于龍龍，吳 磊，張志敏，晁 旭，馮海艷，楊忠芳

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068)

0 引 言

硒是地球上一種稀少且分散的元素，其地殼豐度為0.13 mg/kg，是人和動(dòng)物必需的微量元素[1]。硒元素對(duì)維持人體正常生理功能至關(guān)重要，具有保護(hù)心肌健康、抗氧化、防衰老、增強(qiáng)人體免疫力、重金屬解毒以及防癌、抗癌、治癌等功能[2]。硒的攝入量過(guò)少會(huì)導(dǎo)致克山病、大骨節(jié)病等疾病[3]，同時(shí)也會(huì)對(duì)人體的心血管系統(tǒng)造成影響[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有72%的縣市存在不同程度的缺硒，三分之一的地區(qū)極度缺硒[5]。硒是人體必需的微量元素，但硒的攝取只能通過(guò)日常膳食植物性或動(dòng)物性有機(jī)硒進(jìn)行補(bǔ)充[6]。研究認(rèn)為土壤是人和動(dòng)物體內(nèi)硒的主要來(lái)源，而植物是土壤硒元素的重要吸收者和轉(zhuǎn)移者，人體通過(guò)富硒農(nóng)產(chǎn)品攝入硒元素[7]。在天然富硒地區(qū)種植農(nóng)作物可以得到比人工富硒產(chǎn)品更優(yōu)質(zhì)的富硒產(chǎn)品，同時(shí)也進(jìn)一步降低了富硒產(chǎn)品的成本[8]。因此天然富硒區(qū)農(nóng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)日益引起人們的關(guān)注。

紫陽(yáng)縣地處陜西南部，是我國(guó)兩大高硒區(qū)之一，表層土壤硒含量平均值為0.94 mg/kg，明顯高于全國(guó)表層土壤硒含量平均值，該區(qū)表層土壤硒含量在空間分布上呈現(xiàn)南北高、中間低的分布格局[9]，該縣雙安鎮(zhèn)土壤硒含量高達(dá)15.74 mg/kg[10]。該縣雙安鎮(zhèn)、高橋鎮(zhèn)和蒿坪鎮(zhèn)玉米、蘿卜、水稻和黃豆等主要農(nóng)作物產(chǎn)品硒含量的檢測(cè)結(jié)果表明，97%以上的農(nóng)作物樣品達(dá)到了陜西省的富硒食品及相關(guān)產(chǎn)品硒含量標(biāo)準(zhǔn)(DB61/T 556—2012)，其中雙安鎮(zhèn)鬧熱村農(nóng)作物硒含量平均值大于0.40 mg/kg[11]。目前，紫陽(yáng)縣已經(jīng)涌現(xiàn)出茶葉、魔芋、果醋和硒菇等規(guī)模化富硒產(chǎn)品行業(yè)，當(dāng)?shù)氐母晃寥蕾Y源為富硒農(nóng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了有力保障，為了配合當(dāng)?shù)卣块T提高富硒農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量，摸清當(dāng)?shù)赝寥赖酿B(yǎng)分狀況就成為當(dāng)務(wù)之急。土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)是依據(jù)土壤中植物營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)的含量水平進(jìn)行的[12]，國(guó)內(nèi)在湖北恩施地區(qū)已開(kāi)展了相關(guān)研究，但研究結(jié)果不容樂(lè)觀，主要表現(xiàn)在：表層土壤養(yǎng)分淋失嚴(yán)重[13]，耕地地力水平整體偏低[14]，且養(yǎng)分高低不均營(yíng)養(yǎng)失衡，土壤酸化嚴(yán)重[15]，可見(jiàn)富硒區(qū)土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)對(duì)于富硒區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤管理具有重要的意義。有研究表明陜南茶園部分土壤養(yǎng)分元素含量水平低于臨界值[16]，因此，本研究選取了位于陜西省紫陽(yáng)縣雙安鎮(zhèn)土壤高硒帶上的富硒區(qū)域鬧熱村為研究區(qū)，通過(guò)采集表層土壤樣品，分析測(cè)試大量元素氮、磷、鉀，中量元素鈣、鎂、硫和鋅、錳等微量元素以及有機(jī)質(zhì)和pH值等16項(xiàng)指標(biāo)，獲得了陜西紫陽(yáng)鬧熱村土壤營(yíng)養(yǎng)元素的含量地球化學(xué)特征、分級(jí)特征和地球化學(xué)空間分布狀況，評(píng)價(jià)了富硒土壤養(yǎng)分綜合等級(jí)，為全面掌握富硒土壤中養(yǎng)分質(zhì)量狀況和對(duì)富硒土地的開(kāi)發(fā)利用提供了科學(xué)理論支撐。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)位于陜西省安康市紫陽(yáng)縣雙安鎮(zhèn)，地屬陜西南部(圖1)，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)108°33′50.16″，北緯32°40′09.84″。氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)半濕潤(rùn)-大陸性季風(fēng)氣候，溫暖多雨，無(wú)霜期210～270 d。年平均氣溫12～15.7 ℃，年降水量750～1 200 mm，年平均日照1 440～1 840 h。紫陽(yáng)縣是著名的富硒農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地，盛產(chǎn)富硒玉米、水稻、黃豆和茶葉等。鬧熱村土壤類型以棕黃壤為主。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 樣品采集和處理

