张家口地区硒的环境地球化学背景

葛晓立　张光弟　张绮玲　刘新平　罗代洪

（中国地质科学院生物环境地球化学研究中心，北京　100037）

Johnson C.C.

（British Geological Survey,U.K.）

王元　吉富泉

（张家口地方病研究所，河北　张家口）

摘要　本文采用路线剖面法，通过岩石、水系沉积物、土壤及其剖面的综合研究，对张家口克山病区硒环境背景和克山病间的关系得出以下结论。①本区各种岩石硒含量范围为0.11～0.19μg/g，相互间差异不大，与克山病不发生直接关系。②水系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0.05～0.09μg/g，比岩石硒低近一倍，且未出现异常高值点。③克山病重中病村位于分水岭两侧较平缓的坡地和北侧低山丘陵之间开阔的谷地，前者的土壤为上侏罗系石英斑岩和流纹岩残坡积层发育的草甸土，后者主要是黄土，其次是冲积层发育的灰钙土和砂土（在分水岭北侧）；中低病村和无病村主要分布在分水岭南侧山谷、冲积河滩、谷地和阶地地形，土壤为冲积砂土（无灰钙土），土壤硒的含量呈现从重病村→中低病村→非病村降低的趋势。例外的情况是在分水岭两侧附近的草甸土。上述土壤表层硒的分布趋势在土壤剖面硒的分异中，被初步解释。

关键词　张家口　硒　地球化学

张家口地区位于中国河北省北部，与内蒙古接壤，是我国克山病病区之一。从1945年发现病情到现在，已有50多年历史。但大规模正式调查却是在1962～1972年的10年间。根据这次调查，确认沽源、张北两县克山病区为重病区（发病率＞50/10万），赤城、崇礼、尚义县为中病区（发病率30～50/10万），怀来、康保、涿鹿县为轻病区（发病率＜31/10万）。在8县35个乡366个村中共有人口303776人，病人4999人。主要集中于沽源县的丰源店、小厂、长梁乡和张北县的战海、大囫囵、三号乡。几乎80%以上的病人分布在这6个乡的35个行政自然村中。发病人群主要集中于20～49岁年龄段的育龄妇女和10岁以下的儿童，前者更为显著。

本区地形地貌上呈北高南低、南陡北缓的格局。就本文涉及到的沽源、张北、赤城、崇礼四县而言，前两县处于高原低山平原区，后两县为山地丘陵谷地。两者以近东西走向的分水岭为界，克山病则沿分水岭两侧分布，并发病率有由分水岭向两侧随海拔的降低而降低的趋势（图1、2）。目前，虽然一些病区有自然消退现象，但在另一些地方却有新的病情出现。例如在沽源县喇嘛洞村，1972年普查为轻病村，但1992年调查检出率达到21/114，其中15个病人年龄都在50岁以下，包括20岁左右的年轻人。张北大囫囵二道湾村，1964年普查只有9个病人，现在已增至38人。值得注意的是，这些新检出病人和病情有新发展的村，都位于分水岭北侧，离分水岭较远，属于低山丘陵盆地。地形似乎有向山区与平原过渡带发展的趋势。

图1　猫峪－后平头梁地质地球化学素描图（A剖面）

1—第四系沉积物；2—上侏9统酸性火山岩；3—中侏罗统中基性火山岩：4—太古宇变质岩；5—燕山期花岗岩；6—土壤；7—水系沉积物；8—岩石

图2　海流图－许家营地质地球化学素描图（B剖面）

1—第四系沉积物；2—上侏罗统酸性火山岩；3—中侏罗统中基性火山岩；4—印支期花岗岩；5—岩石；6—土壤

这些新老病情的发生再次说明张家口地区目前依然存在克山病致病的因素和条件。然而由于本区研究工作滞后，使病因至今仍不十分清楚。张家口市地方病研究所与张家口医专联合对病区进行了饮水取样化验，发现病区水镁比非病区低2～3倍，提出本区克山病与环境低镁有关的结论。但是对病区与非病区，病人与非病人发镁和血镁的对比分析，却未得出相似的结论。另一方面，对于全国比较一致公认的克山病与环境缺硒相关的观点，在本区也未得到证实。正因为如此，本区克山病的防治效果并不十分理想。

