崔 萌，孫向陽*，姜新福，李素艷，楊少斌，李 松，龔小強，張 樂

北京市掛甲峪地區(qū)土壤全硒含量分布特征①

崔 萌1，孫向陽1*，姜新福2，李素艷1，楊少斌1，李 松1，龔小強1，張 樂1

(1 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083；2 北京市通州區(qū)林業(yè)種子苗木服務(wù)中心，北京 101100)

為調(diào)查北京市掛甲峪地區(qū)土壤全硒含量分布特征，探討不同土地利用方式和海拔高度對土壤全硒含量的影響，采集掛甲峪地區(qū)表層土壤(0 ~ 20 cm)樣品122個，采用GIS方法對土壤全硒含量進行了空間分布特征研究。結(jié)果表明：掛甲峪地區(qū)土壤全硒含量變幅為0. 06 ~ 0.76 mg/kg，平均值為0. 30 mg/kg。86.88% 的土壤全硒含量處于足硒及以上水平(> 0.175 mg/kg)，其中有20.49% 的土壤屬于富硒含量(0.40 ~ 0.30 mg/kg)。不同土地利用類型間以草地土壤全硒含量平均值最高(0.40 mg/kg)，其次是林地(0.37 mg/kg)，最低為園地(0.25 mg/kg)。表層土壤全硒含量隨海拔高度的增加呈上升趨勢。土壤硒元素的塊金值為0.001 4，塊金系數(shù)為88.10%，空間相關(guān)性弱。掛甲峪地區(qū)整體上呈北西向帶狀分布，存在富硒土壤。

掛甲峪；空間相關(guān)性；硒

硒(Se)是生物體必需的微量元素之一，是環(huán)境中重要的生命元素[1-2]。土壤中的硒元素被植物吸收后通過食物鏈進入人體，發(fā)揮增強免疫、抗氧化和重金屬解毒等多種生物學(xué)作用[3]，但其過量或缺乏都會導(dǎo)致人體產(chǎn)生多種病癥[4-5]。研究表明，貫穿我國從東北到西南的低硒帶與我國克山病和大骨節(jié)病帶的分布完全吻合[6-7]。自然土壤中的硒元素主要來源于土壤母質(zhì)和巖石，不同地區(qū)土壤中硒的含量分布極不均勻，從世界范圍來看，全球地殼中硒的平均豐度為0.13 mg/kg，普遍缺乏[8]。我國是世界上公認的嚴重缺硒國家之一，約有72% 的地區(qū)處于缺硒和低硒狀態(tài)，其中約有30% 以上為嚴重缺硒[9]。

在以往研究中，北京地區(qū)土壤硒含量分布規(guī)律差異較大。戴昭華和黃衍初[10]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)表層土壤硒含量在0.05 ~ 0.48 mg/kg，平均值為0.275 mg/kg。郭莉等[11]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，北京平原地區(qū)有高硒土壤，沿平原區(qū)西部山前斷續(xù)出現(xiàn)，并在市區(qū)零星分布，硒在土壤表層富集。鄧厚培和陳慶中[12]對北京東郊順義調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤硒含量在0.041 ~ 0.133 mg/kg，含量較低。黃淇等[13]對北京市房山平原區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域存在富硒土壤，土壤硒含量受山區(qū)成土母質(zhì)的影響較大。李娜等[14]對北京周口店地區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)土壤環(huán)境呈低硒狀態(tài)，且當?shù)鼐用裱逦狡毡樘幱谌狈顟B(tài)?？梢?，當前針對北京土壤硒的含量及分布已有較多相關(guān)研究，北京地區(qū)土壤硒含量整體上屬于缺乏水平，局部地區(qū)硒含量差異較大。但對硒元素存在的地區(qū)空間分布特征及系統(tǒng)性深入調(diào)查還不夠充分。

平谷是北京地區(qū)桃的主產(chǎn)區(qū)，平谷掛甲峪具有“平谷大桃村”之稱，果品年總產(chǎn)量可達150萬kg，是北京市重要的水果產(chǎn)出地區(qū)之一，“掛甲峪名果”等名牌享譽國內(nèi)外[15]。本研究擬以北京掛甲峪地區(qū)為例，采集該區(qū)域表層土壤(0 ~ 20 cm)，測定土壤全硒含量，分析硒元素的空間分布特征，為地方發(fā)展富硒農(nóng)產(chǎn)品以及合理利用硒資源等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

