海南西部土壤和水稻中銅和硒含量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

陳帥 章倩 韓妙杰 鐘萍 王登峰 汪秀華

(1澄邁縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心海南澄邁571900;2中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所海南海口571101;3海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院海南海口570228)

近年來，酸雨頻率和氮肥施用量的逐年增加導(dǎo)致我國農(nóng)田土壤pH的降低進(jìn)程加快，遠(yuǎn)高于自然狀態(tài)下的土壤酸化速率［1-3］，且氮肥施用量增加對(duì)農(nóng)田土壤酸化的貢獻(xiàn)程度顯著高于酸雨［1，4］。土壤酸堿性是土壤多種化學(xué)性質(zhì)的綜合反映，農(nóng)田土壤酸化不僅對(duì)其微生物活性、元素的轉(zhuǎn)化與釋放、微量元素的生物有效性、土壤養(yǎng)分保持能力等一系列性質(zhì)及變化有深刻的影響，還可導(dǎo)致土壤中銅和硒等微量元素的含量分布及遷移能力發(fā)生變化，進(jìn)而降低農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，對(duì)人類健康構(gòu)成威脅［2，5-6］。

我國熱帶地區(qū)土壤pH普遍偏低，微量元素的有效性、遷移轉(zhuǎn)化特征對(duì)土壤酸化尤為敏感［7］。20世紀(jì)90年代以來，海南農(nóng)田的氮肥投入量逐年增加［8-9］，大量的氮肥投入導(dǎo)致土壤表現(xiàn)酸化特征［10］。近期調(diào)查結(jié)果與二次土壤普查數(shù)據(jù)相比，海南島農(nóng)用地耕層土壤pH顯著降低，且分布范圍變窄，部分農(nóng)田土壤pH降低較為顯著［3］，因此酸化背景下的熱帶農(nóng)田土壤-水稻系統(tǒng)內(nèi)微量元素的分布、遷移轉(zhuǎn)化等環(huán)境行為特征亟待深入研究。本研究以海南西部為研究區(qū)，分析土壤和水稻（秸稈和精米）硒和銅的分布特征及其影響因素，為進(jìn)一步研究土壤水稻系統(tǒng)中其他微量元素的分布規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

水稻、土壤。

1.2 方法

1.2.1 樣品采集與處理

研究區(qū)位于海南島西部儋州、白沙、昌江和東方4個(gè)市縣，研究區(qū)內(nèi)地形整體上呈東南高、西北低的趨勢(shì)，其中東南部主要為丘陵山地地形，西部為平原地區(qū)。在土壤母質(zhì)分布上，區(qū)內(nèi)東南部主要為碎屑沉積巖風(fēng)化物母質(zhì)，約占區(qū)域面積的12%，西部沿海地區(qū)主要為海相沉積物（17%），北部則為火山堆積物（2%），而中部平原區(qū)則主要為酸性火成巖風(fēng)化物（45%），部分地區(qū)則夾雜分布有河流沖積物（5%）和酸性變質(zhì)巖（7%）等母質(zhì)。在研究區(qū)內(nèi)布置樣點(diǎn)，采集對(duì)應(yīng)的土壤和水稻作物樣品，共計(jì)布設(shè)63個(gè)調(diào)查點(diǎn)位（圖1）。在每個(gè)調(diào)查點(diǎn)位采集土壤和早稻作物樣品，其中59個(gè)點(diǎn)位為2014和2015年采集，4個(gè)點(diǎn)位為2017年采集，共計(jì)獲取63個(gè)土壤樣品和126個(gè)水稻作物樣品（秸稈和精米各63個(gè)）。土壤樣品采樣深度為0～20 cm，單個(gè)土壤樣品由多點(diǎn)（5～10個(gè)）混合，充分混勻后四分法取樣2 kg。水稻樣品分部位采集秸稈和籽粒，采樣10～15株，采集于對(duì)應(yīng)土壤樣點(diǎn)周圍。

圖1 采樣點(diǎn)位分布圖

土壤樣品均在室內(nèi)風(fēng)干，過2 mm尼龍篩后置于塑料密封袋保存，編號(hào)備用；水稻樣品用去離子水清洗干凈后，105℃殺青30 min，于60℃烘干至恒重，秸稈粉碎，籽粒人工脫粒后經(jīng)糙米機(jī)脫殼，精米機(jī)加工，密封待測(cè)。

