馬常蓮，周金龍，曾妍妍，任貴兵，王松濤

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052；4.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 昌吉 831100)

0 引言

硒(Se)作為酶的重要組分，是動(dòng)物體必需的營養(yǎng)元素。硒具有雙重生物效應(yīng)，適量的硒具有提高免疫力、預(yù)防心血管疾病、抗衰抗癌等功效。缺硒會(huì)引發(fā)大骨節(jié)病、克山病、肝病等疾病，而硒過量也會(huì)引起脫發(fā)、脫甲等健康問題[1]。氟(F)是哺乳動(dòng)物繁殖和生長發(fā)育必需的微量元素，對(duì)牙齒和骨骼的生長發(fā)育起著重要作用。氟不足會(huì)影響牙齒礦化，出現(xiàn)齲齒，而氟過量輕則引起氟斑牙，重則引起神經(jīng)疾病、內(nèi)分泌功能失調(diào)甚至致癌[2-3]。碘(I)對(duì)生物體甲狀腺激素的合成具有重要意義，是人體及動(dòng)物必需的微量元素之一，也參與植物的生長循環(huán)過程[4]。人體攝取碘不足或碘過量都會(huì)導(dǎo)致甲狀腺腫大、甲亢、甲狀腺癌等疾病[5]。前人研究表明，土壤—植物系統(tǒng)是環(huán)境—人體硒、氟、碘關(guān)系的中間環(huán)節(jié)，土壤作為硒、氟、碘循環(huán)過程的媒介，對(duì)人體及動(dòng)植物攝入硒、氟、碘起著重要的作用[6]。硒、氟、碘在土壤環(huán)境中的分布不均勻性，將引起區(qū)域性的地球化學(xué)環(huán)境異常，從而導(dǎo)致與之相關(guān)的地方病。土壤中硒、氟、碘的含量分布也能在一定程度上反映區(qū)域環(huán)境質(zhì)量狀況、人類活動(dòng)對(duì)土壤質(zhì)量的影響以及土壤環(huán)境質(zhì)量演變，因此研究土壤中硒、氟、碘的分布特征對(duì)于合理開發(fā)利用土地資源、促進(jìn)人與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義[7]。

若羌縣作為新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“新疆”)面積最大的縣，是新疆南部重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，紅棗產(chǎn)業(yè)更是聞名全國。前人已對(duì)若羌縣土壤地球化學(xué)特征進(jìn)行了一些研究[8-13]，但對(duì)若羌縣土壤氟和碘地球化學(xué)特征以及硒、氟、碘三者間關(guān)系的研究還基本處于空白狀態(tài)。本文結(jié)合前人研究成果，以若羌縣農(nóng)用地表層土壤為研究對(duì)象，探討研究區(qū)內(nèi)土壤類型、成土母質(zhì)、土壤理化性質(zhì)等因素對(duì)土壤微量元素硒、氟、碘含量及其分布特征的影響，以期為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)區(qū)劃與土地資源高效利用、特色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)及地方病防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆東南部的巴音郭楞蒙古自治州若羌縣的若羌鎮(zhèn)、鐵干里克鄉(xiāng)和吾塔木鄉(xiāng)，屬于車爾臣河下游的沖積細(xì)土平原(38°57′～39°08′N，88°02′～88°22′E)，面積171.4 km2。該地區(qū)四季分明，降水少而蒸發(fā)量大，屬典型的大陸溫帶干旱氣候，年平均氣溫11.8 ℃，年平均降水量28.5 mm，年平均蒸發(fā)量2 920.2 mm。研究區(qū)土地利用類型主要為耕地和林地，土壤類型主要為棕漠土、灌淤土和林灌草地土。該區(qū)農(nóng)作物種類豐富，主要包括糧食作物小麥和玉米，油料作物紅花和油菜，果實(shí)作物紅棗瓜類以及經(jīng)濟(jì)作物棉花、苜蓿和蘇丹草[14]。

