廣西岑溪市富硒土壤地球化學(xué)特征及成因分析

劉華應(yīng)，黃永聰，蔣宗林，唐列文

(1.廣西第一地質(zhì)隊(duì)，廣西 桂林 541100；2.廣西區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究院，廣西 桂林 541003)

0 引言

硒(Se)是人體必需的微量元素，被尊稱為“生命的火種”，享有“抗癌之王”、“長(zhǎng)壽元素”等美譽(yù)，能提高人體免疫力，促進(jìn)淋巴細(xì)胞的增殖及抗體和免疫球蛋白的合成，對(duì)癌癥、心血管病等多種疾病具有顯著治療作用[3，17]。我國(guó)是一個(gè)缺硒大國(guó)，72%的地區(qū)屬缺硒地區(qū)，約七億人生活在缺硒地區(qū)。在研究區(qū)內(nèi)采集了高密度表層土壤樣品，基于土壤元素中硒的地球化學(xué)分布特征和物質(zhì)成因的了解，為富硒土地利用和富硒農(nóng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)地處桂東南云開(kāi)大山西北麓，位于廣西東南部邊境，地理位置坐標(biāo)：東經(jīng)110°43′10′′—111°22′10′′，北緯22°36′40′′—23°12′42′′。研究區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，地勢(shì)東南高、西北低，形成了低山、中山、丘陵、平原、谷地、盆地等復(fù)雜地貌。出露地層主要有寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、第四系等。成土母質(zhì)主要為沖洪積物、碎屑巖、硅質(zhì)巖、基性—超基性侵入巖及中—酸性花崗巖；主要土壤類型為赤紅壤、水稻土、紫色土、潮土等。

2 樣品處理、分析與數(shù)據(jù)方法

2.1 樣品的采集與處理

研究區(qū)采樣控制點(diǎn)面積約1338.51 km2，采用網(wǎng)格化布點(diǎn)方法，共采集了5583個(gè)樣品，采樣深度為0～20 cm，采樣密度為4.17點(diǎn)/km2。采樣點(diǎn)大部分布設(shè)于水田、旱地、園地，少量布設(shè)于草地、林地等地類。采樣時(shí)應(yīng)避開(kāi)溝渠、林帶、田埂、路邊、舊房基、糞堆及微地形高低不平無(wú)代表性地段。原始樣品重量大于1 kg，采集好裝入干凈的棉布袋，做好相應(yīng)的采集信息記錄等。采集的樣品充分晾干后，過(guò)200目篩，按要求采用對(duì)角線縮分法組合成的每個(gè)樣品不低于300 g，送樣測(cè)試分析。

2.2 樣品測(cè)試與分析

本次樣品的測(cè)試由山西省巖礦測(cè)試應(yīng)用研究所承擔(dān)，采用了電感耦合等離子體質(zhì)譜法、X射線熒光光譜法聯(lián)合分析17項(xiàng)元素，原子熒光法、粉末發(fā)射光譜法、離子電極法、容量法等分析9項(xiàng)元素或指標(biāo)的分析方法配套方案，所選用的分析方法檢出限均滿足《規(guī)范》的要求，各元素的檢出限、所采用的分析方法具體見(jiàn)(表1)。

表1 土壤樣品分析方法及檢出限Table 1 The analysis method and detection limits of soil samples

注：SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、Corg的量單位為%，其他元素量單位為μg/g，pH為無(wú)量綱。

2.3 數(shù)據(jù)的處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)前對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行異常剔除，采用地球化學(xué)勘查數(shù)據(jù)一體化處理系統(tǒng)軟件中的構(gòu)建三角剖分網(wǎng)直接繪制硒含量分布圖，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Excel 2010、SPSS 19.0及一體化軟件完成。

3 分析結(jié)果及富硒土壤地球化學(xué)特征

3.1 富硒土壤空間分布特征

根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295-2016)制定的硒養(yǎng)分地球化學(xué)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)(表2)和譚見(jiàn)安[17]硒效應(yīng)劃分標(biāo)準(zhǔn)，編制表層土壤Se的地球化學(xué)等級(jí)圖(圖1)。

表2 土壤Se含量等級(jí)劃分Table 2 Se content classification of the soil

注：Se元素量單位為mg/kg。

圖1 研究區(qū)硒元素地球化學(xué)等級(jí)圖Fig.1 Geochemical grade map of selenium element in the study area

