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四川成都市唐昌镇土壤硒分布特征及影响因素

龚仓, 王亮, 王顺祥, 王德伟, 陆海川, 张志翔, 江凌云, 严步青, 熊韬, 刘玖芬

龚仓, 王亮, 王顺祥, 王德伟, 陆海川, 张志翔, 江凌云, 严步青, 熊韬, 刘玖芬. 四川成都市唐昌镇土壤硒分布特征及影响因素[J]. 岩矿测试, 2022, 41(3): 437-450. DOI: 10.15898/j.cnki.11-2131/td.202111180179
引用本文: 龚仓, 王亮, 王顺祥, 王德伟, 陆海川, 张志翔, 江凌云, 严步青, 熊韬, 刘玖芬. 四川成都市唐昌镇土壤硒分布特征及影响因素[J]. 岩矿测试, 2022, 41(3): 437-450. DOI: 10.15898/j.cnki.11-2131/td.202111180179
GONG Cang, WANG Liang, WANG Shunxiang, WANG Dewei, LU Haichuan, ZHANG Zhixiang, JIANG Lingyun, YAN Buqing, XIONG Tao, LIU Jiufen. Distribution Characteristics of Soil Selenium and Its Influencing Factors in Tangchang Town of Chengdu City, Sichuan Province[J]. Rock and Mineral Analysis, 2022, 41(3): 437-450. DOI: 10.15898/j.cnki.11-2131/td.202111180179
Citation: GONG Cang, WANG Liang, WANG Shunxiang, WANG Dewei, LU Haichuan, ZHANG Zhixiang, JIANG Lingyun, YAN Buqing, XIONG Tao, LIU Jiufen. Distribution Characteristics of Soil Selenium and Its Influencing Factors in Tangchang Town of Chengdu City, Sichuan Province[J]. Rock and Mineral Analysis, 2022, 41(3): 437-450. DOI: 10.15898/j.cnki.11-2131/td.202111180179

四川成都市唐昌镇土壤硒分布特征及影响因素

基金项目: 

中国地质调查局地质调查项目 DD20211580

中国地质调查局地质调查项目 DD2019028

详细信息
    作者简介:

    龚仓,硕士研究生,工程师,从事化学分析研究。E-mail: dugufengxue@yeah.net

    通讯作者:

    刘玖芬,高级工程师,主要从事自然资源综合观测、数据质量管理等方面研究工作。E-mail: 13863858360@163.com

  • 中图分类号: O657.31;O657.63

Distribution Characteristics of Soil Selenium and Its Influencing Factors in Tangchang Town of Chengdu City, Sichuan Province

  • 摘要:

    硒是人体必须的微量元素之一,食用含硒农产品是人体获取硒元素的重要途径。调查土壤硒的含量特征、划定富硒区、查明硒空间分布和迁移富集的影响因素,对富硒土地资源利用和富硒农产品开发具有重要意义。本文选择成都市唐昌镇采集土壤样品,采用原子荧光光谱法(AAS)和电感耦合等离子体发射光谱/质谱法(ICP-OES/MS)等方法测定土壤中的Se、As、总有机碳(TOC)等组分含量和pH值,运用方差分析、相关性分析、地理探测器等方法对土壤硒含量、分布特征及影响因素进行探讨。结果表明:①研究区土壤硒含量范围为0.082~1.10mg/kg,平均含量为0.337mg/kg,分别是成都市、四川省和全国土壤硒平均含量的1.47、4.02和1.16倍;②全镇99.2%的土壤硒呈足硒及富硒状态,且土壤硒含量随着深度增加总体呈降低趋势,空间分布上,高硒区整体呈北西向带状分布于战旗、柏木、大云和竹林等村落;③相关性分析表明土壤Pb、Cr、Ni、Cd、Hg、As、总钾(TK)、总氮(TN)、pH、TOC和海拔高度对土壤硒的富集迁移均有极为显著(P < 0.01)的影响,但影响程度不一;④地理探测器的因子探测发现,TOC对表层土壤硒的空间变异独立解释能力最大(0.29),Zn次之(0.18),第三是Cd(0.16);交互探测发现,土壤TOC与其他17种影响因子交互作用的解释程度均在0.30以上,是表层土壤硒空间分异的主导因素。

    要点

    (1) 研究区富硒和足硒面积占比99.2%,富硒和足硒土地资源丰富。

    (2) 重金属锌与表层土壤硒无显著相关性,但对表层土壤硒空间分布有显著影响。

    (3) 任意两个影响因子的交互作用对硒空间分布影响的解释程度大于单个因子的解释程度。

    HIGHLIGHTS

    (1) The selenium-enriched and selenium-sufficient area accounts for 99.2%, indicating the Se land resources are rich.

    (2) There was no significant correlation between Zn and Se in topsoil, but Zn had a significant effect on the spatial distribution of selenium in topsoil.

    (3) The interaction of any two influencing factors better explains the spatial distribution of Se than that of a single factor.

