張 麗，張乃明，張玉娟，鄧 洪，楊浩瑜

云南耕地土壤硒含量空間分布及其影響因素研究①

張 麗1,3，張乃明2,3*，張玉娟1,3，鄧 洪2,3，楊浩瑜2,3

(1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院，昆明 650201；2云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；3云南農(nóng)業(yè)大學(xué)云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實驗室，昆明 650201)

為了解云南耕地土壤硒含量狀況，采集了640個云南代表性耕地表層土壤樣品，對土壤硒含量空間分布特征及其影響因素進行研究。結(jié)果表明：①云南省耕地土壤硒總量變幅在0.05 ～ 7.12 mg/kg，平均含量為0.51 mg/kg，達到富硒水平；②不同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤硒含量差異較大，基型結(jié)晶鹽類的玄武巖等發(fā)育的土壤硒含量最高，平均為0.77 mg/kg；③土壤類型對硒的含量影響明顯，其中棕壤硒含量平均為1.24 mg/kg，顯著高于其他土壤類型，石灰(巖)土硒含量最低僅為0.21 mg/kg；從行政區(qū)看位于滇東的曲靖市和昭通市土壤硒平均含量明顯高于其他州市；④相關(guān)分析表明，土壤硒含量與土壤pH之間的相關(guān)性均沒有達到顯著水平；而土壤硒含量與土壤有機質(zhì)呈極顯著的正相關(guān)性(= 0.110，< 0.001)，說明有機質(zhì)影響土壤硒的含量。

耕地土壤；硒；空間分布；影響因素

硒(Se)是自然界一種高度分散的非金屬元素，1973年，世界衛(wèi)生組織(WHO)宣布硒是人體生命活動中不可或缺的必需微量元素，其豐缺狀況與人體健康息息相關(guān)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，人類的心血管疾病、克山病、白內(nèi)障和甲狀腺等疾病均與人體缺乏微量元素硒有關(guān)[2]，因此，適量地攝入硒元素能夠起到保護心肌健康、增強自身免疫力、抗氧化、防衰老等生物學(xué)功能[3-5]。另外，大量流行病的調(diào)查資料顯示[6]，區(qū)域性的心血管系統(tǒng)疾病的發(fā)病率與水源、土壤、飲食以及人體硒水平呈明顯的負相關(guān)性，對于缺硒類的人群，飲食攝入補充硒元素是最主要的途徑之一[7]，而作物硒含量主要取決于土壤硒的背景值[8]。由于硒在地球表面分布的高異質(zhì)性，使其分布、遷移及轉(zhuǎn)化在很大程度上受制于環(huán)境地球化學(xué)性質(zhì)和行為。研究發(fā)現(xiàn)，成土母質(zhì)是影響土壤硒含量的主要控制因素，而成土過程、土壤理化性質(zhì)及氣候條件等因素也是重要的影響因素[9-13]，各種因素的共同作用決定了一個區(qū)域土壤硒的豐缺，但不同地區(qū)的影響因素作用大小因地而異。有學(xué)者認為高硒土壤主要繼承了富硒巖石和煤層，頁巖、泥質(zhì)沉積物及磷酸鹽巖的硒含量通常可能較高[14-16]。王秋爽等[17]對廣東省揭西縣土壤硒影響因素的研究和劉永賢等[18]對廣西潯郁平原富硒土壤成因及影響因素的研究也證實了成土母質(zhì)、土壤理化性質(zhì)均能夠影響土壤硒含量。

土壤硒在長期地球化學(xué)循環(huán)過程中極易發(fā)生次生富集與貧化[19]。從已有文獻資料來看，我國從東北至西南存在一條較為明顯的缺硒地帶，國土面積中有72% 的土壤存在不同程度的缺硒現(xiàn)象，硒含量不足0.1 mg/kg，其中云南省屬于嚴重缺硒以及缺硒病經(jīng)常發(fā)生的地區(qū)[20]。研究證實，硒元素的缺乏是大骨節(jié)病和克山病這兩種地方流行病的主要環(huán)境危險因素之一[21-22]。另有研究發(fā)現(xiàn)，云南不明原因猝死病區(qū)的水和土壤中硒水平均顯著低于非病區(qū)組[23]。且云南克山病具有明顯的地域性，病區(qū)以滇中北部的楚雄為中心，向滇東北及滇西河谷地區(qū)延伸，呈現(xiàn)一條弧形分布帶[24]。我國主要土壤類型耕作土表層硒含量范圍為0.038 ～ 3.081 mg/kg，平均值為0.269mg/kg[25]。從東北地區(qū)的暗棕壤(均值0.12 mg/kg)、黑土(0.11 mg/kg)到西南方向的紅黃壤、棕壤和紅壤(均值0.09 mg/kg)，低硒帶內(nèi)的土壤硒含量均值顯著低于中國其他地區(qū)的土壤硒含量[26]。20世紀 80年代的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，云南省為嚴重缺硒地帶，但最新的區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查顯示云南發(fā)現(xiàn)多個區(qū)域的富硒土壤，由于以往調(diào)查數(shù)據(jù)的年代較為久遠，且調(diào)查面積及采集土壤樣本數(shù)量的局限性，云南土壤硒含量豐缺狀況究竟如何尚無明確的結(jié)論。因此，為了進一步詳細了解云南耕地土壤硒含量的真實狀況，在云南16個州市開展了全面的調(diào)查研究，并深入分析了成土母質(zhì)、土壤類型和土壤性質(zhì)對土壤硒含量的影響，不僅能夠科學(xué)認識云南土壤硒的含量分布特征，而且可為富硒農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