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联合张家口市卫生局和地方病防治研究所，从1995年开始对克山病开展的以硒为主的环境病因研究已经取得了重要进展。本文在病区进行的地质地球化学测量与地形地貌观察的基础上，对硒地球化学环境背景进行综合分析，从而了解硒在张家口地区生态环境系统中的分布状态、转化规律及其与克山病间的成因联系。

1　克山病分布特征

张家口地区克山病主要集中于沽源县的丰源店、小场、长梁乡和张北县的战海、大囫囵、三号乡，全区几乎90%以上的病人分布在这6个乡的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，本区硒地球化学环境背景分析采用了综合地质、地理、地球化学和地方病流行病学调查的方法，在对克山病进行重、中、轻（非）分类基础上，进行野外实地调查、重点取样和路线剖面测量，以查明硒及相关元素在各种环境介质中（岩石、水系沉积物、非耕作土壤）的分布及其对本区硒环境状态的作用与影响，为进一步分析硒与克山病的关系提供背景资料。

2.1　路线剖面测量

根据克山病的分布、地形地貌和交通条件，在1:5万地形图上设计了东西2条剖面。东剖面南起赤城县猫峪，北止沽源县后平头梁，呈北北东走向，39.4km；西剖面南起崇礼县海流图，北止张北县许家营，呈南北向，全长35km。两条剖面各自穿越了两个类似的地貌景观区（山地河谷滩地和高原丘陵平原）及其分布的重、中、轻（非）病村，沿剖面间隔2km左右选点观察取样，样品包括岩石、水系沉积物、土壤等（表1）。

采样情况如下。

岩石样品：采集了出露的各种岩石类型样品，共16件。

水系沉积物：本区水系不发育，只在东剖面南侧虎龙沟、中堡采集了5个样品。

土壤样品：为了解本区的硒环境地球化学背景，尽量避开耕作土，采集未污染的原生土壤，共47件。

表1　张家口地区地球化学剖面采样情况

①1—残积物，2—坡积物，3—冲积物，4—冲洪积物，5—风积物；②LPG示印支期花岗岩，J₃示晚侏罗系酸性火山岩，J₂示中侏罗系中－基性火山岩，AM示寒武纪变质岩，JG示侏罗系花岗岩。

土壤剖面样：在上述土壤样品中，选择27件土壤深度剖面样，观察硒在土壤各层中的分异流动状态。

2.2　流行病学调查

沿剖面以村为单位进行1992～1996年间各种地方病和癌症等疾病的发病率和死亡人数的回顾性调查。有关克山病的检出率列于表2中。

表2　剖面样点中克山病患病情况调查表（1992～1996）

续表

2.3　样品分析

采集的土壤、水系沉积物样品带回实验室后自然风干并拣出枯草碎石放入烘箱，在不超过60℃的温度下烘干、粉碎磨至200目（74μm），岩石样品也粉碎研磨至200目。地矿部岩矿测试所用原子荧光法分析测定了硒元素含量，土壤样品还加测了pH值。

3　克山病区硒的环境背景

由样品的测试结果编制的综合环境地质地球化学剖面图（图1、2），可总结出如下环境背景特征。

3.1　岩石硒地球化学特征

本区各类岩石硒含量见表3。虽然病区与侏罗系火山岩对应，但各类岩石含量都较接近且偏低。因此，岩石中的硒与克山病无直接的成因关系。

表3　岩石类型及硒含量（μg/g）

3.2　水系沉积物硒的地球化学特征

水系沉积物一般反映上游汇水盆地中岩石的特征。在东剖面虎龙沟、中堡的水系沉积物主要来自上游的J：中基性火山岩和太古宙老变质岩（图1）。5件水系沉积物硒的含量范围为0.05～0.09μg/g，平均0.06＆ug/g，低于上述两类岩石硒含量。除中堡附近的一个样点水系沉积物与岩石硒含量相差较大之外，其他各点岩石与水系沉积物的硒都较接近，因此水系沉积物基本反映了原岩低硒的特征，而且没有异常发生。

