王海江，董天宇，朱永琪，宋江輝，史曉艷，趙馨玥

瑪納斯河流域長期連作棉田土壤重金屬剖面分布特征分析

王海江1，董天宇1，朱永琪1，宋江輝1，史曉艷1，趙馨玥2

（1.石河子大學農(nóng)學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境系，新疆 石河子 832000；2新疆石河子市第一中學，新疆 石河子 832000）

以新疆瑪納斯河流域長期連作棉田土壤為材料，對長期連作棉花土壤As、Cd、Cr、Ni、Cu和Pb的含量和剖面分布特征進行研究，旨在為該地區(qū)合理施肥和棉田土壤環(huán)境質(zhì)量保護提供理論依據(jù)。選取研究區(qū)荒地和連作棉花5、10、20、30 a的土壤，分5層采集1 m土壤樣品（每層20 cm），分析土壤重金屬As、Cd、Cr、Ni、Cu和Pb的含量和垂直分布特征，并對土壤重金屬的來源進行了解析。結(jié)果表明：研究區(qū)棉田和荒地土壤重金屬As、Cd、Cr、Ni、Cu和Pb含量均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準，Cr、Ni、Cu、Cd和As的含量明顯高于新疆土壤背景值，除Pb元素外，棉田其他5種重金屬含量均顯著高于荒地；變異系數(shù)棉田大于荒地，Cd的變異系數(shù)最大為0.46。棉田和荒地土壤剖面重金屬含量都表現(xiàn)出表層略高于底層，隨著連作年限的增加，土壤重金屬含量顯著增加且表現(xiàn)出更為明顯的表層富集趨勢，對比荒地和連作30 a的各層土壤，Cr、Cu、Ni、Pb、As和Cd含量增加幅度分別在36.68%～102.81%、43.31%～74.33%、21.85%～64.95%、2.12%～18.94%、23.03%～45.68%和167.50%～269.19%之間，總體來看，棉田土壤重金屬在1 m土體中均表現(xiàn)出不同程度的累積。棉田土壤重金屬含量相關性分析表明，土壤P素含量與棉田土壤中As、Cd、Cr、Cu和Ni呈極顯著和顯著相關，其相關系數(shù)分別為 0.622、0.689、0.611、0.513 和 0.560，棉田因子載荷矩陣第一主成分 As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和 P 具有較大的載荷，分別為-0.875、-0.952、-0.868、-0.907、-0.964、-0.635和-0.864，累積貢獻率達到了85.46%，說明化學磷肥的長期大量施入，是棉田土壤重金屬含量累積的主要原因。

長期連作；棉田；土壤；重金屬；剖面分布

隨著全球農(nóng)業(yè)經(jīng)濟化的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境遭到嚴重的污染和破壞，其中土壤重金屬污染問題已成為當今環(huán)境科學和土壤科學研究的熱點問題[1-2]。重金屬污染不僅破壞土壤的正常功能，改變其原有的理化性狀，對土壤微生物也起到抑制作用，最終導致土壤肥力和作物產(chǎn)量、品質(zhì)下降，并通過食物鏈途徑在人體內(nèi)進行積累[3]。

棉花是新疆的特色優(yōu)勢種植作物，為了解決氣候干旱、春季氣溫低和病蟲害發(fā)生問題，新疆在棉花種植上大量使用農(nóng)膜和農(nóng)藥，使作物的產(chǎn)量和種植面積得到改善，2016—2017年度播種面積占了全國的53.46%，產(chǎn)量占了全國的67.3%，新疆棉花在全國的戰(zhàn)略地位越發(fā)顯著[4]。但是，隨之而來的化肥、農(nóng)膜、農(nóng)藥殘留造成的Cd、Pb、Hg、As等土壤重金屬污染問題不斷加劇[5-8]。近些年，有報道指出，新疆天山北坡經(jīng)濟帶博樂、精河、烏蘇、奎屯、石河子、昌吉地區(qū)棉田個別樣點土壤As、Cd已經(jīng)超出國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準，其中Cd、As、Pb最為顯著，呈現(xiàn)出累積趨勢，各元素平均含量值均超過新疆土壤背景值[9-11]。新疆棉花種植長年連作現(xiàn)象普遍，加上滴灌[12]、農(nóng)膜覆蓋[13]、污水灌溉[14]以及化肥農(nóng)藥的大量投入，導致棉田耕層土壤重金屬逐年累積日益凸顯[15]。有研究表明，在新疆棉區(qū)長期連作是土壤中Cd含量超標的重要原因[9，11]；趙蕓晨等[16]利用定點施肥試驗，研究了長期連作制種玉米田表層土壤重金屬含量變化，結(jié)果表明隨著種植年限增加，土壤重金屬Cd嚴重超標。不同土壤類型農(nóng)田長期連續(xù)的定點觀測也表明，施用無機化肥和有機肥是土壤重金屬顯著富集的重要原因，有機肥的質(zhì)量對土壤重金屬的累積起重要作用[17-19]。

