黑龙江绥化市太平庄富硒地区土壤环境地球化学特征

雷风华， 崔玉军， 张　立, 刘国栋

(黑龙江省地质调查研究总院，哈尔滨　150036)



黑龙江绥化市太平庄富硒地区土壤环境地球化学特征

雷风华， 崔玉军， 张立, 刘国栋

(黑龙江省地质调查研究总院，哈尔滨150036)

为了提高农业用地经济效益，以地球化学调查手段为主，对绥化市太平庄地区的富硒土壤分布状况及其重金属元素地球化学特征进行了调查，评价了土壤质量环境状况，评价结果表明该调查区土壤质量环境良好，适合进一步开发富硒农产品，增加当地居民和地方财税收入，可以产生良好的经济效益和社会影响。

太平庄地区； 富硒土壤； 环境质量； 评价

0　引言

土壤是农作物赖以生存的根本，土壤质量的健康与否直接关系到农作物的食用安全。随着黑龙江省多目标地球化学调查的深入，发现了罕见的富硒土壤带[1]，该富硒土壤带位于松嫩平原绥化—海伦地区，东西宽50～70 km，南北长100～120 km，呈近SN向分布，共圈出富硒土壤面积达3 753 hm2(合计为37.5万km2)。很多研究表明硒可以治疗和预防克山病，并且对人体有诸多的生理保健功能[2-3]。浙江省上虞市通过多目标区域地球化学调查发现385 km2的富硒土壤，通过开发富硒农产品，给当地政府和地方百姓带来了明显的经济效益和社会效益[4]。

在该富硒土壤带中，选择富硒效果较好的绥化市太平庄一带大宗农作物种植区作为研究区，以查证是否具有开发利用条件。在充分收集以往成果资料的基础上，通过对绥化市北林区太平庄一带典型富硒土壤评价研究，查明土壤中重金属元素和硒元素的分布特征，研究土壤硒元素的来源及其在农作物中的富集特征，评价富硒土壤开发利用的具体地块，以及适宜开发的富硒农产品，为富硒土地资源开发利用起到示范作用。

1　研究区概况

太平庄处于绥化市管辖区，属于松嫩高平原区，地形为波状起伏的台地； 年平均气温2.9 ℃，年降水量551 mm，无霜期128 d，≥10 ℃年积温平均值在2 400～2 600 ℃，为第二积温带，水资源较丰富； 主要粮食作物有水稻、玉米、大豆等。

研究区位于燕山运动晚期形成的大型坳陷盆地(松辽盆地)内[5]，形成了以第四系上更新统哈尔滨组(Qp3h)为主的淡水湖相沉积地层和第四系全新统高漫滩堆积层Qh1曲河流沉积相地层，其基底以印支晚期的花岗岩为主。上更新统哈尔滨组沉积地层岩性为黄土、亚黏土、砂、砂砾石，厚度5～25 m； 全新统高漫滩堆积层岩性以粉砂质黏土为主，夹砂砾石、粗砂、细砂，厚度<10 m。

区内发育的土壤类型以黑土、草甸土为主，黑土面积约占该地区面积的50%以上，同时有少量的黑钙土。

2　材料与方法

2.1样品采集方法

选择农作物种植区作为研究区，采样面积为54.31 km2。样品主要为表层土壤样品、垂直剖面样品和农作物样品。采样方法参考《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DD 2005—01)[6]。其中表层土壤样品采用网状布设采样区，采样密度为250 m×250 m，采集 0～20 cm耕作层土壤； 垂向剖面样品是根据不同的土壤类型、沉积类型等特点，以1∶250 000地形图为底图，共布设了5个垂直土壤剖面采样点，取样深度200 cm，每20 cm取一个样品，土壤样品原始质量大于1 000 g，过20目(0.84 mm)筛后样品质量大于200 g； 农作物样品是在圈定的范围区内，利用GPS+地形图，同时结合实际种植情况，定点取样，在每个取样点附近多点采集农作物籽实若干株，农作物籽实混匀，用四分法缩分，取得约500 g样品。表层土壤样品总数量为869件，垂向剖面5条，大宗农作物样共49件(其中玉米11件，水稻33件，大豆5件)。