由表3可知，岑溪市表層土壤中硒含量為0.056～12.20 mg/kg，平均值為0.55 mg/kg，變異系數(shù)為0.66，呈弱分異特征；而研究區(qū)內(nèi)表層土壤硒含量平均值高于世界表層土壤平均值(0.20 mg/kg)[16]和全國(guó)土壤背景值(0.29 mg/kg)[1]，分別是其2.65和1.83倍，但與廣西土壤背景值(0.702 mg/kg)[1]相比，相對(duì)較低，呈不均勻分布。

表3 硒含量地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical table of geochemical parameters of selenium content

注：K1=評(píng)價(jià)區(qū)平均值/廣西背景值；

K2=評(píng)價(jià)區(qū)平均值/全國(guó)背景值；

K3=評(píng)價(jià)區(qū)平均值/世界背景值。

從空間分布上看，表成土壤和深層土壤硒含量具有一致性，從而表明表層土壤與深層土壤硒有一定的繼承性。研究表明，硒受控于巖石地層母巖、成土過(guò)程、生物過(guò)程以及硒的地球化學(xué)性等多種因素影響，呈現(xiàn)出同一地層不同的采樣點(diǎn)或不同的地層中土壤硒含量均存在一定的差異，總體上，研究區(qū)富硒土壤以片狀分布在中部、東南部、西北部，其他地區(qū)零星分布，缺硒分布于北東部、南部、西南部地區(qū)。

3.2 富硒土壤與各元素含量相關(guān)性特征

對(duì)研究區(qū)5583個(gè)表層土壤樣品進(jìn)行相關(guān)性分析，得出Se元素與其他元素的相關(guān)系數(shù)。由表4可知，Se-Mo組合相關(guān)系數(shù)為0.598，表現(xiàn)為強(qiáng)相關(guān)；Se-Cu-TFe2O3-Cr-Ni-As組合相關(guān)系數(shù)大于0.3，表現(xiàn)為中等相關(guān)。而Mo、Cr、Cu、Fe2O3表現(xiàn)為親鐵、親石，與花崗巖物源、碳酸鹽巖有關(guān)。

4 富硒土壤成因分析

根據(jù)調(diào)查資料顯示，研究區(qū)富硒土壤成因主要與成土母質(zhì)、土壤類型、土地利用類型、大氣沉降、地下水位埋深、灌溉水、地形、人工施肥等因素有關(guān)；研究區(qū)屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，且該地區(qū)地形、地貌較為復(fù)雜。本次通過(guò)不同的成土母質(zhì)、土壤類型、土地利用類型及土壤的理化性質(zhì)對(duì)土壤中硒的成因及物質(zhì)來(lái)源進(jìn)行分析。

表4 表層土壤硒元素與其他組分的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient of Se content and other components in the surface soil

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

4.1 富硒與成土母質(zhì)的關(guān)系

4.1.1 不同成土母質(zhì)中硒含量的變化關(guān)系

根據(jù)濃集(變)系數(shù)的大小及元素分布的離散程度劃分6個(gè)等級(jí)，研究區(qū)內(nèi)不同成土母質(zhì)特征參數(shù)見(jiàn)表5，由表5可知，硒在成土母質(zhì)泥盆系硅質(zhì)巖富集，在志留系砂泥巖、寒武系砂泥巖、古近系礫砂巖和第四系黏土呈高背景特征，在二疊紀(jì)花崗巖、泥盆系砂泥巖、混合巖、三疊紀(jì)花崗巖、三疊系灰?guī)r、侏羅紀(jì)花崗巖、奧陶系砂泥巖、寒武紀(jì)花崗巖呈背景特征，其余的為低背景特征?？傮w上，在樣品數(shù)相當(dāng)?shù)那闆r下，硒在同一成土母質(zhì)中含量差異性不大，在泥盆系硅質(zhì)巖呈分異特征，在志留系砂泥巖、第四系黏土、侏羅紀(jì)花崗巖、混合巖中呈弱分異特征，其余成土母質(zhì)主要表現(xiàn)為不均勻分布特征。硒元素隨著地質(zhì)年代由老到新，含量呈現(xiàn)低—高—低—高不規(guī)律的特點(diǎn)，反映了沉積環(huán)境變化及第四系物質(zhì)來(lái)源的復(fù)雜性。

表5 不同成土母質(zhì)的表層土壤中硒含量特征統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistical parameters of Se content in the surface soil of different parent materials

