊谦县还具有丰富的矿产资源(如金、银、铜、铁、铅盐等矿产)。

2 材料与方法 2.1 样品采集

本研究按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[19],避开明显点状污染地段、垃圾堆,以及新堆积的土壤、田埂等,对重点耕地及开发利用条件相对较好的草地采用网格布点法(取样密度为4点/km2)布设采样点(图 1)。于2018年6~9月在囊谦县城周边农耕区采集表层(采样深度为0~20 cm)农田土壤样品共400组(图 1),采样点控制面积约100 km2。土壤样品采集后混合均匀,现场编录后用优质厚棉布采样袋收集,11℃密封避光保存。样品置于室内阴凉处充分风干,压碎,剔除碎石、砂砾、植物残体等杂物,研磨、过200目筛后,保证样品重量大于500 g,送检。

图 1 研究区采样点分布图 Fig.1 Sampling points distribution in the study area
2.2 样品测试

土壤样品经过混合酸溶液(9 mL浓HNO3 + 2 mL HClO4 + 3 mL HF)和HCl在180℃下消解24 h后,采用非色散原子荧光光谱法(HG-AFS)测定总Se含量,检出限为0.01 mg/kg;称取0.5 g土壤样品经过上述方法消解蒸干并用50 mL 2% HNO3溶解,采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)进行微量元素分析;经H2SO4、K2CrO4氧化分解后,采用硫酸亚铁铵滴定法测定土壤总有机碳(Corg)含量,检出限为0.10 mg/kg;土壤腐殖质采用VOL法测定;采用离子选择电极(ISE)法测定土壤pH值,检出限为0.1;经过称重(4 g)、粉末压片后,采用X射线荧光光谱仪(XRF)直接测定土壤Fe2O3、Al2O3、SiO2含量和重金属元素中的Cr、Zn、Cu、Pb含量,采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定土壤Na2O、K2O、CaO、MgO含量和土壤有效硫、硅、铁、硼、锰、钼、铜、锌含量;采用原子荧光光谱法(AFS)测定重金属元素中的As和Hg含量,采用ICP-MS测定重金属元素中的Cd和Ni含量。

2.3 数据处理

本文采用Excel 2016进行数据统计并用SPSS 17.0进行方差分析和显著性水平检验,利用MapGIS 6.7软件采用评价网格法进行数据的统计与分析。研究区每个网格控制面积为0.25 km2,共100个控制点(400个网格),总控制面积100 km2,对各控制点进行剔除异常值求平均值,之后进行各测试指标含量的分析,并利用Grapher 10.0绘制相关散点图。

2.4 土壤Se元素富集等级划分

依照《天然富硒土地划定与标识(试行)》(DD2019-10),结合青海省土壤Se含量背景值[9]和青藏高原地区土壤Se含量平均值[20],并参考《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016),对土壤Se元素富集等级进行划分(表 1)。

表 1 土壤硒元素富集等级划分标准 Table 1 Enrichment level of soil selenium
3 结果与分析 3.1 土壤Se空间分布特征

土壤全Se含量可衡量土壤Se潜在供应能力和储量[21]。研究区土壤Se含量为0.08~0.69 mg/kg,平均值为0.25 mg/kg,略低于全国土壤Se平均含量(0.29 mg/kg)[22],高于青海省[9]和青藏高原的土壤Se平均含量(均为0.15 mg/kg)[20]。基于前期土壤Se元素富集等级评价结果[18](图 2),研究区土壤Se含量以足-高硒为主(占83.84%),其中足硒占52.53%、高硒占31.31%,硒缺乏-边缘土地占16.16%,无硒过剩区。

图 2 研究区地质图 Fig.2 Geological map of the study area N1—新近系碎屑岩、泥质岩、碳酸盐岩;Et—古近系碎屑岩、泥质岩、碳酸盐岩夹石膏;E3—古近系碎屑岩、泥质岩、碳酸盐岩;E2—古近系碳酸盐岩、碎屑岩、泥质岩;K2—上白垩统碎屑岩、泥质岩、碳酸盐岩夹石膏;K1—下白垩统陆相火山岩泥质岩、碳酸盐岩;J2—中侏罗统陆相碎屑岩夹煤层、碳酸盐岩;T3—上三叠统陆相中酸性火山岩、海相碎屑岩、碳酸盐岩夹中基性火山岩及煤层;P1—下二叠统碎屑岩、碳酸盐岩、火山碎屑岩;C2—中石炭统碳酸盐岩、碎屑岩、火山碎屑岩;C1—下石炭统碳酸盐岩、碎屑岩、中基性火山岩及煤层

