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砷(As)元素作为环境中最具毒性和致癌作用的类金属,硒(Se)作为人体和动物必需的微量元素,两种元素目前是土壤学、水文地球化学、环境学等领域研究的热点元素。As、Se元素最终都会通过环境介质进入人体,对人体造成一定的影响。许多学者对这两种元素进行了大量的研究,如As污染环境修复、富硒土地开发等。新疆塔里木盆地东南缘绿洲区是新疆南部重要的红枣和坚果生产基地,土地As污染防治和修复及特色富硒农产品开发对当地经济发展均有重要的指导意义。基于此,本文选取As、Se元素为目标元素,以新疆塔里木盆地东南缘若羌县-且末县-民丰县-于田县一带绿洲区为研究区,结合地下水、土壤、农作物As、Se等相关指标测试数据,深入探讨As、Se在地下水-土壤-农作物系统中的迁移富集规律,以期为土壤As污染防控和绿色农产品开发提供科学依据;同时也为富硒土地开发、农产品提质增效、精准脱贫提供技术支撑。
本文研究内容和相关结论如下:
(1)研究区土壤环境整体属于弱碱性,土壤有机质含量低,土壤分化程度在空间上从东向西逐渐增强。土壤As、Se含量整体较低,表层与深层、农用地与非农用地、不同土壤类型、成土类型、土地利用方式等5种比较条件下土壤As、Se含量存在显著性差异。
(2)依据中国地质调查局标准DD2019-10《天然富硒土地划定与标识(试行)》,研究区表层土壤Se含量达到富硒标准的采样点个数为77个,占表层土壤取样点总数的2.2%,富硒土地面积为152km2,在农用地和非农用地范围内均有分布。
(3)研究区灌溉地下水As和Se含量比较低,其对土壤和农产品富集As和Se影响较小。土壤As、Se含量背景值分别为8.36、0.13mg/kg,土壤As、Se含量异常区总面积为570.12km2,主要分布在耕地或园地,非农用地异常区主要分布在盐碱地。
(4)研究区表层土壤的As、Se含量莫兰指数(Morans I)大于0,两个元素的空间自相关性表现为空间正相关,聚集类型主要以高-高型、低-低型为主,表现为中等的空间相关性,由结构性因素和随机性因素叠加造成。半变异函数理论模型主要以高斯和指数模型为主。
(5)克里金插值效果较好,从插值结果看,研究区农用地的土壤As、Se含量高于非农用地的土壤As、Se含量,与含量统计结果一致,土壤As、Se含量空间分布特征与自相关分析结果一致。As、Se元素土壤水平方向上,表现为农用地的土壤As、Se含量高于非农用地的土壤As、Se含量,土壤As、Se含量高值区呈片状集中或岛状零散分布,含量水平分布不均;在垂向方向上,表现为农用地各层土壤As、Se的含量较低,除若羌县剖面和36团剖面点存在波动外,其余各县剖面各土层As、Se含量沿剖面变化稳定。
(6)通过土壤As、Se元素迁移系数和淋失比率计算结果可看出土壤As、Se元素沿剖面未发生迁移;土壤环境富集系数计算结果表明,从表层土壤到深层土壤环境,土壤As、Se元素处于弱富集-自然状态水平。
(7)利用相关性分析法得出表层土壤As、Se含量影响因素,具体包括自然因素(成土母质、土壤类型)和人为因素(土地利用方式)。表层土壤As与pH呈显著正相关,与P、Mn、TC、TN、和Corg等大量营养元素含量呈显著正相关,与Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等氧化物呈显著正相关。表层土壤Se含量与pH、Al2O3、SiO2整体呈显著负相关,与Fe2O3、Na2O、K2O、CaO、MgO等氧化物整体呈显著正相关,同时Se含量与Corg、TC、TN、P等整体呈显著正相关。
(8)生物富集系数计算结果表明,农作物对As的富集能力表现为根茎类蔬菜>核桃>小麦>红枣>玉米;农作物对Se的富集程度表现为核桃>根茎类蔬菜>红枣>玉米>小麦。相关性分析和多元回归分析结果表明,玉米根系土As含量仅与土壤粘粒含量有显著相关性;红枣土壤根系土As含量与K、Corg、CEC、B、粘粒含量等呈现显著正相关关系;5种农作物根系土和农产品Se含量之间无显著相关性。
本文研究内容和相关结论如下:
(1)研究区土壤环境整体属于弱碱性,土壤有机质含量低,土壤分化程度在空间上从东向西逐渐增强。土壤As、Se含量整体较低,表层与深层、农用地与非农用地、不同土壤类型、成土类型、土地利用方式等5种比较条件下土壤As、Se含量存在显著性差异。
(2)依据中国地质调查局标准DD2019-10《天然富硒土地划定与标识(试行)》,研究区表层土壤Se含量达到富硒标准的采样点个数为77个,占表层土壤取样点总数的2.2%,富硒土地面积为152km2,在农用地和非农用地范围内均有分布。
(3)研究区灌溉地下水As和Se含量比较低,其对土壤和农产品富集As和Se影响较小。土壤As、Se含量背景值分别为8.36、0.13mg/kg,土壤As、Se含量异常区总面积为570.12km2,主要分布在耕地或园地,非农用地异常区主要分布在盐碱地。
(4)研究区表层土壤的As、Se含量莫兰指数(Morans I)大于0,两个元素的空间自相关性表现为空间正相关,聚集类型主要以高-高型、低-低型为主,表现为中等的空间相关性,由结构性因素和随机性因素叠加造成。半变异函数理论模型主要以高斯和指数模型为主。
(5)克里金插值效果较好,从插值结果看,研究区农用地的土壤As、Se含量高于非农用地的土壤As、Se含量,与含量统计结果一致,土壤As、Se含量空间分布特征与自相关分析结果一致。As、Se元素土壤水平方向上,表现为农用地的土壤As、Se含量高于非农用地的土壤As、Se含量,土壤As、Se含量高值区呈片状集中或岛状零散分布,含量水平分布不均;在垂向方向上,表现为农用地各层土壤As、Se的含量较低,除若羌县剖面和36团剖面点存在波动外,其余各县剖面各土层As、Se含量沿剖面变化稳定。
(6)通过土壤As、Se元素迁移系数和淋失比率计算结果可看出土壤As、Se元素沿剖面未发生迁移;土壤环境富集系数计算结果表明,从表层土壤到深层土壤环境,土壤As、Se元素处于弱富集-自然状态水平。
(7)利用相关性分析法得出表层土壤As、Se含量影响因素,具体包括自然因素(成土母质、土壤类型)和人为因素(土地利用方式)。表层土壤As与pH呈显著正相关,与P、Mn、TC、TN、和Corg等大量营养元素含量呈显著正相关,与Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等氧化物呈显著正相关。表层土壤Se含量与pH、Al2O3、SiO2整体呈显著负相关,与Fe2O3、Na2O、K2O、CaO、MgO等氧化物整体呈显著正相关,同时Se含量与Corg、TC、TN、P等整体呈显著正相关。
(8)生物富集系数计算结果表明,农作物对As的富集能力表现为根茎类蔬菜>核桃>小麦>红枣>玉米;农作物对Se的富集程度表现为核桃>根茎类蔬菜>红枣>玉米>小麦。相关性分析和多元回归分析结果表明,玉米根系土As含量仅与土壤粘粒含量有显著相关性;红枣土壤根系土As含量与K、Corg、CEC、B、粘粒含量等呈现显著正相关关系;5种农作物根系土和农产品Se含量之间无显著相关性。