图1　Se总量分布图Fig.1　Distribution map of total selenium content

2.2测试方法及质量评述

土壤及农作物分析指标参考中华人民共和国《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)[7]，确定为砷(As)、镉(Cd)、汞(Hg)、铜(Cu)、铅(Pb)、铬(Cr)、锌(Zn)、镍(Ni)、pH值、硒(Se)。分析方法以X射线荧光光谱法(XRF)为主，辅以其他分析方法，其分析配套方案如下： ①X射线荧光光谱法(XRF)测定的元素为 Cu、Pb、Zn； ②等离子体质谱法(ICP-MS)测定的元素为 Cd、Cr、Ni； ③原子荧光法(AFS)测定的元素为 As、Se、Hg。样品分析测定由黑龙江省地质矿产测试应用研究所完成，样品分析质量控制采用国家一级土壤地球化学标准物质GWB以及外部监控标准、密码抽样等，检验结果可靠。

3　Se的形态分布

3.1Se的平面分布特征

研究区表层土壤中Se总量变化区域为0.06～0.64 mg/kg，土壤中Se平均总量为0.32 mg/kg，其中Se总量达到0.4～3.0 mg/kg的高背景场面积为10.18 km2，占全区面积的18.76%； Se的总量达到0.3～0.4 mg/kg的较高背景场面积为22.18 km2，占全区面积的40.85%。 区内Se总量达到0.3 mg/kg以上的土壤总面积为32.36 km2。

Se总量达到0.25～0.3 mg/kg的中等背景场面积达到10.01 km2，占全区面积的18.41%； Se总量低于0.25 mg/kg，达不到富硒要求的区域面积达到11.94 km2，占全区总面积的21.98%(图1)。

3.2Se的相态特征

土壤中Se的分布相态，一方面在一定程度上反映了Se不同的存在形式，另一方面也能够判别出Se的生物活动性强弱。一般情况下，水溶态、离子交换态和碳酸盐态都是易活动，从而被植物吸收的部分，强有机态和铁锰氧化态相对最稳定[8-9]，不易为植物吸收利用。

研究区表层土壤Se赋存相态组成为： 强有机态>残渣态>腐殖酸态>离子交换态>铁锰氧化态>碳酸盐态>水溶态(表1)。在表层土壤中水溶态、离子交换态和碳酸盐态3种相态中Se总量占土壤Se总量的13.33%，表明区内土壤中Se总量易被植物吸收利用的比例较低。

表1　Se不同相态含量特征

3.3土壤中Se总量垂向变化特征

从土壤Se总量(X)与土壤剖面深度(Y)的拟合图(图2)上可以看出，随着土壤垂向剖面在深度上的增加，Se总量呈现减少的趋势。图中R2值为0.771，表明Se总量与土壤剖面具有很好的拟合性。研究区土壤中Se总量垂向变化特征说明，土壤中Se并非来源于土壤母质层，而是由次生富集作用造成。

图2　土壤Se总量垂向变化Fig.2　Vertical variation of total selenium content in soil

4　表层土壤重金属元素地球化学特征

研究区采集的土壤样品经过加工后，分析了Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、Hg、As 8项土壤环境地球化学指标，计算全域以及不同土壤类型重金属元素地球化学参数特征(表2)。

从全域来看，As含量的变化范围为4.6～27.3 mg/kg，Hg的变化范围为0.007～0.412 mg/kg，Cd的变化范围为0.021～2.289 mg/kg，Cr的变化范围为 15.0～91.3 mg/kg，Cu的变化范围为14.8～125.2 mg/kg，Ni的变化范围为17.3～55.0 mg/kg，Pb的变化范围为19.7～80.5 mg/kg，Zn的变化范围为46.5～158.8 mg/kg。表层土壤中变异系数大小可反映出研究区土壤8项重金属分布不均匀的元素主要为Cd、Hg，其他重金属元素含量起伏变化较小。从不同土壤类型比较来看，黑土中相对富集的重金属元素为Hg， 草甸土中相对富集的重金属元素有As、Cr、Cu、Ni、Zn。

