地質(zhì)背景、土地利用方式與土壤硒的富集

地質(zhì)背景、土地利用方式與土壤硒的富集

se是自然界的一個(gè)分散元素，也是環(huán)境中一個(gè)重要的生命元素。根據(jù)研究，碘具有廣泛的生物學(xué)功能，尤其具有增強(qiáng)人體微循環(huán)能力、預(yù)防心血管疾病、腫瘤和抗衰老的功能[1.3]。此外，之前的研究表明，硫也是與長(zhǎng)壽人口分布有關(guān)的重要因素之一。萬物土中生,萬象土為本,無論是植物、動(dòng)物還是人體,其硒的最終來源是土壤,所以土壤中硒的狀況對(duì)植物、動(dòng)物和人的硒營(yíng)養(yǎng)起決定性的作用.因此,土壤中硒的分布、賦存狀態(tài)、影響因素以及土壤-農(nóng)產(chǎn)品系統(tǒng)中硒的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律等一直是關(guān)注的熱點(diǎn),尤其是研究影響土壤中硒含量的影響因素,對(duì)于人們判斷和開發(fā)利用富硒土壤資源具有重要意義.大量研究表明,土壤硒的含量受母巖、地形地貌、土壤理化性質(zhì)及土地利用方式等多種因素影響,每種影響因子的影響程度卻因地而異[9~12].筆者在參加“金華市農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查”項(xiàng)目工作時(shí),在浙江省金華市婺城-蘭溪一帶發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)富硒土壤區(qū),并已對(duì)其深、表層土壤硒的含量情況、有效性、形態(tài)特點(diǎn)以及土壤環(huán)境質(zhì)量狀況等已進(jìn)行了初步總結(jié),本研究以此為基礎(chǔ),經(jīng)過加密調(diào)查取樣,對(duì)該地區(qū)影響土壤硒含量的主要因素進(jìn)行了重點(diǎn)探討,以期為當(dāng)?shù)氐母晃寥篱_發(fā)與保護(hù)提供技術(shù)依據(jù).1材料和方法1.1研究區(qū)地貌及土地現(xiàn)狀金華市地處浙江省中部丘陵盆地區(qū),北鄰杭州、紹興,西接衢州,南連麗水,東部與臺(tái)州接壤,轄二區(qū)三縣和4個(gè)縣級(jí)市,面積10919km2.富硒土壤研究區(qū)位于金華市婺城區(qū)北部與蘭溪市上華街道交界處,包含婺城區(qū)蔣堂鎮(zhèn)及白龍橋鎮(zhèn)、瑯琊鎮(zhèn)和蘭溪市上華街道局部地區(qū),地貌類型主要以低丘崗地為主,局部沖積平原.研究區(qū)主要出露第四系下更新統(tǒng)湯溪組、中更新統(tǒng)之江組和全新統(tǒng)鄞江橋組,局部零星出露白堊系上統(tǒng)金華組及第四系上更新統(tǒng)蓮花組(圖1).母質(zhì)類型主要為中更新世紅土及洪沖積物,土壤質(zhì)地以砂質(zhì)黏土為主.研究區(qū)土地面積160km2,其中耕地面積約130km2,水田、旱地均有,農(nóng)業(yè)種植多樣,多為水稻、棉花、油菜、蔬菜、苗木及茶葉等.1.2樣品的采集與測(cè)定土壤采樣點(diǎn)一般布設(shè)于水田、旱地中.表層土樣按土地利用圖斑布樣,每km2采樣12~16件,由多坑點(diǎn)采集0~20cm表層土壤組合而成,共采集樣品1895件.剖面樣品考慮土壤地質(zhì)背景及土地利用方式等布樣,按土壤發(fā)生層次采集,測(cè)制土壤垂向剖面25條.采樣時(shí)避開堆積土和污染區(qū).土壤樣晾干后過20目篩,外送分析.1.3土壤形態(tài)、理化性質(zhì)的測(cè)定樣品分析測(cè)試由國(guó)土資源部杭州礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成.土壤全硒采用原子熒光分光光度法測(cè)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,采用原子熒光光譜法(AFS)測(cè)定;土壤硒形態(tài)采用分步提取法,分別用水、MgCl2溶液、NaAc溶液、Na4P2O7溶液、HONH3Cl溶液、H2O2-HNO3溶液等提取水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐殖酸結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài),后用原子熒光法(AFS)測(cè)定;土壤pH值采用離子選擇性電極法(ISE)測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀-硫酸溶液、砂浴加熱消煮后,氧化還原容量法(VOL)測(cè)定;土壤質(zhì)地采用激光粒度分析儀測(cè)定.