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地質勘查局物化探總隊,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、調節免疫、調節信號通路、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生,如克山病、大骨節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[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的[7-8]。因此,了解土壤中硒地球化學性質、受制因素以及植物對土壤中硒吸附能力,有利于開發富硒特色農產品,帶動地方經濟發展,鞏固脫貧攻堅成果。本文依托“貴州省黔南州耕地質量地球化學調查評價”項目,通過系統采集耕地土壤、農作物以及配套根系土樣品,取得相應的分析測試數據,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作物富硒程度,旨在為當地的富硒農產業發展提供科學依據。

1 研究區概況

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,同時具有明顯的亞熱帶季風濕潤氣候特征和高原山區的氣候特點;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毗鄰,西與安順市與黔西南州接壤,州內交通十分便利。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 地質概況

研究區大地構造位置主要位于江南復合造山帶黔南坳陷區都勻南北向隔槽式褶皺變形區;地質構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。研究區處于一個完整的地質構造單元之中,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

研究區成土母巖主要以碳酸鹽巖及碎屑巖為主,局部有變質巖,少量有巖漿巖出露(圖1)[10]。其中碳酸鹽巖(石灰巖和白云巖)為全區主要巖性,面積約為19811km2,占全區比例75.62%;其次為碎屑巖(砂巖(含硅質巖)、泥(頁)巖、紫紅色砂頁巖和炭質頁巖),面積約為5214km2,占全區比例19.90%;變質巖(板巖、變余凝灰巖和變余砂(礫)巖)面積約為1124km2,占全區比例4.29%,巖漿巖(玄武巖和輝綠巖)分布面積約為48km2,占全區比例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—石灰巖;7—白云巖;8—砂巖(含硅質巖);9—泥(頁)巖;10—紫紅色砂頁巖;11—黑色頁巖;12—板巖;13—變余凝灰巖;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

根據貴州省土壤調查結果研究區有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)。研究區以黃壤和石灰土分布最廣,二者面積約占全區國土面積的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區間內[12];石灰土屬于非地帶性土壤,主要分布在石灰巖和白云巖內[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、采礦用地可能后續發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,具體根據野外地形情況靈活選擇子樣點數量。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連續取樣,子樣點離中心樣點距離為20～50m范圍內,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、木質等聯合采集。全區共采集49281件耕地土壤樣品(表1)。

表1 黔南州耕地土壤樣統計表

農作物采集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),其中大宗農作物2類,特色農作物12類(表2,圖3)。

表2 黔南州農作物類型統計表

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 黔南州農作物采樣點位分布圖

本次975件農作物均采集于富硒耕地土壤中。農作物采集于收獲盛期,根據地塊實際形狀,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礦產勘查開發局中心實驗室完成。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;農作物中硒分析測試方法為電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS),檢出限為0.005×10-6。實驗室內部采用國家一級標準物質進行質量監控,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范要求[14]。

3 硒地球化學特征

對研究區49281件耕地土壤樣品中硒元素分析統計,全區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,中位數為0.48mg/kg,標準差為0.43mg/kg;變化系數為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(背景值按全區原始數據按平均值±3倍標準離差剔除后數據平均值),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]。根據研究區所轄12縣市統計各轄區內耕地土壤中硒元素平均含量如圖4所示,研究區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,分別統計各區耕地土壤中硒元素平均含量(表3、表4、表5、表6),研究區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)巖區內土壤平均含量分別能達到1.03mg/kg、0.72mg/kg和0.72mg/kg,遠高于研究區背景值,而板巖區內平均含量僅為0.39mg/kg,其他母巖區內變化相對較小。不同土壤類型區內硒元素平均含量差異性不明顯,僅黃棕壤內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內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計表

表4 黔南州不同土壤類型耕地土壤硒平均值統計表

4 富硒資源評價

4.1 富硒耕地土壤資源

在《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T0295—2016)的基礎上,結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

研究區共圈出富硒耕地土壤面積3701.20km2,占全區評價地類面積的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 富硒農作物資源

4.2.1 富硒農作物評價

為發展研究區富硒農產業,重點突出農作物富硒特性,本次使用評價標準重點考慮當前國家以及地方現行的富硒標準(表9)。

表9 黔南州農作物使用富硒標準統計表

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

根據表10中結果來看,全州農作物達到富硒標準的有494件,富硒率占評價農作物總數的51.46%,富硒農作物農業發展潛力巨大。除特色農作物中的茶葉和梨子外,其余農作物均不同程度達到富硒標準;大宗農作物玉米306件中有301件富硒,富硒率為98.37%;特色農作物中紫王葡萄、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 黔南州農作物富硒統計表

4.2.2 農作物-土壤中硒富集規律

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

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

表11 黔南州不同農作物對土壤中硒的平均富集系數統計表

根據表11可知,水稻、玉米、蜜柚葉和萵筍中硒的平均富集系數在4%以上,其中水稻中硒的平均富集系數最高到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%,其余農作物中硒的平均富集率介于2%～4%之間。

綜上所述,研究區內農作物對土壤中的硒富集程度是較低的,整體平均富集系數均低于7%,且平均富集系數變化差異小;農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[19]、有機質[20-22]、pH[20-23]、農作物不同部位[24]以及農作物種類[25]等對農作物硒的吸收都有影響,具體如何影響,還需進一步系統研究。盡管研究區內農作物對土壤中硒的富集系數較低,但還應該考慮到農作物硒含量水平是否滿足人體對硒需求量,因此出現農作物富集系數低,農作物中硒含量達到富硒程度現象。

5 結論

(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,平均含量為0.57mg/kg。在不同成土母巖分布區內耕地土壤中硒元素含量存在顯著的差異性,受區內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,占區內評價地類面積的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)黔南州富硒農作物種類豐富,以大宗農作物玉米和特色農作物紫王葡萄、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,為當地特色富硒農業發展指明了方向。

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