4.1.2 表層土壤Se含量與地層空間分布關(guān)系

由圖2可知，富硒土壤主要分布于研究區(qū)內(nèi)的中部及北部地區(qū)的糯垌鎮(zhèn)、安平鎮(zhèn)以及東部、筋竹鎮(zhèn)至梨木一帶，呈NW向不規(guī)則面狀展布。地質(zhì)背景主要為第四系沖積層、望高組、平桂組，泥盆系榴江組、東崗嶺組、蓮花山組，志留系古墓組，三疊系及二疊紀(jì)的花崗巖。低值區(qū)背景區(qū)主要集中分布在研究區(qū)西部南渡鎮(zhèn)西南面、誠(chéng)諫鎮(zhèn)至大業(yè)一線、大隆鎮(zhèn)至水汶鎮(zhèn)一帶，地質(zhì)背景主要為志留紀(jì)及侏羅紀(jì)花崗巖、白堊系的火山巖以及碎屑巖，第四系黏土。從圖2上看，無(wú)論是低值區(qū)還是高值區(qū)，其空間分布與地層走向均具有較好的套合性，由此推斷，研究區(qū)表層土壤硒的來(lái)源與地層巖性有關(guān)。

圖2 研究區(qū)硒含量與地層空間分布關(guān)系圖Fig.2 Relationship between Se content and spatial distribution of the strata in the study area1—全新統(tǒng)沖積層 2—桂平組 3—望高組 4—鳳凰山組 5—羅文組 6—西垌組 7—大坡組 8—新隆組 9—天堂組 10—榴江組 11—唐家灣 12—信都組 13—蓮花山組 14—防城組 15—古墓組 16—大崗頂組 17—蘭甕組 18—東沖組 19—六陳組 20—鳳凰頂單元 21—乾廂單元 22—羅馬單元 23—荔枝單元 24—馬麗山單元 25—尖竹頂單元 26—新村單元 27—譚福單元 28—新路單元 29—銀頂山單元 30—烏洋山單元 31—屋面前單元 32—楊梅山單元 33—大平單元 34—高垠單元 35—大村單元 36—楓木根單元 37—雙元單元 38—羅址單元 39—橫山單元 40—嶺頭田單元 41—巖體邊緣泥石巖 42—嶺腳變粒巖組 43—黃陵變粒巖組 44—平政變粒巖組 45—地質(zhì)界線 46—角度不整合界線 47—巖相界線 48—斷層 49—研究區(qū)范圍

4.1.3 不同地層垂向上硒含量的變化關(guān)系

由圖3可知，表層土壤(0～40 cm)與深層土壤(60～200 cm)、泥盆系、第四系、志留系硒的含量明顯高于其他地層硒的含量，均顯示為表層土壤含量高，往深部含量逐漸變低并趨于平穩(wěn)。志留系硒含量在20～80 cm深度大于1.0 mg/kg，往深部逐漸趨于平直；泥盆系硒含量值由淺至深部呈波狀，變化趨勢(shì)為高—低—高，含量值在1.12～1.36 mg/kg之間；二疊系、侏羅系總體趨于平直，硒含量值變化較小；三疊系、白堊系總體變化趨勢(shì)為由淺部往深部逐漸降低；第四系由淺至深部呈半圓弧狀，變化趨勢(shì)為低—高—低，含量變化值在1.12～1.36～0.95 mg/kg之間。

另外，由圖4可知，除第四系、二疊系，不同地層表層土壤(0～40 m)硒含量高于深部(60～200 cm)，變化趨勢(shì)大體類似。綜上，土壤剖面硒含量分布特征，表明硒多富集于表層土壤中，向深部具有迅速降低后呈緩坡上升的趨勢(shì)?？赡芘c在成土過(guò)程中硒趨向于在高鐵鋁、富泥炭和腐殖質(zhì)的土壤中富集有關(guān)。不同地層由表層至深層硒含量變化存在差異，可能與成土母質(zhì)的巖性差異有關(guān)。

4.2 富硒與土壤類型的關(guān)系

研究區(qū)土壤以赤紅壤為主，次為潴育性水稻土、潛育性水稻土、漂洗水稻土、紫色土、潮土。由表6可知，不同土壤類型中硒土壤地球化學(xué)特征具有一定程度的差異性，硒在潴育性水稻土、潮土、淹育性水稻土、赤紅壤中呈弱分異特征，其余土壤類型中呈現(xiàn)不均勻分布特征，離散度程度小。而硒在淹育性水稻土中背景值最高，赤紅壤及潛育性水稻土、潴育性水稻土等次之，屬于背景區(qū)；在紫色土中濃集系數(shù)小于0.8，呈低背景分布?？傮w上，雖然赤紅壤中樣品數(shù)最多，但變異系數(shù)也最大，研究區(qū)內(nèi)幾個(gè)高極值點(diǎn)均分布在赤紅壤中，說(shuō)明具有局部富集的可能。