表2　环境元素地球化学参数特征

注：除变异系数外，其他参数单位均为mg/kg。

5　土壤地球化学评价

5.1评价方法

本文采用综合因子污染指数极限条件法进行评价。分析指标为Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、Hg、As。单因子污染指数= 重金属元素实测值 / 重金属元素评价标准[10-11]， 即Pi=Ci/Si(式中：Pi为第i个单因子污染指数，Ci为第i个重金属元素实测值，Si为第i个重金属的评价标准)。先假设土地处于理想状态值，Si从一级标准开始取值，Pi≤1则该元素为一级标准含量； 若Pi>1，则Si取值二级标准重新计算，以此类推，来界定i元素达到第几级土地标准。

综合分级按照极限条件法进行分级，即对于一块土地有多个因子符合一等地的条件，只要有一个因子符合二等地的条件，那么该块土地最终被评为二等地[12]。

5.2评价结果

重金属在土壤中大量累积不仅会导致土壤性质发改变，更会对农作物有明显的生物作用，从而影响农作物的食用安全性，因而土壤的环境状况直接决定着当地土地资源是否具有开发利用的价值。

根据中华人民共和国《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)，统计研究区土壤中的各重金属元素含量(表3)，可以看出Cd达到二级标准的土地面积占到研究区面积的96.64%(一级为87.80%，二级为7.94%)，As、Cu、Zn、Ni等达到二级标准的土地面积占到全区面积的99%以上(一级94%以上)，Hg、Pb、Cr等达到二级标准的达到全区面积的100%(一级99%以上)。

土壤质量综合评级结果显示，研究区一级质优土地面积43.13 km2，占全区面积的79.4%； 二级质良土地面积为6.81 km2，占全区面积的12.54%(图3)。从农业用地安全性的角度分析，研究区土壤质量良好，农产品食用性比较安全，可以进一步开发。

表3　研究区土壤重金属元素单项分级结果表

6　种植规划

在假定研究区土壤中Se总量、Se的形态、土壤质地、土壤pH值、土壤有机质等因素长期保持不变的条件下，绥化地区主要农产品要达到富硒水平，则需对土壤中Se总量最低限定值进行研究。

图3　土壤质量综合分级图Fig.3　Comprehensive classification of soil quality

图4　富硒区农作物种类种植规划Fig.4　Map of planting design for selenium-rich products

在绥化富硒区采集的主要农作物有水稻、玉米和大豆，对农作物籽实中Se总量(x)与其对应的根系土Se总量(y)进行相关性分析，其结果如下： 水稻根系土Se总量与水稻籽实Se总量的线性方程为y=0.115x+0.315； 大豆根系土Se总量与大豆籽实Se总量的线性方程为y=0.480x+0.27； 玉米根系土Se总量与玉米籽实Se总量的线性方程为y=0.786x+0.299。参考国家标准稻谷的富硒含量[13]，认为农作物籽实Se总量高于0.04 mg/kg即为富硒农产品。若要求水稻、大豆、玉米中Se总量达到富硒水平，则土壤中Se总量最低限量应分别在0.31 mg/kg、0.29 mg/kg、0.33 mg/kg以上。只选择一级土地和二级土地，结合土壤富硒程度、土地利用状况给出种植建议(图4)。在河流两岸水田满足土壤Se总量在0.31 mg/kg以上的土地，建议种植富硒水稻(黄色区域)； 在土地利用类型为旱田的Se总量在0.29 mg/kg以上的土地，建议种植富硒大豆(粉色区域)，若旱田Se总量在0.33 mg/kg以上，可选择种植富硒大豆或富硒玉米(蓝色区域)。

