阿吉古麗·馬木提, 麥麥提吐爾遜·艾則孜, 艾尼瓦爾·買買提

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054; 2.新疆大學 化學與化工學院, 烏魯木齊 830046)

重金屬元素在環(huán)境中的化學行為和生態(tài)環(huán)境效應具有復雜性[1-2]。土壤重金屬污染是由于人類活動將重金屬加入到土壤系統(tǒng)中，致使土壤重金屬含量超出原有含量，并造成土壤環(huán)境質量惡化的現(xiàn)象[3-6]。土壤中重金屬元素由于具有潛伏性強、遷移速率慢、生態(tài)環(huán)境效應復雜等特點，不僅通過積累導致土壤理化性質的惡化，阻礙植物正常生長，而且通過生態(tài)系統(tǒng)間的循環(huán)對生態(tài)系統(tǒng)安全以及人體健康產生嚴重威脅[7-9]。重金屬污染物在土壤上層積累后，在人為因素和自然因素作用下不斷遷移，并導致不同土層土壤遭受污染。進入農田土壤中的重金屬，受灌溉水淋溶作用發(fā)生橫向和縱向遷移，其中重金屬縱向分布反映不同元素的遷移能力和土壤污染的強度[10]。耕地土壤重金屬污染相關研究的焦點大多集中于耕地表層(0—20 cm)土壤中的重金屬，針對不同深度土層中重金屬的污染狀況及生態(tài)風險方面報道較少[10-12]。由于農作物根系能達到深層土壤，吸收深層土壤中的重金屬元素，針對不同土層中的重金屬污染風險進行研究是十分必要的。

隨著我國社會經濟的迅速發(fā)展，我國農田土壤重金屬含量超標問題頻頻出現(xiàn)，已成為影響農產品質量安全的重要因素之一，我國大約48%蔬菜和10%糧食存在質量安全問題[13-14]。2014年《全國土壤污染狀況調查公報》中指出，中國土壤污染類型以重金屬污染為主，耕地土壤污染點位超標率達19.4%[15]，受As，Cr，Cd，Hg和Pb污染的耕地總面積約2 000萬hm2，每年因重金屬污染而損失的糧食約1 000萬t[16]。隨著新疆開都河流域綠洲經濟的快速發(fā)展，人類活動對新疆綠洲土壤環(huán)境的干擾越來越加劇，綠洲土壤環(huán)境受到了不同程度的重金屬污染威脅[17]。因此，本文以新疆焉耆縣耕地土壤不同土層(0—20 cm和20—40 cm)土壤為研究對象，采用內梅羅綜合污染指數(shù)、潛在生態(tài)風險指數(shù)和生態(tài)風險預警指數(shù)，對耕地土壤重金屬污染風險的剖面分布特征進行對比分析，為研究區(qū)耕地土壤環(huán)境保護及污染防治提供數(shù)據基礎和科學依據。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

焉耆縣位于新疆焉耆盆地腹地，東南與博湖縣相鄰，南與庫爾勒市接界，東北與和碩縣毗連，北與和靜縣接壤，是新疆綠洲經濟發(fā)展的核心示范區(qū)之一，也是新疆加工辣椒和加工番茄的主要產地。試驗區(qū)(86°10′—86°44′E，41°52′—42°10′N)位于焉耆縣平原灌區(qū)，總面積約550 km2(圖1)。氣候屬于暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，海拔1 050～1 100 m，多年平均降水量約68 mm，多年平均蒸發(fā)量約2 500 mm，多年平均氣溫約8.8℃，≥10℃積溫約3 700℃。研究區(qū)土壤類型主要為灌耕草甸土、灌耕棕漠土、灌耕沼澤土、灌漠土、灌耕風沙土、鹽土等土壤類型。自然植被以蘆葦(Phragmitescommunis)、紅柳(Tamarixramosissima)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)、香蒲(Typhaorientalis)和麻黃(EphedraprzewalskiiStapf)等為主。農作物主要以加工辣椒、加工番茄和小麥等為主[17]。

圖1　研究區(qū)位置及采樣點分布

1.2　樣品采集與測定

2016年5月在焉耆縣灌區(qū)進行耕地(辣椒地與小麥地)土壤樣品采樣，樣品采集過程參照了《農田土壤環(huán)境質量監(jiān)測技術規(guī)范》(NY/T395—2000)[18]。結合研究區(qū)農田土壤實際情況，設置22個點位(圖1)，每個點位分別采集0—20 cm和20—40 cm深度土壤樣品，總采集土樣44個。采樣過程中，采用10 m×10 m內“梅花形”布設5個子樣點，每個子樣點采集表層土壤200 g左右，將其充分混合后裝入潔凈自封塑料袋內。將采集的土樣帶回實驗室于室溫下風干，用塑料棒碾碎，剔除沙礫及植物殘體等雜物后裝入紙袋，最后將其充分混合，從中多點(約40點)取樣約20 g，用瑪瑙研缽進一步研磨，通過100目尼龍篩混勻后備用。