掛甲峪地區(qū)(117°05′27.90 ~ 117°06′32.50″E，40°15′08.15″ ~ 40°16′15.11″N)位于北京市平谷區(qū)北部，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，海拔123.18 ~ 371.62 m，年均氣溫10 ~ 20 ℃，年均降水量644 mm，面積2.411 km2[15]。該區(qū)域北、東、南三面環(huán)山，中間為一狹小的丘陵盆地。土壤巖性以砂巖、砂質(zhì)礫巖、砂質(zhì)及粉砂質(zhì)頁巖、碳酸鹽巖、黏土質(zhì)巖石等沉積巖為主。土壤母質(zhì)為洪積沖積物、殘積物和坡積物，土壤類型為褐土。土地利用方式主要為林地、園地和草地，林地大部分位于中低山區(qū)，園地主要分布在淺山區(qū)，草地分布以山前區(qū)、川谷及地勢較平緩的崗臺地帶為主。區(qū)內(nèi)林果業(yè)發(fā)達，林木覆蓋率達到70% 以上。

1.2 樣品采集與測定

2016年8月對調(diào)查區(qū)0 ~ 20 cm土壤進行樣品采集，采用100 m×100 m的網(wǎng)格，避開房屋及道路等設(shè)施，共采集樣品122個。采樣點分布如圖1所示。采用GPS定位記錄取樣點空間坐標。土壤樣品經(jīng)風干、磨碎后過100目篩，土壤全硒含量測定采用NY/ T1104—2006氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法(HG-AFS)。

圖1 研究區(qū)采樣點分布

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0和Excel 2007進行整理與統(tǒng)計分析，采用GS+7.0對硒元素進行空間結(jié)構(gòu)性分析。采用單樣本非參數(shù)檢驗法(One-Sample Kolmogorov- Smirnov Test)對樣本數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗(＜0.05，2-tailed＝[16]，硒元素服從K-S正態(tài)分布。以殘差(RSS)最小和決定系數(shù)(2)最大為原則，選擇最佳的半變異函數(shù)擬合模型[17]。其中，塊金值(C0)通常由測量誤差和取樣引起的隨機變異組成；塊金系數(shù)(C0/(C0+C))表示隨機部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例[18]。利用ArcGIS 10.2.2軟件對土壤硒元素進行克里金空間插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 掛甲峪地區(qū)不同土地利用方式土壤全硒含量比較

不同土地利用方式的土壤全硒含量見表1，林地土壤全硒含量變化范圍為0.10 ~ 0.76 mg/kg，均值為0.37 mg/kg；園地變化范圍為 0.06 ~ 0.56 mg/kg，均值為0.25 mg/kg；草地變化范圍為0.11 ~ 0.57 mg/kg，均值為0.40 mg/kg。不同土地利用方式中草地全硒含量平均值最高，其次是林地，最低為園地。全硒含量最高值出現(xiàn)在林地，最低值出現(xiàn)在園地。全硒含量變異系數(shù)為草地(0.40)>林地(0.35)>園地(0.33)，分布較均勻。

表1 掛甲峪地區(qū)不同土地利用方式土壤全硒含量比較

注：本研究參照土地利用現(xiàn)狀分類標準GB/T21010—2007[19]對土壤樣品進行分類。

2.2 掛甲峪地區(qū)不同海拔土壤全硒含量比較

不同海拔土壤全硒含量統(tǒng)計分析結(jié)果見表2，海拔在100 ~ 200 m的土壤全硒含量變化范圍為0.11 ~ 0.39 mg/kg，均值為0.23 mg/kg；海拔在200 ~ 300 m的土壤全硒含量變化范圍為0.06 ~ 0.76 mg/kg，均值為0.30 mg/kg；海拔在300 ~ 400 m的土壤全硒含量變化范圍為0.10 ~ 0.57 mg/kg，均值為0.37 mg/kg。土壤全硒平均含量表現(xiàn)為海拔300 ~ 400 m > 海拔200 ~300 m > 海拔100 ~ 200 m。

