新疆若羌县农用地表层土壤硒氟碘地球化学特征

马常莲，周金龙，曾妍妍，任贵兵，王松涛

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆水文水资源工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830052；3.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052；4.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局 第二水文工程地质大队，新疆 昌吉 831100)

0 引言

硒(Se)作为酶的重要组分，是动物体必需的营养元素。硒具有双重生物效应，适量的硒具有提高免疫力、预防心血管疾病、抗衰抗癌等功效。缺硒会引发大骨节病、克山病、肝病等疾病，而硒过量也会引起脱发、脱甲等健康问题[1]。氟(F)是哺乳动物繁殖和生长发育必需的微量元素，对牙齿和骨骼的生长发育起着重要作用。氟不足会影响牙齿矿化，出现龋齿，而氟过量轻则引起氟斑牙，重则引起神经疾病、内分泌功能失调甚至致癌[2-3]。碘(I)对生物体甲状腺激素的合成具有重要意义，是人体及动物必需的微量元素之一，也参与植物的生长循环过程[4]。人体摄取碘不足或碘过量都会导致甲状腺肿大、甲亢、甲状腺癌等疾病[5]。前人研究表明，土壤—植物系统是环境—人体硒、氟、碘关系的中间环节，土壤作为硒、氟、碘循环过程的媒介，对人体及动植物摄入硒、氟、碘起着重要的作用[6]。硒、氟、碘在土壤环境中的分布不均匀性，将引起区域性的地球化学环境异常，从而导致与之相关的地方病。土壤中硒、氟、碘的含量分布也能在一定程度上反映区域环境质量状况、人类活动对土壤质量的影响以及土壤环境质量演变，因此研究土壤中硒、氟、碘的分布特征对于合理开发利用土地资源、促进人与生态环境协调发展具有重要意义[7]。

若羌县作为新疆维吾尔自治区(以下简称“新疆”)面积最大的县，是新疆南部重要的农业生产基地，红枣产业更是闻名全国。前人已对若羌县土壤地球化学特征进行了一些研究[8-13]，但对若羌县土壤氟和碘地球化学特征以及硒、氟、碘三者间关系的研究还基本处于空白状态。本文结合前人研究成果，以若羌县农用地表层土壤为研究对象，探讨研究区内土壤类型、成土母质、土壤理化性质等因素对土壤微量元素硒、氟、碘含量及其分布特征的影响，以期为当地农业区划与土地资源高效利用、特色农产品生产及地方病防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆东南部的巴音郭楞蒙古自治州若羌县的若羌镇、铁干里克乡和吾塔木乡，属于车尔臣河下游的冲积细土平原(38°57′～39°08′N，88°02′～88°22′E)，面积171.4 km2。该地区四季分明，降水少而蒸发量大，属典型的大陆温带干旱气候，年平均气温11.8 ℃，年平均降水量28.5 mm，年平均蒸发量2 920.2 mm。研究区土地利用类型主要为耕地和林地，土壤类型主要为棕漠土、灌淤土和林灌草地土。该区农作物种类丰富，主要包括粮食作物小麦和玉米，油料作物红花和油菜，果实作物红枣瓜类以及经济作物棉花、苜蓿和苏丹草[14]。

1.2 样品采集及分析测试

2016年，按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)要求采集了若羌县境内农用地土壤样品。取样点控制面积为171.4 km2，采用网格布点法布设采样点，采集表层土壤样品142个，平均采样密度为0.83件/km2(图1)，采样深度为0～20 cm。为保证样品代表性，采样前清除地表植物凋落残留物，在GPS定点处(主坑)周围20 m范围内等量采集5个以上子样(副坑)构成组合样。采样时详细记录土壤类型、土壤成因及周边工农业、水文信息等。样品原始质量大于1.0 kg，装入套有一层聚乙烯塑料袋的布袋密封保存，回野外驻地后经晾晒、过10目(孔径2 mm)尼龙筛、装箱后防雨防潮保管。土壤样品由自然资源部乌鲁木齐矿产资源监督检测中心(新疆矿产实验研究所)测定。样品分析执行《多目标区域地球化学调查规范》(DZ/T 0258—2014)和《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)，本次检测准确度、精密度、合格率均满足规范要求。具体检测分析方法及其质量见表1。

