莎车县巴旦木种植区土壤-植物地球化学特征相关性及环境质量研究

王刚 马宏超 古力娜·太来提

摘   要：通过对莎车县土地质量地球化学调查工作，在研究区采集表层土壤样3 765件、植物样120件，对样品中元素地球化学特征及相关性分析显示，研究区与叶尔羌河流域土壤背景值相比呈现高有机质、N，低S的特征，巴旦木呈现高钾、镁的特征，可作为人体补钾、补镁的食物来源。土壤中的Se，Zn和pH值与巴旦木Se，K，Sn，蛋白質的含量存在明显正相关性;研究区土壤环境质量满足绿色食品产地环境质量要求，非常适合绿色巴旦木产地的申请和开发。

关键词：土壤;植物;地球化学特征;相关性;环境质量

莎车县位于新疆西南叶尔羌河冲积平原中上游，现有耕地面积209万亩，其中巴旦木种植面积92万亩，有“中国巴旦木之乡”的美誉。一直以来，由于光热资源丰富，有效积温高、昼夜温差大、无霜期长，降水少、蒸发量大等自然条件，莎车县非常适宜发展特色农业。但受限于当地农业管理粗放、人均耕地少、果粮间作过度等因素，造成巴旦木产量低、植株过早病衰老化的问题。

2019—2020年新疆地质勘查基金项目管理中心“新疆莎车县巴旦木特色种植区1∶5万土地质量地球化学调查”项目，针对莎车县巴旦木种植区开展了调查工作，对研究区内表层土壤中34项指标和巴旦木果仁中18项指标的地球化学特征进行了系统研究。在对土壤环境质量、养分质量和巴旦木安全效益评价的同时，进行了土壤-植物地球化学特征相关性分析。为莎车县种植结构与特色巴旦木发展布局、土地资源管护、生态文明建设等提供了重要的基础地学数据。

1 研究区概况

研究区位于叶尔羌河平原核心区域，新疆喀什地区莎车县境内，调查面积410 km2，区内地形起伏较小，平均海拔约1 231 m，属典型大陆荒漠性气候，日照长，温差较大，热量充足，四季分明。年均气温11.4℃～12.5℃;年降水量为46.1～50.0 mm;年蒸发量2 259～2 320 mm。土地利用类型以耕地、园地为主，占研究区总面积的62.1%。土壤类型以盐化草甸土、潮土、盐化潮土和灌淤土为主[1]，占研究区总面积的92.1%。特色林果以巴旦木和核桃种植为主，大宗农作物以棉花、玉米、小麦、万寿菊等种植为主。

2 工作方法

2.1 样品采集

野外样品采集按1∶5万土壤测量和植物样采集两个部分开展。其中1∶5万土壤测量采集0～20 cm的表层土壤样品，平均采样密度为9 点/km2。采样过程兼顾土壤类型、成土母质、地形地貌等特征，共采集表层土壤样品3 765件（图1）。植物样采集是在前述工作的基础上，针对性的采集巴旦木成熟果实样品，采集的同时配套采集根系土壤样，共采集植物样（巴旦木）及根系土壤样120 件。以上工作采用便携式GPS测量所有采样点坐标，并进行野外采样编录。样品的采集、加工和保存等环节均严格按照《区域生态地球化学评价规范》（DZ/T0289-2015）执行。

2.2 分析测试

样品分析测试工作由国土资源部乌鲁木齐矿产资源监督检测中心承担。表层土壤样品分析测试pH，As，Cd，Cr，Hg，Pb，Ni，Zn，Cu，Co，V，Sb，Tl，Sn，N，P，K，B，Mn，Se，Mo，CaO，MgO，Fe2O3，F，I，S，SiO2，有机质、全盐量、质地、碱解氮、速效磷、速效钾共34项指标;植物样品分析测试As，Cd，Cr，Hg，Pb，Ni，Sn，Ca，Zn，Mg，Na，Se，P，Fe，K，苯并[a]芘，蛋白质，脂肪共18项指标;根系土样品分析测试pH，Hg，As，Pb，Cd，Cr，Cu，Zn，Ni，Se，Ge，有机质，碱解氮，有效磷，速效钾，有效硼，有效铁，有效钼，有效铜，有效锌，有效硫，交换性钙和镁，交换性钾和钠，Se元素形态，Se价态（Se4+，Se6+），六六六，滴滴涕，苯并[a]芘共35项指标。所有的测试结果均满足《生态地球化学评价样品分析技术要求》（DD2005-03）规定的分析准确度和精密度等质量要求，样品分析合格率100%，异常抽查检验样的合格率99.11%。

