地质背景、土地利用方式与土壤硒的富集

地质背景、土地利用方式与土壤硒的富集

se是自然界的一个分散元素，也是环境中一个重要的生命元素。根据研究，碘具有广泛的生物学功能，尤其具有增强人体微循环能力、预防心血管疾病、肿瘤和抗衰老的功能[1.3]。此外，之前的研究表明，硫也是与长寿人口分布有关的重要因素之一。万物土中生,万象土为本,无论是植物、动物还是人体,其硒的最终来源是土壤,所以土壤中硒的状况对植物、动物和人的硒营养起决定性的作用.因此,土壤中硒的分布、赋存状态、影响因素以及土壤-农产品系统中硒的迁移转化规律等一直是关注的热点,尤其是研究影响土壤中硒含量的影响因素,对于人们判断和开发利用富硒土壤资源具有重要意义.大量研究表明,土壤硒的含量受母岩、地形地貌、土壤理化性质及土地利用方式等多种因素影响,每种影响因子的影响程度却因地而异[9~12].笔者在参加“金华市农业地质环境调查”项目工作时,在浙江省金华市婺城-兰溪一带发现优质富硒土壤区,并已对其深、表层土壤硒的含量情况、有效性、形态特点以及土壤环境质量状况等已进行了初步总结,本研究以此为基础,经过加密调查取样,对该地区影响土壤硒含量的主要因素进行了重点探讨,以期为当地的富硒土壤开发与保护提供技术依据.1材料和方法1.1研究区地貌及土地现状金华市地处浙江省中部丘陵盆地区,北邻杭州、绍兴,西接衢州,南连丽水,东部与台州接壤,辖二区三县和4个县级市,面积10919km2.富硒土壤研究区位于金华市婺城区北部与兰溪市上华街道交界处,包含婺城区蒋堂镇及白龙桥镇、琅琊镇和兰溪市上华街道局部地区,地貌类型主要以低丘岗地为主,局部冲积平原.研究区主要出露第四系下更新统汤溪组、中更新统之江组和全新统鄞江桥组,局部零星出露白垩系上统金华组及第四系上更新统莲花组(图1).母质类型主要为中更新世红土及洪冲积物,土壤质地以砂质黏土为主.研究区土地面积160km2,其中耕地面积约130km2,水田、旱地均有,农业种植多样,多为水稻、棉花、油菜、蔬菜、苗木及茶叶等.1.2样品的采集与测定土壤采样点一般布设于水田、旱地中.表层土样按土地利用图斑布样,每km2采样12~16件,由多坑点采集0~20cm表层土壤组合而成,共采集样品1895件.剖面样品考虑土壤地质背景及土地利用方式等布样,按土壤发生层次采集,测制土壤垂向剖面25条.采样时避开堆积土和污染区.土壤样晾干后过20目筛,外送分析.1.3土壤形态、理化性质的测定样品分析测试由国土资源部杭州矿产资源监督检测中心完成.土壤全硒采用原子荧光分光光度法测定;土壤有效硒(指酸浸提性硒含量,下同)用0.4mol·L-1硝酸溶液浸提,采用原子荧光光谱法(AFS)测定;土壤硒形态采用分步提取法,分别用水、MgCl2溶液、NaAc溶液、Na4P2O7溶液、HONH3Cl溶液、H2O2-HNO3溶液等提取水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化态、强有机结合态、残渣态,后用原子荧光法(AFS)测定;土壤pH值采用离子选择性电极法(ISE)测定;土壤有机质用重铬酸钾-硫酸溶液、砂浴加热消煮后,氧化还原容量法(VOL)测定;土壤质地采用激光粒度分析仪测定.分析测试过程的质量控制严格按照文献[14,15]执行.2土壤矿物学特性一般地,对于自然成因的富硒土壤,其硒含量是与成土母质(岩)直接相关的,或者说含量水平是受控于地质背景的.