土壤重金屬含量委托新疆大學理化測試中心測定。重金屬含量測定方法參考了《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T166—2004)[19]。土壤As含量用PERSEE原子熒光光度機(PF-7)測定，Cd，Cr，Cu，Mn，Ni，Pb與Zn含量用火焰原子吸收光譜儀(Agilent 200AA)測定。測試過程中加入國家標準土壤參比物質(GSS-12)進行質量控制，各重金屬的回收率均在國家標準參比物質的允許范圍內。

1.3　評價方法

以新疆灌耕土壤背景值[20]作為參比值，采用內梅羅綜合污染指數(shù)(NPI)[21]評價耕地土壤重金屬綜合污染水平。以國家《土壤環(huán)境質量標準》[22](GB15618—1995)中的二級標準(pH值>7.5)作為參比值，采用H?kanson[23]提出的潛在生態(tài)風險指數(shù)(RI)對耕地土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風險態(tài)勢評價，重金屬元素毒性響應系數(shù)參照H?kanson提出的參考值。土壤重金屬生態(tài)風險預警評估采用Rapant等[24]提出的生態(tài)風險預警指數(shù)(IER)，以國家土壤環(huán)境質量二級標準作為參比值。NPI，RI和IER的計算方法見表1，NPI，RI和IER的分級標準見表2。

表1　土壤重金屬污染評價方法

表2　土壤重金屬污染指數(shù)、潛在生態(tài)風險與預警指數(shù)等級劃分

2　結果與分析

2.1　土壤剖面重金屬含量分析

從表3可見，焉耆縣耕地土壤0—20 cm土層As，Cd，Cr，Cu，Mn，Ni，Pb和Zn含量變幅都較大，分別為2.15～63.87，0.07～0.53，45.81～76.0，24.27～73.12，406.71～535.96，26.18～45.13，1.98～72.06，58.76～88.06 mg/kg。As，Cd，Cr，Cu，Mn，Ni，Pb和Zn的平均含量分別為8.47，0.18，54.90，31.03，465.22，36.14，28.76，69.56 mg/kg。土壤中As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb和Zn的平均值均未超出國家二級標準的限值。土壤中As，Cu和Mn含量的平均值未超出新疆灌耕土背景值，Cd，Cr，Ni，Pb和Zn含量的平均值分別超出新疆灌耕土背景值的1.50，1.39，1.37，2.13，4.14倍。

表3　0-20 cm土層土壤重金屬含量統(tǒng)計　(n=22)

偏度系數(shù)(Skewness)是描述數(shù)據分布形態(tài)的統(tǒng)計量，峰度系數(shù)(Kurtosis)是描述總體中所有取值分布形態(tài)陡緩程度的統(tǒng)計量[17]。研究區(qū)0—20 cm土層土壤中As，Cr和Cu的偏度、峰度系數(shù)較大，表明這3種元素在部分土壤樣本0—20 cm土層呈現(xiàn)高含量區(qū)，處于高積累狀況。變異系數(shù)(Coefficient of Variation)能反映各樣點重金屬含量的平均變異程度，變異系數(shù)越大，表明重金屬元素含量空間分布越不均勻，存在點源污染的可能性也越大[17]。研究區(qū)0—20 cm土層土壤中As和Pb的變異系數(shù)分別為1.92，0.83，變異比較明顯，表明As和Pb受某些局部污染源的影響比較明顯。Cu的變異系數(shù)為0.42，呈現(xiàn)中等變異，可能人為因素對土壤中Cu積累影響也較大。其他元素的變異系數(shù)均小于0.25，呈現(xiàn)弱變異，表明自然因素對這些重金屬元素的影響較明顯。

