羅軍強, 吳 穎, 張元培, 白 洋, 趙 辭

(湖北省地質局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

天門市張港地區(qū)土壤—農作物富硒特征及應用研究

羅軍強, 吳 穎, 張元培, 白 洋, 趙 辭

(湖北省地質局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

為了充分發(fā)揮江漢平原富硒資源優(yōu)勢,促進地區(qū)富硒資源開發(fā)利用,天門市開展了土地質量地球化學評價工作,計劃打造江漢平原富硒產業(yè)園。調查結果顯示,天門市張港地區(qū)表層土壤Se平均含量為0.33 mg/kg,總體達到足硒水平,北部地區(qū)土壤達到富硒,且土壤中重金屬元素含量處于安全水平。通過農作物調查研究發(fā)現(xiàn)天然富硒小麥、黃豆、油菜、玉米、花菜等優(yōu)質農產品,其中小麥、黃豆、油菜的富硒率達100%。土壤中有效Se與總Se呈較好的正相關關系,總Se含量增大可增加有效量Se;與S、P之間為中等正相關。玉米、黃豆、花菜Se富集系數(shù)與K2O中等正相關,而與P呈負相關關系;小麥Se富集系數(shù)則與土壤P、K2O呈負相關關系,與土壤SiO2呈中等正相關。

富硒土壤;遷移;富集系數(shù);天門市張港鎮(zhèn)

元素硒(Se)是世界衛(wèi)生組織(WHO)確定的人體必需微量元素[1],研究表明硒具有抗氧化、抗衰老、抗輻射、抗病毒、保護視力以及提高人體免疫力的功能,還能預防和抑制鎘、砷、汞等有毒重金屬元素對機體的傷害[2]。硒屬于分散元素,其在大陸地殼中含量很低,且分布極不均勻。中國處于地球低硒帶,全國72%國土面積存在不同程度的缺硒現(xiàn)象[3],約有1億多人口的膳食結構中硒含量不足,造成人體低硒狀態(tài)。天門市張港地區(qū)作為湖北省重要的商品糧基地,擁有豐富的土壤硒資源及特色農產品,因此,發(fā)展富硒產業(yè)的前景非常廣闊。本文結合張港地區(qū)自然地理、生態(tài)環(huán)境、富硒土壤資源、特色農產品、農業(yè)產業(yè)結構等方面,系統(tǒng)地探討富硒土壤的開發(fā)利用,為研究區(qū)富硒產業(yè)園開發(fā)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天門市西南角,漢江下游左岸,地理坐標東經(jīng)112°46′00″～112°55′00″,北緯30°30′00″～30°40′00″。該區(qū)地處平原,地勢開闊,河渠交織,灘涂凸起、堰塘錯落;廣布砂土型灰潮土和壤土型灰潮土;屬于北亞熱帶季風氣候,四季分明、日照充足,自然環(huán)境優(yōu)越。全鎮(zhèn)國土面積150 km2,其中耕地99.45 km2,水域21.29 km2,林地2.54 km2;全鎮(zhèn)全部為旱地,以小麥、油菜、黃豆、花生、蔬菜種植為主,其中,花菜種植面積達46 km2,居全國第一,是著名的“花椰菜之鄉(xiāng)”。

2 樣品采集及分析測試

研究區(qū)系統(tǒng)采集了張港地區(qū)土壤表層、農作物及根系土、土壤垂直剖面等樣品。其中表層土壤樣為0～20 cm的耕作層土壤,垂直剖面樣品為0～200 cm的土壤,按0～20 cm、20～50 cm、50～100 cm、100～150 cm、150～200 cm采集土壤樣品。