云南省位于中國西南邊陲，位于97°31′～ 106°12′E，21°08′～ 29°15′N。東西寬865 km，南北長990 km，國土面積38.32萬km2。云南地勢呈現(xiàn)西北高東南低的特征，海拔高差較為懸殊，相對平緩的山區(qū)只占總面積的10%，大面積土地高低差參，縱橫起伏。由于其地勢的特殊性，氣候類型復(fù)雜多樣，兼具低緯氣候、季風(fēng)氣候、山原氣候的特點，年溫差小，日溫差大，干濕季節(jié)分明，大部分地區(qū)年降雨量在1 000 mm以上，但地域分配極不均勻。土壤類型主要以紅壤、赤紅壤、磚紅壤、紫色土、黃壤、水稻土等為主，土壤成土母質(zhì)類型多樣，主要為酸性結(jié)晶巖類的花崗巖等、基性結(jié)晶巖類的玄武巖等、紫色巖類和碳酸鹽巖類等。

1.2 土壤采樣點布置及樣品采集

云南耕地表層土壤采樣點以隨機采樣調(diào)查為主，同時采樣點布局兼顧均勻性與合理性，以便最大限度控制代表耕地面積，樣品兼顧分布面積較大的旱地和水田等。樣品采集以代表性為主要原則，由3 ～ 5個點多樣點混合采集0 ～ 20 cm表層土壤組合而成。本研究樣品采集及分析于2018年7月至2019年2月進行，共涉及昆明市、文山州、曲靖市、玉溪市、紅河州、迪慶州、怒江州和普洱市等16個州市，基本覆蓋了云南省全部地區(qū)，共采集土壤樣品640個，土壤采樣點位分布如圖1所示。所有采樣區(qū)域根據(jù)農(nóng)田地塊特點布設(shè)采樣點，采集耕作表層土壤(0 ～ 20 cm)，采集多點混合樣，四分法取2 kg土壤樣品帶回實驗室。土壤樣品放置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干、過篩、備用。

1.3 土壤硒分級標準

表層土壤硒含量分級標準見表1。

1.4 分析測定

參照NY/T 1104—2006方法對土壤全量硒進行測定。具體測定方法如下：取風(fēng)干后的土樣，用四分法取適量樣品后，全部粉碎，過0.149 mm孔徑篩，混勻后作為測定全硒的待測樣品。從待測樣品中取2 g于100 ml三角瓶中，加入硝酸–高氯酸混合酸放置過夜進行消化至無色，繼續(xù)消化至冒白煙后取下稍冷，向三角瓶中加入10 ml 1:1鹽酸溶液置于沸水浴中加熱10 min，取下冷卻轉(zhuǎn)入50 ml容量瓶中定容至刻度，搖勻，使用原子熒光儀(型號：XGY-1011A)進行測定。土壤pH采用電位法測定；土壤有機質(zhì)采用氧化還原容量法測定。

表1 表層土壤硒豐缺劃分界限值[27]

1.5 統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計軟件SPASS 19.0和Microsoft Excel 2007完成描述性統(tǒng)計分析、單因素方差分析及LSD多重比較，運用ArcGIS 10.0地統(tǒng)計軟件進行制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 云南省耕地土壤硒含量特征與空間分布

