张家口地区硒的环境地球化学背景
(中国地质科学院生物环境地球化学研究中心，北京100037)
约翰逊公司
(英国地质调查局，英国)
王元吉福泉
(河北张家口张家口地方病研究所)
本文通过对张家口克山病病区岩石、河流沉积物、土壤及其剖面的综合研究，得出以下结论:硒环境背景与克山病的关系。①本地区各种岩石的硒含量范围为0.11 ~ 0.19μg/g，各岩石之间差异不大，与克山病无直接关系。(2)河流沉积物主要来自上游的中基性火山岩和斜长片麻岩，硒含量为0.05 ~ 0.09 μ g/g，比岩石低近一倍，无异常高点。③克山病最严重的村庄，位于分水岭两侧缓坡和北侧低山丘陵之间的开阔谷地。前者土壤为草甸土，含上侏罗统石英斑岩和流纹岩残积物，后者主要为黄土，其次为石灰土和沙土，含冲积物(在分水岭北侧)；中低病村和无病村主要分布在流域南侧的河谷、冲积河漫滩、河谷和梯田。土壤为冲积沙质土壤(石灰性土壤)，土壤中硒含量从重病村到中低病村再到非病村递减。分水岭两侧的草甸土是个例外。硒在土壤表层的分布趋势初步解释为硒在土壤剖面中的分异。
张家口；硒地球化学
张家口位于中国河北省北部，与内蒙古接壤，是中国克山病流行区之一。从1945发现该病到现在已经50多年了。但大规模正式调查是在1962 ~ 1972期间进行的。本次调查确认固原、张北县克山病病区为重病区(发病率大于50/65438+万)，赤城、崇礼、尚义县为中病区(发病率为30 ~ 50/65438+万)，怀来、康保、涿鹿县为轻病区(发病率小于365438+)。8个县35个乡366个村，总人口303776人，患者4999人。主要集中在沽源县的丰原店、孝昌、常亮乡和张北县的占海、大浑、第三乡。几乎80%以上的患者分布在这6个乡镇的35个行政村。发病人群主要集中在20 ~ 49岁的育龄妇女和10岁以下的儿童，前者更为显著。
从地形上看，该地区北高南低，南陡北缓。就本文涉及的固原、张北、赤城、崇礼四县而言，前两县地处高原低山平原，后两县为山地丘陵河谷。两者均以东西分水岭为界，而克山病沿分水岭两侧分布，发病率随海拔降低有从分水岭向两侧递减的趋势(图1，2)。目前，虽然部分病房自然消退，但其他地方又出现了新的疾病。如沽源县喇嘛洞村，1972为轻症村，但192却达到了1/114的检出率，其中15患者均在50岁以下，包括20岁左右的年轻人。张北大学二道湾村，1964普查时只有9个病人，现在增加到38个。值得注意的是，这些新发现的患者和病情有新发展的村庄位于分水岭北侧，远离分水岭，属于低山丘陵盆地。地形似乎正在向山区和平原的过渡地带发展。
图1猫屿-后坪头梁(A剖面)地质地球化学示意图
1-第四纪沉积物；2-上侏罗统9酸性火山岩；3-中侏罗世中基性火山岩:4-太古代变质岩；5-燕山期花岗岩；6-土；七流沉积物；8—摇滚
图2洋流图-徐佳莹地质和地球化学草图(B部分)
1-第四纪沉积物；2-上侏罗统酸性火山岩；3-中侏罗世中基性火山岩；4-印支期花岗岩；5-摇滚；6-土壤
这些新老疾病的发生，再次说明张家口地区仍然存在克山病的因素和条件。然而，由于这方面研究工作的滞后，其病因仍不十分清楚。张家口地方病研究所和张家口医学院联合对病区饮用水进行采样检测，发现病区水镁比非病区低2 ~ 3倍，并提出该地区克山病与环境中镁含量低有关的结论。而病房与非病房、病人与非病人的发镁和血镁对比分析，并没有得出类似的结论。另一方面，克山病与环境硒缺乏有关的观点在该地区尚未得到证实。正因为如此，该地区克山病的防治效果不是很理想。