3.3　非耕作土壤硒地球化学特征

剖面沿线发育有砂土、褐土、灰钙土和草甸土四种土壤类型（表1）。砂土的母质一般为冲积层，灰钙土母质多为冲积层＋风积层，而褐土和草甸土则主要是残坡积母质层。草甸土呈黑色或灰褐色，分布于分水岭附近及北侧低山丘陵坡地，母质层原岩多为石英斑岩、流纹岩等，在原地风化剥蚀后形成土壤。一般在岩石出露的地方土层较薄，在地势低洼的地方土层较厚。但不论厚薄，这种草甸土都能划分出A、B、C三层，含有机物的腐殖层通常在10～20cm左右，A层土的pH值为7～8。褐土分布于分水岭两侧，特别是北侧高平原上的丘陵岗地，大多不在剖面图范围中。其母质层多为中基性安山岩，土层较薄，A层土壤不太发育，pH值为7.6～8.6。灰钙土分布于分水岭北侧山丘之间开阔的谷地中，成土母质为厚达数米的黄土层＋冲积层，有较薄的A层，pH7～8.2,B、C层则较难区分。这种灰钙土是分水岭北侧特有的类型。砂土则在分水岭两侧都有出现，主要产于河滩及一二级阶地上。在分水岭北侧，地势平坦，河流不发育，现有河流量小、流速缓，两侧无阶地；而分水岭南侧则经常出现河谷阶地，因而形成“U”形谷地貌。砂土一般呈褐灰黄色，土层厚薄不等。阶地上的砂土较厚，分异较好；河滩砂土较薄，分异较差。A层不发育或较薄，土质差，肥效低，pH值为8～9。

在东剖面（图1）分水岭南侧，虎龙沟至清泉堡一段为“V”形谷地，河流为山间小溪，冲积层对土壤贡献不大，河流两侧土壤以残坡积的褐土为主；清泉堡—猫峪一段，河流已发展成二级或三级较成熟河段，冲积层十分发育，河流两侧或一侧出现一、二级阶地，剖面南侧土壤硒的分布除了清泉堡一个砂土样品硒含量较高为1.2μg/g外，其余都在0.2～0.6μg/g范围内变化。但是虎龙沟以北2个中侏罗系玄武安山岩残坡积层发育的褐土样品和砂土样品硒含量为0.3～0.6μg/g，呈锯齿状分布，一个砂土样品硒为0.5μg/g，一个草甸土样品硒为0.2μg/g。前韭菜沟—韭菜沟一段为草甸土，三个样品硒含量分别为1.3、1.2、0.4μg/g，韭菜沟—后平头梁一段是风成黄土形成的灰钙土和冲积层形成的砂土，两个灰钙土样品硒为0.6～0.7μg/g，一个砂土硒为1.0μg/g。

在西剖面（图2）分水岭南侧坝顶—板申图以北为晚侏罗流纹岩和石英斑岩残坡积层发育的黑色草甸土，4件样品硒含量范围为0.15～0.2μg/g。板申图—海流图间为地势较宽阔的河流滩地，砂土土壤，其母质为来自上游石英斑岩、流纹岩和以花岗岩为主的碎屑物质，8件样品硒含量范围为0.08～0.1“g/g。分水岭北侧—阿不太沟为黑色草甸土，4件样品硒含量为0.1～0.4μg/g。阿不太沟—战海一段为黄土＋冲积土发育的灰钙土和砂土，4件样品硒含量为0.3～0.2μg/g。战海—许家营北坡为草甸土，3件样品硒含量为1.1～1.3μg/g。许家营北坡—许家营为河滩砂土，2件样品硒含量为0.4μg/g。

由以上2条剖面土壤硒的分布可以看出：①草甸土有两个硒值范围，一个在分水岭山脊两侧较平缓的坡地，范围为0.10～0.2“g/g，另一个分布于离分水岭北侧较远的低山丘陵坡地，硒在0.4～1.3μg/g之间变化；②中酸性火山岩、花岗岩和黑云斜长片麻岩等，虽然时代不同，但岩石成分相近，岩石硒含量也较相近，因此由它们形成的土壤硒含量也大多相近；③由冲积层＋黄土形成的灰钙土硒含量在0.3～0.7“g/g之间变化，呈锯齿状分布，可能与黄土和冲积土的成分复杂有关；④河流冲积砂土硒的含量变化较大（0.08～1.5μg/g），表现为三种情况，一种为在本剖面分水岭南侧砂土，硒为0.4～0.6μg/g，第二种为两剖面南侧砂土，硒为0.08～0.1μg/g，第三种为两剖面北侧与灰钙土伴生的砂土，硒为0.4～1.5μg/g。

