运城盆地土壤全硒空间变异特征及影响因素

张建杰，杨治平，程 滨，郭军玲

（山西农业大学资源环境学院，山西省土壤环境与养分资源重点实验室，山西太原030031）

硒（Selenium，Se）广泛分布于自然环境中，是人与动物生长所必需的一种微量元素[1]。硒由土壤通过植物进入食物链，其丰缺程度对人体健康具有重要的影响，硒缺乏或过量都会引发疾病，适量的硒摄入则可以改善人体机体的免疫，提高防癌、抗癌的能力[2]。研究区域尺度土壤硒元素的含量及空间分布特征对于功能农业的产业发展以及人体健康具有重要的意义[3]。

张慧等[4]以黑龙江产粮大县泰来县为例，研究了该县耕地土壤硒元素的空间分布特征，分析了土壤硒与土壤成土母质、有机碳、总氮、Fe2O3、Al2O3及pH的相关性，结果表明，松嫩平原西部边缘地带土壤硒的分布与土壤母质、土壤有机质、总氮等有关。黄春雷等[5]在浙江省中部对富硒土壤区的系统调查研究表明，地质背景对土壤硒含量有控制作用；土地利用方式也是影响土壤硒迁移富集的重要因素，而土壤有机质是影响硒含量的重要因素。邵亚等[6]以西南典型岩溶区为研究对象，采用协同克里格模型，利用地理加权回归模型对土壤硒空间分布进行预测，结果表明，土壤硒的分布与地形地貌及影响土壤硒化学行为的土壤属性因子有关。徐强等[7]研究黑龙江水稻主产县方正县的土壤硒空间变异特征结果表明，该地区影响硒含量的主要因素为土壤有机碳、黏粒及粉粒含量。蔡立梅等[8]以广东省揭阳市为研究对象，分析了该地土壤硒的空间分布特征，并探讨了主要影响因素，结果表明，该地区土壤硒总体呈足硒或富硒特征，而不同的土壤成土母质是影响硒含量的主要因素，土壤硒含量与土壤有机碳、Fe2O3及Al2O3呈极显著正相关，而与pH呈极显著负相关。这些研究探讨了我国不同省份区域尺度的土壤硒元素分布特征及影响因素，但我国幅员辽阔，区域间资源禀赋、生态环境存在较大差异，对于影响土壤硒元素的主导因素也不尽相同。

万荣县是山西省农业大县，农业生产总值占整个经济结构的30%左右，农业产业体系完整，粮食产量保持平稳，水果、蔬菜和中药材种植面积及产量增幅均较快，特别是苹果产业是万荣县最突出的特色优势产业[9]。土壤硒含量及分布对于区域内农业快速转型发展至关重要，而当前对于万荣县土壤硒的系统研究尚未见报道。

本研究利用地统计学和ArcGIS相结合的方法，对万荣县0～20 cm土壤硒的空间异质性进行分析，以探讨硒含量与成土母质、海拔高度、pH、土壤有机质和全氮之间的关系，旨在为该区开发功能食品与发展特色农业提供数据支撑和科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

万荣县地处黄土高原，山西省西南部、运城市西北方。其位于东经110°25′56″～110°59′40″、北纬35°13′44″～35°31′42″，总面积1 081 km2。最高的孤山海拔为1 411.8 m，最低的黄河河滩海拔为357 m，相对高差达1 054 m。全县东西长51 km，南北宽33 km。该地属暖温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，春季干旱多风，夏季高温多雨，但有伏旱，秋季阴雨连绵，四季分明。年降雨量分布极不均匀，主要集中在7、8、9月这3个月，年均降雨量为542.0 mm；年平均气温11.8℃，全年无霜期187.9 d，光能资源比较丰富，年平均日照为2 364.3 h。土壤母质主要有花岗片麻岩风化物、石灰岩风化物、白云岩风化物、黄土、洪积黄土和黄土状母质、风积砂土、冲积物等。褐土是该县的主要土壤类型，占县域总面积的86.92%。