目前，關于土壤重金屬的分布特征、形態(tài)轉(zhuǎn)化、修復效果等研究已經(jīng)開展了大量工作，但對于長期連作的新疆棉田土壤剖面重金屬分布特征和來源的研究還較為薄弱。因此，本研究選擇新疆北疆瑪納斯河流域不同連作年限棉田為研究對象，分析連作棉田土壤剖面重金屬的分布特征和來源，以期為該流域棉田土壤重金屬污染防治和土壤環(huán)境質(zhì)量健康發(fā)展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于新疆瑪河流域莫索灣灌區(qū)，地處準葛爾盆地南緣，降雨稀少，蒸發(fā)強烈，光照充足，熱量豐富，無霜期較短，晝夜溫差大。地勢為東南向西北傾斜，坡降在1/1000～2/1000之間。地形比較平坦，海拔為291～370 m。各年平均降雨量120.4 mm，且多集中在春夏季，占全年的65%～78%。多年平均蒸發(fā)量2 248.8 mm，是降雨量的18.7倍。灌區(qū)內(nèi)土壤多為灰漠土、潮土、草甸土，土質(zhì)多為礫質(zhì)土、沙質(zhì)土、壤質(zhì)土。研究區(qū)自50年代開始植棉，為新疆北疆主要植棉區(qū)，棉花種植占灌區(qū)耕地面積85%～90%，長年連作現(xiàn)象普遍，栽培技術和產(chǎn)量水平位居新疆前列，農(nóng)民的文化素質(zhì)較高，對于化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜和有機肥的投入意愿較為強烈，隨著膜下滴灌技術的推廣應用，化肥、農(nóng)藥的投入對產(chǎn)量的增加效益越發(fā)顯著。研究區(qū)普遍施肥：化肥氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為重過磷酸鈣（含P2O546%）和磷酸二銨（含P2O546%、N 18%）、鉀肥為硫酸鉀（K2O 50%），化肥每年均施用，其用量每年增加且增加幅度較大[20]；有機肥多為豬糞、牛糞和雞糞，有機肥施用量人為主觀性較大，新疆北疆地區(qū)用量較少，一般為30～40 m3·hm-2[21]，主要施入時間為新墾農(nóng)田的2～3 a。

1.2 樣品采集與分析

新疆瑪納斯河流域莫索灣灌區(qū)農(nóng)田均為荒地開墾而來，該灌區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展主要依靠灌溉，由于受到灌溉水資源短缺和水質(zhì)差的限制，部分農(nóng)田周邊仍有未開墾、無人工擾動的荒地存在。為了能夠更好地比較棉花長期連作對土壤重金屬含量和分布的影響，本研究依據(jù)灌區(qū)的土地利用方式、土壤類型及分布特點，有針對性地進行野外踩點調(diào)查，確保所選樣點土壤類型和質(zhì)地一致，最終選擇出土壤類型為灰漠土，質(zhì)地為中壤土的連作棉花5、10、20 a和30 a以上，當前棉花栽培品種一致的4塊棉田，周邊對應的未開墾荒地（面積＞200 m2）樣地4塊。對每個棉田和荒地各取5個剖面，樣地剖面隨機采樣，取樣層為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，共采集 200 個土壤樣品。采樣時間為棉花生長結(jié)束、灌水和施肥停止的秋季，分別在2015年秋季10—11月和2016年秋季10—11月。采樣、樣品保存和樣品處理過程中采用非金屬容器，避免樣品污染。樣品經(jīng)自然風干后，去除砂礫、石塊等雜物，用木棒搟碎使之全部過18目尼龍篩，再進一步搟碎，過100目尼龍篩。