1995以来，中国地质科学院生物环境地球化学研究中心和英国地质调查局会同张家口市卫生局和地方病防治研究所，在克山病环境病因研究方面取得了重要进展。本文通过对病区的地质地球化学调查和地貌观察，综合分析硒的地球化学环境背景，了解硒在张家口地区生态环境系统中的分布和转化及其与克山病的发生关系。
1克山病的分布特征
张家口克山病主要集中在沽源县的丰原店、孝昌、常亮乡和张北县的占海、大浑、三乡。全区几乎90%的患者分布在这6个乡镇的35个行政自然村。
2研究方法
根据克山病的分布特点和发展趋势，采用地质、地理、地球化学和地方病流行病学综合调查方法，对该地区硒地球化学环境背景进行了分析。在克山病重、中、轻(非)分类的基础上，通过野外调查、重点采样和路线剖面测量，查明了硒及相关元素在该地区各种环境介质(岩石、河流沉积物和非耕作土壤)中的分布及其对硒的影响。
2.1路线纵断面调查
根据克山病的分布、地形和交通条件，在1: 50000地形图上设计了东西两段。东段南起赤城县毛峪，北至沽源县后平头梁，北北东向39.4km。西段南起崇礼县现地图，北至张北县徐佳莹，全长35公里。两个断面分别经过两个相似的地貌景观区(山谷滩和高原丘陵平原)及其重、中、轻(非)病村，沿断面每隔约2km取样一次，包括岩石、河流沉积物和土壤(表1)。
采样情况如下。
岩样:采集了16块暴露岩样。
水系沉积物:本区水系不发育，仅在东剖面南侧的虎龙沟和鲍忠采集到5个样品。
土壤样品:为了解该地区硒的环境地球化学背景，采集了47块未受污染的原生土壤，尽量避开耕作土壤。
表1张家口地区地球化学剖面采样
①1—残积沉积，2—斜坡沉积，3—冲积沉积，4—冲积沉积，5—风成沉积；②LPG指示印支期花岗岩，JBOY3乐队指示晚侏罗世酸性火山岩，J2指示中侏罗世中基性火山岩，AM指示寒武纪变质岩，JG指示侏罗纪花岗岩。
土壤剖面:在上述土壤样品中，选取27个土壤深度剖面，观察硒在各层土壤中的差异流动状态。
2.2流行病学调查
对沿线村庄1992 ~ 1996的各种地方病、癌症等疾病的发病率和死亡人数进行了回顾性调查。克山病检出率见表2。
表2剖面抽样点克山病调查表(1992 ~ 1996)
继续的
2.3样品分析
将收集的土壤和水系沉积物样品带回实验室，自然风干。将粉碎的干草挑选出来，放入烘箱中，在不超过60℃的温度下干燥，并研磨至200目(74μm)，岩石样品也研磨至200目。在地矿部岩矿测试中，用原子荧光光谱法分析测定了硒的含量，并测定了土壤样品的pH值。
克山病区硒的环境背景
根据样品测试结果编制的综合环境地质地球化学剖面图(图1和2)，可以总结出以下环境背景特征。
3.1岩石中硒的地球化学特征
本区各种岩石的硒含量见表3。虽然病区对应的是侏罗纪火山岩，但各类岩石的含量接近且较低。因此，岩石中的硒与克山病没有直接的遗传关系。
表3岩石类型和硒含量(微克/克)
3.2水系沉积物中硒的地球化学特征
河流沉积物通常反映了上游集水区岩石的特征。东剖面虎龙沟和鲍忠的水系沉积物主要来自上游的J:中基性火山岩和太古代老变质岩(图1)。五种河流沉积物中硒的含量范围为0.05 ~ 0.09μg/g，平均值为0.06&ug/g/g，低于上述两种岩石中的含量。除鲍忠附近的一个采样点外，河流沉积物和岩石的硒含量差异较大，其他点的岩石和河流沉积物的硒含量接近，所以河流沉积物基本反映了原岩低硒的特征，没有异常。
3.3非耕作土壤中硒的地球化学特征