2.1.1 云南耕地土壤硒含量分布特征 調(diào)查結(jié)果顯示(表2)，云南農(nóng)田耕地土壤硒元素含量范圍為0.05 ～ 7.12 mg/kg，平均值0.51 mg/kg。與我國其他地區(qū)表層土壤全硒含量相比，研究區(qū)耕地土壤全硒含量平均值僅次于海南省[28]和香港[29]，高于黑龍江省[30]和西藏大骨節(jié)病區(qū)[31]，低于恩施市[32]硒毒區(qū)。與我國[33]和世界[34]土壤硒含量均值相比，研究區(qū)耕地土壤硒含量平均值分別是我國和世界的1.76倍和1.28倍。標準差和方差是測算數(shù)據(jù)離散趨勢最重要、最常用的指標，其反映了數(shù)據(jù)的離散程度。由表2統(tǒng)計結(jié)果可見，本研究區(qū)耕地土壤硒元素的標準差和方差均較大，表明硒元素含量在耕地土壤中比較分散，樣本數(shù)據(jù)波動較大。偏度系數(shù)反映了樣本數(shù)據(jù)分布的不對稱性，表2統(tǒng)計結(jié)果中，表層土壤偏度系數(shù)大于0，表明均值位于峰值的右邊，呈現(xiàn)正偏向；峰度系數(shù)測度了數(shù)據(jù)在均值附近的集中程度，硒元素在表層土壤中峰度系數(shù)大于0，表明數(shù)據(jù)分布集中程度高于正態(tài)分布。

表2 表層土壤硒含量統(tǒng)計特征

2.1.2 云南耕地土壤各等級硒含量占比 根據(jù)表1中土壤硒含量豐缺的劃分標準，由各含量分級樣品數(shù)分別占總樣品數(shù)的百分數(shù)求得研究區(qū)不同硒含量等級的占比，結(jié)果如圖2所示。土壤硒含量處在缺乏和邊緣等級的土壤較少，占13.44%；土壤硒含量介于0.175 ～ 0.40 mg/kg屬于適量等級的占比為43.59%；土壤硒含量介于0.40 ～ 3.00 mg/kg屬于富硒土壤的占比為42.03%；土壤硒達到過剩等級的僅占0.94%?？傊?，研究區(qū)硒含量大于0.175 mg/kg的占比為86.56%，由此說明研究區(qū)內(nèi)耕地土壤硒含量總體較為適量，屬于足硒土壤，這在一定程度上顛覆了云南土壤總體缺硒的傳統(tǒng)觀點。

2.1.3 云南耕地土壤硒含量空間分布 利用ArcGIS對云南耕地土壤表層硒含量進行普通克里格插值，插值結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，耕地土壤硒含量較高的區(qū)域主要集中在研究區(qū)東北部、東部、南部和西南部，并總體呈現(xiàn)出由東北部、東部、南部和西南部邊緣地帶逐漸向中西部遞減的趨勢。據(jù)估算可知，土壤硒元素含量大于0.175 mg/kg的耕地面積占云南省總面積的4/5以上，因此可推測，云南耕地土壤硒含量總體并不缺乏。

2.2 成土母質(zhì)對耕地土壤硒含量的影響

土壤硒含量受成土母質(zhì)、地形地貌、土壤酸堿度等多種因素的影響，各個影響因素的影響大小因地而異[35]。其中富硒巖石和煤系地層是高硒土壤的主要來源。單因素方差分析表明，不同成土母質(zhì)發(fā)育而來的耕地土壤平均硒含量差異達到了極顯著水平(<0.001)。研究顯示[36-37]，中國陸地土壤硒含量小于0.1 mg/kg的區(qū)域?qū)儆谌蔽貐^(qū)，低硒地區(qū)土壤硒含量為0.1 ～ 0.2 mg/kg，正常硒含量地區(qū)土壤硒含量為0.2 ～ 0.4 mg/kg，富硒土壤硒含量大于0.4 mg/kg。由表3可見，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)耕地土壤硒元素含量在不同母質(zhì)發(fā)育區(qū)域的平均值范圍為0.34 ～ 0.77 mg/kg，均達到正常硒含量范圍。研究區(qū)以基型結(jié)晶鹽類的玄武巖等發(fā)育而來的耕地土壤平均硒含量最高，平均含量可達0.77 mg/kg，達到富硒土壤水平，且基型結(jié)晶鹽類的玄武巖發(fā)育而來的土壤硒含量最低值僅為0.21 mg/kg，也達到了正常硒含量的標準；其次是碳酸鹽巖類、石英質(zhì)鹽類等發(fā)育而來的耕地土壤平均硒含量達0.67 mg/kg，也遠遠高于中國陸地土壤的富硒水平。其他幾類巖類發(fā)育而來的土壤硒平均含量之間差異不顯著，但均達到硒適量水平。變異系數(shù)(CV)的大小反映了人類活動的強弱，CV≤10%表示弱變異性，10%

