湖北省利川市耕地全硒分布及其影响因素

温权州，冉 露，周富忠

（利川市土壤肥料工作站，湖北 利川 445400）

硒由瑞典化学家Berzelius在采用黄铁矿制取硫酸时发现；美国在1934年发现牲畜食入硒含量过高的牧草引起中毒，故很长一段时间认为硒是一种有毒元素。硒对生命体有益直到1957年才被发现，1973年硒被世界卫生组织确定为人体必需的元素。硒是人体必需的14种微量元素之一，抗氧化性是硒的生化作用基础。它能改善动物机体的免疫力，提高人体抗衰老、抗癌能力，并对重金属有解毒作用［1，2］。

硒在环境中广泛分布［3］，土壤全硒含量从不足（＜0.175 mg/kg）到有毒（＞3 mg/kg）的范围窄［4］。土壤和食物中硒缺乏容易引起相关的地方性疾病，包括克山病（在人类中被观察为心肌病）和大骨节病（导致受影响关节畸形）［5，6］。环境中的高硒也会影响人类和生物群［7-9］。中国是缺硒国家，缺硒土壤占国土面积的1/3以上；从东三省到云贵高原存在一条低硒地带，此地带上72%的地区缺硒，生活在缺硒地区的人口有4亿人［10］。恩施市是“中国第一高硒区”，并存在独立硒矿床，是少有的具有工业开采价值的硒矿床［2，11］。利川市与恩施市比邻，是典型的贫硒与高硒相交的地带。以齐岳山为界，利川市被分为贫硒区和高硒区，齐岳山以西为贫硒，并有克山病流行；而齐岳山以东则为高硒区，石煤硒含量平均达111.4 mg/kg［12］。

土壤是动植物硒的主要来源，土壤中硒的含量及形态直接影响人体硒的摄入量，并影响人的身体健康［1］。中国各地开展了土壤硒分布调查，如广东省［13］、青海省［14］、苏州市［15］、黑龙江省方正县［16］、陕西省大巴山区［17］、湖北省恩施州渔塘坝［8，18］、湖北省恩施州茶园土壤［19］。其他国家如印度［20］和日本［3］也对此进行了研究。以往的研究结果表明，土壤中硒含量的分布受多种因素的影响，如母质、土壤有机质、土类、土地利用、海拔、土壤pH和人类活动，不同研究区域土壤硒含量的主要影响因素不同［3，13，16，18，21］。但鲜见利川市耕地全硒含量空间分布及影响因素的报道。

利川市为高海拔山区，是恩施州的第一大县级市。土壤硒的分布可能与研究区的海拔和母质有关。因此，研究的目的，一是测定利川市耕地中全硒的含量，二是探讨耕地中全硒的空间分布及与之有关的决定因素。

1 材料与方法

1.1 研究区域

利川市位于中国湖北省西南部，北纬29°42′—30°39′，东经108°21′—109°18′，是清江和郁江的发源地。全市东西宽92 km，南北长105 km，总面积4 607 km2。该地区的耕地约占总面积的13%。该地区海拔落差大，为315～2 041 m，平均海拔1 100 m，根据采样点的分布，按海拔高度将利川市划分为谷地（＜500 m，占总面积的1%）、低山（500～800 m，占总面积的6%）、二高山（800～1 100 m，占总面积的22%）、高山（1 100～1 400 m，占总面积的46%）、极高山（＞1 400 m，占总面积的25%）5个垂直分布带。研究区属亚热带季风气候，年平均气温11.1～16.7℃，年平均降水量1 200～1 600 mm。

1.2 土样采集

2015年春季在利川市进行了野外调查和土壤样品采集。使用手持GPS记录每个采样点的经度、纬度和海拔高度。以农户承包耕地的自然地块为采样单元，按NY/T1121.1—2006规定采集耕层（0～20 cm）土壤样品共668个，涉及利川全市14个乡（镇、办事处），覆盖了575个村中的485个，样品村级覆盖率达84.3%。元堡、沙溪、毛坝等7个乡镇土样覆盖了90%以上的村，都亭办事处、凉雾乡土样相对偏少，东城办事处土样密集、但分布不均、有1/3的村无土样。各乡镇样品分布及覆盖村情况见表1及图1。