剖面上有四种土壤类型:沙土、褐土、石灰土和草甸土(表1)。沙土的母质一般为冲积层，石灰性土壤的母质多为冲积层+风成层，褐土和草甸土主要为残积母质层。草甸土为黑色或灰褐色，分布在分水岭附近和北侧低山丘陵的坡面上。母岩层中的原岩多为石英斑岩、流纹岩等。，原位风化剥蚀后形成土壤。一般岩石裸露的地方土层较薄，低洼处土层较厚。但这种草甸土不论其厚度，可分为A、B、c三层，含有机质的腐殖质层通常在10 ~ 20 cm左右，A层土壤的pH值为7 ~ 8。褐土分布在流域两侧，特别是北部高原的丘陵和丘陵，大部分不在剖面上。其母质层多为中基性安山岩，土层较薄，A层土壤不发育，pH值7.6 ~ 8.6。灰钙土分布在分水岭北侧丘陵间的开阔河谷中。土壤的母质是黄土层和冲积层，厚度达数米，有一薄层A，pH值为7 ~ 8.2，而B层和C层难以区分。这种石灰性土壤是分水岭北侧的一种独特类型。沙质土壤出现在分水岭两侧，主要分布在河滩和一、二级阶地。分水岭北侧地势平坦，河流不发育。现有河流流量小，流速慢，两岸没有梯田。在分水岭的南侧，经常出现河谷阶地，从而形成“U”型河谷地貌。沙土一般为棕灰黄色，土层厚度不一。阶地上的沙土较厚，分化较好；海滩沙很薄，分化差。a层不发育或较薄，土质差，肥效低，pH值8 ~ 9。
东段分水岭南侧(图1)，虎龙沟至清泉堡段为V型河谷，河流为山溪，冲积层对土壤贡献不大，河流两岸土壤以褐土为主，有残坡积；在清泉堡-猫屿河段，河流已发展为成熟的二级或三级河段，冲积层发育良好。河流两岸或一侧有一、二级阶地。除清泉堡砂样的硒含量为65438±0.2μg/g外，剖面南侧土壤硒的分布范围为0.2 ~ 0.6 μ g/g。而虎龙沟北部中侏罗世玄武安山岩残积物发育的褐土样和沙土样的硒含量为0.3 ~ 0.6 μ g/g，呈锯齿状分布，沙土样的硒含量为0.5μg/g，砂样的硒含量为0.5μg/g..前韭谷-韭谷段为草甸土，三个样品硒含量分别为1.3、1.2和0.4μg/g。韭菜沟-后坪头梁段为风积黄土形成的石灰土和冲积物形成的沙土。两个石灰性土壤样品的硒含量为0.6-0.7 μ g/g，一个沙土样品的硒含量为65438。
在西段(图2)，在分水岭的南侧和半身图的北侧，有发育在石英斑岩残积物中的晚侏罗世流纹岩和黑色草甸土。4个样品硒含量范围为0.15 ~ 0.2μg/g，半身图-水流图室为较宽阔的河滩和沙土，母质为碎屑物质，主要来自上游石英斑岩、流纹岩和花岗岩。8个样品的硒含量范围为0.08-0.65438±0”g/g..流域北侧为黑色草甸土，4个样品的硒含量为0.1 ~ 0.4μ g/g..阿布台沟-湛海剖面为冲积土中发育的黄土+石灰土和砂土，4个样品硒含量为0.3 ~ 0.2 μ g/g..沾海-徐佳莹北坡为草甸土，三个样品硒含量为1.1 ~ 1.3μ g/g，徐佳莹-徐佳莹北坡为沙滩，两个样品硒含量为0.4μg/g
从上述两个剖面中土壤硒的分布可以看出:①草甸土硒值有两个范围，一个在流域山脊两侧的缓坡上，范围为0.10 ~ 0.2”g/g，另一个在远离流域北侧的丘陵坡地上，硒值在0.4 ~ 1.3 μ g/g之间变化；②中酸性火山岩、花岗岩、黑云母斜长片麻岩等。，虽然年代不同，但岩石成分和硒含量相似，所以它们形成的土壤中硒含量大多相似；③冲积物和黄土形成的石灰性土壤硒含量在0.3 ~ 0.7”g/g之间变化，呈锯齿形分布，可能与黄土和冲积土成分复杂有关；④河流冲积沙土硒含量变化较大(0.08 ~ 1.5 μ g/g)，呈现三种情况:一是该断面分水岭南侧的沙土，硒含量为0.4 ~ 0.6 μ g/g，二是两段南侧的沙土，硒含量为0.08 ~ 0.1 μ g/g，三是。
4结果讨论