7　结论

(1)研究区Se总量达到0.3 mg/kg以上的土壤面积为32.36 km2，占全区面积的59.61%。这些具备开发价值的富硒土壤分布在泥河两岸的马家店、同胜村、孙家店、任家粉房、白家屯、泥河村、小罗家窝棚、陶家窝棚、马刚烧锅、聚宝村等10个村屯，富硒土壤区域连片，利于开发。

(2)区内表层土壤中容易被农作物吸收利用的Se总量不高，其易被农作物吸收的水溶态、离子交换态和碳酸盐态3种相态仅占土壤中Se总量的13.33%。

(3)土壤环境质量以一、二级土地为主，一、二级土地占研究区总面积的91.94%，可见绥化市太平庄地区土壤环境质量优良，适宜开发安全、可靠的富硒特色农产品。

(4)区内现用土地利用类型有水田和旱田，可以科学规划种植多种富硒农作物。以现在大面积种植的水稻、大豆、玉米为例，若要求水稻、大豆、玉米中Se总量达到富硒水平，即Se总量高于0.04 mg/kg时，则土壤中Se总量最低限量应分别在0.31 mg/kg、0.29 mg/kg、0.33 mg/kg以上。

[1] 黑龙江省地质调查研究总院.黑龙江省松嫩平原南部1∶250 000多国标区域地质化学调查成果报告[R].2007.

[2] 王权,李秀霞,李伦,等.硒与大骨节病相关性的Meta分析[J].中国循证医学杂志,2013,13(12):1424-1430.

[3] 徐辉碧.硒的化学、生物化学及其在生命科学中的应用[M].武汉:华中理工大学出版社,1994:152-253.

[4] 浙江省地质调查院.浙江省农业地质环境调查成果报告[R].2005.

[5] 韩松山,乔泰,蒋阳,等.黑龙江省绥化市幅实际材料图、建造构造图说明书[M].黑龙江省地质调查研究总院内部资料,2010.

[6] 中国地质调查局.多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)(DD2005—01)[S].北京，2005.

[7] 国家环境保护总局.土壤环境质量标准(GB 15618—1995)[S].北京：中国环境科学出版社，1995.

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[10]梅廷林.现有环境质量评价方法可能存在的虚假性[J].云南环境科学,1999,18(3):59-60.

[11]杨忠芳,余涛,冯海艳,等.区域生态地球化学评价数据的统计方法[J].地质通报,2007,26(11):1405-1412.

[12]周国华,董岩翔,张建明,等.浙江省农业地质环境调查评价方法技术[M].北京:地质出版社,2007.

[13]中华人民共和国国家质量监督检验总局,中国国家标准化管理委员会.中华人民共和国国家标准富硒稻谷(GB/T 22499—2008)[S].北京:中国标准出版社,2009.

(责任编辑： 刘永权)

Environmental geochemistry characteristics of selenium rich soil in Taipingzhuang area of Suihua city in Heilongjiang

LEI Fenghua, CUI Yujun, ZHANG Li， LIU Guodong

(ResearchInstituteofRegionalGeologicalSurveyofHeilongjiang,Harbin150036,China)

From the viewpoint of improving economic benefits of agriculture land, this paper investigated the distribution of selenium rich soil and geochemistry characteristics of heavy metals in the Taipingzhuang area of Suihua city by geochemistry method, and evaluated the soil quality. The results show that soil quality of the survey area is good and it is suitable for further development of selenium rich agricultural products. These products would further increase the income of local residents and government, and bring good economic benefits and social impact.

Taipingzhuang area; selenium rich soil; environment quality; evaluation

2016-03-17；

2016-07-01。

黑龙江省地质矿产局“2012年矿权价款补贴勘查(编号： 黑地矿发[2012]48号)”项目资助。

雷风华(1982—)，女，工程师，主要从事地球化学勘查及土壤环境学的研究。Email: 476134341@qq.com。

P595； X142

A

2095-8706(2016)04-0049-06

引用格式： 雷风华，崔玉军，张立，等.黑龙江绥化市太平庄富硒地区土壤环境地球化学特征[J].中国地质调查,2016,3(4): 49-54.