農作物及根系土樣品采集了小麥、油菜和黃豆、玉米、花菜等大面積種植作物。樣品采集以代表性和合理性為原則,同時兼顧不同地理地貌類型或不同的土壤類型,同點采集根系土樣品。共采集了56件農作物及根系土樣品,農作物采樣時間為收獲盛期,在采樣點地塊內視不同情況以0.1～0.2 hm2為采樣單元,在采樣單元內選取5～20個植株,小麥樣品采取麥穗;玉米采取第一穗(即離地面最近的一穗),采用多點法進行取樣,籽粒樣品經(jīng)自然干燥后脫粒混勻,鋪開后用方格法和四分法縮分,取樣重量約為250 g;同時采集根系土樣品,用木鍬等量采集0～20 cm表層土壤,混合均勻后用四分法留取1 kg混合土樣。樣品經(jīng)自然風干,剔除樣品中石礫及植物殘體等雜物,用木棍敲打、碾碎過20目尼龍篩裝袋,送化驗室分析測試。

樣品分析由湖北省地質實驗測試中心完成,質量控制按照中國地質調查局《地質礦產實驗室測試質量管理規(guī)范(DZ0130—2006)》進行。土壤樣品采用等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-MS)測定Cu、Zn、Cd、Pb含量,原子熒光光譜法(AFS)測定 As、Hg、Se含量,X射線熒光光譜法(XRF)測定Cr含量,離子電極法(ISE)測定土壤pH值。

生物樣分析方法執(zhí)行中國地質調查局《生態(tài)地球化學評價樣品分析技術要求(試行)》(DD2005—03)、GB/T 5009系列標準等規(guī)范,采用ICP-OES、ICP-MS測定Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Pb、Fe、Mn、Ca、K、Mg、P、S、Cd含量,AFS測定 As、Hg、Se含量。所有測試結果都滿足《生態(tài)地球化學評價樣品分析技術要求》所規(guī)定分析方法的精密度和準確度要求。

3 土壤中Se及重金屬元素含量特征

3.1 土壤Se元素含量特征

在研究區(qū)采集了781 件表層土壤樣品進行分析統(tǒng)計,結果見表1?？梢钥闯?研究區(qū)表層土壤pH值范圍為6.71～8.83,總體偏堿性,利于農作物對Se的吸收富集[4-5]。研究區(qū)表層土壤Se含量均值為0.33 mg/kg,介于0.15～0.61 mg/kg,其含量適中,達到足硒水平[6],其中在研究區(qū)北部地區(qū)達到富硒水平。

表1 張港地區(qū)表層土壤Se元素參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of Se element parameters in surface soil of Zhanggang area (N=781)

農田生態(tài)系統(tǒng)是自然、地質、地球化學作用和人類生產活動共同作用的產物,研究表明[7],本區(qū)土壤Se元素自然來源主要為漢江上游黑色巖系的沖積作用。土壤垂直剖面分析不同層次土壤的元素含量,針對Se元素異常分布區(qū)、所處土壤環(huán)境背景等地球化學特點及地貌形態(tài),布置了11條剖面來進行剖析。本區(qū)地質背景均為第四系全新世漢水干流物源沉積區(qū),成土母質均為沖積相,通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,將研究區(qū)深層土壤地球化學元素特征值列于表2。

對比江漢流域深層平均值,本區(qū)深層土壤(150～200 cm)Se元素明顯富集,其比值>1.2。土壤垂向剖面測量結果顯示(圖1),各垂向剖面上Se含量的變化趨勢較為相似,即由表層至深層均表現(xiàn)為逐步下降的規(guī)律,表明Se在表層土壤中富集顯著,可能與研究區(qū)的堿性環(huán)境、弱淋溶作用以及土壤顆粒相關[8]。

表2 張港地區(qū)深層土壤Se元素參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of Se element parameters in deep soil of Zhanggang area (N=11)

圖1 張港地區(qū)土壤Se垂直剖面含量變化對比圖Fig.1 Contrast diagram of soil Se vertical profile content change in Zhanggang area

3.2 土壤重金屬元素含量特征

參照國家土壤環(huán)境質量標準(GBl5618—1995),旱地土壤在pH>6.5的堿性環(huán)境下,其起始污染下限取值分別為Hg 0.5 mg/kg、Cd 0.6 mg/kg、Pb 300 mg/kg、As 30 mg/kg、Cr 200 mg/kg。由表3可見,表層土壤中重金屬元素的含量除Cd外,其他元素均未超標。變異系數(shù)的數(shù)據(jù)顯示,5種重金屬的變異系數(shù)都在15%～40%范圍內,根據(jù)變異程度的劃分,屬于弱變異程度。