4　结果讨论

调查发现克山病重病村和中病村耕作土有两种类型，在分水岭山脊附近村庄的耕作土大多为黑色草甸土（如坝顶、阿不太沟、平头梁），在低山丘陵之间开阔的河滩和谷地中的村庄耕作土大多为灰钙土和砂土（如后平头梁、干水河、战海、韭菜沟）。上述列举的重中病村的耕作土与2条剖面中的非耕作土类型是一致的。因此可以认为本区克山病中高检出率（＞1%）村子的土壤类型主要是草甸土、灰钙土和砂土。它们可以看成是克山病高危险区的一种土壤环境背景。在东剖面虎龙沟—猫峪一带，近年也检出克山病人（＜1%），其耕地在虎龙沟主要是低山坡地，以褐土为主，母质层是玄武安山岩和黑云斜长片麻岩的残坡积层；在清泉堡—猫峪，耕地为河滩阶地砂土，母质层来自黑云斜长片麻岩和安山岩的水系沉积物。它们同样与剖面测量的非耕作土类型一致。在西剖面中，板申图—石窑子—海流图一带克山病检出率为0，当地耕作土与剖面非耕作土类型一致，为河滩砂土，因此河滩砂土（无灰钙土）可视为轻—非克山病区的土壤类型。

对比耕作土与非耕作土的硒含量水平发现，重中病村耕作土硒含量范围为0.063～0.263μg/g，而非耕作土的草甸土硒则为0.1～0.2μg/g和0.4～1.3ug/g，灰钙土0.3～0.7μg/g，砂土0.4～1.5μg/g；非病村耕作土硒为0.043～0.163μg/g，而非耕作河滩砂土则为0.08～0.1μg/g。其中非病村两种土壤的硒含量变化较吻合，重中病村非耕作草甸土第一种硒含量与耕作土较一致，而第二种范围的硒与灰钙土和砂土组合的硒都远远高于耕作土，有的甚至超过了0.4“g/g高硒土壤界限，其原因目前还不清楚，有待进一步查明。本文对富硒草甸土提出一种可能的解释是：前韭菜沟—韭菜沟（图1）和许家营南坡（图2）都是未开垦的山地草甸土，由于长期的土壤分异和土壤成熟度增高，富含有机物的A层土壤相对不含有机物的B层含硒量有较大增长（图3-a）。由于母质中酸性火山岩硒平均为0.19μg/g（表3），由此推测由C→B→A层硒为强富集趋势；与耕作土相伴的非耕作草甸土（如阿不太沟、坝顶）A、B、C层硒分异不明显（图3-b），C→B→A硒含量则呈弱富集趋势。需要特别指出的是处于分水岭顶端的B-13样品是远离耕地的山地草甸土，与两侧呈明显不同的强分异特征，虽然B→A富集方向不同，但它同样表明远离耕作区的耕作土的强烈分异和富集趋势。由此看来，在耕作区的非耕作土（可能包括耕作土）由于弱的富集趋势，从硒含量并不很高的母质层（C）进入表层（A）的硒也不高，从而呈低硒特征，而远离耕作区的非耕作土，由于强的富集趋势，使A层的硒含量比C（或B）层高很多，呈高硒特征。