本研究按照土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)1:50 000的采樣密度共采集表層土壤樣品138件，土壤樣品采集時(shí)間為在上一季農(nóng)作物收割之后，下一季農(nóng)作物種植且施肥之前。采樣時(shí)避開(kāi)了溝渠、田埂、路邊等不具有代表性的地方。采樣地點(diǎn)以GPS定點(diǎn)為中心，采取樣點(diǎn)中心50 m區(qū)域內(nèi)3～5個(gè)分樣點(diǎn)。采集樣品前清除地表草根等雜物，采樣深度為0～20 cm，將樣品中明顯的石塊、農(nóng)作物秸稈等進(jìn)行剔除，采到的各個(gè)分樣點(diǎn)樣品均勻混合后，采用四分法選用1.0～1.5 kg的土壤樣品放入樣品袋中。采樣的同時(shí)如實(shí)詳細(xì)記錄土壤質(zhì)地、周圍景觀等樣點(diǎn)信息，具體采樣點(diǎn)位分布見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置及樣品點(diǎn)位圖

樣品加工在野外駐地進(jìn)行，樣品放置在通風(fēng)良好的室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干處理，去除風(fēng)干后樣品中的破碎植物秸稈，用木槌碾碎土壤樣品，使其全部通過(guò)20目(孔徑為0.85 mm)的塑料尼龍網(wǎng)篩。

2.2 樣品分析方法

土壤樣品測(cè)試嚴(yán)格按照《區(qū)域地球化學(xué)勘查樣品分析方法》(DZ/T0279—2016)、《地質(zhì)礦產(chǎn)部實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量管理規(guī)范》(DZ/T0130—2006)、《地球化學(xué)調(diào)查(比例尺1:50 000)規(guī)范樣品分析技術(shù)要求及補(bǔ)充規(guī)定》執(zhí)行。采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES，6300，美國(guó)熱電公司)、X射線熒光光譜法(XRF，ZSX Primus-Ⅱ，日本理學(xué)公司)、發(fā)射光譜分析法(ES，E5000，中國(guó)聚光科技(杭州)股份有限公司)、容量法(VOL)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS，iCAP Q，美國(guó)熱電公司)等方法測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。測(cè)試結(jié)果均采用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確度和精密度檢驗(yàn)，其中準(zhǔn)確度采用RE= ΔlgC=|lgCi-lgCs|檢驗(yàn),精密度均采用RD=100×|C1-C2|/(C1+C2)檢驗(yàn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均符合《土壤質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)要求，土壤元素分析方法與檢出限見(jiàn)表1。

表1 元素分析方法與檢出限(單位：mg/kg)

2.3 數(shù)據(jù)處理和圖件繪制方法

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用IBM SPSS Statistics 20軟件完成，圖件采用ArcGIS10.4.1繪制，圖件繪制方法采用反距離權(quán)重法。