区内高硒土壤主要分布于扎曲(Se含量0.12~0.36 mg/kg,平均值0.27 mg/kg,高硒土占37.21%)、香曲(Se含量0.08~0.69 mg/kg,平均值0.27 mg/kg,高硒土占34.62%)和牙不曲-强曲(高硒土占22.22%)。

其中,富硒土壤质地以红粘土为主,主要分布在扎曲的西岸(图 3),为主要的农/牧业活动区域。

图 3 研究区地层岩性与足-富硒土地分布 Fig.3 Formation lithology and distribution of selenium-rich/sufficient land

研究区土壤pH(6.55~8.70)中位值为8.31,整体呈碱性,酸碱度适中。其中,强碱性土壤占16.16%,碱性土壤占74.84%,中-酸性土壤占9.00%。

研究区土壤有机质(12.1~98.6 g/kg)中位值为32.3 g/kg,高于青海省中位值29.10 g/kg[9]。区内土壤有机质含量总体较高,中等-丰富占83.51%,较缺乏-缺乏占16.49%,富硒区土壤有机质以较丰富-丰富为主[18]

相对硒缺乏-边缘土壤,足-富硒土壤具有相对较高的有机质(平均值32.2 g/kg)、总铁(平均值30.7 g/kg)、Fe2O3(43.8 g/kg)、Al2O3(13.7 g/kg)、SO42-(平均值780 mg/kg)含量。

3.2 土壤Se含量的影响因素 3.2.1 成土母质

受成土母质和表生地球化学环境控制,天然成因的土壤Se元素分布存在较大的空间变异性[12]

原生地质环境中的Se主要来自富硒沉积岩(如黑色岩系或含煤系地层)[23]和富硒基性火山岩[24]。富硒地质体的风化淋滤是土壤Se富集的重要原因[25]。结合研究区区域地质(图 2),可见足-富硒土壤的分布对成土母质具有较好的继承性,其分布整体与侵入岩,石炭系灰岩、砂质灰岩、砂岩,古近系红色泥岩等一致(图 3)。

3.2.2 土壤类型与质地

(1) 土壤类型

研究区内,不同类型的土壤Se含量特征具有一定的差异(表 2),富硒土占比依次为草甸土(24.24%)>栗钙土(6.06%)>灰褐土(1.01%)>高山草原土(0.00%)。

表 2 不同土壤类型Se含量统计值 Table 2 Statistics of selenium content in different soil types

富硒土的土壤类型主要为草甸土(Se含量范围0.08~0.69 mg/kg,平均值为0.26 mg/kg)和栗钙土(Se含量范围0.20~0.42 mg/kg,平均值为0.32 mg/kg)。其中,以高山草甸土富硒占比最高(18.18%)且具有最高的土壤Se含量,栗钙土具有最高的土壤Se含量平均值(0.32 mg/kg)。从偏度上看,栗钙土、草甸土和灰褐土的土壤As含量均属于正偏离,其中,山地草甸土有较大的正偏离,其分布较正态分布向右偏离;高山草原土Se含量偏度较低,接近对称分布。Wilding[24]将变异系数(CV)分为高变异水平(CV>36%)、中等变异水平(16%<CV<36%)和低变异水平(CV < 16%)。研究区不同类型的土壤Se含量均属于高变异水平,其中灰褐土的变异水平最强,空间相关性最弱。

其中,草甸土的成土母质多为坡积或残坡积物,具有较高的有机质(平均含量33.7 mg/kg)及腐殖质(19.5 mg/kg)和较强的肥力,土壤较肥沃,草甸土的腐殖质组成中,活性腐殖质含量较低。山地草甸土有机质积累、分解和转化都强于高山草甸土。栗钙土(有机质平均含量35.5 mg/kg,腐殖质平均含量20.6 mg/kg)主要沿河流两侧的漫滩、阶地分布。土体具有较明显的腐殖质累积过程,属较肥沃的土壤。

(2) 土壤质地

研究区富硒土壤质地主要为研究区山区内广泛分布的红粘土(由砂泥岩经风化逐渐堆积形成)和有机质含量较高的黑粘土(图 4),土质密实。

图 4 研究区土壤质地与足-富硒土地分布 Fig.4 Soil texture and distribution of selenium-rich/sufficient land
3.2.3 土壤性质