1.2.2 項(xiàng)目測(cè)定

土壤pH、有機(jī)質(zhì)和土壤陽離子交換量（CEC）均采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法［11］，其中土壤pH采用電位法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定；CEC采用醋酸銨-蒸餾法測(cè)定。

稱取磨細(xì)過100目（0.15 mm）篩的土壤樣品；Se和As用1+1王水于沸水浴消解后采用原子熒光光 譜 儀 測(cè) 定；Cu、Zn、Mn、Fe2O3、CaO、MgO加HClO4、HF、硝酸消解后采用電感耦合等離子原子發(fā)射光譜（ICP-AES）測(cè)定，Cd和Pb采用原子吸收分光光度計(jì)（AAS）測(cè)定；SiO2、S采用碳酸鈉堿溶后分光光度法分別測(cè)定。

水稻作物樣品采用HNO3+HClO4（4∶1；GR）消解，Se采用原子熒光光譜儀測(cè)定，Cu采用電感耦合等離子原子發(fā)射光譜（ICP-AES）測(cè)定。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析均利用SAS 9.0軟件進(jìn)行。圖件采用ArcGIS 10.0和Sigmaplot 10.0繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土壤性質(zhì)

調(diào)查地區(qū)土壤總體呈弱酸性，且土壤pH的變幅較大，分布范圍為4.79～8.34，區(qū)內(nèi)土壤pH（6.06±0.87），由于海相沉積物和火山灰母質(zhì)發(fā)育土壤pH較高，導(dǎo)致區(qū)域土壤總體酸性較弱，研究區(qū)土壤pH變幅較寬，是成土母質(zhì)不同所致。土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富，為（30.6±8.5）g/kg。土壤CEC是反應(yīng)土壤保肥能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般當(dāng)CEC＜10 cmol/kg時(shí)，認(rèn)為該土壤的保肥能力較低，當(dāng)CEC＞20 cmol/kg時(shí)，土壤的保肥能力較高，研究區(qū)土壤的保肥能力為中等水平，其土壤CEC為（15.04±5.59）cmol/kg（表1）。

表1 土壤樣品基本性質(zhì)

2.2 土壤銅和硒含量特征

研究區(qū)土壤硒含量為（0.39±0.21）mg/kg，土壤硒含量均值略低于富硒土壤（≥0.4 mg/kg）的標(biāo)準(zhǔn)限值，表明區(qū)內(nèi)土壤硒含量較豐富，但空間變異性較高，其分布范圍為0.17～1.58 mg/kg，變異系數(shù)為53.8%。土壤銅含量均值低于土壤銅的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，也低于海南全島土壤銅含量平均值，研究區(qū)土壤銅含量為（15.75±9.10）mg/kg，變異系數(shù)為57.8%（表2）。區(qū)內(nèi)土壤硒、銅的含量算術(shù)平均值均高于其中值和幾何均值，此特征也反映了區(qū)內(nèi)土壤母質(zhì)分布不均。

表2 土壤硒和銅含量分布 單位：mg/kg

土壤硒和銅的含量與土壤性質(zhì)及其他微量元素含量相關(guān)性水平如表3所示。結(jié)果表明，土壤硒含量與土壤硫、銅、鋅、鉛、鎘、砷和有機(jī)質(zhì)均具有極顯著相關(guān)性（p＜0.01），與硅和鉀在5%水平下顯著相關(guān)；土壤銅含量與土壤砷具有極顯著相關(guān)性（p＜0.01），與鉛和鎘在5%水平下顯著相關(guān)；土壤鎘含量與土壤砷和有機(jī)質(zhì)具有極顯著相關(guān)性（p＜0.01）。結(jié)果表明，土壤硒、銅及鎘與其他微量元素含量的相關(guān)性均較為顯著，表明研究區(qū)土壤中這些元素具有同源性，這些元素含量可能主要與其成土母質(zhì)有關(guān)。