對掛甲峪地區(qū)土壤全硒含量與海拔做相關(guān)性分析(圖 2)，結(jié)果表明，土壤全硒含量與海拔高度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，即土壤全硒含量隨著海拔增高有增加趨勢。

2.3 掛甲峪地區(qū)土壤全硒含量總體特征

由掛甲峪地區(qū)與其他地區(qū)表層土壤硒含量比較(表3)可知，該地區(qū)土壤全硒含量平均值為 0.30 mg/kg，變幅為0.06 ~ 0.76 mg/kg，平均值高于北京市平原區(qū)[11]、內(nèi)蒙古武川縣[20]、黑龍江[21]、廣東[22]和三峽區(qū)(重慶段)[23]等地區(qū)，同時高于我國土壤背景值[24]和世界土壤平均硒含量[28]，但低于我國江西省豐城市[24]及香港等富硒地區(qū)[25]。

表2 掛甲峪地區(qū)不同海拔土壤全硒含量比較

圖2 表層土壤全硒含量與海拔的相關(guān)關(guān)系

表3 掛甲峪地區(qū)與其他地區(qū)表層土壤硒含量比較(mg/kg)

根據(jù)譚見安[27]的土壤硒含量分級方法，對采集的土壤樣品全硒含量劃分為5個等級(表4)，調(diào)查樣點中有20.49% 的土壤樣品全硒含量處于富硒水平，有66.39% 的土壤樣品處于足硒水平，10.66% 的土壤樣品處于潛在硒不足，2.46% 的土壤樣品處于硒含量缺乏水平，所采集樣品中未發(fā)現(xiàn)硒含量過剩土壤?？梢姡瑨旒子貐^(qū)存在大面積足硒土壤和富硒土壤。

2.4 掛甲峪地區(qū)土壤硒元素的空間變異特征

利用GS+7.0對硒元素進行空間結(jié)構(gòu)性分析，不同模型擬合參數(shù)見表5。不同模型中殘差(RSS)最小為0.000 008 15，決定系數(shù)(2)最大為0.912，即指數(shù)模型為硒元素的最佳半變異函數(shù)擬合模型。該模型中，塊金值為0.001 4，塊金值較小，表明采樣方案可以較好地反映土壤全硒元素的變異程度；塊金系數(shù)大于75%，表明硒元素空間相關(guān)性弱，其原有的空間分布格局受到人為因素的干擾。

采用ArcGis10.2.2軟件克里金插值方法繪制土壤全硒含量分布圖(圖3)。由圖3可知，掛甲峪地區(qū)土壤硒含量分布不均勻，整體上呈北西向帶狀分布。高硒土壤主要分布在區(qū)域西南角(林全亭的西北方向)、北側(cè)山坡上和東側(cè)山坡上，空間分布比較集中。

表4 掛甲峪地區(qū)土壤硒含量分級

表5 硒元素不同模型擬合參數(shù)結(jié)果

圖3 掛甲峪地區(qū)土壤全硒空間分布圖

3 討論

掛甲峪地區(qū)土壤全硒含量范圍為0.06 ~ 0.76 mg/kg，硒含量高的區(qū)域巖性以灰?guī)r、泥巖、泥灰?guī)r互層和砂巖等沉積巖為主，這些沉積巖中含有豐富的黏土礦物，有利于硒元素在土壤中吸附固定。土壤母質(zhì)影響土壤硒元素的含量與分布，這與前人調(diào)查一致。王美珠和章明奎[28]及陳俊堅等[22]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤母質(zhì)是造成自然土壤中硒含量高低的主要因素，土壤硒元素的含量和分布在很大程度上取決于成土母質(zhì)的組成和性質(zhì)。遲鳳琴等[21]對黑龍江省土壤硒的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤中豐富的黏土礦物和有機質(zhì)有利于硒酸鹽等的累積。