表1 土样采集情况

图1 采样点分布

1.3 样品制备和测定

样品在室温下自然风干，研磨过0.15 mm（或100目）尼龙筛，储存于密封的塑料容器中用于分析测定。

采用NY1104—2006测定土样的全硒含量。土壤全硒测定对前处理作如下调整：土样量由2.0 g下调为0.5 g，样品消解由100 mL三角瓶改为150 mL消化管，消解温度160～170℃，消解仪设置温度200～210℃，消解时间4 h以上，以土样变白或灰白色，液体变浅黄色或无色为消解终点。

测定仪器为北京海光公司生产的AFS-230E原子荧光光度计。仪器设置条件，炉高8 mm，灯电流80 mA，辅助电流40 mA，负高压300V，载气流量400 mL/min，屏蔽气900 mL/min。载液为5%HCl，还原剂为0.8%KBH4+0.4%NaOH。按NY/T1121.2—2006测定土样pH，NY/T1121.6—2006测定土样有机质。采用平行结果和插入参比样对土样全硒、有机质、pH测定结果进行质量控制。若平行结果异常，该样品重新测定；参比样测定结果出现异常，该批样品全部重新测定。

1.4 统计分析

用县域耕地资源管理信息系统（扬州市土壤肥料站）绘制采样点分布图；土壤全硒含量测定结果频次分布（图2）转换成对数（以10为基数）后近似正态分布（图3），故用log10转换数据进行方差分析；Excel进行数据统计、方差分析、相关系数计算及多重比较［22］；同时计算土壤全硒算术平均值（AM）和几何平均值（GM）展示数据的总体趋势；多重比较皆为邓肯氏检验。

图2 样品数全硒含量分布

图3 样品全硒含量对数转换分布

2 结果与分析

2.1 利川市耕地土壤全硒含量及空间分布特征

668份土壤样品测定结果见表2。全硒的含量范围为0.011～6.121 mg/kg，算术平均值（AM）和几何平均值（GM）分别为0.465、0.349 mg/kg。各乡镇间耕地土壤全硒含量差异显著（表2），土壤全硒含量最高的是汪营镇（AM=0.752 mg/kg，GM=0.659 mg/kg），最低的是建南镇（AM=0.097 mg/kg，GM=0.082 mg/kg），汪营镇是建南镇的8倍左右。

表2 利川市各乡镇土壤样品全硒含量

按文献［23］的土壤全硒含量六级分类标准，缺（≤0.125 mg/kg）、少（0.126～0.175 mk/kg）、足（0.176～0.450 mg/kg）、富（0.451～2.000 mg/kg）、高（2.001～3.000 mg/kg）、过（＞3.000 mg/kg），进行样品统计，利川市样品全硒含量算术平均值达富硒水平，富硒以上样本占32.78%。全部样品中，10.03%为缺、3.74%为少、53.44%为足、31.59%为富、0.60%为高、0.60%为过。4个高硒点分别分布在文斗乡黄土村9组（2.097 mg/kg）、新田榜村6组（2.364 mg/kg），毛坝镇联心村1组（2.234 mg/kg），沙溪乡高源村6组（2.979mg/kg）；4个过硒点分别分布在毛坝镇青岩村2组（3.066 mg/kg）、红卫村1组（3.179 mg/kg），文斗乡联峰村3组（3.098 mg/kg），柏杨坝镇栏堰村14组（6.121 mg/kg）。

按文献［24］的土壤全硒含量四级分类标准，极低（＜0.100 mg/kg）、低（0.101～0.200 mg/kg）、中（0.201～0.400 mg/kg）、高（富，＞0.400 mg/kg），利川市耕地样品富硒比例达40.87%。