表3 不同類型成土母質(zhì)發(fā)育土壤中總硒含量

注：表中同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示差異達<0.05顯著水平，下表同。

2.3 土壤類型對耕地土壤硒含量的影響

云南是典型的紅壤區(qū)，但由于其氣候類型的多樣性，成土母質(zhì)發(fā)育而來的土壤類型不僅包括紅壤，還包括黃壤、石灰性土及褐土等。研究區(qū)不同土壤類型中土壤硒元素含量統(tǒng)計見表4。單因素方差分析表明，不同土壤類型的耕地平均硒含量達到了顯著水平(<0.05)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示：表層土壤硒元素含量在不同類型土壤的平均值均達到硒適宜量的等級(≥0.175 mg/kg)，其中除了石灰(巖)土和紫色土，其他土壤硒平均含量均達到0.40 mg/kg以上，達到富硒土壤的等級。農(nóng)田耕地土壤中，以棕壤的硒平均含量顯著最高，可達1.24 mg/kg；紅壤硒平均含量顯著高于石灰(巖)土；其他類型土壤硒平均含量范圍介于0.36 ～ 0.46 mg/kg，各類土壤硒平均含量之間差異不顯著。由表4可知，研究區(qū)內(nèi)褐土、紅壤和棕壤硒含量的變異系數(shù)均大于100%，屬于強變異性；其他類型土壤硒含量的變異系數(shù)介于10% ～ 100%，均屬于中度變異程度。其中紅壤表層硒含量的變異系數(shù)最大，說明紅壤硒含量受人為活動的影響較其他類型土壤大。

2.4 不同州市耕地土壤硒元素的分布特征

由于大理州、保山市和西雙版納州的采樣點少于3個，因此不列入表中進行統(tǒng)計分析。其他13個州市進行單因素方差分析表明，各州市之間的耕地土壤硒含量差異達到了極顯著水平(<0.001)。由表5可見，各州市耕地土壤硒平均含量范圍在0.09 ～ 0.72mg/kg，除了楚雄州外，其他各州市土壤硒平均含量均達到了硒適宜及以上水平(≥0.175mg/kg)。其中，曲靖市土壤硒平均含量最高，為0.72mg/kg；楚雄州最低，為0.09mg/kg，屬于缺硒土壤；富硒耕地土壤主要分布在昭通市、紅河州、昆明市、曲靖市、德宏州、臨滄市和文山州；硒適量耕地土壤主要分布在迪慶州、玉溪市、怒江州、普洱市和麗江市。需要說明的是，未列入表中的大理州土壤硒含量屬于缺乏級別，保山市和西雙版納州土壤硒含量均達到富硒級別，由此可見，除了局部地區(qū)外，研究區(qū)土壤硒含量總體并不缺乏。此次研究結(jié)果與云南省各州市土壤硒背景值相比較可知，除怒江州和楚雄州以外，研究區(qū)其他州市耕地土壤硒含量均不同程度高于背景值。

表4 不同土壤類型總硒含量

表5 不同區(qū)域表層土壤總硒含量及分級

① 國家環(huán)境保護局. 云南土壤環(huán)境背景值研究[R]. “七五”國家科技攻關(guān)環(huán)保項目. 1990: 123–124.

2.5 土壤理化性質(zhì)對耕地土壤硒含量的影響

硒的遷移性與許多生物物理–化學(xué)參數(shù)息息相關(guān)，其中土壤pH和有機質(zhì)是反映土壤理化性質(zhì)的重要指標。研究發(fā)現(xiàn)，硒的遷移、溶解在很大程度上取決于吸附/解吸反應(yīng)、pH、有機無機絡(luò)合以及在土壤和沉積物中的溶解過程[39-40]。本研究對云南表層土壤硒含量與土壤pH、土壤有機質(zhì)含量進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，當(dāng)土壤pH≤7.0時，土壤硒含量與土壤pH呈正相關(guān)，但沒有達到顯著水平(= 0.065)；當(dāng)土壤pH>7.0時，土壤硒含量與土壤pH呈負相關(guān)，也沒有達到顯著水平(=–0.080)(圖4)；而土壤硒含量與土壤有機質(zhì)則呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性(= 0.110，<0.001)(圖5)。