從表4可見，研究區(qū)20—40 cm土層土壤中As，Cd，Cr，Cu，Mn，Ni，Pb和Zn含量變幅分別為2.90～32.85，0.09～0.47，45.74～69.40，22.96～47.19，413.96～548.56，25.38～44.27，0.98～65.85，63.28～208.47 mg/kg，這些元素平均含量分別為7.87，0.19，52.31，31.25，472.96，35.11，28.77，81.62 mg/kg。20—40 cm土層土壤中，除Mn沒有可比的國家標準值以外，As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb和Zn的平均值均低于國家二級標準(pH值>7.5)的限值。土壤中As，Cu和Mn含量的平均值未超出新疆灌耕土背景值，Cd，Cr，Ni，Pb和Zn含量的平均值分別超出新疆灌耕土背景值的1.58，1.32，1.33，2.13，4.86倍。研究區(qū)20—40 cm土層土壤As和Zn偏度、峰度系數(shù)較大，表明As和Zn在部分土壤樣本20—40 cm土層處于高積累狀況。土壤中重金屬As和Pb的變異系數(shù)分別為1.00，0.83，變異比較明顯，表明As和Pb受某些局部污染源的影響比較明顯。Zn的變異系數(shù)為0.48，呈現(xiàn)中等變異，可能人為因素對重金屬積累影響也較大。其他元素的變異系數(shù)均小于0.25，呈現(xiàn)弱變異，表明自然因素對這些重金屬元素的影響較明顯。

表4　20-40 cm層土壤重金屬含量統(tǒng)計　(n=22)

從0—20 cm和20—40 cm土層土壤重金屬含量特征來看，各層土壤As，Cd，Cr，Cu，Mn，Ni，Pb和Zn含量的平均值基本相等，表明土壤重金屬元素在0—40 cm土層中縱向分布規(guī)律很均勻。As，Cr和Ni在0—20 cm土層的含量略高出20—40 cm土層，Cd，Cu，Mn和Zn在0—20 cm土層的含量略低于20—40 cm土層。0—20 cm土層土壤中As，Cr，Cu和Pb的積累較明顯，20—40 cm土層土壤中As，Cu，Mn和Zn的積累較明顯。

2.2　土壤重金屬污染的剖面分布特征

從研究區(qū)耕地土壤0—20 cm和20—40 cm土層重金屬單項污染指數(shù)(Pi)與綜合污染指數(shù)(NPI)可知(表5)，焉耆縣耕地土壤0—20 cm土層土壤各重金屬元素單項污染指數(shù)平均值大小順序依次為：Zn(4.14)>Pb(2.13)>Cd(1.57)>Cr(1.39)>Ni(1.37)>As(0.93)>Cu(0.87)>Mn(0.68)；研究區(qū)20—40 cm土層土壤各重金屬元素單項污染指數(shù)平均值大小順序依次為：Zn(4.86)>Pb(2.13)>Cd(1.62)>Ni(1.33)>Cr(1.32)>As(0.87)=Cu(0.87)>Mn(0.69)?？梢钥闯?，研究區(qū)0—20 cm和20—40 cm土層土壤中Zn呈現(xiàn)重度污染，Pb呈現(xiàn)中度污染，Cd，Ni和Cr呈現(xiàn)輕度污染，Cu和As呈現(xiàn)輕微污染，Mn無污染。研究區(qū)0—20 cm土層土壤重金屬綜合污染指數(shù)的變化范圍介于0.73～1.92，平均值為1.56，呈現(xiàn)輕度污染。20—40 cm土層土壤綜合污染指數(shù)變化范圍介于0.77～1.89，平均值為1.61，呈現(xiàn)輕度污染。

從研究區(qū)耕地土壤0—20 cm和20—40 cm土層重金屬污染特征來看，各層土壤As，Cd，Cr，Cu，Mn，Ni，Pb和Zn的單項污染指數(shù)與土壤綜合污染指數(shù)平均值基本相等，表明土壤重金屬元素在0—40 cm土層中污染情況較均勻。As，Cr和Ni在0—20 cm土層的單項污染指數(shù)略高出20—40 cm土層，Cd，Mn和Zn在0—20 cm土層單項污染指數(shù)略低于20—40 cm土層。0—20 cm土層土壤綜合污染指數(shù)略低于20—40 cm土層。