表3 張港地區(qū)表層土壤重金屬元素參數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of heavy metal elements in surface soil of Zhanggang area (N=781)

采用單項污染指數(shù)法和最大指數(shù)法對研究區(qū)的土壤進行統(tǒng)計評價[9],區(qū)內土壤中Cr、Hg、Pb、Zn全部為一級;土壤中As、Cu、Ni均為一級和二級;土壤中Cd多為一級和二級,占耕地面積的97%以上,輕微污染面積僅0.77 km2,說明研究區(qū)表層土壤重金屬元素的安全性高。

對比江漢流域深層平均值,本區(qū)深層土壤(150～200 cm)Cd、Hg元素明顯富集,其比值均>1.2,總體看來,區(qū)內土壤基底與所處的揚子地臺區(qū)大的母源地質環(huán)境基本一致。

相對于深層土壤,表層土壤中As、Cr、Pb基本處于本底狀態(tài),Cd、Hg元素則明顯富集(表4),說明表層土壤在人類生產活動過程中Cd、Hg等元素含量呈現(xiàn)富集的趨勢。

表4張港地區(qū)深層土壤重金屬元素參數(shù)統(tǒng)計表

Table 4 Statistical table of heavy metal elements in deep soil of Zhanggang area

(N=11)

4 農作物中Se及重金屬元素含量特征

4.1 農作物Se元素含量特征

研究區(qū)共采集生物樣品56件,涉及張港地區(qū)主要可食性農產品,通過生物地球化學調查,發(fā)現(xiàn)了天然富硒小麥、大豆、油菜、玉米和蔬菜等優(yōu)質特色農產品。按照國家標準GB/T 22499—2008富硒稻谷(糧食、豆類富硒食品限量值0.04 mg/kg)來衡量,小麥、黃豆、油菜樣品均達到富硒水平,富硒率為100%;8件玉米樣品有5件達到富硒水平,富硒率62.5%。另外在張港地區(qū)花菜種植區(qū)采集樣品9件,參照湖北省地方標準《富有機硒食品硒含量要求(DB42/002—2014)》中的標準,即果蔬類≥0.20 mg/kg(干基)可標定為富有機硒蔬菜,通過數(shù)據(jù)分析可知,有7件樣品達到富硒蔬菜的標準,富硒率77.7%。

從Se富集系數(shù)來看(表5),富集能力最強的農作物為油菜,是花菜的25倍,生物富集能力大小依次為油菜>小麥>黃豆>玉米>花椰菜。Se富集能力突出,為開發(fā)富硒農產品提供了較好的先決條件。

4.2 農作物中重金屬元素含量特征

按照食品安全國家標準《GB2762—2012 食品中污染物限量》標準統(tǒng)計可知(表6),張港地區(qū)各類農作物均達到安全標準,農作物中重金屬元素均未超標。

表5 農作物Se元素含量統(tǒng)計表Table 5 Statistical table of Se element content in crops

注:*花菜Se含量統(tǒng)計為濕基分析數(shù)據(jù)。

5 土壤—農作物中Se元素遷移規(guī)律

5.1 土壤Se形態(tài)分析

研究證明,Se在土壤中以硒酸鹽(Se6+)、亞硒酸鹽(Se4+)、元素硒、硒化物、有機態(tài)硒和氣態(tài)硒等多種形式存在[10],其中亞硒酸鹽、硒酸鹽和有機態(tài)硒是植物主要的吸收形態(tài)。研究區(qū)表層土壤有效Se含量范圍為0.010～0.032 mg/kg,約占土壤總Se含量的3.25%～9.34%,說明土壤有效Se在本區(qū)活性較強,相對來說更容易被植物所利用吸收。

通過土壤硒形態(tài)研究表明,本區(qū)土壤硒形態(tài)以有機態(tài)賦存狀態(tài)為主。Se的水溶態(tài)的比率為4.09%,離子交換態(tài)為2.85%,可見其活化可浸出能力較強。另外,Se的腐殖酸結合態(tài)比率較高為16.05%,高于其他重金屬元素,說明土壤Se的形態(tài)在一定條件下可轉換為易利用形態(tài)。