采用凱氏定氮法測定土壤全氮含量，氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量，火焰光度法測定土壤全鉀含量，pH計測定土壤pH（土水比1∶5）。土樣經(jīng)過HClO4、HNO3和HF消解后，利用電感耦合等離子體光譜儀測定 As、Cd、Cr、Ni、Cu 和 Pb 元素含量。土樣測定質(zhì)量控制和保證通過平行樣和標準樣品（GBW07401）來評價，樣品回收率為95%～110%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用SPSS和Excel軟件完成，制圖采用SigmaPlot完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤屬性描述性統(tǒng)計分析

表1為研究區(qū)土壤pH和養(yǎng)分含量統(tǒng)計值，從表中可以看出，荒地的pH值為7.88，略高于棉田，全氮、全磷和有機質(zhì)的含量低于棉田，分別為0.19、0.53 g·kg-1和 10.25 g·kg-1，全鉀含量為 24.33 g·kg-1，低于連作5 a棉田，卻高于連作10、20、30 a棉田土壤。隨著棉花連作年限的增加，棉田土壤全氮、全磷和有機質(zhì)含量呈現(xiàn)增加的趨勢，全鉀含量則呈現(xiàn)降低的趨勢，土壤pH值略有降低。

表1 研究區(qū)土壤理化屬性描述性統(tǒng)計Table 1 Descriptive statistics analysis of soil physical and chemical characteristics

棉田（不同連作年限棉田1 m土體均值）和荒地土壤6種重金屬含量描述性統(tǒng)計見表2。與國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995）二級標準比較，研究區(qū)（荒地和棉田）土壤 6 種重金屬 Cr、Ni、Cu、As、Pb和Cd的平均含量都低于該標準，但與新疆土壤背景值比較，4種重金屬Cr、Ni、Cu和As的平均含量要高于其背景值，Pb的平均含量低于新疆土壤背景值；棉田土壤 Cr、Ni、Cu、As 和 Cd 的平均含量分別為90.65、32.22、52.64、10.90 mg·kg-1和 0.21 mg·kg-1，分別高出背景值的90.45%、46.46%、160.58%、23.89%和108.68%，棉田土壤Cr、Cu、As和Cd的平均含量均明顯高于荒地，Pb的平均含量荒地略高于棉田，兩者相差0.05 mg·kg-1。變異系數(shù)在一定程度上可用于表示各元素的累積狀況，變異程度可分為：弱變異性，CV<0.1；中等變異性，0.1＜CV＜1；強變異性，CV＞1。如表 2所示，棉田土壤 Cr、Ni、Cu、Pb、Cd 的變異系數(shù)均大于荒地，屬于中等變異，其中Cd的變異系數(shù)最大為0.46，Pb的變異系數(shù)最小為0.12；荒地中As的變異系數(shù)最大為0.15，高于棉田，屬于中等變異，其他土壤重金屬的變異系數(shù)均小于0.1，屬于弱變異。