研究区主要出露汤溪组、之江组和鄞江桥组,金华组、莲花组零星分布.本研究统计了这5种地层发育土壤的硒含量水平,列于表1.从土壤硒全量看,汤溪组、金华组地层发育土壤硒含量最高,平均含量分别达到0.47mg·kg-1、0.48mg·kg-1,之江组含量次之,鄞江桥组和莲花组含量水平较低.从浸提性硒含量情况看,之江组有效态硒含量最高,平均达0.020mg·kg-1;汤溪组含量略低,为0.018mg·kg-1;金华组、莲花组、鄞江桥组含量水平相对降低.综合全量和有效量含量水平均,笔者认为研究区汤溪组、之江组、金华组分布区土壤硒含量水平较高,莲花、鄞江桥组分布区含量水平相对较低.汤溪组(Qp1t)岩性主要为棕黄、桔红色粉砂、黏土,其发育的土壤具有有机质含量高、土壤黏粒含量高等特点,有机质含量平均可达2.67%,土壤黏粒所占比例可高达31.7%.由于土壤有机质及土壤黏粒的吸附作用致使土壤硒含量水平较高.之江组(Qp2z)与汤溪组类似,岩性主要为棕红色黏土、亚黏土,其发育的土壤有机质含量、土壤黏粒含量也相对较高,分别可达2.72%和24.7%.因此,土壤含硒量也相对较高.金华组(K2j)岩性多为泥岩、(泥质)粉砂岩,其发育的土壤具质地均匀,颗粒细小(黏粒平均含量达30.7%)、土壤有机质含量高(平均含量达3.03%)等特点,硒的富集可能与此有关.本研究为了解不同地层区土壤硒含量在垂向上的变化特点,测制了25条典型土壤剖面.其中,金华组地层3条,均为旱作土壤,以生长自然植被及茶树为主;汤溪组地层9条,水田4条,5条为旱作土壤,生长自然植被及茶、橘等;之江组地层9条,水田4条,5条为旱作土壤,生长西兰花、葡萄、苗木等;莲花组地层1条,生长自然植被;鄞江桥组地层3条,均为水田.研究区不同深度土壤硒含量的对比结果见图2,从中可以得出两条结论:(1)金华、汤溪、之江、莲花等地层区,土壤硒含量在垂向的变化趋势一致,即呈现出表层富集的特征,这与前人的研究结论一致.唯有鄞江桥组地层区表现出不一致的分布,表现为20~40cm硒含量最高,这可能与鄞江桥组地层区多为水稻土,受人类生产活动影响较大有关.(2)不同深度土壤随地层的变化趋势基本一致,即20~40cm和>40cm土层中硒的含量在不同地层中的变化情况与表层是一致的,这体现了表层土壤硒含量对深层土壤(或者母岩、母质)的继承性,也再次证明了地质背景对土壤硒含量的控制作用.3土壤矿渣对土壤硒含量的影响土壤是母质、母岩在生物、气候、地形等综合影响、作用下形成的自然综合体,成土过程及土壤的基本性质直接影响着元素在土壤中的含量水平.为了寻找研究区土壤中硒的含量与土壤性质的关系,本研究探讨了不同土地利用方式、土壤有机质、土壤pH值、土壤质地等对土壤硒含量的影响.3.1上游岩石风导质地硒含量在不同利用方式下存在较大差异.由于研究区水作土壤主要分布于河流两侧高河漫滩阶地上,沉积物质主要来源于河流的上游地区岩石的风化产物,土壤质地为砾石质砂壤土———含砾砂质黏壤土,土壤类型多为潴育型水稻土培泥田、培泥砂田,透气透水性较强,有机质含量低,土壤肥力不高,硒含量总体较低,明显低于原地系统的园地、旱地、林地等旱作土壤.