  • 元素硒是人体和动物必须的微量元素,也是植物发育生长必不可少的营养元素[1]。人体摄入适量硒能有效地预防衰老、癌症、增强艾滋病抵抗能力、降低体内重金属毒性等[2],动物体中硒代半胱氨酸对硒蛋白的形成起着重要作用[3],植物中的硒能增强其抵抗重金属污染、提高其环境胁迫抗逆性的能力[4]。人体和动植物体自身无法合成硒,必须从外部环境摄入,而土壤是摄入的最终来源[5]。然而中国72%的县(市)存在不同程度的缺硒,只有少数区域土壤富含硒[4]。因此,摸清土壤中硒的丰缺、分布规律、影响因素,对于人们开发利用富硒土地资源具有重要意义。

    研究表明,土壤硒含量受pH、有机质、土壤类型、土壤黏粒、土地利用类型等因素影响[6-11]。但由于区域环境不同,致使影响土壤硒的主要因素也不尽相同。曹容浩[6]研究表明,成土母质、土地利用方式、pH、有机质以及海拔高度是影响福建省龙海市土壤硒含量的重要因素;姜侠等[7]指出,有机质是影响黑龙江省绥棱县土壤硒含量的主要因素;章海波等[8]的研究认为,影响香港土壤硒含量及其分布的主要因素是成土母质;而商靖敏等[9]则认为成土母质、土壤类型对洋河流域硒含量影响较小。这些研究应用了多元统计分析如回归分析、相关分析、方差分析及GIS空间分析技术探讨土壤硒的空间分布及其影响因素。如蔡立梅等[12]利用相关性分析、回归分析、方差分析等方法对广东揭阳市土壤硒的含量分布、富集特征及影响因素进行了分析;陈娟等[13]运用GIS技术分析了山东省淄博市博山区土壤硒的空间分布特征;迟凤琴等[14]使用回归分析研究了黑龙江省土壤硒分布特征及其与土壤性质的关系。然而,多元统计分析中,土壤硒的空间分布与环境因素之间的关系通常被忽略,或分析了单一因素的影响,没有考虑多因素相互作用的影响强度。

    相比之下,王劲峰等[15]开发的地理探测器可以揭示单一因素对因变量的影响,以及双因素相互作用的影响,不需要考虑线性,避免多变量共线性的影响,可定量确定各因子对土壤硒空间异质性的影响。地理探测器能更直观、更快速、更有效地衡量各因子的贡献[16],没有较强的模型假设,解决了传统方法在分析类别变量时的局限性[17],已被广泛应用于地下水[18]、土地利用[19]、土壤重金属污染[20]等多个领域。然而其用于分析和评估影响因子对土壤硒空间分布特征的影响程度及交互作用的研究较少。唐昌镇是四川成都市重要的菜篮子基地,是西南最大的韭黄生产基地,是全国“韭黄之乡”,出产的“唐元韭黄”是国家地理标志保护产品,硒及理化性质等土壤环境状况对区域内农业发展至关重要,但目前对唐昌土壤硒的研究未见相关报道。因此,本文在唐昌镇采集足够数量的土壤,分析测试硒的含量,利用统计学、相关性分析、地理探测器等方法,厘清全镇土壤硒含量特征和富硒土壤分布情况,探讨影响土壤硒含量变化的影响因素,并对影响因素进行地理探测分析,以期为研究区开发利用富硒土地资源、预测和防止硒环境问题、提升土地利用附加值及特色农业的发展提供理论依据。

    唐昌镇位于成都平原腹心地带,距离成都市区约40km,面积约80km2。属亚热带季风性湿润性季风气候,年平均气温15.7℃。区域内除少部分区域为浅丘台地外,大部分为平坝,90%的土质为冲击形成的黑色油沙土。全镇3/4区域位于水源保护区范围,是成都市饮用水源保护核心区,柏条河、柏木河、徐堰河、走马河四条主要河流流经镇域。土地利用类型以耕地为主(46.5%),林地(24.1%)和住宅用地(13.9%)次之,另外分布有少量的商服用地、工业用地和公共用地。

    土壤样点布设以1km2为单位格子,耕地和林地密度为9点/km2,居住区、学校、工业用地、建设用地等区域密度为4点/km2。样品于2021年4月采集完成。采样依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016),共采集表层土(0~20cm)788个样品和16个重复样品,采样位置如图 1所示。为提高样品代表性,采用“X”型采样法从每个采样点周围20~50m区域采集5个子样品,混合成一个样品,并使用便携式GPS定位采样点。

    图  1  研究区土壤采样点分布图
    Figure  1.  Distribution map of soil sampling sites in the study area

    分别在金沙社区(PM01)、两河果蔬产业园(PM02)、柏木河蔬菜产业园(PM03)和锦宁韭黄产业园(PM04)布设1m左右土壤浅钻剖面,每10cm为一个样品,PM01和PM02的剖面深度均为1m,PM03和PM04的剖面深度分别为1.1m和1.5m。