图1 研究区位置与采样点位分布

表1 土壤地球化学指标的分析方法与检出限

1.3 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2010完成数据整理，采用统计软件SPSS 20.0中的Pearson相关系数法分析元素间的相关性，数据的主成分分析采用最大方差旋转法。借助地理信息系统(GIS)技术，利用Surfer 12.0和ArcGIS10.8联合生成土壤元素含量空间分布图。据此识别土壤元素来源，研究元素空间分布特征及其相互关系。

2 结果与讨论

2.1 土壤硒、氟、碘含量特征

2.1.1 全部样本元素含量特征

研究区表层土壤全氮(N)、有机碳(OrgC)、pH以及SiO2、Al2O3、Se、F、I含量的平均值、标准偏差、中位数、变异系数、富集系数等参数列于表2。研究区表层土壤pH介于7.55～9.15，平均值为8.37，按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[15]中土壤pH分级标准，研究区土壤呈碱性和强碱性，其中碱性(7.5～<8.5)占59.9%，强碱性(≥8.5)占40.1%。变异系数(CV)反映了土壤元素的空间变异程度，变异系数小于10%为弱变异性，介于10%～70%之间为中等变异性，大于70%为强变异性[16]。由表2可见，研究区农用地表层土壤(0～20 cm)变异程度大小依次为OrgC>Se>N>Al2O3>I>F>SiO2>pH，对应CV值依次为183.3%、52.2%、52.1%、36.9%、31.1%、19.1%、12.2%、4.2%。8种指标按变异程度可分为3个等级，其中有机碳(OrgC)变异系数超过100%，属强变异性；pH变异系数为4.2%，属弱变异性；其余指标变异系数均在10%～70%，为中等变异。

表2 研究区表层土壤理化指标统计参数(n=142)

研究区农用地表层土壤Se、F、I含量均值分别为0.23×10-6、645×10-6、1.06×10-6。Se含量均值略低于全国背景值，约为全国表层土壤背景值的79.3%，存在少量富集，富集比例为23.9%；F含量均值约为全国表层土壤背景值的1.35倍(富集系数为134.9%)，且全部样本值均高于全国背景值(富集比例100%)；I含量均值远低于全国背景值，约为全国背景值的28.2%，富集比例为0。

2.1.2 各土壤类型元素含量特征

研究区农用地表层土壤类型主要有灌淤土、棕漠土、林灌草地土等。由表3可知， Se、F、I在各类土壤中含量均有差异。棕漠土与其他土中Se含量较低，林灌草地土中Se含量最高；各类土壤中F含量均高于550×10-6，其中其他土、灌淤土中F含量较高；除林灌草地土中I均值低于1.0×10-6外，其他各类土壤中I含量差异不大。总体来看，除林灌草地土壤Se外，Se、F、I三种元素在其他各类土壤中变异程度均较低，尤其是F在各类土壤中变异系数均小于20%，在林灌草地土中变异系数仅为8.3%。

表3 研究区不同类型土壤中Se、F、I含量特征

2.1.3 各成土母质区元素含量特征

前人研究表明，成土母质是土壤元素含量与土壤肥力的重要影响因素，土壤中Se、F、I分布主要受地质背景的控制[18]。研究区成土母质主要有冲积物、冲积洪积物、风积物和洪积物。从表4可见，洪积物母质区表层土壤中Se、F、I含量均较高，F均值高达705×10-6，其他成土母质区土壤元素含量相差不大。从变异程度来看，整体上除冲积物中的I变异系数仅为0.9%(低变异性)及洪积物中的Se变异系数超70%(强变异性)外，3种元素在其他各类母质区土壤中的变异系数均集中在30%～50%(中等变异性)。相较而言，洪积物中各元素变异系数最高，其中Se变异系数达75.0%，且洪积物中3种元素含量也相对较高；就Se而言，除洪积物中Se高于全国背景值外，其他类型母质中Se含量均低于背景值。