如表2所示,无论全量还是有效态,园地、旱地、林地等旱作方式利用的土壤硒含量水平都明显高于水田土壤.3.2土壤有机质对有机碳的吸附与固定作用土壤有机质是土壤中的各种含碳有机化合物的总称,包括动植物残体、微生物体和生物残体在不同分解阶段的产物,以及由分解产物合成的腐殖质等.较多研究者认为土壤有机质对硒全量有较显著影响,土壤硒含量与有机质呈现正相关性,本研究也证实了此观点.图3可以看出,不论是水田土壤还是旱地土壤,硒含量和有机碳之间显著正相关(P<0.01),说明研究区土壤中硒的富集与有机质的活动密切相关.土壤有机质对硒的影响主要在于对硒的吸附与固定作用.一般地,有机质含量丰富的土壤,对于土壤中硒的吸附能力也就越强,土壤中含硒量也相对越高.在研究区随机挑选了7件表层土壤样品进行了形态分析,结果表明,7个样品中各形态具有稳定的分布模式,有机结合态硒是土壤中硒的主要存在形态,其中腐殖酸态和强有机态分别约占全量比例的32.7%和31.0%(表3),这进一步表明了土壤有机质对硒含量的密切影响.同时,可以推断出土壤有机质主要通过吸附作用影响有机态硒的含量,间接影响土壤中全硒的含量.因此,在进行富硒土壤开发时,可通过调节有机质含量水平的方式,调节土壤硒的有效含量,从而达到农产品对土壤硒有效吸收的目的.3.3土壤ph与硒含量的关系土壤pH值被认为是影响土壤硒含量的重要因素之一,通过控制土壤元素的活性(生物有效性)进而影响作物中硒的含量.本研究发现,由于耕作方式的不同,造成土壤pH值对硒含量的影响有所差异.如图4所示,对于旱地土壤,土壤pH值与硒含量呈现显著的负相关关系,表明在研究区范围内,随着土壤酸度的增强,土壤硒含量有增加的趋势.有研究表明,土壤pH值是控制硒价态转化的主要因素,酸性和中性的土壤中主要以亚硒酸盐(SeO32-)形式存在,而在通气良好的碱性土壤中,硒主要以硒酸态(SeO42-)存在.一般地,SeO32-与吸附质间的亲和力较强,易受黏粒矿物和倍半氧化物固定,而SeO42-与吸附质的亲和力较弱,溶解度大,因此pH越高,土壤中的硒越容易淋失.此外,土壤pH对土壤硒的甲基化也有影响,在一定pH范围内土壤Se的甲基化随着pH的增加而加强,产生易挥发的二甲基化合物,从而使硒的移动性和从表土中溢出的可能性增加.而对于水田土壤,土壤pH值与硒全量无显著相关性,这可能与水动力冲刷作用造成水田土壤硒含量分布不均有关.3.4土壤黏粒与硒含量的关系土壤质地是土壤物理性质之一,指土壤中不同大小直径的矿物颗粒的组合状况,一般将粒径小于0.002mm的部分称为土壤黏粒.从采集的表层土壤中均匀挑选215件样品进行了质地分析,结果见表4.从中可以看出,研究区土壤质地类别以黏土类、黏壤土类为主,所占比例高达83.3%,可见研究区土壤质地总体较粘重.研究表明,黏质土壤硒含量稍高,砂质土壤含量较低,土壤中黏粒含量越多,越粘重,硒含量往往较高.由于土壤黏粒对Se具有较强的吸附富集作用,致使研究区土壤黏粒含量与土壤硒含量呈现极显著的正相关关系,尤其是旱地土壤(图5).从表5中也可看出,黏粒含量大于40%的土壤中硒平均含量远高于黏粒含量小于20%的部分,是其2.2倍.廖金凤在对海南土壤硒的研究时也发现黏粒含硒量为土壤平均含硒量的4倍.可见,研究区土壤黏粒对硒具有显著的富集作用.4对土壤矿物质元素的影响(1)地质背景对土壤硒含量有控制作用.无论是表层土壤,还是深层土壤,汤溪组、之江组和