    采集的样品自然风干一周(7天),去除其他碎屑,过10目塑料筛,外送分析。

    分析测试由中国地质科学院矿产综合利用研究所分析测试中心完成。分析质量严格执行《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)和《生态地球化学评价样品分析技术要求》(DD2005-03)。Se、As和Hg采用原子荧光光谱法测定,pH采用离子选择电极法测定,总有机碳(TOC)采用容量法测定,全氮(TN)采用燃烧红外法测定,Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Cd、全磷(TP)和全钾(TK)采用X射线荧光光谱法、电感耦合等离子体发射光谱/质谱法测定[21-22]。采用插入国家一级土壤标准物质(GBW07405、GBW07407、GBW07408、GBW07409、GBW07449、GBW07452、GBW07453、GBW07457、GBW07424~GBW07428、GBW07412a、GBW07414a和GBW07416a)、重复性检验、异常点检查、空白试验等手段控制分析测试质量。测试质量参数均达到规范要求,成果数据真实、可靠。各指标分析测试的检出限见表 1

    表  1  各指标分析测试的检出限
    Table  1.  Detection limit of the analyzed indicators
    分析项目 检出限 分析项目 检出限
    Cu 1μg/g Hg 0.0003μg/g
    Pb 2μg/g Se 0.01μg/g
    Zn 4μg/g TOC 0.01%
    Ni 2μg/g 全磷 0.001%
    Cd 0.01μg/g 全氮 0.002%
    Cr 5μg/g 全钾 0.01%
    As 0.5μg/g
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    地理探测器(Geographical Detector)是王劲峰等[15]开发的探寻地理空间分区因素对疾病风险影响机理的一种方法,通过计算分类后各自变量方差之和与因变量方差之和的比来衡量自变量对因变量的贡献,包括因子探测器、交互探测器、风险区探测器和生态探测器。

    因子探测器:用于探测因变量的空间分异性以及各自变量对因变量影响程度的解释能力,用q值来度量[15]

    $$ q = {\textbf{1}} - \frac{{\sum\limits_{h = {\textbf{1}}}^L {{N_h}\sigma _h^2} }}{{N{\sigma ^2}}} = {\textbf{1}} - \frac{{{\rm{SSW}}}}{{{\rm{SST}}}} $$ (1)

    式中:h=1,…;L是自变量X的分类数;NhN分别为分类h和整个区域内单元的数量;σh2σ2分别是分类h和区域内因变量Y的方差。SSW和SST分别代表自变量X所有分类的方差之和以及区域内的总方差。q的值域为[0, 1],q值越大,表明该自变量X对因变量Y的影响程度越大。

    交互探测器:通过识别两个不同自变量交互时的q值,判断自变量之间的交互作用对因变量的影响程度。判断依据为:当q(X1X2) < min[q(X1), q(X2)]时,交互作用为非线性减弱;当min[q(X1), q(X2)] < q(X1X2) < max[q(X1), q(X2)]时,交互作用为单因子非线性减弱;当q(X1X2)>max[q(X1), q(X2)]时,交互作用为双因子增强;当q(X1X2)=q(X1)+q(X2)时,为独立交互作用;当q(X1X2)>q(X1)+q(X2)时,交互作用为非线性增强。

    借鉴齐杏杏等[17]和张军等[20]关于土壤重金属地理探测分析的因子指标选取方法,结合研究区实际情况,选取Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、As、Hg、pH、TOC、TN、TP、TK、海拔高度、土地利用类型、距公路(主干路)距离、距河流距离、距住宅区距离18个因子。由于利用地理探测器对影响因素进行因子分析时,因变量为数值量,自变量为类型量,若自变量是数值量,需要将其离散化处理为类型量[15],本研究采用自然断点法将18个因子处理为类型量。利用SPSS26.0对数据进行描述性统计分析及相关性分析,利用ArcGIS10.8绘制采样图和空间分布图,利用Origin2019完成绘图,地理探测器采用GeoDetector软件(http://www.geodetector.org/)完成。

    对采集的788个表层土壤样品进行统计(表 2),土壤重金属Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、As和Hg的平均含量分别为35.2、32.3、109、91.9、37.1、0.22、9.76和0.15mg/kg,均低于农用地土壤污染风险筛选值(GB15618—2018)。土壤TOC含量略低于全国土壤平均值2.18%[9];土壤TP和TN分别高于全国土壤平均值0.052%和0.064%[23],而土壤TK略低于全国平均值2.5%[23]。研究区平均土壤pH值是6.17,78.3%的土壤呈酸性,21.7%的土壤呈碱性。