表6 農作物重金屬元素含量統(tǒng)計表(mg/kg)Table 6 Statistical table of content of heavy metal elements in crops

注:Cd、Hg單位為ng/g,其他為mg/kg。

5.2 土壤Se有效態(tài)分析

大量研究表明,Se的有效性除受形態(tài)影響之外,還與土壤質地、pH、Eh、陽離子交換量(CEC)、有機質、氧化物等因素有關[11]。對土壤有效Se與相關元素作相關性分析,結果表明(圖2),表層土壤中有效Se與總Se有著較好的正相關性,說明有效Se含量隨總Se含量增大而增加,這意味著土壤有效Se受土壤總Se的影響較為顯著。

圖2 張港地區(qū)土壤有效硒與總硒、S、P、pH關系圖Fig.2 Relation diagram of soil available selenium and total selenium、S、Pand pH in Zhanggang area

5.3 農作物Se與土壤養(yǎng)分元素相關性分析

農作物Se對賦存于土壤中的Se的吸收程度取決于其有效性,不同農作物Se的富集系數(shù)受土壤中養(yǎng)分的影響也存在較大差異。據(jù)相關性分析,小麥、花菜Se富集系數(shù)與土壤中總Se呈中等負相關,黃豆Se富集系數(shù)與總Se為正相關關系,而油菜、玉米Se富集系數(shù)與土壤總Se的相關性并不明顯。

N、P、K作為農作物必需的大量營養(yǎng)元素,一定程度上影響著農作物對Se的遷移轉化。由圖3可見,玉米、黃豆、花菜Se富集系數(shù)與K2O為中等正相關,而與P之間呈中等負相關,說明農作物生長過程中對鉀元素的需求,也促使了作物對Se的吸收。小麥Se富集系數(shù)則與土壤P、K2O均呈負相關關系,與土壤SiO2呈中等正相關(r=0.573),說明小麥在SiO2高含量區(qū)更容易富集Se元素。N元素雖也是農作物必需的大量營養(yǎng)元素,但主要以有機態(tài)的形式存在土壤中,即有機質含量越高,被有機質固定的Se越多,可被農作物吸收的越少;另據(jù)相關性分析,黃豆、花菜Se富集系數(shù)與MgO中等正相關,玉米Se富集系數(shù)與TFe2O3中等正相關。

5.4 農作物Se與土壤pH值相關性分析

研究區(qū)土壤全部為中堿性土壤,可以看出,四種農作物對土壤pH的響應方式不同(圖4),花菜、玉米和黃豆Se富集系數(shù)與土壤pH中等正相關;小麥的硒富集系數(shù)隨著堿性增加呈不明顯的下降趨勢。

圖3 農作物硒富集系數(shù)與土壤總Se、P、K2O關系圖Fig.3 Relationship diagram of selenium enrichment coefficient of crops with total Se、P and K2O

圖4 土壤酸堿度與農作物Se富集系數(shù)關系圖Fig.4 Relation diagram of soil acidity and alkalinity and Se enrichment coefficient of crops

5.5 農作物Se與土壤CEC相關性分析

圖5是小麥、水稻、黃豆、花菜四種農作物Se富集系數(shù)與土壤CEC含量的散點圖。從圖上可以看出,土壤陽離子交換量與黃豆、玉米Se的富集系數(shù)中等正相關,最大富集系數(shù)基本出現(xiàn)在土壤陽離子交換量15～20 cmol/kg之間。CEC與花菜則相關性不明顯;小麥Se富集系數(shù)與陽離子交換量之間呈較明顯的負相關關系,隨著土壤陽離子交換量的增加而逐步下降。

圖5 土壤CEC與農作物硒富集系數(shù)關系圖Fig.5 Relationship diagram of soil CEC and selenium enrichment coefficient of crops