分析測(cè)試過程的質(zhì)量控制嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[14,15]執(zhí)行.2土壤礦物學(xué)特性一般地,對(duì)于自然成因的富硒土壤,其硒含量是與成土母質(zhì)(巖)直接相關(guān)的,或者說含量水平是受控于地質(zhì)背景的.研究區(qū)主要出露湯溪組、之江組和鄞江橋組,金華組、蓮花組零星分布.本研究統(tǒng)計(jì)了這5種地層發(fā)育土壤的硒含量水平,列于表1.從土壤硒全量看,湯溪組、金華組地層發(fā)育土壤硒含量最高,平均含量分別達(dá)到0.47mg·kg-1、0.48mg·kg-1,之江組含量次之,鄞江橋組和蓮花組含量水平較低.從浸提性硒含量情況看,之江組有效態(tài)硒含量最高,平均達(dá)0.020mg·kg-1;湯溪組含量略低,為0.018mg·kg-1;金華組、蓮花組、鄞江橋組含量水平相對(duì)降低.綜合全量和有效量含量水平均,筆者認(rèn)為研究區(qū)湯溪組、之江組、金華組分布區(qū)土壤硒含量水平較高,蓮花、鄞江橋組分布區(qū)含量水平相對(duì)較低.湯溪組(Qp1t)巖性主要為棕黃、桔紅色粉砂、黏土,其發(fā)育的土壤具有有機(jī)質(zhì)含量高、土壤黏粒含量高等特點(diǎn),有機(jī)質(zhì)含量平均可達(dá)2.67%,土壤黏粒所占比例可高達(dá)31.7%.由于土壤有機(jī)質(zhì)及土壤黏粒的吸附作用致使土壤硒含量水平較高.之江組(Qp2z)與湯溪組類似,巖性主要為棕紅色黏土、亞黏土,其發(fā)育的土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤黏粒含量也相對(duì)較高,分別可達(dá)2.72%和24.7%.因此,土壤含硒量也相對(duì)較高.金華組(K2j)巖性多為泥巖、(泥質(zhì))粉砂巖,其發(fā)育的土壤具質(zhì)地均勻,顆粒細(xì)小(黏粒平均含量達(dá)30.7%)、土壤有機(jī)質(zhì)含量高(平均含量達(dá)3.03%)等特點(diǎn),硒的富集可能與此有關(guān).本研究為了解不同地層區(qū)土壤硒含量在垂向上的變化特點(diǎn),測(cè)制了25條典型土壤剖面.其中,金華組地層3條,均為旱作土壤,以生長(zhǎng)自然植被及茶樹為主;湯溪組地層9條,水田4條,5條為旱作土壤,生長(zhǎng)自然植被及茶、橘等;之江組地層9條,水田4條,5條為旱作土壤,生長(zhǎng)西蘭花、葡萄、苗木等;蓮花組地層1條,生長(zhǎng)自然植被;鄞江橋組地層3條,均為水田.研究區(qū)不同深度土壤硒含量的對(duì)比結(jié)果見圖2,從中可以得出兩條結(jié)論:(1)金華、湯溪、之江、蓮花等地層區(qū),土壤硒含量在垂向的變化趨勢(shì)一致,即呈現(xiàn)出表層富集的特征,這與前人的研究結(jié)論一致.唯有鄞江橋組地層區(qū)表現(xiàn)出不一致的分布,表現(xiàn)為20~40cm硒含量最高,這可能與鄞江橋組地層區(qū)多為水稻土,受人類生產(chǎn)活動(dòng)影響較大有關(guān).(2)不同深度土壤隨地層的變化趨勢(shì)基本一致,即20~40cm和>40cm土層中硒的含量在不同地層中的變化情況與表層是一致的,這體現(xiàn)了表層土壤硒含量對(duì)深層土壤(或者母巖、母質(zhì))的繼承性,也再次證明了地質(zhì)背景對(duì)土壤硒含量的控制作用.3土壤礦渣對(duì)土壤硒含量的影響土壤是母質(zhì)、母巖在生物、氣候、地形等綜合影響、作用下形成的自然綜合體,成土過程及土壤的基本性質(zhì)直接影響著元素在土壤中的含量水平.為了尋找研究區(qū)土壤中硒的含量與土壤性質(zhì)的關(guān)系,本研究探討了不同土地利用方式、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH值、土壤質(zhì)地等對(duì)土壤硒含量的影響.3.1上游巖石風(fēng)導(dǎo)質(zhì)地硒含量在不同利用方式下存在較大差異.由于研究區(qū)水作土壤主要分布于河流兩側(cè)高河漫灘階地上,沉積物質(zhì)主要來源于河流的上游地區(qū)巖石的風(fēng)化產(chǎn)物,土壤質(zhì)地為礫石質(zhì)砂壤土———含礫砂質(zhì)黏壤土,土壤類型多為潴育型水稻土培泥田、培泥砂田,透氣透水性較強(qiáng),有機(jī)質(zhì)含量低,土壤肥力不高,硒含量總體較低,明顯低于原地系統(tǒng)的園地、旱地、林地等旱作土壤.如表2所示,無論全量還是有效態(tài),園地、旱地、林地等旱作方式利用的土壤硒含量水平都明顯高于水田土壤.3.2土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)有機(jī)碳的吸附與固定作用土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中的各種含碳有機(jī)化合物的總稱,包括動(dòng)植物殘?bào)w、微生物體和生物殘?bào)w在不同分解階段的產(chǎn)物,以及由分解產(chǎn)物合成的腐殖質(zhì)等.