    表  2  研究区表层土壤的基本参数分析测试结果
    Table  2.  Analytical results of basic parameters of topsoil in the study area
    基本指标 最大值 最小值 平均值 标准差 变异系数
    (%)
    Cu(mg/kg) 607 18.5 35.2 21.3 60.46
    Pb(mg/kg) 90.30 19.8 32.3 5.0 15.52
    Zn(mg/kg) 1820 55.0 109 63.5 58.30
    Cr(mg/kg) 264 61.7 91.9 10.1 10.96
    Ni(mg/kg) 56.6 23.6 37.1 3.8 10.11
    Cd(mg/kg) 0.83 0.082 0.22 0.069 31.12
    As(mg/kg) 18.0 4.17 9.76 2.09 21.39
    Hg(mg/kg) 0.88 0.022 0.15 0.090 58.41
    TP(%) 2.08 0.022 0.12 0.080 68.43
    TK(%) 2.80 1.03 2.36 0.24 10.22
    TN(%) 0.24 0.070 0.13 0.026 19.68
    TOC(%) 4.38 0.24 1.77 0.51 28.73
    pH 9.04 4.16 6.17 1.01 16.44
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    研究区表层土壤硒含量范围、平均值、标准差等描述性特征参数见表 3。表层土壤硒含量算术平均值为0.337mg/kg,几何平均值为0.329mg/kg,变幅为0.082~1.10mg/kg,变异系数为21.63%,处于中等变异程度。与四川省外其他地区表层土壤硒含量相比(表 3),研究区表层土壤硒含量低于贵州省惠水县[24]、香港[8]及福建省龙海市[6],但高于江西省丰城市[4]、海南省[25]、黑龙江省[14]、北京市[26]、西藏[27]、广东省[28]、洋河流域[9]和重庆市[29],是全国[27]土壤硒平均含量的1.16倍,是全球[14]的1.69倍。与四川省内相关地区相比,研究区表层土壤硒含量除低于沐川县外[30],分别是巴中市[31]、雷波县[32]、屏山县[33]、成都市[34]和四川省[34]的2.04、1.49、1.41、1.47和4.02倍。与王英英等[35]对成都平原西部都江堰、彭州、大邑、崇州、温江、郫县等六县(市/区)表层土壤硒含量的报道值0.37mg/kg(几何平均值)相接近。

    表  3  研究区表层土壤与中国各地土壤硒含量的比较
    Table  3.  Se contents in the topsoil in the study area and other regions of China
    中国相关地区 样品数
    (件)
    硒含量(mg/kg) 变异系数
    (%)
    数据来源
    最大值 最小值 中位值 算术平均值 几何平均值 标准差
    研究区表层土壤 788 1.10 0.082 0.34 0.337 0.329 0.073 21.63 本文
    江西省丰城市 667 0.69 0.13 / 0.33 / 0.09 27.27 [4]
    贵州省神惠水县 337 3.65 0.19 0.73 0.85 / 0.45 53 [24]
    海南省 280 1.532 / / 0.211 / / 91 [25]
    香港 44 2.26 0.07 0.74 0.76 / / 54.8 [8]
    黑龙江省 370 0.66 0.008 / 0.147 / / / [14]
    北京市 1700 5. 26 0. 04 0. 19 0.2 / / / [26]
    西藏 205 0.365 0.049 0.135 0.15 0.133 / 87.9 [27]
    广东省 / 1.42 0.03 / 0.28 0.23 / / [28]
    福建省龙海市 / 2. 361 0. 031 / 0. 354 / 0. 18 50 [6]
    洋河流域 171 3. 24 0. 02 0. 27 / 0. 30 / / [8]
    重庆市 / 5.79 0.005 / 0.242 / / 83.8 [29]
    四川省巴中市 344 1.15 0. 042 0.148 0.165 / 0.112 67.9 [31]
    四川省雷波县 1469 1.08 0.03 / 0.226 / 0.134 59.4 [32]
    四川省屏山县 / 1.27 0.046 / 0.24 / / 60.9 [33]
    四川省沐川县 1847 1.49 0.06 0.4 0.41 / 0.13 31 [30]
    成都平原西部(含郫都区) 75 0.996 0.143 0.348 / 0.37 / [35]
    四川省成都市 / / / / 0.23 / / / [34]
    四川省 / / / / 0.084 / / / [34]
    全国 / 0.993 0.047 0.207 0.29 0.216 / 87.9 [27]
    全球 / / / / 0.20 / / / [14]
    注:“/”表示没有相关数据。
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    4个剖面土壤样品中硒含量除PM01中31~40cm深度的含量为0.67mg/kg外,其余的变化相似(图 2)。PM01、PM02、PM03和PM04的硒含量范围和平均值分别是0.11~0.67mg/kg和0.24mg/kg、0.089~0.41mg/kg和0.215mg/kg、0.11~0.34mg/kg和0.153mg/kg以及0.082~0.34mg/kg和0.197mg/kg。依据Se元素安全阈值的划分标准,除PM01中31~40cm深度和PM02中21~30cm深度硒含量为富硒状态外,PM01和PM02的0~50cm、PM03的0~30cm以及PM04的0~60cm深度属中硒土壤,其余深度属于潜在缺硒或硒缺乏土壤。此外,随着深度增加,土壤硒含量整体呈降低趋势,表层土壤硒含量(个别点除外)明显高于深层土壤,可见土壤中硒主要富集在表层土壤,与石建凡等[36]、息朝庄等[24]的研究结论相似。

    图  2  研究区土壤剖面硒含量和pH值分布示意图
    Figure  2.  Vertical distribution of Se content and pH value in the soil profiles of the study area

    参照中国对Se元素安全阈值的划分标准(表 4),研究区不存在硒过量的现象,富硒面积占比3.7%,99.2%的土壤硒采样点含量高于0.175mg/kg,0.2%的土壤采样点硒含量处于缺乏状态。总体来看,研究区土壤硒含量整体处于较高水平,富硒和足硒土地资源丰富。