1.2 数据来源

研究获取到所需基础图件行政区划图、土地利用现状图来源于万荣县国土资源局；DEM数字高程图来源于中国科学院资源环境科学数据中心；土壤图、土壤母质分布图来源于山西农业大学资源环境学院（山西省农业科学院农业环境与资源研究所）。

1.3 样品采集

土壤样品于2019年9月采集于山西省运城市万荣县。采集前将行政区划、土地利用现状、数字高程模型、土壤图、土壤母质分布图等进行叠加，结合当地的主要种植作物等因素确定样点代表性，同时兼顾了样点的均一性进行样点布设；在采样过程中使用GPS记录样点的经纬度及海拔信息，并记录了作物种植类型、主要农事管理措施等信息，共采集样点101个，采样深度为0～20 cm表层土壤（图1）。将采集的土壤样品进行自然风干，剔除植物根系、砂砾、动物残体等杂物，经研磨后过0.84 mm尼龙筛备用。

1.4 测定项目及方法

在室内分析测定土壤全硒、pH、全氮、有机质含量等指标。其中，土壤全硒含量采用盐酸-硝酸-高氯酸-氢氟酸消解，使用原子荧光光度计测定；土壤pH测定采用离子选择性电极法（ISE）；全氮含量采用全自动凯氏定氮仪测定；有机质含量测定采用外热源加热-重铬酸钾氧化-容重法[10]。

1.5 数据处理

使用地统计学分析的先决条件是数据必须满足正态分布。采用Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验对所有元素数据进行正态分布检验，表明土壤硒含量原始数据不满足正态分布（D值为0.54，双截尾概率小于0.05，且偏度系数Skewness为0.65，峰度系数Kurtosis为3.68），经对数转换后满足正态分布。采用单因素方差分析（ANOVA）不同成土母质、土壤有机质、全氮和pH等理化性状及海拔高度对土壤硒含量的影响。

采用R3.6.2进行描述性统计分析和正态分布检验[11]，并绘制相关图件；采用地统计学分析土壤硒的空间异质性[12-13]（基于GS＋5.0完成），采用ArcGIS 10.3绘制土壤硒元素的空间分布图；分级标准来源于TAN等[14]的研究结果。

2 结果与分析

2.1 万荣县土壤全硒含量的描述性统计

万荣县土壤全硒含量服从对数正态分布（表1、图2），偏度系数为-0.05，峰度系数为3.12；土壤全硒的平均含量为0.20 mg/kg，非常接近我国土壤硒含量水平[15]（0.21 mg/kg），整体处于足硒水平；表层土壤全硒含量范围为0.11～0.35 mg/kg，极差为0.24 mg/kg，土壤硒在表层土壤含量范围变化幅度较大；变异系数为0.22，为中等变异程度。

表1 万荣县表层土壤全硒含量的描述性统计分析

2.2 万荣县土壤全硒分布的空间自相关性分析

从表2可以看出，万荣县土壤硒元素的理论模型采用球状模型拟合较好，其决定系数为0.940，残差为7.73×10-5，表明理论模型能够较好地反映土壤硒元素的空间结构特征。块金值反映系统内由随机因素引发的空间异质性，基台值反映整个系统的变异。块基比则反映由随机因素所导致的异质性占整体空间异质性的比例[16-17]，如果该值小于0.25，表明系统内具有强烈的空间自相关性，其空间变异受母质、土壤类型、气候、地形、等结构性（自然）因素影响较大；如果该值大于0.75，则表明其空间变异受施肥、耕作等随机（人为）因素影响较大。万荣县土壤硒的块基比为0.385，接近0.25，表明其具有较强的空间自相关性，其空间变异受自然因素影响较人为因素大。土壤全硒的变程为18.050 km，说明土壤硒在较大的空间尺度范围内空间自相关。