較多研究者認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)硒全量有較顯著影響,土壤硒含量與有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)正相關(guān)性,本研究也證實(shí)了此觀點(diǎn).圖3可以看出,不論是水田土壤還是旱地土壤,硒含量和有機(jī)碳之間顯著正相關(guān)(P<0.01),說明研究區(qū)土壤中硒的富集與有機(jī)質(zhì)的活動(dòng)密切相關(guān).土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)硒的影響主要在于對(duì)硒的吸附與固定作用.一般地,有機(jī)質(zhì)含量豐富的土壤,對(duì)于土壤中硒的吸附能力也就越強(qiáng),土壤中含硒量也相對(duì)越高.在研究區(qū)隨機(jī)挑選了7件表層土壤樣品進(jìn)行了形態(tài)分析,結(jié)果表明,7個(gè)樣品中各形態(tài)具有穩(wěn)定的分布模式,有機(jī)結(jié)合態(tài)硒是土壤中硒的主要存在形態(tài),其中腐殖酸態(tài)和強(qiáng)有機(jī)態(tài)分別約占全量比例的32.7%和31.0%(表3),這進(jìn)一步表明了土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)硒含量的密切影響.同時(shí),可以推斷出土壤有機(jī)質(zhì)主要通過吸附作用影響有機(jī)態(tài)硒的含量,間接影響土壤中全硒的含量.因此,在進(jìn)行富硒土壤開發(fā)時(shí),可通過調(diào)節(jié)有機(jī)質(zhì)含量水平的方式,調(diào)節(jié)土壤硒的有效含量,從而達(dá)到農(nóng)產(chǎn)品對(duì)土壤硒有效吸收的目的.3.3土壤ph與硒含量的關(guān)系土壤pH值被認(rèn)為是影響土壤硒含量的重要因素之一,通過控制土壤元素的活性(生物有效性)進(jìn)而影響作物中硒的含量.本研究發(fā)現(xiàn),由于耕作方式的不同,造成土壤pH值對(duì)硒含量的影響有所差異.如圖4所示,對(duì)于旱地土壤,土壤pH值與硒含量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明在研究區(qū)范圍內(nèi),隨著土壤酸度的增強(qiáng),土壤硒含量有增加的趨勢(shì).有研究表明,土壤pH值是控制硒價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化的主要因素,酸性和中性的土壤中主要以亞硒酸鹽(SeO32-)形式存在,而在通氣良好的堿性土壤中,硒主要以硒酸態(tài)(SeO42-)存在.一般地,SeO32-與吸附質(zhì)間的親和力較強(qiáng),易受黏粒礦物和倍半氧化物固定,而SeO42-與吸附質(zhì)的親和力較弱,溶解度大,因此pH越高,土壤中的硒越容易淋失.此外,土壤pH對(duì)土壤硒的甲基化也有影響,在一定pH范圍內(nèi)土壤Se的甲基化隨著pH的增加而加強(qiáng),產(chǎn)生易揮發(fā)的二甲基化合物,從而使硒的移動(dòng)性和從表土中溢出的可能性增加.而對(duì)于水田土壤,土壤pH值與硒全量無顯著相關(guān)性,這可能與水動(dòng)力沖刷作用造成水田土壤硒含量分布不均有關(guān).3.4土壤黏粒與硒含量的關(guān)系土壤質(zhì)地是土壤物理性質(zhì)之一,指土壤中不同大小直徑的礦物顆粒的組合狀況,一般將粒徑小于0.002mm的部分稱為土壤黏粒.從采集的表層土壤中均勻挑選215件樣品進(jìn)行了質(zhì)地分析,結(jié)果見表4.從中可以看出,研究區(qū)土壤質(zhì)地類別以黏土類、黏壤土類為主,所占比例高達(dá)83.3%,可見研究區(qū)土壤質(zhì)地總體較粘重.研究表明,黏質(zhì)土壤硒含量稍高,砂質(zhì)土壤含量較低,土壤中黏粒含量越多,越粘重,硒含量往往較高.由于土壤黏粒對(duì)Se具有較強(qiáng)的吸附富集作用,致使研究區(qū)土壤黏粒含量與土壤硒含量呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系,尤其是旱地土壤(圖5).從表5中也可看出,黏粒含量大于40%的土壤中硒平均含量遠(yuǎn)高于黏粒含量小于20%的部分,是其2.2倍.廖金鳳在對(duì)海南土壤硒的研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)黏粒含硒量為土壤平均含硒量的4倍.可見,研究區(qū)土壤黏粒對(duì)硒具有顯著的富集作用.4對(duì)土壤礦物質(zhì)元素的影響(1)地質(zhì)背景對(duì)土壤硒含量有控制作用.無論是表層土壤,還是深層土壤,湯溪組、之江組和