    表  4  研究区土壤硒含量不同级别面积比例
    Table  4.  Area ratio of Se content with different levels in soilof the study area
    土壤硒等级 硒含量阈值
    (mg/kg)
    硒总体情况 面积比例
    (%)
    过量 ≥3.0 硒中毒 0.0
    高硒 0.40~3.0 富硒 3.7
    适量 0.175~0.40 足硒 95.5
    边缘 0.125~0.175 潜在缺硒 0.6
    缺硒 ≤0.125 硒缺乏 0.2
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    研究区土壤硒空间分布具有较强的地带性(图 3),高硒区整体呈北西向带状分布于柏木村、战旗村、大云村和竹林村等区域,边缘和缺硒区主要分布于横山村、平乐村西部等区域。

    图  3  研究区表层土壤硒含量空间分布特征
    Figure  3.  Spatial distribution characteristics of Se content in topsoil in the study area

    土地利用方式的不同导致土壤性质存在明显差异,进而影响土壤环境和土壤质量的变迁[37]。研究区土地利用类型以耕地和林地为主,分别占比46.5%和24.1%。不同利用类型土壤硒含量(表 5) 表现为:工业用地>住宅用地>耕地>林地>园地>草地>商服用地>公共用地。方差分析发现,工业用地、住宅用地、耕地、林地、园地和草地的硒含量显著高于商服用地和公共用地的硒含量。研究区的林地多数为苗圃种植地,存在较强人为活动,使得其硒含量略低于耕地含量。总的来看,不同土地利用方式下,土壤硒含量差异变化不大,这与徐强等[3]和朱青等[4]的研究结果基本一致。

    表  5  研究区不同利用类型土壤硒含量统计
    Table  5.  Se content in topsoil under different land utilization types in the study area
    土地利用类型 样品数量
    (件)
    硒含量(mg/kg) 变异系数
    (%)
    变幅
    (mg/kg)
    平均值
    (mg/kg)
    标准差
    (mg/kg)
    草地 16 0.14~0.45 0.321a 0.096 30.01
    耕地 455 0.10~0.54 0.343a 0.063 18.39
    工业用地 8 0.16~1.10 0.391a 0.31 78.64
    公共用地 13 0.18~0.35 0.257c 0.060 23.54
    园地 83 0.14~0.47 0.331a 0.071 21.60
    林地 203 0.12~0.58 0.333a 0.065 19.63
    商服用地 4 0.082~0.39 0.258b 0.13 51.31
    住宅用地 6 0.22~0.48 0.353a 0.099 28.06
    注:不同小写字母(a、b、c)代表差异显著(P < 0.05)。
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    土壤理化性质对硒的活化迁移和吸附固定有重要影响[10];地形条件通过引起地表成土母质、水热条件和土壤养分再分配,进而影响土壤硒含量变化[4];距离因子体现为人类活动对土壤元素空间分布变化的综合影响,使土壤元素自然状态下的分布特征发生改变,形成新的空间特征[38]。为此,本文选取土壤理化性质(重金属、TP、TK、TN、TOC和pH),地形条件(海拔高度)和距离因子(距公路、河流和住宅区距离)等因素对影响研究区土壤硒的空间变异展开分析与讨论。

    相关性分析(表 6)显示研究区表层土壤硒含量与土壤Pb、Cr、Ni、Cd和Hg在P < 0.01水平上显著正相关,说明硒与这些重金属元素存在明显的伴生关系[4, 39]。而表层土壤硒与As表现为显著负相关,说明它们之间存在明显拮抗作用,这与多数研究得出的土壤硒与As正相关结论不同[4, 25-26, 30-31, 39-40],但与姜磊[40]对四川省万源县土壤硒含量研究结论相似。可能是Se以阴离子形式存在(SeO32-、SeO42-), As多数也以阴离子形式存在(AsO33-、AsO42-), 二者结构相似, 通过植物的吸收机制可能一致[41]。剖面土壤硒与土壤Pb和As含量分别在P < 0.05和P < 0.01水平上显著正相关,说明深层土壤硒和Pb以及As在来源、富集和迁移等方面有类似的地球化学行为。同时,由于深层土壤受人类活动和农作物吸收影响较小,更能反映土壤自身的化学行为。

    表  6  研究区土壤硒与其他土壤理化性质的相关性
    Table  6.  Pearson correlation matrix between Se content and some physical-chemical properties of soil in the study area
    测试指标 表层土壤硒
    (n=788)
    剖面土壤硒
    (n=46)
    Cu 0.033 -0.005
    Pb 0.296** 0.375*
    Zn 0.06 0.274
    Cr 0.193** 0.084
    Ni 0.153** 0.008
    Cd 0.346** 0.125
    As -0.307** 0.381**
    Hg 0.182** 0.133
    全磷 0.079* 0.393**
    全钾 0.208** 0.081
    全氮 0.132** 0.644**
    TOC 0.482** 0.524**
    pH -0.125** -0.657**
    注:“*”表示在0.05水平(双侧)上显著相关;“**”表示在0.01水平(双侧)上显著相关。
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    侯少范等[42]研究指出,土壤中的磷一方面以络阴离子的形式参与土壤硒的固定和影响植物对硒的吸收利用,另一方面以化合物或矿物的形式参与土壤硒的循环;土壤钾的化合物及其相应矿物是控制碱性土壤非闭蓄性硒的主导因子之一。相关性分析显示,研究区表层土壤硒与土壤TP(P < 0.05)、TK(P < 0.01)和TN(P < 0.01)呈显著正相关,剖面土壤硒与土壤TP和TN在P < 0.01水平上显著正相关,而与TK无明显相关性,说明土壤TP、TK和TN在一定程度上影响土壤硒的富集和迁移,尤其是土壤含氮磷钾肥的施用加强了这种影响作用。