表2 万荣县土壤全硒的半方差函数模型

2.3 万荣县土壤硒分布特征

根据拟合的半方差函数曲线及参数，使用Kriging插值法绘制了土壤硒元素的分布图（图3），以期直观地反映万荣县土壤硒元素的分布特征。交叉验证结果显示，其误差平均值（7.87×10-4）与标准平均值（-2.86×10-2）均接近于0；均方根预测误差值（3.89×10-2）非常小，且与平均标准误差值（4.31×10-2）很相近；此外，标准均方根预测误差值（1.01）最接近于1，表明插值精度能够用来预测该区域土壤硒的空间分布特征[18]。

从万荣县土壤全硒含量的分布图来看（图3），土壤硒空间分布特征明显，总体呈现中部高、东西两端低的格局。根据土壤硒元素含量的分级标准[12]：缺硒土壤（＜0.125 mg/kg）、低硒土壤（0.125～0.175 mg/kg）、足硒土壤（0.175～0.450 mg/kg）、富硒土壤（0.450～2.000 mg/kg）、高硒土壤（2.000～3.000 mg/kg）、过量硒土壤（＞3.000 mg/kg），万荣县土壤硒含量共分为缺硒、低硒、足硒3个等级，其中，缺硒土壤主要分布在裴庄乡沿黄河区域一带以及王显乡及汉薛镇的零星地带，所占面积90.80 km2，占万荣县国土面积的8.44%；低硒土壤主要分布在县域西部沿黄流域一带的裴庄乡、光华乡和荣河镇，以及县域东部的皇甫乡、汉薛镇、解店镇和西村乡，所占面积240.07 km2，占万荣县国土面积的22.31%；足硒土壤主要分布在县域中部，所占面积745.31 km2，占万荣县国土面积的69.26%。

2.4 万荣县土壤硒分布的影响因素分析

2.4.1 成土母质的影响 一般来讲，对于自然成因的土壤，其含硒量与成土母质有直接关系[5，19]，成土母质是表层土壤硒含量的主要来源[20]。将土壤样本的分布数据与成土母质图进行叠加，提取了所有样点的成土母质信息，基于ANOVA法，对不同成土母质类型区的土壤全硒含量进行统计，结果显示（表3），万荣县主要4种成土母质发育的土壤中土壤硒含量存在明显差异，由洪积黄土（0.211 mg/kg）、黄土（0.199 mg/kg）和黄土状成土母质（0.214 mg/kg）发育的土壤硒含量显著高于风积砂土（0.161 mg/kg）（P＜0.05），但洪积黄土、黄土和黄土状成土母质发育的土壤硒含量间差异不显著（表3）。主要原因可能是由于风积砂土的土质较砂，多为砂壤，发育形成的土壤透水透气性能良好，但保肥保水能力较差；而黄土土壤一般土层深厚，养分含量比较丰富，洪积黄土与黄土状母质一般土质较黏，多为中壤或重壤，透水透气性能较差，反而有利于土壤硒的富集。

表3 万荣县不同成土母质发育土壤全硒含量方差分析

2.4.2 土壤理化性质的影响 本研究通过分析万荣县土壤有机质含量与土壤硒含量之间的关系结果发现，二者具有显著的线性正相关性（图4-A）；万荣县土壤全硒含量随着土壤全氮含量的增加而增加，二者也存在显著的线性正相关关系（图4-B），土壤有机质和全氮本身具有很好的相关性[21]，这与陈娟等[22]、李杰等[23]的研究结果一致。黄春雷等[5]研究认为，土壤有机质对硒具有吸附和固定作用，一般有机质含量丰富的土壤，对于土壤中硒的吸附能力较强，土壤中的含硒量也相对较高，这使得其成为影响土壤硒含量的重要因素之一。迟凤琴等[20]、陈娟等[22]、商靖敏等[24]研究也得出类似的结论，与本研究结果相似。

