锶在土壤-作物中迁移富集机制及作物富锶标准探讨:以河南固始史河一带为例

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2023.024

摘要/Abstract

摘要：

通过系统采集和分析河南固始史河一带土壤、作物样品,进行土地质量地球化学评价,查明了区域土壤锶地球化学特征、影响因素,以及锶在土壤、作物中迁移富集机制,确定了土壤锶形态含量表现为残渣态 >强有机结合态>离子交换态>铁锰氧化态>腐殖酸结合态>碳酸盐结合态>水溶态,其中残渣态和强有机结合态锶累计占98%,Sr主要以难溶态稳定形式赋存在土壤中。在弱酸性环境下,难溶含锶矿物SrSO₄、SrCO₃通过水化作用和水解作用形成易溶于水的锶岩Sr(HCO₃)₂、SrCl₂,并被植物吸收利用,形成锶在土壤-作物中的迁移。对比国内外相关作物Sr含量,提出了花生、小麦、玉米、水稻等作物富锶标准,即:水稻中的富锶下限值为0.65 mg/kg,花生、小麦、玉米的富锶下限值为1.08 mg/kg。依据此Sr含量标准,研究区内小麦、花生籽粒富锶,水稻部分富锶。本研究成果为固始史河流域富锶土地资源开发、发展富锶农产品提供了新的参考依据。

关键词: 史河一带, 迁移, 标准, 土壤-作物, 富锶农产品

Abstract:

By systematically collecting and analyzing soil and crop samples in the Shihe river basin of Gushi (Henan Province), and conducting geochemical evaluation of land quality, we identified regional soil Sr geochemical characteristics, influencing factors, and migration and enrichment mechanisms in soil and crops, i.e., residue state>strongly organic bound state>ion-exchange state>ferromanganese oxidation state>humic acid bound state>carbonate bound state>water-soluble state account for 98%. Strontium exists primarily in the soil in an insoluble stable form. In a weakly acidic environment, the insoluble Sr-bearing minerals (SrSO₄ and SrCO₃) hydrate and hydrolyze to form water-soluble Sr(HCO₃)₂ and SrCl₂, which are absorbed and utilized by plants to facilitate Sr migration in soil and crops. The Sr-rich standard for peanut, wheat, corn, rice, and other crops was proposed by comparing the Sr content of related crops (domestic and international), i.e., the lower limit is 0.65 mg/kg for Sr-rich rice, and 1.08 mg/kg for Sr-rich peanut, wheat, and corn. According to this Sr content standard, our wheat and peanut (and some rice) samples are Sr-rich. Our results provide a new reference for the development of Sr-rich land resource and Sr-rich agricultural products in the Shihe river basin.

Key words: Shihe river basin, Sr migration, Sr standard, soil and crop, Sr-rich agricultural product

中图分类号:

P595
S15

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图/表 14

图1 固始史河一带位置图(a)及剖面、表层土壤及作物采样点位图(b) 1.表层土壤取样点;2.小麦取样点;3.水稻取样点;4.花生取样点;5.玉米取样点;6.土壤垂直剖面及编号;7.固始史河一带重点研究区;8.固始史河一带

Fig.1 Location (a) and profile, top soil and crop sampling locations (b) in the Shihe river basin at Gushi

图2 固始史河一带地质简图[10] 1.全新统冲积层;2.上更新统冲-湖积层;3.上更新统冲-洪积层;4.中更新统冲-洪积层;5.中更新统坡-洪积层;6.白垩系陈棚组火山碎屑岩;7.侏罗系段集组砾岩;8.侏罗系朱集组砂岩;9.石炭系花园墙组石英砂岩;10.早白垩世钾长花岗斑岩;11.实测地质界线;12.固始史河一带

Fig.2 Geological map of Shihe river basin at Gushi

表1 固始史河一带土壤锶地球化学参数特征值

Table 1 Soil Sr geochemical parameters for the Shihe area of Gushi

样品类型	样品数	最小值	最大值	算术平均值	背景值/ 基准值^*	中国土壤背景值/丰度^*	中国第二/第一环境土壤背景值^*	河南省土壤背景值/基准值^*	K1/K4^*	K2/K5^*	K3/K6^*
表层土壤	149	86.00	531	265	264	147	148	164	1.79	1.78	1.61
深层土壤	37	85.60	568	312	336^*	170^*	152^*	165^*	1.97^*	2.21^*	2.03^*