图3　A、B两剖面土壤硒含量深度变化图

通常情况下，土壤硒的分异作用决定于土壤成分、粒度、氧化—还原电位、有机物含量等对于高硒的非耕作灰钙土和砂土组合，由于成土母质来源相当复杂，既有风成黄土外来物质，又有附近的冲积物碎屑，因此其C层代表的母质层硒含量有可能较高（图3-c）。对于灰钙土，土壤粒度变化不大，pH分布特征也不明显，虽然土壤处于地势开阔的低洼处，氧化淋滤作用相对不是太强，但由于表层（A）有机物对硒的吸附作用也较弱，因此形成A→B→C富集趋势，其中A→B的分异不太明显，只是由于成土母质本身硒含量高，所以在分异后A层仍处于高硒状态。在砂土深度剖面中（图3-C），则因为由下向上粒度变细，对硒的储存作用由下向上增强，将这种作用叠加于类似灰钙土的两种作用上，可出现B→A的富集趋势，并且由于C（或B）层本身高硒，故表层（A）处于高硒状态。在图3-B中，pH的分布无规律可循，它们对硒的影响亦不清楚，但由分水岭B-13样点向南北两侧A层土壤的厚度逐渐增加，因此有机物对硒的吸附也应逐渐增加。同时随着高度降低，向两侧氧化淋滤作用也相应降低，表现为在由山顶向两侧的深度剖面中由表层向深部硒增加越来越慢。如果我们把所有草甸土的成分看成是一致的，土壤剖面粒度变化也是一样的，那么土壤分异作用强度主要由土壤有机质含量和氧化淋滤程度来判断，这样我们就将看到图3-B中分水岭最高点由于氧化淋滤作用大于有机质对硒的吸附作用而使B、C层硒含量急剧增高，分异作用明显。向两侧由于氧化淋滤变弱而有机质作用增强，两种作用抵消后，硒的分异变弱，但是随着A层增加，有机质对硒的作用越来越强，而氧化淋滤越来越弱，A层硒的含量增高，B、C层硒含量减少，分异作用又变得明显，只是硒积累的方向发生了变化。图1中绝大多数土壤硒含量都大于0.4μg/g，然而剖面上几乎每个村子都存在克山病。在图2中许家营土壤硒大于0.4～1.3μg/g，仍然检出1.04%的克山病人；相反板申图—海流图是本区土壤硒最低的（0.08～0.1μg/g），反而未检出克山病人。这些都是令人费解的。但是耕作土硒与克山病关系研究成果显示由重病村→中病村→非病村与土壤低硒→中硒→高硒间存在对应关系，这与非耕作土重中病村土壤硒大于0.4～1.5μg/g（图1中重病村土壤硒除外），低病村土壤硒0.2～0.6μg/g，非病村0.08～0.1μg/g的分布有类似的特征，只是非耕作土硒含量大多数情况下比耕作土高得多。

5　结论

张家口克山病区硒的地球化学环境有以下特点。

（1）本区出露的各种岩石硒含量范围为0.11～0.19μg/g，相互间差异不大。在综合地球化学剖面图上岩石硒分布近于直线，与克山病检出率曲线不产生对应关系，因此岩石硒与克山病之间无直接关系。

（2）本区水系不发育，故用水系沉积物反映硒的环境背景存在困难，局部采样试验发现水系沉积物含量（0.05～0.09μg/g）是岩石中的一半，无异常特征，这说明岩石在风化作用过程中硒因流失而离散。

（3）本区由于土壤类型多样，硒地球化学环境特征比较复杂。野外观察和对比后发现，克山病重中病村主要发生于分水岭两侧较平缓的坡地和低山丘陵之间开阔的谷地，前者的土壤为中侏罗系石英斑岩和流纹岩残坡积层发育的草甸土，后者主要是黄土，其次是冲积物堆积发育的灰钙土和砂土；中低病村主要分布于山谷冲积河滩与阶地，土壤为冲积砂土（无灰钙土）。无病村亦位于山间谷地，土壤为冲积砂土。因此草甸土和灰钙土＋砂土是克山病重中病区主要土壤环境类型，冲积砂土是低病区及非病区土壤主要类型。草甸土的硒有两个分布范围，位于分水岭两侧的草甸土硒为0.1～0.2μg/g；位于分水岭北侧低山丘陵坡地的草甸土硒含量为4～1.3μg/g。灰钙土含硒量为0.3～0.7μg/g。砂土有3个硒分布范围：0.08～0.1μg/g，与无病村对应；0.4～0.6μg/g，与中轻病村对应；0.4～1.5μg/g，与灰钙土组合及重中病村相对应。因此土壤类型、硒含量与克山病村间大体有以下对应关系：

地球化学环境：农业·健康

这与耕作土研究的结论基本上是一致的。就土壤中硒含量总体上高于岩石和沉积物的硒含量而言，表明成土作用过程中生物和有机质对硒起着富集的作用，区内大多数克山病重中病村土壤中的硒含量高于非病村土壤中硒含量这一事实，与其他克山病区的结论不符，同时也与本区病村粮食和人体硒水平较低不相吻合。由此可见，不同介质中硒含量与克山病间不是简单的线性关系，而是蕴含着丰富的内涵。

（4）本文首次尝试应用岩石、水系沉积物和土壤地球化学剖面与土壤深度剖面相结合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硒状态的分布方面都取得了明显效果。实践证明这是一种比较经济、快捷、实用的环境地球化学分析方法。

参考文献

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