用普通克里格法插值估算，土壤全硒含量的空间分布如图4。富硒区（0.450 mg/kg以上）主要分布在利川西南部，足硒区（0.175～0.450 mg/g）主要分布在东北部，缺、少硒区（＜0.175 mg/g）主要分布在西北角。富硒区和足硒区相互嵌套，分别占利川市国土面积的46.4%和45.6%。缺、少硒区分布在利川边缘，仅占国土面积的8.0%。

图4 湖北省利川市耕地土壤全硒含量的地理分布

2.2 耕地不同利用方式、海拔、土类及成土母质与土壤全硒的关系

按不同因素分类统计耕地全硒含量，结果见表3。水田和旱地不同利用方式土壤全硒含量差异极显著（t检验），旱地明显高于水田，且旱地变幅大、水田变幅小。不同海拔高度、土类及成土母质（除泥质岩与石英砂岩外）的耕地全硒含量差异显著。按海拔划分，耕地全硒含量排序为极高山＞谷地＞高山＞二高山＞低山，除谷地外，其他耕地随着海拔升高，耕地全硒含量升高，几何平均值极高山是低山的3倍左右。利川九大土类中，石灰土、潮土耕地面积小，草甸土、沼泽土无耕地，皆未取样。不同土类中紫色土最低，水稻土略高，再是垂直地带性土壤黄壤、黄棕壤、棕壤，与海拔由低到高分布规律一致；棕壤全硒含量最高，是紫色土的3.3倍（AM）、4.9倍（GM）。按成土母质排序为（6种成土母质中未采集到河流冲积物发育的耕地土样）：第四纪黏土＞石灰岩＞泥质岩＞石英砂岩＞紫色岩，第四纪黏土母质发育的耕地全硒含量最高，是含量最低的紫色岩发育的耕地的2.5倍（AM）、3.0倍（GM）。

表3 利川耕地不同利用方式、海拔、土类及成土母质土壤全硒变化情况表

2.3 耕地全硒与土壤有机质、p H、海拔的相关关系

用Excel中CORREL函数求相关系数（r），用公式t=r（n-2）1/2/（1-r）1/2（n≤30）计算统计量t，再用TINV函数求t的99%、95%临界值；或用公式z=r（n-1）1/2（n＞30）计算统计量z，用NORMINV函数求z的99%、95%临界值。确定耕地全硒与有机质、pH、海拔高度的相关性。

按耕地利用方式、土类、成土母质分类计算土壤全硒与土壤有机质、pH和海拔的相关系数，并分类统计采样点土壤有机质、pH的最大值、最小值、算术平均值和几何平均值，结果见表4。总体看，土壤全硒与土壤有机质、耕地海拔分布呈极显著正相关，与土壤pH相关性不显著；各采样点的有机质、pH变幅较大，有机质均值处于中等水平，pH均值呈中性。从耕地不同利用方式看，水田、旱地的土壤全硒皆与土壤有机质呈极显著正相关，旱地的土壤全硒还与耕地海拔分布呈极显著正相关；土壤有机质均值水田明显高于旱地，但变幅水田小于旱地；水田、旱地的pH相当，变幅水田小于旱地。按土类划分，各土类的土壤全硒与土壤有机质皆呈极显著正相关，与土壤pH和海拔无显著相关性；不同土类有机质均值排序与土壤全硒基本一致（水稻土除外），而pH基本相反。按成土母质划分，石英砂岩发育的土壤全硒与土壤有机质相关性不显著，其他母质发育的土壤全硒与土壤有机质呈极显著正相关；第四纪黏土和石灰岩母质发育的土壤全硒与耕地海拔分布呈极显著或显著正相关。

表4 不同因素下利川市土壤全硒与有机质、p H及海拔高度的相关关系

3 小结与讨论

3.1 利川市耕地土壤全硒含量及其分布特征

利川市耕地全硒含量（AM=0.465 mg/kg、GM=0.349 mg/kg）约为中国平均硒含量（AM=0.239 mg/kg，n=354）的2倍［6］。利川市耕地全硒含量也高于广东省（AM=0.28 mg/kg，n=260）［13］、青 海 省（AM=0.369mg/kg，n=573）［14］、黑龙江省方正县（AM=0.23 mg/kg，n=127）［16］和中国洋河流域（GM=0.30 mg/kg，n=171）［21］。但利川市耕地全硒含量低于恩施渔塘坝（AM=4.75 mg/kg，n=150）［18］和日 本（AM=0.51 mg/kg，GM=0.43 mg/kg，n=180）［3］。