    Se元素是典型的亲生物元素,易在富含有机质的土壤中累积[7]。一般地,有机质含量丰富的土壤,对于土壤中Se的吸附能力也就越强,土壤硒含量也相对越高,表层土壤中80%以上的Se是与土壤有机质相结合的[9]。通过分析发现,研究区表层土壤和剖面土壤硒与TOC在P < 0.01水平上显著正相关,这与许多研究[3-4, 6, 8-9, 14, 24, 26-27, 30, 32-33]得出的观点一致。研究区表层土壤TOC平均含量为17.67mg/kg,高于剖面土壤平均含量12.75mg/kg,但表层土壤硒与TOC含量相关系数(r)为0.482,低于剖面土壤的0.524,一方面可能是由于剖面样品数量相对较少,另一方面说明表层土壤硒含量受人为活动的影响更大。

    研究区表层土壤和剖面土壤硒含量与土壤pH值均在P < 0.01水平上显著负相关。表层土壤pH值的范围是4.16~9.04,其中在pH≤8的酸性和中性土壤中Se平均含量为0.340mg/kg,在pH>8的碱性土壤硒平均含量为0.313mg/kg。pH值被认为是影响土壤硒含量的重要因素之一,通过控制土壤元素的活性(生物有效性) 进而影响作物中Se的含量[43]。在pH值为4~8的酸性和中性土壤环境中,Se主要以亚硒酸盐形式存在,相对较弱的迁移淋溶作用易造成Se的富集;而在通气良好的碱性土壤中,硒酸盐是主要的存在形式,硒酸盐与吸附质的亲和力较弱,使得Se易淋溶及被植物吸收[9, 12]。此外,土壤硒的甲基化随土壤pH增加而加强,甲基化使土壤硒更易转移和挥发[9]。因此,土壤pH越大,土壤中Se含量越小。研究区土壤硒含量与土壤pH剖面图(图 2)明显地展示了这一规律:土壤pH随着剖面深度增加而增大,对应的硒含量总体呈减小的变化趋势。

    将各采样点表层土壤硒含量与对应GPS记录的海拔高度数据进行相关性分析(图 4a),研究区表层土壤硒含量与对应海拔高度呈显著负相关(P < 0.01,R=-0.131),与陈娟等[13]和杨志忠等[44]的研究结论相似。但多数研究[4, 6, 9, 12, 39]指出表层土壤硒含量与海拔具有显著正相关性,海拔越高,越有利于Se的富集。这种不同可能是由于研究区平均海拔600m左右(最低海拔545m,最高海拔655m),海拔高差约110m,海拔高度变化幅度小,充沛的雨水导致表层土壤硒易淋溶迁移,向低海拔区域汇集。

    图  4  表层土壤硒含量与(a)海拔高度和(b)距住宅区距离关系
    Figure  4.  Relationship between selenium content in topsoil and (a) altitude and (b) distance from residential area

    Pearson相关性分析(图 4b)显示,研究区表层土壤硒含量与采样点到住宅区的距离呈极显著负相关关系(P < 0.01,R=-0.133),说明硒的含量随着距住宅区的距离增大而降低,反映出人类活动对土壤硒含量变化有一定的影响。土壤硒与距公路距离和和距河流距离无显著相关性,说明研究区表层土壤硒的含量变化与交通和河流等因素关系不大。

    利用因子探测器探测18个环境影响因子对土壤硒的解释能力(q值)见图 5。不同影响因子对土壤硒的解释能力存在一定的差异。TOC对表层土壤硒的空间变异独立解释能力最大,为0.29;Zn次之,为0.18;第三是Cd,为0.16;Cu、TP、Pb的独立解释能力均大于0.10,分别为0.13、0.12和0.11;As、Cr、Hg、TK、Ni和海拔高度的独立解释能力较小,为0.04~0.09;TN、pH、土地利用类型、距公路距离和距河流距离的独立解释能力不显著。

    图  5  各影响因子对表层土壤硒的因子探测分析结果
    Figure  5.  Factor detection of topsoil selenium relative to affecting factor

    对比因子探测分析和Pearson相关性分析结果(表 6)发现,两者存在一致性和差异性,一致性如TOC、Cd、Pb和As与表层土壤硒存在显著相关性,对它们的空间分布也具有显著影响;差异性如相关性分析显示表层土壤硒与Zn无显著相关性,但因子探测分析发现Zn对表层土壤硒空间分布影响排在第二,这是由于地理探测器分析的是土壤硒与影响因子之间的关联性,包括线性和非线性关系两种,而Pearson相关系数不显著,说明土壤硒与影响因子之间没有显著线性关系,但是不代表没有非线性关系[45]

    土壤的成分和结构复杂,土壤硒的空间分布通常是由多种因素共同作用形成的,不可能存在单一性质的因素或单一因子影响硒的分布和变化。因此,利用交互作用探测器分析多种影响因子对成土壤硒空间分布的交互影响程度,有利于精准判断影响硒空间分布的深层驱动机制。