1.2 樣品采集及分析測(cè)試

2016年，按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)要求采集了若羌縣境內(nèi)農(nóng)用地土壤樣品。取樣點(diǎn)控制面積為171.4 km2，采用網(wǎng)格布點(diǎn)法布設(shè)采樣點(diǎn)，采集表層土壤樣品142個(gè)，平均采樣密度為0.83件/km2(圖1)，采樣深度為0～20 cm。為保證樣品代表性，采樣前清除地表植物凋落殘留物，在GPS定點(diǎn)處(主坑)周圍20 m范圍內(nèi)等量采集5個(gè)以上子樣(副坑)構(gòu)成組合樣。采樣時(shí)詳細(xì)記錄土壤類型、土壤成因及周邊工農(nóng)業(yè)、水文信息等。樣品原始質(zhì)量大于1.0 kg，裝入套有一層聚乙烯塑料袋的布袋密封保存，回野外駐地后經(jīng)晾曬、過10目(孔徑2 mm)尼龍篩、裝箱后防雨防潮保管。土壤樣品由自然資源部烏魯木齊礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心(新疆礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所)測(cè)定。樣品分析執(zhí)行《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》(DZ/T 0258—2014)和《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)，本次檢測(cè)準(zhǔn)確度、精密度、合格率均滿足規(guī)范要求。具體檢測(cè)分析方法及其質(zhì)量見表1。

圖1 研究區(qū)位置與采樣點(diǎn)位分布

表1 土壤地球化學(xué)指標(biāo)的分析方法與檢出限

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2010完成數(shù)據(jù)整理，采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 20.0中的Pearson相關(guān)系數(shù)法分析元素間的相關(guān)性，數(shù)據(jù)的主成分分析采用最大方差旋轉(zhuǎn)法。借助地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，利用Surfer 12.0和ArcGIS10.8聯(lián)合生成土壤元素含量空間分布圖。據(jù)此識(shí)別土壤元素來源，研究元素空間分布特征及其相互關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤硒、氟、碘含量特征

2.1.1 全部樣本元素含量特征

研究區(qū)表層土壤全氮(N)、有機(jī)碳(OrgC)、pH以及SiO2、Al2O3、Se、F、I含量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、中位數(shù)、變異系數(shù)、富集系數(shù)等參數(shù)列于表2。研究區(qū)表層土壤pH介于7.55～9.15，平均值為8.37，按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)[15]中土壤pH分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)土壤呈堿性和強(qiáng)堿性，其中堿性(7.5～<8.5)占59.9%，強(qiáng)堿性(≥8.5)占40.1%。變異系數(shù)(CV)反映了土壤元素的空間變異程度，變異系數(shù)小于10%為弱變異性，介于10%～70%之間為中等變異性，大于70%為強(qiáng)變異性[16]。由表2可見，研究區(qū)農(nóng)用地表層土壤(0～20 cm)變異程度大小依次為OrgC>Se>N>Al2O3>I>F>SiO2>pH，對(duì)應(yīng)CV值依次為183.3%、52.2%、52.1%、36.9%、31.1%、19.1%、12.2%、4.2%。8種指標(biāo)按變異程度可分為3個(gè)等級(jí)，其中有機(jī)碳(OrgC)變異系數(shù)超過100%，屬強(qiáng)變異性；pH變異系數(shù)為4.2%，屬弱變異性；其余指標(biāo)變異系數(shù)均在10%～70%，為中等變異。

表2 研究區(qū)表層土壤理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)參數(shù)(n=142)

研究區(qū)農(nóng)用地表層土壤Se、F、I含量均值分別為0.23×10-6、645×10-6、1.06×10-6。Se含量均值略低于全國背景值，約為全國表層土壤背景值的79.3%，存在少量富集，富集比例為23.9%；F含量均值約為全國表層土壤背景值的1.35倍(富集系數(shù)為134.9%)，且全部樣本值均高于全國背景值(富集比例100%)；I含量均值遠(yuǎn)低于全國背景值，約為全國背景值的28.2%，富集比例為0。

2.1.2 各土壤類型元素含量特征

研究區(qū)農(nóng)用地表層土壤類型主要有灌淤土、棕漠土、林灌草地土等。由表3可知， Se、F、I在各類土壤中含量均有差異。棕漠土與其他土中Se含量較低，林灌草地土中Se含量最高；各類土壤中F含量均高于550×10-6，其中其他土、灌淤土中F含量較高；除林灌草地土中I均值低于1.0×10-6外，其他各類土壤中I含量差異不大。總體來看，除林灌草地土壤Se外，Se、F、I三種元素在其他各類土壤中變異程度均較低，尤其是F在各類土壤中變異系數(shù)均小于20%，在林灌草地土中變異系數(shù)僅為8.3%。