表3 土壤元素含量相關(guān)分析結(jié)果

2.3 水稻銅和硒元素分布

水稻精米和秸稈銅含量算術(shù)平均值分別為5.68和16.85 mg/kg，硒含量分別為（0.07±0.03）和（0.13±0.04）mg/kg，秸稈中銅和硒含量顯著高于精米中的對(duì)應(yīng)元素含量（表4），這可能是由水稻在自身生長過程中對(duì)微量元素在其不同部位的調(diào)節(jié)機(jī)制導(dǎo)致。

表4 水稻微量元素含量分布 單位：mg/kg

水稻秸稈和精米硒含量關(guān)系如圖2所示，水稻精米與秸稈硒含量符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系（p＜0.01）。在秸稈硒含量較低時(shí)，精米硒含量隨秸稈硒含量增加而增速較大，隨著水稻秸稈硒含量增加到一定程度時(shí)，精米中的硒含量隨秸稈硒含量增加的趨勢(shì)減弱。水稻精米與秸稈銅含量并無顯著相關(guān)性，可能是因?yàn)楦课盏你~不易向地上部分輸送，水稻體內(nèi)的銅含量一般比較低，而銅的移動(dòng)取決于水稻體內(nèi)銅水平，在其含量較低時(shí)銅元素則不易移動(dòng)，從而影響了水稻體內(nèi)銅元素由秸稈向籽粒轉(zhuǎn)移的能力。

圖2 精米硒含量和秸稈硒含量關(guān)系

3 討論與結(jié)論

海南西部水稻土地區(qū)耕作層土壤中銅未表現(xiàn)出污染現(xiàn)象，土壤硒總體含量相對(duì)較豐富。研究區(qū)土壤銅含量相對(duì)較低（15.75 mg/kg），低于全島平均值，土壤硒含量與海南全島水平相當(dāng)［12］。土壤中的微量元素主要來源于母質(zhì)［14-15］。本研究的土壤銅、硒等與土壤性質(zhì)和其余微量元素的相關(guān)分析結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)的土壤銅和硒分布與成土母質(zhì)關(guān)系緊密，已有研究表明，區(qū)域尺度的土壤微量元素分布主要受母質(zhì)因素的影響［16］。土壤中游離氧化鐵是土壤中可變正電荷和負(fù)電荷的主要載體，具有專性吸附重金屬離子以及多價(jià)含氧酸根的功能，從而制約并影響其在土壤中的活性［17］。本研究中土壤銅含量與土壤鐵、錳存在顯著正相關(guān)，這與前人的研究結(jié)果一致［18-20］。土壤硒含量與土壤銅、鋅、鉛、鎘、砷、硅和有機(jī)質(zhì)等有顯著正相關(guān)，表明區(qū)域的土壤銅和硒主要來源于母質(zhì)，并且隨著成土過程的有機(jī)質(zhì)累積，其硒也逐漸富集。

水稻微量元素含量除與土壤中微量元素含量有關(guān)外，還受到土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、水稻品種以及自身吸收運(yùn)移機(jī)制影響［18-19］。研究區(qū)水稻（秸稈和精米）硒、銅元素含量與相應(yīng)的土壤硒、銅含量未表現(xiàn)出明顯相關(guān)關(guān)系，表明水稻作物的銅、硒吸收可能受其他因素影響［21］。水稻精米銅含量顯著低于秸稈含量，這與前人的研究結(jié)果一致［22］，在水稻作物中，銅易于在秸稈中累積，因此區(qū)域尺度上的水稻銅元素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低。研究區(qū)水稻精米的硒含量均處于富硒稻谷的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)（0.04～0.30 mg/kg）［23］，均屬于富硒稻谷。水稻精米硒含量先隨著秸稈硒含量的增加而增速較大，秸稈達(dá)到一定值后，精米硒含量增加的趨勢(shì)放緩［24-25］，最終與秸稈硒含量比率保持穩(wěn)定，說明當(dāng)秸稈硒含量較低時(shí)，水稻植株體內(nèi)硒元素由秸稈向籽粒遷移的能力較強(qiáng)，當(dāng)秸稈硒含量達(dá)到一定量時(shí)，水稻籽粒和秸稈硒含量的比率將保持穩(wěn)定，而不會(huì)存在水稻精米中的硒過量積累現(xiàn)象，因此在該區(qū)域適于發(fā)展富硒水稻產(chǎn)業(yè)。