表5　不同土層土壤重金屬污染情況

從0—20 cm和20—40 cm土層土壤中各重金屬元素不同污染級別樣本數(shù)占樣本總數(shù)的比例來看(表6)，各層土壤大部分樣本As呈現(xiàn)無污染，其中0—20 cm和20—40 cm土層無污染樣本數(shù)分別占樣本總數(shù)63.64%與86.36%；各層土壤大部分樣本Cd呈現(xiàn)輕度污染，其中0—20 cm和20—40 cm土層輕度污染樣本數(shù)分別占樣本總數(shù)59.08%與54.55%；Zn在0—20 cm和20—40 cm土層所有樣本均呈現(xiàn)重度污染；所有樣本中Cr在0—20 cm和20—40 cm土層均呈現(xiàn)輕度污染；各土層大部分樣本Cu呈現(xiàn)輕微污染，其中0—20 cm和20—40 cm土層土壤Cu呈現(xiàn)輕微污染樣本數(shù)分別占樣本總數(shù)77.27%與63.64%；各土層大部分樣本Mn呈現(xiàn)無污染，其中0—20 cm和20—40 cm土層土壤Mn呈現(xiàn)無污染樣本數(shù)分別占樣本總數(shù)的68.18%與72.73%；Ni在各土層基本處于輕度污染水平，其中0—20 cm和20—40 cm土層土壤Ni呈現(xiàn)輕度污染樣本數(shù)分別占樣本總數(shù)的100%與86.36%；研究區(qū)0—20 cm土層土壤Pb呈現(xiàn)無污染、輕微、輕度、中度和重度污染的樣本數(shù)分別占樣本總數(shù)的27.27%，4.55%，27.27%，9.09%和31.82%，20—40 cm土層土壤Pb呈現(xiàn)無污染、輕微、輕度、中度和重度污染的樣本數(shù)分別占樣本總數(shù)的31.82%，4.55%，27.26%，4.55%和31.82%；各土層土壤所有樣本綜合污染指數(shù)均呈現(xiàn)輕度污染態(tài)勢，進一步說明0—20 cm和20—40 cm土層土壤重金屬污染狀況基本相同。

表6　不同污染級別樣本數(shù)占總樣本數(shù)的百分數(shù)

注：Ⅰ指無污染，Ⅱ輕微污染，Ⅲ輕度污染，Ⅳ中度污染，Ⅴ重度污染。

2.3　重金屬污染生態(tài)風險的剖面分布特征

潛在生態(tài)風險指數(shù)(RI)能反映單個重金屬元素的污染水平，也能表達參加評選的所有重金屬元素的聯(lián)合效應[6]。從計算得到的研究區(qū)耕地土壤0—20 cm和20—40 cm土層重金屬單項生態(tài)風險指數(shù)(E)、綜合生態(tài)風險指數(shù)(RI)與生態(tài)風險預警指數(shù)(IER)可知(表7)，焉耆縣耕地土壤0—20 cm和20—40 cm土層重金屬單項生態(tài)風險指數(shù)(Ei)平均值大小順序均為：Cd>As>Ni>Cu>Cr>Pb>Zn。

表7　不同土層土壤重金屬生態(tài)風險情況

研究區(qū)各土層所有樣本As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb和Zn的潛在生態(tài)風險指數(shù)均小于40，呈現(xiàn)輕微生態(tài)風險態(tài)勢。0—20 cm和20—40 cm土層Cd的潛在生態(tài)風險指數(shù)平均值最大，分別為10.13，10.17，呈現(xiàn)輕微生態(tài)風險態(tài)勢。耕地土壤0—20 cm和20—40 cm土層所有樣本Cd及其他元素均呈現(xiàn)為輕微生態(tài)風險態(tài)勢。可以看出，Cd是研究區(qū)耕地土壤最主要的潛在生態(tài)風險因子。研究區(qū)0—20 cm土層土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)(RI)的變化范圍介于8.62～42.36，平均值為18.12，呈現(xiàn)輕微生態(tài)風險態(tài)勢。20—40 cm土層土壤綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)變化范圍介于8.69～42.27，平均值為18.19，呈現(xiàn)輕微生態(tài)風險態(tài)勢。所有樣本潛在生態(tài)風險指數(shù)均呈現(xiàn)輕微生態(tài)風險態(tài)勢。

生態(tài)風險預警評估源于生態(tài)風險評價，它更強調對生態(tài)系統(tǒng)可能存在風險的警示研究[24]。以國家土壤環(huán)境質量二級標準作參比值，進行土壤重金屬污染生態(tài)風險預警評估。分析結果表明，研究區(qū)0—20 cm土層土壤生態(tài)風險預警指數(shù)(IER)介于-5.46～-1.65，平均值為-4.82，呈現(xiàn)無警狀態(tài)。20—40 cm土層土壤生態(tài)風險預警指數(shù)介于-5.38～-1.74，平均值為-4.73，呈現(xiàn)無警狀態(tài)。從研究區(qū)耕地土壤0—20 cm和20—40 cm土層重金屬Ei，NPI，RI和IER來看，各層土壤As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb和Zn的Ei平均值大小基本相等，NPI，RI和IER也基本相等。這表明土壤重金屬元素在0—40 cm土層生態(tài)風險態(tài)勢基本相同。RI和IER在0—20 cm土層的平均值略低于20—40 cm土層。