表3 研究區(qū)不同類型土壤中Se、F、I含量特征

2.1.3 各成土母質(zhì)區(qū)元素含量特征

前人研究表明，成土母質(zhì)是土壤元素含量與土壤肥力的重要影響因素，土壤中Se、F、I分布主要受地質(zhì)背景的控制[18]。研究區(qū)成土母質(zhì)主要有沖積物、沖積洪積物、風(fēng)積物和洪積物。從表4可見，洪積物母質(zhì)區(qū)表層土壤中Se、F、I含量均較高，F(xiàn)均值高達(dá)705×10-6，其他成土母質(zhì)區(qū)土壤元素含量相差不大。從變異程度來看，整體上除沖積物中的I變異系數(shù)僅為0.9%(低變異性)及洪積物中的Se變異系數(shù)超70%(強(qiáng)變異性)外，3種元素在其他各類母質(zhì)區(qū)土壤中的變異系數(shù)均集中在30%～50%(中等變異性)。相較而言，洪積物中各元素變異系數(shù)最高，其中Se變異系數(shù)達(dá)75.0%，且洪積物中3種元素含量也相對(duì)較高；就Se而言，除洪積物中Se高于全國背景值外，其他類型母質(zhì)中Se含量均低于背景值。

表4 研究區(qū)不同成土母質(zhì)區(qū)表層土壤Se、F、I含量特征

2.2 土壤理化指標(biāo)組合規(guī)律

2.2.1 相關(guān)性特征及其成因指示

土壤元素的來源和分布是氣候、母質(zhì)、成土過程以及微生物活動(dòng)等因素相互影響和作用的結(jié)果，相關(guān)性分析是推測(cè)各元素之間同源性和地球化學(xué)行為的常用方法[19-20]。研究區(qū)不同成土母質(zhì)區(qū)表層土壤中Se、F、I與其他指標(biāo)的Pearson相關(guān)系數(shù)見表5。沖積物區(qū)表層土壤Se與F、I、OrgC、N和Al2O3均呈正相關(guān)(p<0.01)，I與OrgC、N呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，表明在該母質(zhì)區(qū)它們來源相似；風(fēng)積物區(qū)表層土壤中Se、F、I均與N呈正相關(guān)(p<0.01)，表明在風(fēng)積物區(qū)Se、F、I與全氮(N)富集規(guī)律相同；洪積物區(qū)土壤Se、F、I均與其他指標(biāo)無顯著相關(guān)，這與研究區(qū)洪積物多由季節(jié)性冰雪融化型洪水所攜帶松散碎屑物沉積形成，具有更替性、組成較為復(fù)雜有關(guān)。無論是按成土母質(zhì)分類還是全部土壤樣品，Se與SiO2相關(guān)系數(shù)均在-0.983～-0.447，呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)?？傮w上看，Se、F、I三者之間的線性相關(guān)系數(shù)在0.238～0.409，呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，表明Se、F、I三者可能來源相同或具有相同的富集規(guī)律，同時(shí)Se、F、I與pH均無明顯關(guān)系，這是因?yàn)檠芯繀^(qū)表層土壤pH均在堿性—強(qiáng)堿性范圍內(nèi)，變化極小，對(duì)元素富集貧化的影響較?。籌與有機(jī)碳(OrgC)及全氮呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.200和0.512，這是由于有機(jī)質(zhì)含量影響土壤對(duì)I的吸附。

表5 研究區(qū)表層土壤理化指標(biāo)間的Pearson相關(guān)系數(shù)