按六级分类标准，足硒区和富硒区分别占利川国土面积的46.4%和45.6%，只有8.0%的面积属于缺硒和少硒地区。利川市92.0%的面积硒充足（＞0.175 mg/kg）。表明利川是中国富硒地区，是中国恩施“硒都”的重要组成部分。汪营、文斗、毛坝、沙溪、忠路5个乡镇耕地的全硒含量均值处于富硒水平，仅建南镇处于缺硒水平，其他乡镇处于足硒水平。668份土壤样品中有8份的全硒含量高于2 mg/kg，分别分布在毛坝镇的联心、青岩、红卫村，文斗乡的黄土、新田榜、联峰村，沙溪乡的高源村和柏杨坝镇的栏堰村。

3.2 不同因素对耕地土壤全硒含量的影响

按不同利用方式、海拔、土类及成土母质划分，耕地的全硒含量差异显著（石英砂岩与泥质岩之间差异不显著）。旱地全硒含量极显著高于水田，这一发现与Hidekazu等［3］的发现一致。渍水可导致土壤中硒降低，因为硒在水田土壤剖面中向下迁移［13］。黎妍妍等［25］发现低海拔（＜800 m）土壤全硒含量显著低于中海拔（800～1 200 m）和高海拔（＞1 200 m），后两者差异不显著；商靖敏等［21］进一步确认土壤全硒浓度与海拔高度正相关且显著。这些结果与本研究结果相似。利川市耕地全硒含量呈现随海拔升高而上升的趋势，但海拔低于500 m的耕地全硒含量较高；垂直分布的黄壤、黄棕壤和棕壤等土类由低到高全硒含量升高，进一步确认了海拔分布规律。李明伟等［19］对利川茶园土壤的研究认为，第四纪黏土形成的土壤全硒含量较高，这是较新的发现；本研究进一步印证了这一结论，第四纪黏土母质发育的土壤全硒含量最高，石灰岩次之，再次是泥质岩和石英砂岩，紫色岩最低。

3.3 耕地土壤全硒与土壤有机质、p H和海拔的相关性

668份土壤样品的全硒含量与土壤有机质和海拔高度呈极显著正相关，但与土壤pH无显著相关性。陈俊坚等［26］认为，硒的含量变异与土壤pH有明显负相关，pH是影响土壤全硒含量的重要因素。与本研究之不同，原因有待进一步分析。

按土地利用方式、土类和成土母质分类，除石英砂岩外，其他耕地土壤全硒与土壤有机质的相关系数达极显著水平（石英砂岩不显著），这一发现与Tolu等［27］的发现一致。Hidekazu等［3］、Yu等［14］、Tolu等［27］提出，有机质通过形成有机矿物结合物在硒迁移中发挥重要作用，该结合物可保护吸附硒不被浸出或创建缺氧区（聚集体），其中硒在还原后被固定。在不同母质、土类、海拔下，土壤全硒含量和土壤有机质的变化同步（水稻土受利用方式影响除外）。

不同利用方式中旱地的全硒含量与海拔高度呈极显著正相关，水田相关性不显著；按土类划分，各土类的全硒含量与海拔相关性不显著；而不同成土母质中第四纪黏土和石灰岩发育的耕地中全硒含量与海拔呈极显著或显著相关，其他则相关性不显著。

土壤全硒含量受区域母质性质控制，而非人为输入。除母质外，土壤有机质含量是土壤全硒空间分布的主要原因。研究结果表明，不同母质、不同土类、不同海拔高度引起的土壤有机质含量的不同分布，可能导致利川市耕地土壤全硒含量的不同分布。