6 結論與建議

6.1 結論

(1) 調查數(shù)據(jù)顯示,研究區(qū)表層、深層土壤酸堿度變化不大,均呈中堿性;表層土壤Se總體達到足硒水平,平均含量為0.33 mg/kg,北部地區(qū)達到富硒水平,具備了開發(fā)富硒農產品的貯量資源。對比江漢流域深層平均值,研究區(qū)深層土壤Se元素明顯富集,比值為1.64,垂向剖面表明,由深層至表層土壤Se含量變化總體表現(xiàn)為逐步遞增的趨勢,在表層達到最高。

(2) 研究發(fā)現(xiàn),張港地區(qū)小麥、黃豆、油菜樣品均達到富硒水平,富硒率為100%;玉米樣品富硒率62.5%,花菜樣品富硒率達到77.7%。農作物中重金屬元素含量總體較低,安全性極高。農作物中高Se低污染的特征為開發(fā)富Se農產品提供了較好的先決條件。

(3) 研究區(qū)表層土壤中有效Se與總Se有著較好的正相關性,說明有效Se含量隨總Se含量增大而增加;與S、P之間呈中等正相關關系,與有機質、K、N等元素相關性不明顯。小麥、花菜Se富集系數(shù)與土壤中總Se呈顯著負相關,黃豆Se富集系數(shù)與總Se為正相關關系。玉米、黃豆、花菜Se富集系數(shù)與K2O中等正相關,小麥Se富集系數(shù)則與土壤P、K2O均呈負相關關系。由此可見,富硒農產品開發(fā)建設應選擇土壤中硒、鉀、鎂、CEC較豐富地區(qū),鈣、磷、硫含量略低地區(qū),可利于農作物對Se的富集。

6.2 建議

調查發(fā)現(xiàn),張港地區(qū)可供利用的富硒土壤面積61.03 km2(Se>0.35 mg/kg),且基本無污染,農作物富硒率高,安全性高,特色農業(yè)優(yōu)勢明顯,是一個優(yōu)質安全的富硒地區(qū)。在本次研究成果的基礎上,建議建設綜合性富硒農產品種植區(qū),各類富硒產品開發(fā)利用建議見表7。

表7 張港地區(qū)富硒土壤開發(fā)利用建議表Table 7 Suggestions on the development and utilization of selenium rich soil in Zhanggang area

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Selenium-rich Characteristics and Application Research ofSoil-Crop in Zhanggang Area

LUO Junqiang, WU Yin, ZHANG Yuanpei, BAI Yang, ZHAO Ci

(GeophysicalExplorationBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Wuhan,Hubei430056)

In order to give full play of advantages of rich selenium resources of Jianghan plain and promote the exploitation and utilization of selenium resources,the land quality geochemical evaluation was carried out in Tianmen city.It had a plan to build a rich selenium industrial park in Jianghan plain.The investigation result showed that the average content of soil selenium in Zhanggang area was 0.33mg/kg.The total reached the level of sufficient selenium.The soil in the northern region was rich in selenium and the content of heavy metals in the soil was at a safe level.Through crop investigation and research,the authors found the natural rich wheat,soybean,rapeseed,corn cauliflower and other high quality agricultural products.The selenium rate of wheat,soybean and rapeseed was 100%.There was a positive correlation between effective selenium and total selenium in soil.The increase of total selenium content can increase the effective amount of se.There was a moderate positive correlation between effective Se and S and P in soil.The concentration coefficient of maize,soybean and cauliflower Se was positively correlated with K2O and negatively correlated with P.The coefficient of wheat selenium enrichment was negatively correlated with soil P and K2O and moderately positive in soil SiO2.

selenium-rich soil; migration; enrichment coefficient; Zhanggang town of Tianmen City

S158

A

1671-1211(2017)06-0717-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.06.010

2017-08-21;改回日期2017-09-30

湖北省“金土地”工程——高標準基本農田地球化學調查項目(項目編碼:JTD20140105,JTD20150102)。

羅軍強(1972-),男,工程師,土木工程專業(yè),從事地球化學找礦及農業(yè)地質調查工作。E-mail:512910263@qq.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171114.1047.006.html數(shù)字出版日期2017-11-14 10:47

于繼紅)