2.2.2 組合規(guī)律及成因指示

主成分分析是將原始變量通過正交變換重新整合，使之形成一組不相關(guān)的新變量，剔除多余變量建立盡可能少的新變量去反映盡可能多的原始信息的統(tǒng)計(jì)分析方法[21]。本次分析根據(jù)特征值>1.0且因子載荷絕對(duì)值>0.6的原則，從8個(gè)元素中提取了4個(gè)主成分(表6)，其特征值分別為1.975、1.775、1.724和1.111，對(duì)應(yīng)方差貢獻(xiàn)率分別為24.690%、22.184%、21.550%和13.887%，累積方差貢獻(xiàn)率為82.311%，表明這4個(gè)主成分反映了原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息。同一主成分上有較高載荷的元素可能具有相同的來源或地球化學(xué)行為[22]。主成分1中OrgC為土壤有機(jī)質(zhì)的主要成分，Al2O3為土壤礦物質(zhì)主要組成，土壤有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)共同組成土壤的固相；主成分2中F與I同為鹵族元素，表明同族元素地球化學(xué)行為相似，且F與N在本區(qū)高度富集(表2)，富集系數(shù)達(dá)134.9%和101.9%，這是由于研究區(qū)氣候干旱、蒸發(fā)量高導(dǎo)致F累積,且微生物不活躍，降低了有機(jī)質(zhì)的分解速率；主成分3中Se和SiO2變化規(guī)律相反，這與周越等[23]研究得出的硅鋁土區(qū)硒含量較低相吻合；主成分4中，pH的因子負(fù)荷明顯高于其他元素，達(dá)0.938，這是由于研究區(qū)土壤pH均呈堿性到—強(qiáng)堿性，變異程度極小，對(duì)其他元素的分布影響不大。

表6 研究區(qū)表層土壤地球化學(xué)指標(biāo)的主成分分析

2.3 土壤硒、氟、碘含量等級(jí)與空間分布特征

參照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)[15]劃分研究區(qū)表層土壤硒、氟、碘地球化學(xué)等級(jí)(表7)。分述如下：

表7 研究區(qū)表層土壤Se、F、I分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及其劃分結(jié)果

2.3.1 土壤Se含量等級(jí)與空間分布特征

結(jié)合圖2a可見，研究區(qū)表層土壤Se含量主要集中在(0.175～0.4)×10-6，硒含量等級(jí)為適量，硒適量樣本占56.3%；其次集中在(0.125～0.175)×10-6和≤0.125×10-6，硒含量等級(jí)分別為邊緣和缺乏，其中硒邊緣樣品占15.5%，硒缺乏樣本占20.4%；僅有7.8%樣品達(dá)到富硒等級(jí)，不存在硒過剩土壤。從成土母質(zhì)角度分析，近一半的富硒土壤出現(xiàn)在洪積物區(qū)土壤中，該成土母質(zhì)區(qū)土壤硒平均值達(dá)0.36×10-6，是4種成土母質(zhì)區(qū)中唯一土壤硒平均值接近0.4×10-6即高硒等級(jí)的。土壤缺硒在世界范圍內(nèi)都是較常見的，我國處于土壤缺硒或低硒狀態(tài)的地區(qū)達(dá)73.0%[24-25]。相較而言，若羌縣土壤硒含量狀況較為樂觀，56.3%樣本硒含量適量并存在較小面積的富硒土壤。這與范薇等[12]在進(jìn)行若羌縣土地質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)圈出的研究區(qū)5.3%的富硒土壤基本一致。綜合考慮到研究區(qū)普遍發(fā)育堿性、強(qiáng)堿性土壤，理論上土壤硒具有較高的生物有效性，本次劃定的土壤硒適量區(qū)也具有產(chǎn)出富硒農(nóng)產(chǎn)品的潛力。事實(shí)上，本次采集的25件紅棗樣品硒含量范圍在(0.07～0.7)×10-6，按《GB/T 5835—2009干制紅棗》[26]中硒含量大于0.2 ×10-6為富硒紅棗，25件紅棗樣品中有17件達(dá)富硒標(biāo)準(zhǔn)，平均含量為0.34×10-6，富硒比例達(dá)68.0%。

圖2 研究區(qū)表層土壤Se、F、I含量等級(jí)分區(qū)

2.3.2 土壤F含量等級(jí)與空間分布特征

研究區(qū)表層土壤氟含量主要集中在(550～700)×10-6和>700×10-6兩個(gè)范圍，氟含量等級(jí)為高與過剩，高氟樣本占40.8%，過剩樣本占35.9%。氟適量和邊緣樣本占21.9%，氟含量400×10-6以下(氟缺乏樣本)僅為1.4%，表明研究區(qū)表層土壤中氟含量整體較高，存在高氟和氟過剩，零星出現(xiàn)氟缺乏。研究區(qū)土壤整體高氟特征與研究區(qū)東南部和南部為昆侖山—阿爾金山山地，氟作為典型的親石元素，山地風(fēng)化產(chǎn)物搬運(yùn)至研究區(qū)沉積有關(guān)[27-28]。從表4來看，成土母質(zhì)是影響氟含量的關(guān)鍵因素，沖積物、沖積洪積物、風(fēng)積物區(qū)土壤氟含量均值相差不大((628～648)×10-6)，均在700×10-6以下，而洪積物區(qū)土壤氟含量均值(705×10-6)明顯高于其他母質(zhì)區(qū)土壤，極大值達(dá)896×10-6，可能與洪積物區(qū)沉積物中所含較多的細(xì)顆粒更易吸附固定氟元素有關(guān)[29]。