    交互探测分析结果(图 6)显示,任意两个影响因子的交互作用对表层土壤硒空间分异性影响的解释程度均大于单个因子的解释程度,大多数为非线性增强作用,而TP∩Zn、TP∩Cd、TP∩As、TP∩TOC、Cu∩Zn、Cu∩Cr、Cu∩TOC、Pb∩Zn、Pb∩TOC、Zn∩Cr、Zn∩Cd、Zn∩TOC、Cd∩TOC和As∩TOC的交互作用为双因子增强,不存在减弱或独立的作用类型。不同影响因子间的交互作用强度存在明显差异。总的来看,TOC与其余17个影响因子的交互作用影响最强,均为0.30以上,这进一步表明TOC与表层土壤硒的分布变异存在紧密的关联性,对土壤硒的迁移和富集有重要影响。另外,Pb与TP、TK、Cu和Cd,Zn与TK、Cd、As和海拔高度,以及As与Cu都存在较强交互作用(≥0.30),揭示了土壤硒含量空间分布变异影响因子的多样性和复杂性。

    图  6  各影响因子对表层土壤硒的交互探测分析结果
    Figure  6.  Interaction detection of topsoil selenium relative to affecting factor

    通过分析成都市唐昌镇土壤硒等元素含量特征,查明了研究区土壤硒元素分布特征及其驱动机制,为富硒土壤开发利用提出建议。结果表明:①研究区表层土壤硒含量在0.082~1.10mg/kg范围内,平均含量为0.337mg/kg,高于成都市土壤硒背景值;在剖面上,随着土壤深度增加,土壤硒含量整体呈降低趋势;②以0.4mg/kg为界限值,富硒土壤面积占研究区总面积的3.7%,热点高硒区主要出现在柏木村、战旗村、大云村和竹林村等区域;③影响因素研究表明,土壤Pb、Cr、Ni、Cd、Hg、As、TP、TK、TN、pH、TOC、海拔高度和住宅区距离都对土壤硒富集迁移有重要影响;④表层土壤硒与18种影响因子的因子探测结果显示,TOC对硒的空间变异独立解释能力最大,Zn次之,再次是Cd,且Cu、TP、Pb的独立解释能力均在0.10以上;交互探测发现,交互作用解释力均显示增强效应,土壤TOC与其他17种影响因子交互作用是硒空间分异的主导因素。总体上,研究区表层土壤硒空间分布是多种因素共同作用的结果,且不同影响因素对表层土壤硒的作用强弱不尽相同,揭示了土壤硒含量空间分布变异影响因子的多样性和复杂性。

    针对研究结果,建议当地政府可以考虑将富硒区域与食用菌、唐元韭黄、两河果蔬等特色产业有机结合,打造富硒产业生态链,进一步提升特色农产品附加值,有效地推动全镇经济发展。需要指出的是,本研究仅讨论了土壤硒迁移富集和分布特征以及可能的影响因素,今后应进一步开展土壤-农作物中硒迁移富集影响因素的协同分析。

  • 图  1   研究区土壤采样点分布图

    Figure  1.   Distribution map of soil sampling sites in the study area

    图  2   研究区土壤剖面硒含量和pH值分布示意图

    Figure  2.   Vertical distribution of Se content and pH value in the soil profiles of the study area

    图  3   研究区表层土壤硒含量空间分布特征

    Figure  3.   Spatial distribution characteristics of Se content in topsoil in the study area

    图  4   表层土壤硒含量与(a)海拔高度和(b)距住宅区距离关系

    Figure  4.   Relationship between selenium content in topsoil and (a) altitude and (b) distance from residential area

    图  5   各影响因子对表层土壤硒的因子探测分析结果

    Figure  5.   Factor detection of topsoil selenium relative to affecting factor

    图  6   各影响因子对表层土壤硒的交互探测分析结果

    Figure  6.   Interaction detection of topsoil selenium relative to affecting factor

    表  1   各指标分析测试的检出限

    Table  1   Detection limit of the analyzed indicators

    分析项目 检出限 分析项目 检出限
    Cu 1μg/g Hg 0.0003μg/g
    Pb 2μg/g Se 0.01μg/g
    Zn 4μg/g TOC 0.01%
    Ni 2μg/g 全磷 0.001%
    Cd 0.01μg/g 全氮 0.002%
    Cr 5μg/g 全钾 0.01%
    As 0.5μg/g
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    表  2   研究区表层土壤的基本参数分析测试结果

    Table  2   Analytical results of basic parameters of topsoil in the study area

    基本指标 最大值 最小值 平均值 标准差 变异系数
    (%)
    Cu(mg/kg) 607 18.5 35.2 21.3 60.46
    Pb(mg/kg) 90.30 19.8 32.3 5.0 15.52
    Zn(mg/kg) 1820 55.0 109 63.5 58.30
    Cr(mg/kg) 264 61.7 91.9 10.1 10.96
    Ni(mg/kg) 56.6 23.6 37.1 3.8 10.11
    Cd(mg/kg) 0.83 0.082 0.22 0.069 31.12
    As(mg/kg) 18.0 4.17 9.76 2.09 21.39
    Hg(mg/kg) 0.88 0.022 0.15 0.090 58.41
    TP(%) 2.08 0.022 0.12 0.080 68.43
    TK(%) 2.80 1.03 2.36 0.24 10.22
    TN(%) 0.24 0.070 0.13 0.026 19.68
    TOC(%) 4.38 0.24 1.77 0.51 28.73
    pH 9.04 4.16 6.17 1.01 16.44
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    表  3   研究区表层土壤与中国各地土壤硒含量的比较