2.2 土壤重金屬垂直分布特征

表3是棉田（不同連作年限棉田各層均值）和荒地的土壤剖面（1 m土層）重金屬含量垂直分布，棉田土壤中Cr含量由表層向底層逐漸減小，最大含量為0～20 cm，為 101.86 mg·kg-1，最低值出現(xiàn)在 80～100 cm，含量為 79.62 mg·kg-1，土層 0～20、20～40、40～60 cm 間差異不顯著，但顯著高于80～100 cm土層，荒地0～20 cm Cr含量顯著低于其他土層，20～100 cm 4個土層間差異均不顯著；棉田Ni的含量最大值出現(xiàn)在0～20 cm，為 36.55 mg·kg-1，最低值出現(xiàn)在 60～80 cm，Ni含量在0～20、20～40、80～100 cm土層間差異不顯著，0～20 cm或20～40 cm顯著高于40～60 cm和60～80 cm土層，荒地Ni含量在各個土層間差異不顯著；棉田Cu的含量最大值出現(xiàn)在0～20 cm，其值為55.16 mg·kg-1，與 20～40、40～60、80～100 cm 土層間差異不顯著，最小值在60～80 cm土層，其含量為49.77 mg·kg-1，荒地0～20 cm土層Cu的含量顯著高于其他土層，其他各土層間差異不顯著；棉田中Pb的含量最大值在0～20 cm土層，為14.73 mg·kg-1，棉田和荒地各土層Pb的含量差異均不顯著；棉田和荒地As的含量最大值均出現(xiàn)在0～20 cm土層，最小值均出現(xiàn)在60～80 cm土層，棉田 0～20、20～40、40～60、80～100 cm 土層間含量差異不顯著，0～20、20～40 cm顯著高于60～80 cm，荒地0～20、20～40、40～60 cm土層間差異不顯著，但0～20、40～60 cm 顯著高于60～80、80～100 cm 土層；棉田和荒地中Cd的含量最大值也均出現(xiàn)在0～20 cm土層，其值分別為 0.251 1 mg·kg-1和 0.112 5 mg·kg-1，棉田0～80 cm深度的4個土層間差異不顯著，但0～60 cm顯著高于80～100 cm，荒地0～20、20～40、60～80 cm土層間差異不顯著，但顯著高于最低值40～60 cm土層。

綜合來看，棉田各土層重金屬含量的最大值都出現(xiàn)在表層0～20 cm，隨著深度的增加重金屬含量降低，其中Cr和Cd最小值出現(xiàn)在80～100 cm的底層，Ni、Cu、Pb和As的最小值則出現(xiàn)在60～80 cm土層，荒地重金屬含量在垂直分布上沒有表現(xiàn)出較好的規(guī)律性；棉田和荒地土壤重金屬含量在1 m土層垂直剖面上均表現(xiàn)出較小的差異性，尤其是人為耕作的棉田，與荒地相比在1 m耕層均表現(xiàn)出不同程度的富集。

表2 研究區(qū)土壤重金屬描述性統(tǒng)計分析Table 2 Statistical analysis descriptive of soil heavy metals content in the study area

表3 棉田和荒地土壤剖面重金屬含量（mg·kg-1）Table 3 Heavy metals content in soil profiles of cotton fields and wastelands（mg·kg-1）

不同年限土壤重金屬在各土層垂直剖面的分布特征見圖1。研究區(qū)不同年限棉田和荒地各層土壤Cr、As、Cu的含量都超過新疆土壤背景值?；牡氐腃d含量在0～20 cm土層為0.11 mg·kg-1，略高于新疆土壤背景值，在20～100 cm土層略低于新疆土壤背景值。連作5 a棉田土壤在0～20 cm土層Cd含量為0.108 4 mg·kg-1，略高于新疆土壤背景值，20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土層 Cd含量分別為 0.098 1、0.092 1、0.086 2、0.081 1 mg·kg-1，均低于新疆土壤背景值，隨著連作年限的增加，連作10、20、30 a的棉田土壤在各層土壤中Cd含量均明顯高于背景值。荒地和連作5、10、20、30 a的棉田Pb含量在各土層中均明顯低于新疆土壤背景值，荒地各層含量高于連作5 a棉田土壤，低于連作20、30 a棉田土壤，隨著連作年限的增加，Pb含量有微弱增加的趨勢。Ni含量在連作5 a棉田0～20 cm和20～40 cm土層中分別為22.35 mg·kg-1和 23.74 mg·kg-1，略高于土壤背景值，在40～100 cm土層均低于背景值。