圖3 地層土壤剖面Se含量變化趨勢(shì)圖Fig.3 Variation trend of soil Se content in the stratum profile

圖4 表層土壤與深層土壤Se含量關(guān)系圖Fig.4 Relationship diagram between Se contents of the surface soil and deep soil

表6 不同土壤類型的表層土壤中硒含量特征統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistical table of Se content in the surface soil of different types

4.3 富硒與土地利用類型的關(guān)系

由于土地利用類型以及耕作條件等的不同，土壤中生物、化學(xué)、物理變化過(guò)程呈現(xiàn)差異，導(dǎo)致了土壤在利用和發(fā)育過(guò)程中保硒能力也有較大差異，主要體現(xiàn)在硒元素的流失和富集。本次研究表明，由表7可知，硒在不同土地利用方式中變異系數(shù)大小的變化也存在一定的差異性，表現(xiàn)為林地>旱地>園地>草地>水田。硒在林地、旱地中空間分布離散性大，呈分異分布特征；水田、園地含量差異較小，屬不均勻分布。而硒在各地類的濃集系數(shù)差別不大，在水田中呈背景區(qū)，旱地、林地為高背景區(qū)，園地為高背景富集區(qū)。

表7 不同土地利用硒的表層土壤中硒含量特征統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistical parameters of Se content in the surface soil of different land use

4.3.1 土壤硒含量與土壤性質(zhì)的相關(guān)性分析

利用土壤理化性質(zhì)分析研究區(qū)內(nèi)土壤硒含量的變化特征，通過(guò)對(duì)研究區(qū)土壤硒含量與土壤性質(zhì)的相關(guān)分析(圖5)，表明區(qū)內(nèi)土壤硒含量與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

圖5 研究區(qū)土壤pH、有機(jī)質(zhì)與硒含量的關(guān)系Fig.5 Relationship diagram of soil pH，organic matter and selenium content in the study area

pH是劃分土壤理化性質(zhì)重要指標(biāo)之一，值的高低對(duì)土壤中硒含量的儲(chǔ)存形式與有效性有著極其重要的影響因素。本次通過(guò)統(tǒng)計(jì)酸堿度土壤中硒的含量特征可知，在強(qiáng)酸性(pH<5.0)條件下，土壤硒的含量最高，為0.61 mg/kg，其次是堿性(7.5≤pH<8.5)條件，土壤硒含量為0.55 mg/kg，在酸性(5.0≤pH<6.5)、中性(6.5≤pH<7.5)條件下，土壤硒含量分別為0.49 mg/kg、0.42 mg/kg，其含量值相對(duì)較低，表明硒在南方多雨條件下在強(qiáng)酸—酸性性環(huán)境中易于活化。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分之一，是一個(gè)物質(zhì)復(fù)雜系統(tǒng)，是土壤元素的載體，對(duì)土壤的理化性質(zhì)影響較為重要，而有機(jī)質(zhì)對(duì)硒含量的影響，主要表現(xiàn)為固定與吸附兩方面的作用，土壤中有機(jī)質(zhì)含量越豐富，表明土壤中硒的吸附能力越強(qiáng)，含量相對(duì)也越高。根據(jù)前人研究表明土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)硒含量有顯著相關(guān)性的影響[13-15]。由表4可知，硒與有機(jī)質(zhì)就在0.01水平(雙側(cè))上具有顯著相關(guān)性，表明有機(jī)質(zhì)對(duì)硒具有一定的吸附和固定作用。

5 結(jié)論

1) 研究區(qū)表層土壤硒含量相對(duì)較高，硒含量平均值與世界和全國(guó)的平均值相比，是其2.65、1.83倍，屬高富硒區(qū)，富硒土壤占比為65.63%。

2) 通過(guò)對(duì)研究區(qū)硒元素與其他元素相關(guān)性分析，可知，硒與土壤中Mo呈強(qiáng)相關(guān)，而與Cu、TFe2O3、Cr、Ni、As呈中等相關(guān)，其他元素呈負(fù)相關(guān)性。

3) 通過(guò)研究分析，研究區(qū)表層土壤富硒的原因，主要受控于成土母質(zhì)、土壤類型、土地利用類型以及土壤理化性質(zhì)。