掛甲峪地區(qū)林地土壤全硒含量平均值為0.37 mg/kg，是園地平均值的1.48倍。草地土壤硒全量平均值為0.40 mg/kg，是園地平均含量的1.60倍。說明不同土地利用方式和人類活動強弱會影響硒元素分布的不均一性和多變性[29]。林地和草地分別位于海拔較高的中低山區(qū)和地勢較平緩的地區(qū)，硒含量受人類干擾較少，生態(tài)系統(tǒng)中的硒通過山地侵蝕、風化、腐殖化、有機物礦化等作用向表層土壤富集，其中少量硒元素被植物吸收利用[16]，這可能是引起林地和草地土壤富集硒元素的原因。園地土壤中有機肥和化肥的定期施用會增加土壤中硒元素向水溶態(tài)轉(zhuǎn)化的速度，使得土壤中的硒元素易于向植物體遷移轉(zhuǎn)化，這可能是引起該類型土壤硒元素較低的原因。

掛甲峪地區(qū)土壤硒含量隨海拔的升高有增加趨勢，這與王曉杰等[20]、章海波等[25]、張曉平和張玉霞[30]、武少興等[31]調(diào)查結(jié)果一致。原因可能是：該地區(qū)氣候?qū)俅箨懶约撅L氣候，降水較少，淋溶作用較弱，硒元素的遷移作用減弱，且北、東、南三面環(huán)山，隨著海拔的增加溫度降低，有機質(zhì)分解減慢，有機復(fù)合態(tài)的硒與有機質(zhì)結(jié)合減少，導(dǎo)致植物吸收的水溶態(tài)硒和土壤中被淋溶的硒含量減少，使得硒元素在高海拔地區(qū)更易于富集。

4 結(jié)論

掛甲峪地區(qū)表層土壤硒含量高于我國和世界土壤硒含量平均值，調(diào)查點有20.49% 的土壤處于富硒水平(0.40 ~ 3.00 mg/kg)，有66.39% 的土壤處于足硒狀態(tài)(0.175 ~ 0.400 mg/kg)，僅2.46% 的土壤處于硒含量缺乏水平(<0.125 mg/kg)，未發(fā)現(xiàn)硒含量過剩土壤，即該地區(qū)存在大面積足硒土壤和富硒土壤。不同的土地利用方式表層土壤硒含量存在差異，草地土壤硒水平最高，林地次之，園地最低。表層土壤全硒含量隨海拔的增加而增加。掛甲峪地區(qū)硒元素整體上呈北西向帶狀分布，高硒土壤的空間分布較集中。土壤母質(zhì)對全硒含量及分布的影響最大，硒元素空間變異受人為因素、土地利用方式、地形條件和人為管理方式的影響。

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Distribution Pattern of Soil Total Selenium in Guajiayu Area of Beijing

CUI Meng1, SUN Xiangyang1*, JIANG Xinfu2, LI Suyan1, YANG Shaobin1, LI Song1, GONG Xiaoqiang1, ZHANG Le1

(1 College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2 Forest Seed and Seedling Service Center of Tongzhou District in Beijing, Beijing 101100, China)

To illustrate the distribution characteristics of soil total selenium (Se), 122 samples of topsoils (0–20 cm) were collected from Guajiayu area in Beijing to analyze the spatial distribution characteristics of soil total Se content with GIS and its relationship with altitude and land use type. The results showed that total Se content ranged from 0.06 to 0.76 mg/kg with the average value of 0.30 mg/kg. 86.88% of soil samples belonged to Se-sufficient and above levels (>0.175 mg/kg), among of which 20.49% of soil samples belonged to Se-enriched level (0.40 – 0.30 mg/kg). Grassland had the highest total Se content (0.40 mg/kg), followed by woodland (0.37 mg/kg), and the lowest was orchard (0.25 mg/kg). Soil total Se content had a significant positive correlation with altitude. Furthermore, spatial variability indicated that spatial correlation of Se element was weak, with the nugget (0) and the coefficient of nugget (0/(0+)) were 0.001 4 and 88.10%, respectively. The distribution of soil total Se generally showed a northwest zonal distribution trend, and Se-rich soils are obviously existed in the area.

Guajiayu; Spatial correlation; Selenium(Se)

中國工程院咨詢研究項目(2014-XZ-11-02)和北京市科技計劃項目( Z161100001116061 )資助。

(sunxy@bjfu.edu.cn)

崔萌(1993—)，女，河北萬全人，碩士研究生，研究方向為土壤修復(fù)與健康。E-mail：974538322@qq.com

S159.2；X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.04.026