2.4　耕地土壤重金屬來源解析

多元統(tǒng)計分析法可以用來判別土壤中重金屬的來源[7]。若重金屬元素間相關性極顯著，則說明元素間可能具有相似的來源途徑。利用SPSS 19.0分析研究區(qū)0—20 cm土層耕地土壤中As，Cd，Cr，Cu，Mn，Ni，Pb和Zn的Person相關系數(shù)(表8)。

表8　0-20 cm土層土壤重金屬元素之間相關系數(shù)　(n=22)

注：**表示p<0.01，*表示p<0.05。

由表8可見，研究區(qū)耕地土壤As-Cd，Cd-Cr-Ni-Pb，Mn-Ni和Ni-Pb之間的Person相關系數(shù)較高，達到了0.01的顯著性水平。這表明0—20 cm土層耕地土壤中這些元素來源可能相同。As-Ni-Pb，Cr-Pb和Cu-Mn之間的Person相關系數(shù)也較高，并通過了0.05水平的顯著性檢驗。Zn與其他重金屬元素之間并無很顯著的相關性，表明Zn可能與其他重金屬的來源途徑不同。為進一步了解各重金屬元素間的相互關系和來源，進行因子分析。因子分析結果表明(表9)，前3個主成分特征值大于1，累計解釋了總方差的74.89%，符合分析要求，對所有指標給出較充分的概括。

表9　土壤重金屬元素因子載荷

第一主成分(F1)的方差貢獻率為40.86%，As，Cd，Ni和Pb在F1上具有較大載荷，分別為0.73，0.86，0.80與0.83。0—20 cm土層土壤中As，Cd，Ni和Pb平均含量均與新疆灌耕土背景值之間的差異較大。相關研究表明[25-26]，農田土壤As，Cd與Pb主要來源于農藥、殺蟲劑和化肥。因此，研究區(qū)0—20 cm土層As，Cd，Ni和Pb主要受到人類活動的影響；F2上重金屬Cu，Mn具有較高的載荷，分別為0.76與0.80。土壤中Cu和Mn一般主要受土壤地球化學成因的影響，主要為地質來源[27]。研究區(qū)0—20 cm土層Cu和Mn平均含量與新疆灌耕土背景值很接近，故研究區(qū)耕地土壤Cu與Mn主要受到土壤地球化學特征的影響。F3上重金屬Zn具有較高的載荷，為0.79。0—20 cm土層土壤Zn平均含量超出新疆灌耕土背景值的4.14倍，表明受人為因素的影響較大。于此同時，Cr在F1和F2上均具有較高的載荷，分別為-0.57與0.45，這表明Cr很可能受人為污染和自然因素共同控制。綜合上述，研究區(qū)0—20 cm土層土壤中As，Cd，Ni，Pb和Zn主要受人為因素的影響，Cu和Mn主要受土壤地球化學特征的影響，Cr受自然因素和人類活動共同影響。

3　結 論

新疆焉耆縣耕地土壤0—20 cm和20—40 cm土層重金屬元素含量有一定的積累現(xiàn)象。各土層土壤中Cd，Cr，Ni，Pb和Zn含量的平均值均超出新疆灌耕土背景值。各土層土壤中Zn屬于重度污染，Pb屬于中度污染，Cd，Ni和Cr屬于輕度污染，Cu和As屬于輕微污染，Mn屬于無污染。0—20 cm土層土壤NPI平均值為1.56，20—40 cm土層土壤NPI平均值為1.61，均呈現(xiàn)輕度污染。0—20 cm和20—40 cm土層RI平均值分別為18.12，18.19，均呈現(xiàn)輕微生態(tài)風險態(tài)勢。0—20 cm和20—40 cm土層IER平均值分別為-4.82和-4.73，均呈現(xiàn)無警狀態(tài)。研究區(qū)耕地土壤重金屬元素污染與生態(tài)風險剖面分布情況整體上基本相同。0—20 cm土層土壤中As，Cd，Ni，Pb和Zn主要受人為因素的影響，Cu和Mn主要受土壤地球化學特征的影響，Cr受自然因素和人類活動共同影響。Cd是兩個土層生態(tài)風險等級最高的重金屬元素，對耕地土壤PLI，RI和IER的貢獻較大。農業(yè)生產過程中必須要防范耕地土壤Cd的污染風險。

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