圖1 土壤剖面重金屬含量分布Figure 1 Distribution of heavy metals in soil profiles

分析各重金屬含量在棉田土壤的垂直分布特征發(fā)現(xiàn)：棉田土壤重金屬在各層中均表現(xiàn)出一定的積累趨勢，連作棉田表層略高于底層，隨著棉花種植年限的增加，土壤各層的重金屬含量均明顯增加，其中Cr、Cd和Ni表聚趨勢也更為明顯。對比荒地和連作30a的各層土壤，Cr和Cu含量的增加幅度為43.30%～102.81%，Ni含量的增加幅度為21.85%～64.95%，Pb含量的增加幅度為2.12%～18.94%，As含量的增加幅度為23.03%～45.68%，Cd含量的增幅最大，達到167.50%～269.19%。對比不同連作棉田和荒地土壤重金屬含量發(fā)現(xiàn)，連作5 a的Cr、Cd、Cu、Pb和Ni含量均低于荒地各層土壤，連作20 a和30 a的均大于荒地，表現(xiàn)出較為一致的規(guī)律性?；牡氐闹亟饘俜植荚诟魍翆拥暮坎町惒淮螅怪狈植继卣饕膊灰恢?，Cu、As和Cd的上層含量略大于底層，Cr含量中間層含量最高，呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢，Ni和Pb含量在中間層出現(xiàn)最小值，上層和下層土壤含量較高。

2.3 土壤重金屬污染來源分析

元素地球化學理論認為，來源相似的元素之間具有較好的相關性[22]，因此，在統(tǒng)計分析中重金屬含量相關性高，意味著元素之間具有一致性。荒地和棉田養(yǎng)分、重金屬含量間的相關性見表4和表5。棉田土壤重金屬元素 As 與 Cr、Ni，Cd 與 Cr、Ni，Cr與 Cu、Ni，Cu與Ni之間具有較好的相關性，其中Cr與As、Cu、Ni之間達到極顯著相關（P<0.01），表明這幾種重金屬元素有共同的源，與Pb之間沒有很好的相關性。重金屬元素與土壤養(yǎng)分元素N、P和K之間的相關性表明，P 素含量與棉田土壤中 As、Cd、Cr、Cu 和 Ni呈極顯著和顯著相關，其相關系數(shù)分別為0.622、0.689、0.611、0.513和0.560，說明棉田磷肥的投入對土壤中As、Cd、Cr、Cu 和 Ni含量的積累有著明顯的作用，而土壤中N、K元素與重金屬含量間沒有很好的相關性，這也從另一個層面說明研究區(qū)棉田土壤重金屬含量的增加與磷肥長期的投入量有直接關系。pH值是影響土壤重金屬形態(tài)和遷移特性的主要限制因子[23]，由于本研究區(qū)土壤pH值較高（7.36

表4 棉田土壤不同元素間的相關性分析Table 4 Correlation coefficient matrix between contents of soil heavy metals and other properties in cotton field

表5 荒地土壤不同元素間的相關性分析Table 5 Correlation coefficient matrix between contents of soil heavy metals and other properties in wasteland

荒地土壤重金屬元素相關性分析結(jié)果與棉田土壤有較大的差異（表 5）。As與 Cr、Ni、Pb，Cr與 Pb 元素間具有較好的相關性，其中Pb與As、Ni之間的相關系數(shù)分別為0.679和0.677，均達到極顯著的相關性，說明這4種元素有較為一致的來源，與Cd和Cu元素間不具有顯著相關性。重金屬含量與土壤養(yǎng)分和pH值間的相關分析表明，兩者間不存在相關關系，說明在荒地土壤中，重金屬含量與未經(jīng)人為施肥的土壤養(yǎng)分含量、pH值沒有很好的因果關系，這進一步說明了棉田土壤化肥的施用對土壤重金屬含量有顯著的影響。