3 結(jié)果分析和討論

3.1 表層土壤硒和植物營(yíng)養(yǎng)元素含量及分布特征

3.1.1 土壤硒元素含量及分布特征

研究區(qū)表層土壤樣品硒元素含量平均值為3.85 mg/kg，含量范圍在0.5～25.3 mg/kg之間。根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)，研究區(qū)17%的土壤樣品硒含量達(dá)到富硒水平，83%的土壤樣品硒含量達(dá)到過(guò)剩水平。硒含量達(dá)到過(guò)剩水平的區(qū)域主要分布在研究區(qū)自西北向東南一帶，占研究區(qū)總面積的52%，研究區(qū)表層土壤硒含量分級(jí)見(jiàn)圖2。

圖2 表層土壤硒元素含量分級(jí)圖

3.1.2 大量營(yíng)養(yǎng)元素含量及分布特征

大量植物營(yíng)養(yǎng)元素包括碳、氫、氧、氮、磷、鉀6種，其中碳和氧來(lái)自空氣中的二氧化碳，氫和氧來(lái)自水，而氮、磷、鉀幾乎全部來(lái)自土壤[17]。

研究區(qū)表層土壤大量營(yíng)養(yǎng)元素的地球化學(xué)分布見(jiàn)圖3。土壤氮元素含量的平均值為1 997.29 mg/kg，含量范圍在690.12～6 199.93 mg/kg之間，相對(duì)高含量區(qū)(大于2 022.71 mg/kg)主要分布在鬧熱村西部，相對(duì)低含量區(qū)(小于1 899.86 mg/kg)主要分布在鬧熱村東部和南部。土壤磷元素含量平均值為1 713.08 mg/kg，含量范圍在154.43～7 199.84 mg/kg之間，相對(duì)高含量區(qū)(大于2 226.38 mg/kg)主要分布在鬧熱村南部，相對(duì)低含量區(qū)(小于1 139.65 mg/kg)主要分布在鬧熱村北部。土壤鉀元素(K2O)含量平均值為2.84%，含量范圍在0.97%～4.44%之間，相對(duì)高含量區(qū)(大于3.32%)主要分布在鬧熱村北部，相對(duì)低含量區(qū)(小于2.68%)主要分布在鬧熱村南部(圖3)。

反應(yīng)堆壓力容器為核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的主設(shè)備之一，固定和包容堆芯及堆內(nèi)構(gòu)件，使核燃料的裂變反應(yīng)限制在一個(gè)密封的空間內(nèi)進(jìn)行。它和一回路管道共同組成高壓冷卻劑的壓力邊界，是防止放射性物質(zhì)外逸的第二道屏障之一。在筒體法蘭上鉆有58個(gè)螺孔，用以安裝螺栓與頂蓋密封，螺栓擰入過(guò)程中如果發(fā)生螺栓咬死的情況，處理起來(lái)比較困難，且影響較大。

3.1.3 中量營(yíng)養(yǎng)元素含量及分布特征

中量營(yíng)養(yǎng)元素通常指鈣、鎂和硫元素，鈣元素可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，鎂元素是葉綠素的重要構(gòu)成，硫元素是植物體內(nèi)氨基酸和蛋白質(zhì)的構(gòu)成成分[18]。

研究區(qū)表層土壤鈣元素(CaO)含量平均值為4.96%，含量范圍在0.37%～20.89%之間，相對(duì)高含量區(qū)(大于7.52%)主要分布在鬧熱村北部和中部，相對(duì)低含量區(qū)(小于3.74%)主要分布在鬧熱村西北部和南部。土壤鎂元素(MgO)含量平均值為3.11%，含量范圍在1.73%～13.97%之間，相對(duì)高含量區(qū)(大于4.21%)主要分布在鬧熱村南部，相對(duì)低含量區(qū)(小于2.92%)主要分布在鬧熱村東北部、東南部和西北部。土壤硫元素含量平均值為348.38 mg/kg，含量范圍在45.87～4 710.61 mg/kg之間，相對(duì)高含量區(qū)(大于525.24 mg/kg)主要分布在鬧熱村東北部和西北部，相對(duì)低含量區(qū)(小于281.23 mg/kg)主要分布在鬧熱村東部和南部(圖3)。

圖3 研究區(qū)土壤營(yíng)養(yǎng)元素、有機(jī)質(zhì)和pH值地球化學(xué)分布圖

3.1.4 微量營(yíng)養(yǎng)元素含量及分布特征

土壤中的Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素, 它們多是組成酶、維生素和生長(zhǎng)激素的成分, 直接參與有機(jī)體的代謝過(guò)程,對(duì)農(nóng)作物的品質(zhì)有著重要的影響作用[19]。