调查发现，克山病重度村和中度村的耕作土壤有两种类型。分水岭山脊附近的村落，耕作土壤多为黑色草甸土(如坝顶、阿布台沟、平头梁)，低山丘陵间有河漫滩、河谷的村落，耕作土壤多为石灰土、沙土(如后平头梁、赶水河、占海、韭菜沟)。以上所列重病村的耕作土壤类型与两个剖面中的土壤类型一致。因此，可以认为该地区克山病检出率高(> 1%)的村庄土壤类型主要是草甸土、石灰土和沙土。它们可以作为克山病高发区的一种土壤环境背景。东段虎龙沟-毛峪地区近年来也检出克山病患者(< 1%)。虎龙沟耕地以低山坡为主，以褐土为主，母层为玄武安山岩和黑云母斜长片麻岩残坡积。清泉堡-毛峪，耕地为沙滩阶地，母质层来自黑云母斜长片麻岩和安山岩的水系沉积物。它们也与剖面测量的非耕作土壤类型一致。在西段，半身图-石窑子-刘海图地区克山病检出率为零，当地耕作土壤与该段非耕作土壤相同，为滩沙，故滩沙(不含石灰性土壤)可视为轻-非克山病区的土壤类型。
比较耕作土壤和非耕作土壤的硒含量，发现重病村耕作土壤的硒含量为0.063 ~ 0.263μg/g，非耕作土壤中草甸土的硒含量为0.1 ~ 0.2 μ g/g和0.4 ~ 1.3μg/g，石灰性土壤的硒含量为0.3 ~ 0.7 μ g/g，非患病村耕作土壤的硒含量为0.00..其中，非发病村两种土壤硒含量的变化相当一致，重发病村非耕作草甸土第一硒含量与耕作土壤相对一致，而石灰土与沙土结合的第二区间硒含量远高于耕作土壤，有的甚至超过0.4”g/g/g高硒土壤的限值。原因尚不清楚，需要进一步调查。本文对富硒草甸土的一种可能解释是，无论是以前的韭谷-韭谷(图1)还是徐佳莹南坡(图2)都是未开垦的山地草甸土。由于长期的土壤分化和土壤成熟度的提高，富含有机质的A层土壤硒含量高于不含有机质的B层土壤(图3-a)。由于母质中酸性火山岩的平均硒含量为0.1.9 μ g/g(表3)，推测C→B→A层硒为强富集趋势；与耕作土壤伴生的非耕作草甸土(如阿卜泰沟、坝顶)的A、B、C层硒无明显分异(图3-b)，C→B→A层硒含量弱富集。特别需要指出的是，分水岭顶部的样品B-13是远离耕地的山地草甸土，从两侧看具有明显不同的强分异特征。虽然B→A的富集方向不同，但也表现出远离耕作区的耕作土壤强烈的分异富集趋势。有鉴于此，耕作区的非耕作土壤(可能包括耕作土壤)由于富集趋势较弱，来自硒含量不是很高的母质层(C)的硒含量较低，从而表现出低硒的特征，而远离耕作区的非耕作土壤由于富集趋势较强，A层硒含量远高于C层(或B层)。
图3 A、b剖面土壤硒含量深度变化图。
一般来说，土壤硒的分异取决于土壤成分、粒度、氧化还原电位、有机质含量等。对于含硒量较高的非耕作石灰土和沙土组合，成土母质来源相当复杂，包括来自风成黄土和附近冲积碎屑的外来物质，因此C层所代表的母质层含硒量可能较高(图3-c)。对于石灰性土壤，土壤粒径变化不大，pH分布特征不明显。虽然土壤处于开阔低洼地带，氧化淋溶作用相对较弱，但表层(A层)有机质对硒的吸附也较弱，所以形成了A→B→C的富集趋势，A→B的分异不明显，只是因为母质本身含硒量高，所以分异后A层仍处于高硒状态。在沙土的深度剖面中(图3-C)，自下而上粒径变细，自下而上硒的储存效应增强。当这种效应叠加在石灰性土壤的两种类似效应上时，可以出现B→A的富集趋势，并且由于C(或B)层本身高硒，表层(A)处于高硒状态。在图3-B中，pH的分布是不规则的，它们对硒的影响也不清楚，但是南北两侧的土层A厚度从流域B-13开始逐渐增加，所以有机质对硒的吸附也应该是逐渐增加的。同时，随着高度的降低，向两侧的氧化淋溶也相应减少，这说明在从山顶向两侧的深度剖面中，硒从地表向深处缓慢增加。如果我们把所有草甸土的成分都看成一样的，土壤剖面的粒度变化也是一样的，那么土壤分异的强度主要是通过土壤有机质的含量和氧化淋溶的程度来判断的，这样我们就会看到图3-B中分水岭的最高点使B层和C层的硒含量急剧增加是因为氧化淋溶大于有机质对硒的吸附，分异明显。在两侧，由于氧化淋溶作用的减弱，有机质的作用增强。