3  土壤-植物地球化学特征及相关性分析

3.1 表层土壤地球化学特征

对研究区表层土壤元素或指标的平均值与叶尔羌河流域土壤背景值进行比较，比值变化较大的元素有：有机质，氮，硫，比值分别为1.33，1.2，0.2（图2），原因主要有两个方面：①研究区是传统农耕区，土壤养分含量相较于整个流域相对较高;②南疆土壤盐渍化区内盐类主要为硫酸盐，因此盐渍化区的硫含量远高于非盐渍化区，而研究区大多属非盐渍化区。

研究区表层土壤元素或指标的平均值与全国土壤A层背景值进行比较[2]，比值为0.62～5.20，其中CaO，S，MgO等养分元素的含量均值为全国背景值的5.20，5.16，2.21倍，N，P，K，有机质等养分元素的含量均值为全国背景值的1.19，1.78，0.87，0.41倍;8种重金属元素仅Cd的背景值高于全国平均水平，达1.79倍，其余均低于全国平均水平，这与南疆地区土壤元素总体特征基本一致[3]。

3.2 植物地球化学特征

3.2.1  巴旦木营养元素地球化学特征

巴旦木样品中营养元素含量均有检出（图3），Se含量介于0.005×10-6～0.059×10-6，均值0.018×10-6;Ca含量介于0.076×10-2～0.262×10-2，均值0.143×10-2;Sn含量介于0.016×10-6～0.055×10-6，均值0.037×10-6;Zn含量介于21.95×10-6～53.96×10-6，均值32.49×10-6;K含量介于0.48×10-2～0.88×10-2，均值0.67×10-2;Mg含量介于0.199×10-2～0.331×10-2，均值0.283×10-2;Na含量介于0.0012×10-2～0.0062×10-2，均值0.003×10-2;P含量介于0.351×10-6～0.598×10-6，均值0.018×10-6;Fe含量介于24.52×10-6～66.41×10-6，均值42.12×10-6;蛋白质含量介于12.95×10-2～27.7×10-2，均值21.38×10-2;脂肪含量介于47.65×10-2～52.35×10-2，均值50.18×10-2。

巴旦木中营养元素含量由高到低依次为：K，Mg，Ca，Fe，Zn，Na，Sn，Se，P，与刘金荣等研究结果基本一致[4]，值得注意的是巴旦木钾高出高钾食物橙子（K橙子=0.16×10-2）4.2倍，巴旦木镁高出高镁食物花生（Mg花生=0.17×10-2）1.6倍。综上特征，认为莎车巴旦木可作为人体补钾、补镁的食物来源。

3.2.2  巴旦木中有毒有害元素地球化学特征

所有巴旦木样品中Pb，苯并[a]芘含量均低于测试方法检出限0.02×10-6、0.1×10-9，其余元素均有检出（图4）。As含量介于0.014×10-6～0.048×10-6，均值0.028×10-6;Cd含量介于0.002 8×10-6～0.015 0×10-6，均值0.006 3×10-6;Cr含量介于0.248×10-6～0.556×10-6，均值0.398×10-6;Hg含量介于1.80×10-9～2.55×10-9，均值2.17×10-9;Ni含量介于0.48×10-6～2.23×10-6，均值1.39×10-6。

3.3 土壤-植物元素相关性分析

3.3.1 植物富集系数特征

元素在土壤到植物体的迁移转化过程中，以富集系数评价植物体对土壤中某种元素的富集能力，富集系数越大，代表该元素在植物中的富集能力越强。为衡量植物可食部分从根系土中吸收富集某种元素的能力，定义了富集系数，计算公式如下：