研究區(qū)表層土壤中，鉬元素含量范圍為1.15～307.08 mg/kg，平均值為20.96 mg/kg，相對(duì)高含量區(qū)(大于55.14 mg/kg)主要分布在鬧熱村東部和西部，分布面積較小；錳元素和鐵元素含量范圍分別為68.22～2 052.86 mg/kg和1.04%～13.52%，平均值分別為747.92 mg/kg和6.33%，相對(duì)高含量區(qū)(大于784.82 mg/kg和大于6.37%)主要分布在鬧熱村南部；銅元素含量范圍為9.13～738.72 mg/kg，平均值為107.81 mg/kg，相對(duì)高含量區(qū)(大于102.17 mg/kg)主要分布在鬧熱村南部；鋅元素含量范圍為51.69～1 204.62 mg/kg，平均值為231.18 mg/kg，相對(duì)高含量區(qū)(大于273.85 mg/kg)分布在鬧熱村中部偏南的區(qū)域；氯元素含量范圍為23.99～8 121.05 mg/kg，平均值為47.68 mg/kg，相對(duì)高含量區(qū)(大于49.69 mg/kg)主要分布在鬧熱村西北部；硼元素含量范圍為14.11～195.57 mg/kg，平均值為74.72 mg/kg，相對(duì)高含量區(qū)(大于89.93 mg/kg)主要分布在鬧熱村西北部和西南部(圖3)。

3.1.5 土壤有機(jī)質(zhì)及pH分布特征

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)、土壤結(jié)構(gòu)、土壤的生態(tài)功能都有重要的影響，可以促進(jìn)植物和土壤微生物的活性[20]。土壤酸堿度是土壤重要的理化性質(zhì)，正常土壤pH值范圍在5～8之間，過(guò)酸或者過(guò)堿會(huì)對(duì)土壤微量金屬營(yíng)養(yǎng)元素的有效性造成影響[21-22]。

3.2 表層土壤營(yíng)養(yǎng)元素分級(jí)

根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)中土壤營(yíng)養(yǎng)元素劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)，研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分元素/指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)及相對(duì)比例如圖4所示。

圖4 研究區(qū)土壤養(yǎng)分元素/指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)相對(duì)比例圖

3.2.1 大量營(yíng)養(yǎng)元素等級(jí)劃分

研究區(qū)所采土壤樣品中氮、鉀元素含量均在適中及以上水平，其中氮元素含量等級(jí)為很豐富、豐富和適中的土壤樣品分別占34.1%、65.0%和0.9%；鉀元素含量等級(jí)為很豐富的樣品占31.3%，等級(jí)為豐富的樣品占60.0%，等級(jí)為適中的樣品占8.7%；磷元素含量在研究區(qū)分布不均勻，從很豐富到缺乏各個(gè)等級(jí)都有分布，其中32.9%的土壤樣品磷元素含量很豐富，21.0%的土壤樣品磷元素含量等級(jí)為豐富，40.8%的土壤樣品磷元素含量等級(jí)為適中，4.6%的土壤樣品磷元素含量等級(jí)為稍缺乏，0.7%的土壤樣品磷元素含量等級(jí)為缺乏。

表2 土壤中營(yíng)養(yǎng)元素等級(jí)劃分[12]

3.2.2 中量營(yíng)養(yǎng)元素等級(jí)劃分

研究區(qū)所采土壤樣品的鈣、鎂元素含量均在適中及以上水平，其中鈣元素含量等級(jí)達(dá)到很豐富、豐富和適中的樣品比例分別為2.8%、88.7%和8.5%，鎂元素含量等級(jí)均達(dá)到很豐富水平；98.4%的土壤樣品硫元素含量達(dá)到適中及以上水平，1.6%的土壤樣品硫元素含量等級(jí)為稍缺乏及以下水平。