表6是對數(shù)據(jù)集棉田和荒地主成分分析的結(jié)果，可以看出，荒地和棉田的主成分因子數(shù)差異較大?；牡赜?個主成分因子，其累計貢獻率達到81.16%，棉田有1個主成分因子，累計貢獻率達到85.46%?；牡氐牡谝恢鞒煞諥s、Cr、Ni和Pb具有較大的載荷，分別為 0.738、0.717、0.771 和 0.738，貢獻率為 36.25%，表明4種重金屬元素具有相同的源，主要受自然成土母質(zhì)影響；第二主成分Cu和Cd具有較大的載荷，分別為0.688和0.614，貢獻率為19.47%，表明Cu和Cd具有相同的來源，第三主成分N和P具有較大的載荷，分別為0.551和0.567，貢獻率為14.22%，第四主成分K和pH具有較大的載荷，分別為0.435和0.502，貢獻率為11.22%，表明同一主成分土壤元素或許是由類似的母巖發(fā)育而來。棉田土壤的因子載荷矩陣僅有 1 個主成分，其中 As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和P 具有較大的載荷，分別為-0.875、-0.952、-0.868、-0.907、-0.964、-0.635 和-0.864，累積貢獻率達到了85.46%，載荷數(shù)值大的元素具有相同的來源[24]，說明棉田重金屬跟人為因素化學磷肥的大量投入有密切關系。

表6 荒地和棉田土壤元素的因子載荷矩陣分析Table 6 Factor loading matrix of soil elements in the wasteland and cotton field

3 討論

3.1 土壤重金屬含量與分布

對比國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準、新疆土壤背景值、研究區(qū)荒地重金屬含量和連作棉田重金屬含量表明，新疆棉田土壤重金屬含量本底值并不高，遠低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準，但與荒地土壤比較，肥料、農(nóng)藥、地膜大量投入的長期連作棉田，土壤重金屬含量積累趨勢明顯，表2中Cr、Cu、As和Cd含量都高于荒地土壤，其中Cd的含量（1 m土層）增幅最為明顯，棉田土壤均值為0.214 6 mg·kg-1，荒地土壤和新疆背景值都為0.1 mg·kg-1，其均值增幅超過了100%。這與很多學者認為新疆天山北坡經(jīng)濟帶地區(qū)棉田土壤重金屬富集嚴重，其中Cd最為顯著，呈現(xiàn)出累積趨勢，已經(jīng)超出國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準，其他各元素平均含量值均超過新疆土壤背景值的結(jié)論一致[9-11]。

陳志凡等[25]研究表明Cu和Zn具有明顯的表聚現(xiàn)象，Pb含量在表層土壤略高于底層，表聚作用不明顯，Cd在土壤剖面的分布具有較大的變異性；劉再冬等[26]研究認為在流域的下游平原區(qū)，As、Cu和Ni在30 cm土層以下隨著深度的增加而升高，Pb和Cd隨著土壤深度的變化呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢；鄭國璋[27]指出，土壤環(huán)境中重金屬元素遷移能力較差，且主要在土壤0～20 cm表層積累。本研究中，棉田重金屬Cr、Ni、Cu、As、Pb 和 Cd 在土壤剖面分布上也表現(xiàn)出不同程度的表聚特征，其中As、Cu和Pb表聚趨勢微弱，上下層含量差異不大，Cr、Cd和Ni表聚趨勢較為明顯，并且隨著連作年限的增加表聚特征更為顯著，不同連作年限棉田在耕層土壤（1 m）深度均表現(xiàn)出積累趨勢，這或許由土壤重金屬的自身性質(zhì)、耕作特征與當?shù)剞r(nóng)業(yè)種植管理措施共同決定[28]。研究區(qū)的滴灌方式、施肥和耕作措施影響著土壤重金屬的分布，新疆棉田秋季收獲后普遍存在著深耕、深施肥現(xiàn)象，深耕深度一般>60 cm，再加上化肥用量大，磷肥利用率低導致棉田土壤中磷含量豐富[29]，而磷肥中重金屬含量較高[30]，其共同作用造成棉花1 m耕層土壤重金屬含量表現(xiàn)出累積趨勢。膜下滴灌方式主要濕潤峰在1 m土體內(nèi)且深層淋洗微弱[31]，隨著地表水分的強烈蒸發(fā)，土壤中各元素均有著隨水向上運移的外在環(huán)境，這或許是表層土壤重金屬含量高于底層的主要原因。本試驗中連作5 a的土壤各重金屬含量普遍存在著低于荒地的趨勢，這或許是因為該地區(qū)新開墾農(nóng)田為了更好地減少耕層土體鹽分含量，2～3 a內(nèi)每年采用的大水洗鹽措施的原因。