[S富集系数]=[i=1nS农作物S根系土]÷n（[i=1，2，3，·][·][·]n）

式中，S富集系数为植物对某种元素的富集系数;S农作物为某元素在第n件植物可食部分中的含量值;S根系土为某元素在第n件生物对应的根系土中的含量值。

由图5可知，富集系数大于0.1的元素有Zn，K，Hg，Mg，Se表明巴旦木对上述5种元素的富集能力相对较强，其余元素富集系数小于0.1甚至趋于0，表明巴旦木对其余元素的富集能力较弱。对比图3，图4，巴旦木中的Zn，K，Mg，Se元素显示高含量、高富集系数，而Ca显示高含量、低富集系数，Hg显示低含量、高富集系数，造成这种现象的主要原因是研究区土壤中Ca极度富集而Hg极度亏损。

3.3.2  土壤-植物元素相关性分析

通过对巴旦木与根系土中各元素相关性分析统计结果（表1），其中巴旦木中Se与土壤中的Se，Cr，As，Zn，Hg呈显著正相关，与土壤中的Sn，P，Fe呈显著负相关;Sn与土壤中的Zn，pH呈显著正相关，与土壤中的P呈显著负相关;Cr与土壤中的As呈显著正相关，与土壤中的pH呈显著负相关;Ni与土壤中的Se，As呈显著正相关;Zn与土壤中的Zn，Cd呈显著负相关;Hg与土壤中的Zn，Cd，pH呈显著正相关，与土壤中的K，P，Fe呈显著负相关;K与土壤中的Zn呈显著正相关;Fe与土壤中的pH呈显著正相关，与土壤中的Se，Zn，Cd，Hg，K呈显著负相关;蛋白质与土壤中的pH呈显著正相关。

综合以上分析结果可知，在不影响土壤平衡和土壤环境的前提下，适当增加土壤中Se，Zn和pH值，对提升巴旦木中Se，K，Sn，蛋白质等营养成分的含量有一定的贡献。

4  研究区环境质量评价

4.1  土壤环境质量评价

研究区土壤环境质量、土壤肥力、绿色食品产地分级采用《绿色食品产地环境质量》（NY/T391-2013）[5]。该标准是目前为止对土壤评价最为严格的标准，同时是绿色食品产地申请的必要评价标准。

通过评价，研究区达到一级（AA级绿色食品产地）的面积达182.74 km2，主要分布在阿热勒乡、恰热巴格乡、依盖尔其镇一带（图6）。该区土壤肥力高、土壤环境质量达标;二级（A级绿色食品产地）的面积达229.66 km2，主要分布在调查区伯什坎特镇、阿拉买提乡一带。该区土壤肥力一般、土壤环境质量达标;三级（其他产地）的面积达0.44 km2，区内土壤环境质量不达标，主要原因是As或Pb元素含量超标，占比0.11%。

4.2  農产品环境质量评价

农产品环境质量评价参照《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762-2017），选取巴旦木中Pb，Cd，Hg，As，Cr和苯并[a]芘6个污染物指标作为安全评价因子，通过对污染物指标的最大值、最小值、均值和标准限值进行对比统计（表2），巴旦木污染物含量远低于限值标准。因此，研究区巴旦木的安全性较高，完全能够满足食品生产、加工、销售等需求，结合研究区绿色食品产地分级，莎车县巴旦木特色种植区非常适合进行绿色巴旦木产地的申请和开发。

5 结论与建议

（1） 研究区与叶尔羌河流域土壤背景值相比，土壤受农耕活动和盐渍化程度的影响呈高有机质氮，低硫的特征，与全国土壤A层背景值相比，总体呈现高CaO，S，MgO，低有机质的特征。

（2） 研究区巴旦木具有高钾，镁等营养元素的特征，可作为人体补钾、补镁的食物来源。富集系数显示巴旦木对土壤中Zn，K，Hg，Mg，Se等元素的吸收能力较强。

（3） 在不影响土壤平衡和土壤环境的前提下，适当增加或提高土壤中Se，Zn和pH值，对提升巴旦木中Se，K，Sn，蛋白质等营养成分的含量有一定的贡献。

（4） 研究区土壤、农产品环境质量满足绿色食品产地环境质量要求，非常适合进行绿色巴旦木产地的申请和开发。

参考文献

[1]    新疆维吾尔自治区农业厅，新疆维吾尔自治区土壤普查办公室.新疆土壤[M].北京：科学出版社，1996：4-12.

[2]    中国环境监测总站.中国土壤元素背景值[M].北京：中国环境科学出版社，1990.