表2 固始史河一带重点研究区锶表生富集系数对比

Table 2 Comparison of SR supergene enrichment factors the Shihe area of Gushi

重点研究区	深层土壤样本数	表层土壤样本数	深层土壤算术平均值	表层土壤算术平均值	表生富集系数
黎集	5	17	343	237	0.69
张老埠	11	49	291	256	0.88
柳营	8	28	365	262	0.72
沙河铺	3	11	308	263	0.85
丰港	8	30	275	259	0.94
全区	35	149	313	265	0.85

表3 固始史河一带土壤风化程度对比

Table 3 Comparison of soil weathering degrees in the Shihe area of Gushi

项目	研究区	表层土壤	深层土壤	中国土壤 (A层)	中国土壤
ba	黎集	0.77	0.92	0.98	1.25
	张老埠	0.78	0.86
	柳营	0.78	0.91
	沙河铺	0.78	0.80
	丰港	0.82	0.85
	全区	0.80	0.87
Saf	黎集	7.52	6.61	—	7.09
	张老埠	7.21	6.67
	柳营	7.02	6.22
	沙河铺	6.95	5.72
	丰港	7.33	6.34
	全区	7.17	6.40

图3 固始史河一带土壤剖面锶含量垂直变化 1.腐殖土层;2.浅黄褐色壤土;3.青灰色壤土;4.浅黄褐色砂质壤土;5.浅棕色砂质壤土;6.浅黄褐色砂土;7.浅棕色砂土;8.灰黑色砂土;9.浅黄褐色中细砂

Fig.3 Vertical variation in the soil profile along the Shihe in Gushi

表4 固始史河一带土壤各形态锶占全量锶的比例(n=8)

Table 4 Proportion of the various forms of strontium to the total Sr content (n=8) in the Shihe area of Gushi

形态	pH	Sr 水溶态	Sr离子交换态	Sr碳酸盐结合态	Sr腐殖酸结合态	Sr铁锰氧化态	Sr强有机结合态	Sr 残渣态	Sr 全量
变化范围	4.33~6.12	0.06~0.34	2.69~10.14	0.34~0.73	0.43~0.85	2.95~5.48	6.77~10.98	353~411	369~458
平均值	5.00	0.15	5.09	0.49	0.58	3.55	8.82	386	402

图4 固始史河一带表层土壤Sr元素赋存形态聚类图

Fig.4 Clustering of Sr fugacity state in the top soils from the Shihe area of Gushi

表5 固始史河一带农作物籽实中Ca、Sr含量

Table 5 Crop seed Ca-Sr contents in the Shihe area of Gushi

作物类型	样品数	Sr					Ca
作物类型	样品数	算术平均值	最小值	最大值	标准离差	变异系数	算术平均值	最小值	最大值	标准离差	变异系数
小麦	21	2.943	1.742	3.693	0.61	0.21	0.041	0.029	0.053	0.006	0.14
水稻	12	0.623	0.355	0.913	0.19	0.31	0.013	0.010	0.017	0.002	0.16
花生	6	5.092	2.493	7.747	2.30	0.45	0.062	0.043	0.083	0.015	0.25
玉米	4	0.513	0.431	0.629	0.08	0.16	0.011	0.010	0.013	0.001	0.12

图5 固始史河一带小麦中元素聚类分析谱系图

Fig.5 Pedigree diagram of element cluster analysis in wheat from the Shihe area of Gushi

图6 固始史河一带水稻中元素聚类分析谱系图

Fig.6 Pedigree diagram of element cluster analysis in rice from the Shihe area of Gushi

图7 固始史河一带农作物中元素聚类分析谱系图

Fig.7 Pedigree diagram of element cluster analysis in crops from the Shihe area of Gushi

图8 固始史河一带农作物中钙和锶含量相关关系图

Fig.8 Ca vs. Sr diagram for crop in the Shihe area of Gushi

表6 固始史河-带土壤-农作物籽实中Sr元素富集系数特征

Table 6 Summary of Sr enrichment coefficient in crop seeds from the Shihe area of Gushi

作物类型	样品数	富集能力	生物富集系数
作物类型	样品数	富集能力	算术平均值	最小值	最大值
小麦	21	低富集	0.99	0.43	3.49
水稻	12	低富集	0.34	0.10	0.70
花生	6	中富集	1.96	0.54	6.09
玉米	2	低富集	0.11	—	—

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