3.2 重金屬的來源分析

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的重金屬主要來自人為源和自然源。自然源主要來自于天然地球化學過程，是成土母質(zhì)決定的，而人為源則主要來自于工業(yè)活動的排放和農(nóng)事活動等[32]。新疆棉花產(chǎn)量占我國棉花產(chǎn)量的67.3%，化肥施用對提高作物產(chǎn)量起到非常重要的作用，隨著氮肥和磷肥的大量施用，新疆棉田土壤堿解氮含量升高，速效磷含量大幅增加，速效鉀的含量有所降低[33-34]。本研究采用了棉田與周邊荒地進行對比，從土壤各元素的相關性分析發(fā)現(xiàn)，棉田和荒地差異明顯?；牡胤治鲋蠥s、Cr、Ni和Pb元素間具有較好的相關性，Cd和Cu元素間不具有顯著相關性，土壤重金屬與土壤中N、P、K均不具有顯著相關性；棉田中As、Cr、Cd、Ni和 Cu 之間均具有較好的相關性，且As、Cr、Cd、Cu、Ni與土壤 P 的含量達到極顯著和顯著相關，其差異主要是由人為的耕作施肥和種植管理措施造成。肥料中含有多種重金屬元素，主要原因就是生產(chǎn)肥料的原料工藝，尤其是磷肥，重金屬的種類和含量遠高于氮肥和鉀肥[35]。有機肥料是以畜禽糞便、動植物殘體等富有有機質(zhì)的副產(chǎn)品資源為主要原料，而很多飼料廠和養(yǎng)殖場普遍使用含有Cd、Pb、Cu、As等重金屬元素的飼料添加劑，由于生物的重金屬富集作用，畜禽糞便中的重金屬含量要比飼料中高[36]。

王美等[28]連續(xù)施肥25 a后測定土壤中Cd、Cu、Zn和Pb的含量，不同施肥處理土壤重金屬都有不同程度的富集，有機肥處理下Cu的富集程度高于化肥處理，化學磷肥處理中Cd、Zn和Pb富集高于有機肥，其中Cd富集程度最高；劉樹堂等[19]在潮土上25 a連續(xù)施用磷肥（過磷酸鈣）的研究表明，土壤Cd和Pb分別比施用前增加近40倍和6倍，而有機肥處理與初始接近，證明土壤Cd、Pb積累主要來自磷肥；趙蕓晨等[16]研究發(fā)現(xiàn)，長期施用肥料能夠改變土壤的理化性質(zhì)，化學磷肥的施入能夠造成農(nóng)田Cd的嚴重污染；徐明崗等[17]在灰漠土上連續(xù)施肥17 a，認為3種磷肥施用都沒有造成重金屬明顯的積累，有機肥的長期施用是Cd和Cu含量增加的主要原因；蘇姝等[37]、李雙異等[38]利用20多年的連續(xù)施肥和耕作證實，化肥不會引起土壤重金屬積累，有機肥（豬糞、牛糞）是造成土壤重金屬積累的主要原因。以上相關研究的土壤類型、區(qū)域、肥料種類、施肥方式以及用量等都存在差異，所得出的結(jié)論也并不一致，農(nóng)田土壤長期施肥造成重金屬積累得到廣泛認可，但重金屬富集是由于化學肥料還是有機肥存在分歧，本研究中有機肥用量較少，多種土壤重金屬元素與P素含量顯著相關，說明長期連作棉田化肥施用對土壤重金屬的富集起到關鍵作用，而在特定的土壤類型、氣候條件和人為耕作措施下，本研究區(qū)有機肥施用對土壤重金屬累積的作用機制如何？在新疆土壤環(huán)境背景下，化肥的長期大量施用如何影響重金屬的有效態(tài)和活化度？這些問題還需要進一步深入研究。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)棉田土壤重金屬 Cr、Ni、Cu、As、Pb 和Cd 的平均含量都低于國家二級標準，Cr、Ni、Cu、As和Cd的平均含量（1 m土層）要明顯高于新疆灰漠土背景值。