(1) 土壤pH值

Se元素主要以硒酸盐、亚硒酸盐、元素Se、硒化合物等形式存在于土壤中[25]。其中,中-酸性土(4<pH≤7.5)中Se的主要形态为亚硒酸盐,在通气良好的碱性土壤(pH>7.5)中,难溶性的SeO32-被氧化为易溶的SeO42-,Se的主要形态为硒酸盐[26]

土壤对阴离子的吸附量通常随土壤pH的增加而降低[27]。研究区足-富硒土壤的Se含量与土壤pH值呈较好的负相关关系(R2=0.2032,p < 0.1,n=80)(图 5-a),相对低硒土壤(pH平均值为8.26),高硒土壤具有较低的pH值(平均值为8.07)。这是由于碱性环境下Se的迁移淋滤作用较强,易使Se产生淋滤消耗,不利于土壤中Se的固定。迁移淋滤作用随着pH值增加一定程度上增强,使土壤Se含量降低。

图 5 土壤pH值(a)、土壤有机质含量(b)、土壤铁氧化物含量(c)、土壤铝氧化物含量(d)与土壤Se含量相关性图解 Fig.5 Correlation between pH(a), organic matter contents(b), iron oxides contents(c), aluminum oxides(d)and selenium contents in soil

(2) 有机质含量与类型

土壤养分地球化学评价结果显示,富硒区土壤有机质以较丰富-丰富为主,除个别点外,土壤Se含量与土壤有机质含量呈较好的正相关性(R2=0.1859,p < 0.05,n=80)(图 5-b),说明有机质是形成富硒土壤的有利因素。通常,土壤有机质对Se具有很强的吸附作用[28],并且在有机质分解过程中可能会促进Se的活化[29]。研究区足-富硒土壤有机质中,腐殖质约占60.0%,为主要的有机质组成。土壤有机质在腐殖化过程中可产生溶解性腐殖酸和细颗粒胶体[27],土壤中溶解性腐殖质由于具有多种有效官能团[30],可与Se以腐殖质结合的形式存在,一定程度上可以吸附/固定土壤中的Se,间接影响土壤中的Se含量[31]。而放牧干扰、开垦草地、草地自然退化均可不同程度使土壤表层土发生剥蚀,土壤固碳能力下降[32],有机质含量降低,进而影响土壤Se的固定。

(3) 氧化物矿物种类/含量

足-富硒土壤的Se含量与土壤Fe2O3含量(R2=0.1761,p>0.1,n=80)和Al2O3含量(R2=0.2115,p<0.1,n=80)呈较好的正相关性(图 5-cd),说明铁铝氧化物对Se有较强的吸附力和亲和力。此外,土壤中铁铝氧化物对Se的吸附还受土壤pH和氧化还原电位的影响。还原环境易使Fe3+还原为Fe2+,其吸附Se的能力降低[33]。经盐基离子淋失后的土壤铁、铝元素相对富集,形成利于土壤Se富集的地球化学环境[34]。Se更容易在土壤壤质化程度较高、粒度较细的粘土中富集。红粘土中较高含量的铁、无定型铝、铁铝氧化物矿物对土壤Se有较强的吸附作用,其利于Se的富集;同时,红粘土对土壤溶解性有机碳具有较大的吸附量,较高的土壤有机质/有机碳有利于土壤Se的富集。黑粘土具有较高含量的有机质,其利于土壤中Se的吸附和固定。

综上说明,除成土母质和自然环境外,土壤理化性质是土壤Se富集的重要因素。

4 结论

(1) 研究区土壤Se含量以足-高硒为主(占83.84%),其中足硒占52.53%、高硒占31.31%,硒缺乏-边缘土地占16.16%,无硒过剩区。

(2) 足-富硒土壤的分布对成土母质具有较好的继承性,其分布整体与侵入岩及石炭系灰岩、砂质灰岩、砂岩和古近系红色泥岩等一致。

(3) 富硒土的土壤类型主要为草甸土和栗钙土,主要的土壤质地为红粘土和黑粘土。

(4) 碱性环境下Se的迁移淋滤作用较强,不利于土壤中Se的固定;Se更容易在土壤壤质化程度较高、粒度较细、铁铝氧化物矿物含量较高的粘土中富集。

致谢: 感谢中国地质环境监测院赵凯高级工程师对本文提出的宝贵意见。

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