2.3.3 土壤I含量等級(jí)與空間分布特征

研究區(qū)表層土壤碘含量在(0.44～1.9)×10-6，且≤1.0×10-6的樣品占49.3%。由表7可知，研究區(qū)表層土壤中49.3%的區(qū)域處于缺乏碘等級(jí)；含量在(1～1.5)×10-6，即處于碘含量邊緣的樣品占43.0%；處于適量等級(jí)的樣品僅有7.7%，且最大值只有1.9×10-6，僅略高于適量范圍的最低限；不存在碘含量高及過剩區(qū)域。由此可見研究區(qū)表層土壤整體處于缺碘狀態(tài)，92.3%的區(qū)域處于碘含量缺乏或邊緣等級(jí)。有研究指出成土母質(zhì)與土壤碘含量呈正相關(guān)，母質(zhì)對(duì)土壤碘具有補(bǔ)給作用[5]。對(duì)于研究區(qū)低的土壤碘含量，筆者認(rèn)為可能由以下3點(diǎn)原因造成：一是研究區(qū)處于新疆南部，日照充足蒸發(fā)量大，碘作為較活潑的鹵族元素遷移能力較強(qiáng)，極易升華成碘蒸氣遷移[30]；二是研究區(qū)遠(yuǎn)離海洋深居內(nèi)陸，缺乏海洋水汽來源以及植物與微生物等碘源的補(bǔ)充[31]；三是若羌縣作為新疆南部重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，本次采樣點(diǎn)主要集中在若羌縣農(nóng)用地，灌溉水溶解攜帶碘下滲作用，農(nóng)田翻耕促進(jìn)土壤中元素態(tài)碘、碘化氫和甲基碘向大氣揮發(fā)損失，以及作物收割帶出土壤碘元素[32]。

3 結(jié)論

1)研究區(qū)142個(gè)表層土壤樣本的Se、F、I含量均值分別為0.23×10-6、645×10-6和1.06×10-6，其中Se、I含量低于全國土壤背景值，F(xiàn)含量遠(yuǎn)高于全國土壤背景值，研究區(qū)總體上屬于土壤高氟、低硒、低碘地區(qū)。

2)成土母質(zhì)是影響Se、F、I含量的主要因素，洪積物區(qū)土壤中Se、F、I含量均高于其他母質(zhì)區(qū)土壤，其次為風(fēng)積物區(qū)土壤，沖積洪積物區(qū)土壤3種元素含量均低于其他母質(zhì)區(qū)土壤；除受成土母質(zhì)控制外，Se、F、I含量同時(shí)受土壤類型、有機(jī)質(zhì)、全氮含量及人為活動(dòng)等多因素影響，林灌草地土中較其他類型土而言Se含量最高而F、I含量最低，灌淤土中3種元素含量均較高；從相關(guān)性角度分析，Se、F、I之間均有不同程度的正相關(guān)，三者含量相互影響，此外三者含量均與全氮含量呈顯著正相關(guān)。

3)研究區(qū)142個(gè)表層土壤樣本中76.7%的樣本處于高氟或氟過剩等級(jí)，同時(shí)92.3%的樣本處于碘缺乏或邊緣等級(jí)，35.9%的樣本處于硒缺乏或硒邊緣等級(jí)。此次采樣點(diǎn)范圍集中在若羌縣縣城附近，包含若羌鎮(zhèn)、鐵干里克鄉(xiāng)和吾塔木鄉(xiāng)，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)注意加強(qiáng)居民Se、F、I攝入量的相關(guān)調(diào)查，注意防控地方性氟病，并且適量補(bǔ)充Se、I。

本研究加深了對(duì)若羌縣表層土硒、氟、碘地球化學(xué)特征的認(rèn)識(shí)，為研究區(qū)土地資源管理、農(nóng)業(yè)種植規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)。