3.2.3 微量營(yíng)養(yǎng)元素等級(jí)劃分

研究區(qū)所采土壤樣品鉬元素和鐵元素含量很豐富，所有樣品鉬元素含量達(dá)到很豐富水平，99.7%的土壤樣品鐵元素含量達(dá)到很豐富水平。錳元素含量達(dá)到豐富及以上水平的土壤樣品占86%，適中水平的占12.7%，稍缺乏及缺乏水平的占1.3%；硼元素含量達(dá)到了適中及以上水平的土壤樣品占99.4%，稍缺乏及缺乏水平的僅占0.6%；土壤銅元素和鋅元素含量為很豐富和缺乏水平，其中銅元素含量很豐富和缺乏水平的樣品比例分別為15.7%和84.3%，鋅元素含量很豐富和缺乏水平的樣品比例分別為1.4%和98.6%。研究區(qū)土壤鋅和銅含量水平較低，銅元素和鋅元素的缺乏會(huì)影響植物的光合作用以及碳水化合物和蛋白質(zhì)的合成，進(jìn)而導(dǎo)致植物質(zhì)量和產(chǎn)量的下降，一般減產(chǎn)10%～20%，嚴(yán)重者會(huì)減產(chǎn)一半以上[23]，應(yīng)當(dāng)適量施用銅肥和鋅肥。

3.2.4 有機(jī)質(zhì)

研究區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量水平均在四級(jí)(稍缺乏)以上水平，其中，36.7%的土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量達(dá)適中，63.3%的土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量水平為稍缺乏。研究區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，土壤有機(jī)質(zhì)缺乏會(huì)導(dǎo)致土壤肥力下降，土壤結(jié)構(gòu)板結(jié)，同樣也會(huì)影響到植物的質(zhì)量和產(chǎn)量，應(yīng)當(dāng)適量施用有機(jī)肥料。

3.3 表層土壤養(yǎng)分綜合分級(jí)

根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》[12]，研究區(qū)表層土壤綜合養(yǎng)分等級(jí)達(dá)到一級(jí)水平的面積占研究區(qū)總面積的7%，達(dá)到二級(jí)水平的面積占研究區(qū)總面積的45%，達(dá)到三級(jí)水平的面積占研究區(qū)總面積的48%，研究區(qū)表層土壤綜合養(yǎng)分等級(jí)見(jiàn)圖5。

圖5 研究區(qū)表層土壤養(yǎng)分綜合等級(jí)圖

研究區(qū)表層土壤養(yǎng)分綜合等級(jí)均達(dá)到了三級(jí)及以上水平，土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量總體豐富，80%以上的土壤樣品大量營(yíng)養(yǎng)元素和中量營(yíng)養(yǎng)元素含量等級(jí)均達(dá)到二級(jí)豐富及以上水平。對(duì)比表層土壤硒元素含量地球化學(xué)特征圖(圖2)和綜合養(yǎng)分等級(jí)圖(圖5)，表層土壤硒元素含量達(dá)到富硒水平的區(qū)域和綜合養(yǎng)分等級(jí)三級(jí)的區(qū)域以及硒元素含量達(dá)到過(guò)剩水平的區(qū)域以及綜合養(yǎng)分等級(jí)達(dá)到一級(jí)、二級(jí)的區(qū)域近乎重合，表層土壤硒含量過(guò)剩的區(qū)域與綜合養(yǎng)分等級(jí)為一等和二等的區(qū)域在空間分布上吻合度高，有較好的富硒農(nóng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前景。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)硒資源豐富，表層土壤硒元素含量范圍在0.50～25.30 mg/kg之間，含量平均值為3.85 mg/kg，土壤硒含量為富硒等級(jí)和過(guò)剩等級(jí)的土壤面積比例分別占48%和52%，為當(dāng)?shù)馗晃r(nóng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)研究區(qū)土壤呈中性—弱堿性，表層土壤中的大量元素和中量元素總體達(dá)到豐富及以上水平，微量元素鋅和銅含量水平較低，土壤有機(jī)質(zhì)較缺乏。在富硒農(nóng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可通過(guò)配施微量元素肥料和有機(jī)肥料提高土壤的綜合養(yǎng)分水平。

(3)研究區(qū)表層土壤綜合養(yǎng)分等級(jí)均達(dá)到了三級(jí)及以上水平，土壤養(yǎng)分情況整體良好；表層土壤高硒區(qū)與綜合養(yǎng)分等級(jí)為一等和二等的區(qū)域在空間分布上吻合度高，有較好的富硒農(nóng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前景。