    Table  3   Se contents in the topsoil in the study area and other regions of China

    中国相关地区 样品数
    (件)
    硒含量(mg/kg) 变异系数
    (%)
    数据来源
    最大值 最小值 中位值 算术平均值 几何平均值 标准差
    研究区表层土壤 788 1.10 0.082 0.34 0.337 0.329 0.073 21.63 本文
    江西省丰城市 667 0.69 0.13 / 0.33 / 0.09 27.27 [4]
    贵州省神惠水县 337 3.65 0.19 0.73 0.85 / 0.45 53 [24]
    海南省 280 1.532 / / 0.211 / / 91 [25]
    香港 44 2.26 0.07 0.74 0.76 / / 54.8 [8]
    黑龙江省 370 0.66 0.008 / 0.147 / / / [14]
    北京市 1700 5. 26 0. 04 0. 19 0.2 / / / [26]
    西藏 205 0.365 0.049 0.135 0.15 0.133 / 87.9 [27]
    广东省 / 1.42 0.03 / 0.28 0.23 / / [28]
    福建省龙海市 / 2. 361 0. 031 / 0. 354 / 0. 18 50 [6]
    洋河流域 171 3. 24 0. 02 0. 27 / 0. 30 / / [8]
    重庆市 / 5.79 0.005 / 0.242 / / 83.8 [29]
    四川省巴中市 344 1.15 0. 042 0.148 0.165 / 0.112 67.9 [31]
    四川省雷波县 1469 1.08 0.03 / 0.226 / 0.134 59.4 [32]
    四川省屏山县 / 1.27 0.046 / 0.24 / / 60.9 [33]
    四川省沐川县 1847 1.49 0.06 0.4 0.41 / 0.13 31 [30]
    成都平原西部(含郫都区) 75 0.996 0.143 0.348 / 0.37 / [35]
    四川省成都市 / / / / 0.23 / / / [34]
    四川省 / / / / 0.084 / / / [34]
    全国 / 0.993 0.047 0.207 0.29 0.216 / 87.9 [27]
    全球 / / / / 0.20 / / / [14]
    注:“/”表示没有相关数据。
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    表  4   研究区土壤硒含量不同级别面积比例

    Table  4   Area ratio of Se content with different levels in soilof the study area

    土壤硒等级 硒含量阈值
    (mg/kg)
    硒总体情况 面积比例
    (%)
    过量 ≥3.0 硒中毒 0.0
    高硒 0.40~3.0 富硒 3.7
    适量 0.175~0.40 足硒 95.5
    边缘 0.125~0.175 潜在缺硒 0.6
    缺硒 ≤0.125 硒缺乏 0.2
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    表  5   研究区不同利用类型土壤硒含量统计

    Table  5   Se content in topsoil under different land utilization types in the study area

    土地利用类型 样品数量
    (件)
    硒含量(mg/kg) 变异系数
    (%)
    变幅
    (mg/kg)
    平均值
    (mg/kg)
    标准差
    (mg/kg)
    草地 16 0.14~0.45 0.321a 0.096 30.01
    耕地 455 0.10~0.54 0.343a 0.063 18.39
    工业用地 8 0.16~1.10 0.391a 0.31 78.64
    公共用地 13 0.18~0.35 0.257c 0.060 23.54
    园地 83 0.14~0.47 0.331a 0.071 21.60
    林地 203 0.12~0.58 0.333a 0.065 19.63
    商服用地 4 0.082~0.39 0.258b 0.13 51.31
    住宅用地 6 0.22~0.48 0.353a 0.099 28.06
    注:不同小写字母(a、b、c)代表差异显著(P < 0.05)。
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    表  6   研究区土壤硒与其他土壤理化性质的相关性

    Table  6   Pearson correlation matrix between Se content and some physical-chemical properties of soil in the study area

    测试指标 表层土壤硒
    (n=788)
    剖面土壤硒
    (n=46)
    Cu 0.033 -0.005
    Pb 0.296** 0.375*
    Zn 0.06 0.274
    Cr 0.193** 0.084
    Ni 0.153** 0.008
    Cd 0.346** 0.125
    As -0.307** 0.381**
    Hg 0.182** 0.133
    全磷 0.079* 0.393**
    全钾 0.208** 0.081
    全氮 0.132** 0.644**
    TOC 0.482** 0.524**
    pH -0.125** -0.657**
    注:“*”表示在0.05水平(双侧)上显著相关;“**”表示在0.01水平(双侧)上显著相关。
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-17
  • 修回日期:  2021-12-11
  • 录用日期:  2022-01-26
  • 网络出版日期:  2022-07-28
  • 刊出日期:  2022-05-27

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