表4 研究区不同成土母质区表层土壤Se、F、I含量特征

2.2 土壤理化指标组合规律

2.2.1 相关性特征及其成因指示

土壤元素的来源和分布是气候、母质、成土过程以及微生物活动等因素相互影响和作用的结果，相关性分析是推测各元素之间同源性和地球化学行为的常用方法[19-20]。研究区不同成土母质区表层土壤中Se、F、I与其他指标的Pearson相关系数见表5。冲积物区表层土壤Se与F、I、OrgC、N和Al2O3均呈正相关(p<0.01)，I与OrgC、N呈显著正相关(p<0.01)，表明在该母质区它们来源相似；风积物区表层土壤中Se、F、I均与N呈正相关(p<0.01)，表明在风积物区Se、F、I与全氮(N)富集规律相同；洪积物区土壤Se、F、I均与其他指标无显著相关，这与研究区洪积物多由季节性冰雪融化型洪水所携带松散碎屑物沉积形成，具有更替性、组成较为复杂有关。无论是按成土母质分类还是全部土壤样品，Se与SiO2相关系数均在-0.983～-0.447，呈显著负相关(p<0.01)。总体上看，Se、F、I三者之间的线性相关系数在0.238～0.409，呈显著正相关(p<0.01)，表明Se、F、I三者可能来源相同或具有相同的富集规律，同时Se、F、I与pH均无明显关系，这是因为研究区表层土壤pH均在碱性—强碱性范围内，变化极小，对元素富集贫化的影响较小；I与有机碳(OrgC)及全氮呈显著正相关(p<0.01)，相关系数分别为0.200和0.512，这是由于有机质含量影响土壤对I的吸附。

表5 研究区表层土壤理化指标间的Pearson相关系数

2.2.2 组合规律及成因指示

主成分分析是将原始变量通过正交变换重新整合，使之形成一组不相关的新变量，剔除多余变量建立尽可能少的新变量去反映尽可能多的原始信息的统计分析方法[21]。本次分析根据特征值>1.0且因子载荷绝对值>0.6的原则，从8个元素中提取了4个主成分(表6)，其特征值分别为1.975、1.775、1.724和1.111，对应方差贡献率分别为24.690%、22.184%、21.550%和13.887%，累积方差贡献率为82.311%，表明这4个主成分反映了原始数据的绝大部分信息。同一主成分上有较高载荷的元素可能具有相同的来源或地球化学行为[22]。主成分1中OrgC为土壤有机质的主要成分，Al2O3为土壤矿物质主要组成，土壤有机质和矿物质共同组成土壤的固相；主成分2中F与I同为卤族元素，表明同族元素地球化学行为相似，且F与N在本区高度富集(表2)，富集系数达134.9%和101.9%，这是由于研究区气候干旱、蒸发量高导致F累积,且微生物不活跃，降低了有机质的分解速率；主成分3中Se和SiO2变化规律相反，这与周越等[23]研究得出的硅铝土区硒含量较低相吻合；主成分4中，pH的因子负荷明显高于其他元素，达0.938，这是由于研究区土壤pH均呈碱性到—强碱性，变异程度极小，对其他元素的分布影响不大。

表6 研究区表层土壤地球化学指标的主成分分析

2.3 土壤硒、氟、碘含量等级与空间分布特征

参照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[15]划分研究区表层土壤硒、氟、碘地球化学等级(表7)。分述如下：

表7 研究区表层土壤Se、F、I分级标准及其划分结果

2.3.1 土壤Se含量等级与空间分布特征

结合图2a可见，研究区表层土壤Se含量主要集中在(0.175～0.4)×10-6，硒含量等级为适量，硒适量样本占56.3%；其次集中在(0.125～0.175)×10-6和≤0.125×10-6，硒含量等级分别为边缘和缺乏，其中硒边缘样品占15.5%，硒缺乏样本占20.4%；仅有7.8%样品达到富硒等级，不存在硒过剩土壤。从成土母质角度分析，近一半的富硒土壤出现在洪积物区土壤中，该成土母质区土壤硒平均值达0.36×10-6，是4种成土母质区中唯一土壤硒平均值接近0.4×10-6即高硒等级的。土壤缺硒在世界范围内都是较常见的，我国处于土壤缺硒或低硒状态的地区达73.0%[24-25]。相较而言，若羌县土壤硒含量状况较为乐观，56.3%样本硒含量适量并存在较小面积的富硒土壤。这与范薇等[12]在进行若羌县土地质量评价时圈出的研究区5.3%的富硒土壤基本一致。综合考虑到研究区普遍发育碱性、强碱性土壤，理论上土壤硒具有较高的生物有效性，本次划定的土壤硒适量区也具有产出富硒农产品的潜力。事实上，本次采集的25件红枣样品硒含量范围在(0.07～0.7)×10-6，按《GB/T 5835—2009干制红枣》[26]中硒含量大于0.2 ×10-6为富硒红枣，25件红枣样品中有17件达富硒标准，平均含量为0.34×10-6，富硒比例达68.0%。