两种作用抵消后，硒的分化变弱。但随着A层的增加，有机质对硒的作用越来越强，氧化淋溶越来越弱。A层硒含量增加，B、C层硒含量降低，分化再次明显，但硒积累的方向发生了变化。在图1中，大部分土壤硒含量大于0.4μg/g，但剖面图中几乎每个村都有克山病。图2徐佳莹土壤硒大于0.4 ~ 1.3 μ g/g，仍检出1.04%克山病人。相反，板神图-电流图在本地区土壤硒含量最低(0.08 ~ 0.1 μ g/g)，但未检出克山病人。这些都令人费解。但耕地土壤硒与克山病关系的研究结果表明，重病村→中病村→非病村与土壤低硒→中硒→高硒存在对应关系，非耕地土壤(图1中重病村除外)高于0.4 ~ 1.5 μ g/g，低病村高于0.2 ~ 0.6 μ g/g。
5结论
张家口克山病区硒的地球化学环境具有以下特征。
(1)本区出露的各种岩石硒含量范围为0.11 ~ 0.19μg/g，各岩石之间差异不大。在综合地球化学剖面上，岩石中硒的分布接近直线，与克山病检出率曲线没有对应关系，因此岩石中硒与克山病没有直接关系。
(2)该地区水系不发达，难以用水系沉积物反映硒的环境背景。局部取样测试表明，水基沉积物(0.05 ~ 0.09 μ g/g)的含量是岩石中含量的一半，没有异常特征，说明硒在风化过程中因损失而分散在岩石中。
(3)由于该地区土壤类型多样，硒的地球化学环境特征复杂。经过实地观察和比较，发现克山病最严重的村庄主要发生在分水岭两侧的缓坡和低山丘陵之间的开阔谷地。前者的土壤是中侏罗世石英斑岩和流纹岩残积物发育的草甸土，后者主要是黄土，其次是冲积物发育的石灰土和沙土。中低病村主要分布在河谷冲积滩和梯田，土壤为冲积沙土(无石灰土)。无病村也位于山沟里，土壤是冲积沙。因此，草甸土和石灰土+沙土是克山病重病区的主要土壤环境类型，冲积沙土是低病区和非病区的主要土壤类型。硒在草甸土中有两个分布范围。流域两侧草甸土中硒含量为0.1 ~ 0.2μg/g；位于流域北侧低山丘陵坡地的草甸土含硒量为4 ~ 1.3 μ g/g .石灰性土壤含硒量为0.3 ~ 0.7 μ g/g .沙土中有3个硒分布范围:0.08 ~ 0.1 μ g/g，对应无病村；0.4 ~ 0.6微克/克，对应中、轻病村；0.4 ~ 1.5 μ g/g，对应灰土结合和病情最重的村庄。因此，土壤类型、硒含量与克山病村一般有以下对应关系:
地球化学环境:农业与健康
这与耕作土壤研究的结论基本一致。从整体上看，土壤中的硒含量高于岩石和沉积物中的硒含量，说明生物和有机质在土壤形成过程中起到了富集作用。该地区大部分克山病重病区村土壤硒含量高于非病区村土壤硒含量的事实，与其他克山病病区的结论不符，也与该地区病区村食物和人体硒水平较低不符。可见，不同介质中硒含量与克山病的关系不是简单的线性关系，而是包含着丰富的内涵。
(4)本文首次尝试应用岩石、河流沉积物、土壤地球化学剖面和土壤深度剖面的地球化学分析方法，在探讨硒的地球化学背景分布和解释不同土壤类型中硒的状态分布方面取得了显著的成果。实践证明，这是一种经济、快速、实用的环境地球化学分析方法。
参考
梁占魁，王元。张家口地区33个克山病村普查报告。中国流行病学杂志，1987，第6卷第4期，P244。
中华人民共和国地方病与环境图集编辑。中华人民共和国地方病与环境图集。北京:科学出版社，1989。
王自健。硒的生态学研究进展。环境化学，1993，第12卷，第3期，P237 ~ 243。
侯绍凡，李纪珠，等。暖温带地理景观中土壤硒的分异特征。地理学报，1992，第47卷，第1期。
彭安，徐浪秋。腐殖质和土壤某些组分对硒(ⅵ)的吸附和解吸。参见:《环境重金属研究文集》，北京:科学出版社，1988。