（2）棉田土壤6種重金屬在1 m土層垂直分布的變幅均較小，各土層間重金屬含量差異不大，其中Cd垂直分布變異系數(shù)最大為0.17；棉田土壤重金屬含量均表現(xiàn)出表層大于底層，隨著連作年限的增加耕層土壤中重金屬含量明顯升高，在1 m土層均有不同程度的累積趨勢。

（3）荒地 As、Pb、Cr和 Ni元素間表現(xiàn)出顯著或極顯著的相關性，意味其有相似來源途徑；棉田土壤As、Cd、Cr、Cu、Ni與土壤 P 素含量均呈現(xiàn)顯著或極顯著相關關系，因子載荷矩陣第一主成分As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和P具有較大的載荷，累積貢獻率達到了85.46%，進一步證明了研究區(qū)棉田土壤中的重金屬含量與化學磷肥的大量施用有緊密的關系。

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Profile distribution of heavy metals in soil from long-term continuous cropping cotton field in Manas River Basin

WANG Hai-jiang1,DONG Tian-yu1,ZHU Yong-qi1,SONG Jiang-hui1,SHI Xiao-yan1,ZHAO Xin-yue2
（1.Department of Resources and Environmental Sciences,College of Agronomy,Shihezi University,Shihezi 832000,China；2.No.1 Secondary School,Shihezi City,Shihezi 832000,China）

The content of heavy metals in soil is one of the best indicators for rational fertilization and environmental protection.The longterm continuous cropping of cotton is a common planting pattern in the Manas River Basin,Xinjiang Province,and it may increase the content of heavy metals in the soil.To gain a better understanding of heavy metal accumulation caused by this common planting pattern,soil samples were collected from wasteland and from continuous cropping cotton fields that had been cultivated for varying periods（5,10,20,or 30 years）.Soils samples were taken for each cultivation period（20 cm square by 1 m vertical depth）.We then determined the content,thevertical distribution characteristics,and the source of the heavy metals（As,Cd,Cr,Ni,Cu,and Pb）in the soil samples.The results showed that the contents of heavy metals in the cotton fields and wasteland did not exceed the secondary standard of national soil quality.All the average contents of the heavy metals in the cotton fields were apparently higher than both the background values for the Manas River Basin and the wasteland values,with the exception of Pb content.The variable coefficient values for the cotton fields were higher than those for the wasteland,Cd was the maximum of the heavy metal elements,with a variable coefficient value of up to 0.46.The contents of the surface layer were only slightly higher than those of the under layer,and more heavy metals accumulated in the surface layer with increasing years of cultivation.Compared with the contents in every layer of wasteland,heavy metals accumulated in the cotton soil to varying degrees in the different soil layers,and the increased ranges were：36.68%～102.81%（Cr）;43.31%～74.33%（Cu）;21.85%～64.95%（Ni）;2.12%～18.94%（Pb）,and 23.03%～45.68%（As）;Cd increased to the greatest extent,reaching 167.50%～269.19%.Correlation analysis revealed a highly significant correlation between the contents of P and As,Cd,Cr,Cu,and Ni,with correlation coefficients of 0.622,0.689,0.611,0.513,and 0.560,respectively.In the cotton fields,the cumulative contribution rate of As,Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,and P in the factor loading matrix was 85.46%,and the corresponding loadings in the first principal component were-0.875,-0.952,-0.868,-0.907,-0.964,-0.635,and-0.864,respectively.Our research indicates that extensive and long-term application of chemical phosphorus fertilizer is the main cause of heavy metal accumulation in the cotton fields of Xinjiang Province.

long-term continuous cropping;cotton field;soil;heavy metals;profile distribution

X53

A

1672-2043（2017）11-2216-10

10.11654/jaes.2017-0743

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2017-05-24 錄用日期：2017-07-17

王海江（1980—），男，河南偃師人，副教授，博士，從事綠洲水土資源利用研究。E-mail：wanghaijiang@shzu.edu.cn

國際科技合作項目（2015DFA11660）；國家自然科學基金項目（31360301）

Project supported：International Scientific and Technological Cooperation Projects（2015DFA11660）；The National Natural Science Foundation of China（31360301）