图2 研究区表层土壤Se、F、I含量等级分区

2.3.2 土壤F含量等级与空间分布特征

研究区表层土壤氟含量主要集中在(550～700)×10-6和>700×10-6两个范围，氟含量等级为高与过剩，高氟样本占40.8%，过剩样本占35.9%。氟适量和边缘样本占21.9%，氟含量400×10-6以下(氟缺乏样本)仅为1.4%，表明研究区表层土壤中氟含量整体较高，存在高氟和氟过剩，零星出现氟缺乏。研究区土壤整体高氟特征与研究区东南部和南部为昆仑山—阿尔金山山地，氟作为典型的亲石元素，山地风化产物搬运至研究区沉积有关[27-28]。从表4来看，成土母质是影响氟含量的关键因素，冲积物、冲积洪积物、风积物区土壤氟含量均值相差不大((628～648)×10-6)，均在700×10-6以下，而洪积物区土壤氟含量均值(705×10-6)明显高于其他母质区土壤，极大值达896×10-6，可能与洪积物区沉积物中所含较多的细颗粒更易吸附固定氟元素有关[29]。

2.3.3 土壤I含量等级与空间分布特征

研究区表层土壤碘含量在(0.44～1.9)×10-6，且≤1.0×10-6的样品占49.3%。由表7可知，研究区表层土壤中49.3%的区域处于缺乏碘等级；含量在(1～1.5)×10-6，即处于碘含量边缘的样品占43.0%；处于适量等级的样品仅有7.7%，且最大值只有1.9×10-6，仅略高于适量范围的最低限；不存在碘含量高及过剩区域。由此可见研究区表层土壤整体处于缺碘状态，92.3%的区域处于碘含量缺乏或边缘等级。有研究指出成土母质与土壤碘含量呈正相关，母质对土壤碘具有补给作用[5]。对于研究区低的土壤碘含量，笔者认为可能由以下3点原因造成：一是研究区处于新疆南部，日照充足蒸发量大，碘作为较活泼的卤族元素迁移能力较强，极易升华成碘蒸气迁移[30]；二是研究区远离海洋深居内陆，缺乏海洋水汽来源以及植物与微生物等碘源的补充[31]；三是若羌县作为新疆南部重要的农业生产基地，本次采样点主要集中在若羌县农用地，灌溉水溶解携带碘下渗作用，农田翻耕促进土壤中元素态碘、碘化氢和甲基碘向大气挥发损失，以及作物收割带出土壤碘元素[32]。

3 结论

1)研究区142个表层土壤样本的Se、F、I含量均值分别为0.23×10-6、645×10-6和1.06×10-6，其中Se、I含量低于全国土壤背景值，F含量远高于全国土壤背景值，研究区总体上属于土壤高氟、低硒、低碘地区。

2)成土母质是影响Se、F、I含量的主要因素，洪积物区土壤中Se、F、I含量均高于其他母质区土壤，其次为风积物区土壤，冲积洪积物区土壤3种元素含量均低于其他母质区土壤；除受成土母质控制外，Se、F、I含量同时受土壤类型、有机质、全氮含量及人为活动等多因素影响，林灌草地土中较其他类型土而言Se含量最高而F、I含量最低，灌淤土中3种元素含量均较高；从相关性角度分析，Se、F、I之间均有不同程度的正相关，三者含量相互影响，此外三者含量均与全氮含量呈显著正相关。

3)研究区142个表层土壤样本中76.7%的样本处于高氟或氟过剩等级，同时92.3%的样本处于碘缺乏或边缘等级，35.9%的样本处于硒缺乏或硒边缘等级。此次采样点范围集中在若羌县县城附近，包含若羌镇、铁干里克乡和吾塔木乡，当地政府应注意加强居民Se、F、I摄入量的相关调查，注意防控地方性氟病，并且适量补充Se、I。

本研究加深了对若羌县表层土硒、氟、碘地球化学特征的认识，为研究区土地资源管理、农业种植规划提供了科学依据。