本研究结果表明，土壤硒含量与pH的相关系数较低，相关系数仅为-0.044（图4-C），与李杰等[23]对南宁土壤的研究结果类似，但与其他研究结果存在差异[5，8]，这可能是由于在不同区域，不同地理环境使得硒在土壤中赋存状态存在差异[23]。有研究认为，土壤全硒含量与土壤pH值呈负相关关系，表现为随着土壤pH值的降低，土壤全硒含量有增加的趋势[5，23]。有学者[8，25]研究表明，pH是控制土壤硒价态转化的关键因素，在酸性和中性土壤中，土壤全硒主要以亚硒酸盐（SeO32-）的形态存在，而在通气良好的碱性土壤中，土壤全硒则主要以硒酸盐（SeO42-）的形态存在，一般情况下，亚硒酸盐形态的硒容易受黏粒矿物和倍半氧化物固定，而硒酸态硒则与吸附质之间的亲和力较弱，溶解度大，所以pH值越高，土壤中的硒越容易受到淋洗，使得硒含量较低。这与本研究结果类似。

2.4.3 海拔高度的影响ANOVA统计结果表明（表4），万荣县的海拔高度与土壤硒含量相关关系不显著（P＞0.05），说明不同区域海拔高度对于土壤硒含量的影响不尽相同。商靖敏等[24]在洋河流域的研究结果表明，土壤硒含量随着海拔高度的增高显著增加，与蔡立梅等[8]、章海波等[25]在香港的研究结果一致，认为随着海拔高度的升高，土壤有机质分解变缓，有利于土壤硒的富集。陈娟等[22]在山东淄博市博山区的研究结果表明，洪流等冲刷作用将有机质及硒元素带到低洼处，使得区域内土壤硒含量随海拔升高而降低，与上述研究结果相反。

表4 不同海拔高度范围内土壤全硒含量的变化特征

3 结论与讨论

万荣县土壤硒含量变幅在0.11～0.35 mg/kg，平均值为0.20 mg/kg，非常接近全国平均水平，研究区土壤总体上属于足硒水平，土壤硒含量呈现中部高、东西两端低的空间分布格局，绝大多数土壤处于足硒水平，不存在富硒及以上水平的土壤。鉴于万荣县是山西省重要的农业生产县，也是农业农村部第二批“农业绿色发展先行先试支撑体系建设县”，进一步提高土壤中的硒含量，对于改善农产品品质，提升农业产业水平特别是该县的水果产业水平具有重要作用。因此，可以考虑通过施用硒肥等外源途径来提高土壤中硒的含量，以使其逐步提升富硒水平。

本研究结果表明，土壤母质是影响土壤硒含量的主要因素，不同成土母质中以风积砂土的含硒量最低（0.161 mg/kg），而黄土母质的土壤全硒含量显著高于风积砂土的土壤硒含量，主要是前者的保水保肥能力较差，而后者土层深厚、质地相对较黏，有利于土壤硒的积累。相关性分析表明，土壤有机质和全氮与土壤硒含量存在显著正相关关系，一般认为，土壤有机质含量越高，对硒的吸附能力越强[5]；而土壤pH值与土壤硒含量存在负相关关系，这是由于pH是控制土壤硒形态的关键因素，而不同形态的硒与土壤中吸附质的亲和能力不同，一般是pH值越高，土壤硒越容易被淋洗[23]；海拔高度与土壤硒含量间相关关系不显著。

本研究通过对万荣县的土壤硒含量的空间分布特征及影响因素进行定量分析，探讨研究区农田土壤硒元素与成土母质、有机质含量、全氮含量、pH及海拔高度等因素的相关性，并且按照土壤硒含量的分级标准进行了区划。但发展功能农业还需要明确土壤硒的形态及不同作物对于土壤硒的吸收转化规律；需要明确增加土壤中硒元素含量的有效管理措施以及为产业发展提出空间布局规划。这还有待于进一步研究。