土壤硒的存在形式主要有硒化物、有機硒化物、亞硒酸鹽和硒酸鹽等，而土壤pH是控制亞硒酸鹽和硒酸鹽之間轉(zhuǎn)化的主要因素。通常情況下，在酸性和中性的條件下硒主要以亞硒酸鹽(SeO2– 3)的形態(tài)存在，極易被吸附固定在土壤中的鋁、鐵或錳的氫氧化物上[12]，遷移淋溶作用較弱；而在通氣良好的堿性土壤中，硒主要以硒酸態(tài)(SeO2– 4)形式存在，硒酸鹽溶解性好且不易被金屬氧化物固定，移動性較強。因此，土壤pH越高，土壤中硒元素易被淋失，硒含量越低，戴慧敏等[41]和曹容浩[42]的研究均證實了此觀點。但本文研究結(jié)果表明當(dāng)土壤呈現(xiàn)酸性和中性時，土壤硒含量隨pH的升高而增加；而當(dāng)土壤呈現(xiàn)堿性時，土壤硒含量隨pH的升高而降低，說明土壤pH對土壤硒含量的影響并不能一概而論，要進一步進行土壤pH閾值劃定的研究。

土壤有機質(zhì)對土壤硒的地球化學(xué)行為有顯著的影響。土壤中約有80% 的硒與有機質(zhì)結(jié)合，富含有機質(zhì)的土壤中，硒能夠優(yōu)先進入低分子量的腐殖質(zhì)組分中，呈現(xiàn)與金屬腐殖質(zhì)復(fù)合的無機復(fù)合狀態(tài)并在土壤中固定下來。因此，有機質(zhì)對硒具有一定的吸附和固定作用[43]。相對應(yīng)的，土壤有機質(zhì)自身分解過程中能夠?qū)⒁呀Y(jié)合的部分硒釋放出來，其腐殖質(zhì)分解過程中產(chǎn)生的其他新產(chǎn)物也會促進硒的活化，導(dǎo)致土壤硒含量的下降。許多研究認為有機質(zhì)與土壤硒含量密切相關(guān)[44-45]，本研究結(jié)果也證實了此觀點，土壤有機質(zhì)含量與硒含量呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，即隨著土壤有機質(zhì)含量的增加，土壤硒含量也隨之增加。

3 結(jié)論

1)云南耕地土壤硒元素含量平均值為0.51 mg/kg，分別是全國和世界平均值的1.76倍和1.28倍，其中硒含量大于0.175 mg/kg的采樣點位占總采樣點的4/5以上，主要分布在滇東、滇南和滇西南，全省耕地土壤總體達到中等足硒水平。

2)研究區(qū)基型結(jié)晶鹽類的玄武巖等發(fā)育的土壤硒平均含量最高為0.77 mg/kg，泥質(zhì)巖類母質(zhì)發(fā)育的土壤硒含量相對較低。

3)棕壤硒平均含量顯著高于其他土壤類型，且富硒土壤主要分布在曲靖市、昭通市、德宏州、臨滄市和紅河州等地，全省富硒土壤占比為42.03%，可作為開發(fā)富硒農(nóng)產(chǎn)品的后備區(qū)域；土壤有機質(zhì)對硒的含量影響大于土壤pH。

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Spatial Distribution of Se Content and Its Influencing Factors in Cultivated Topsoil in Yunnan

ZHANG Li1,3, ZHANG Naiming2,3*,ZHANG Yujuan1,3,DENG Hong2,3, YANG Haoyu2,3

(1 Plant Protection Institute, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2 College of Resource and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 3 Yunnan Soil Fertility and Pollution Remediation Engineering Laboratory, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

In order to clarify the selenium content of cultivated soil in Yunnan Province, 640 topsoil samples of farmlands in Yunnan were collected, and then its spatial distribution and influencing factors were studied. The results showed that the total Se content ranged from 0.05 to 7.12 mg/kg, with an average content of 0.51 mg/kg, reaching Se-rich level. Soil Se contents were different between different parent materials, which was highest in soils derived from basalt of basic crystalline salt type, with an average of 0.77 mg/kg. Soil type had a significant effect on Se content, Se content was significantly higher in brown soil, with an average of 1.24 mg/kg, while was the lowest in lime soil (0.21 mg/kg). Average Se content was higher in Qujing and Zhaotong than in other areas. Correlation analysis showed that Se content was not significantly correlated with soil pH, but significantly positively correlated with soil organic matter (= 0.110,<0.001), indicating that organic matter affects soil Se content.

Cultivated soil; Selenium; Spatial distribution; Influencing factors

S159

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.03.018

張麗, 張乃明, 張玉娟, 等. 云南耕地土壤硒含量空間分布及其影響因素研究. 土壤, 2021, 53(3): 578–584.

云南省重點研發(fā)計劃項目(2018BC003)和國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFD0800603)資助。

(zhangnaiming@sina.com)

張麗(1989—)，女，河南駐馬店人，博士研究生，主要從事土壤重金屬污染與防治方面的研究。E-mail: zhangyunli0202@126.com