艾書濤,喻 龍,孟李奇,王鵬年,何峻嶺

中國地質(zhì)調(diào)查局烏魯木齊自然資源綜合調(diào)查中心,新疆烏魯木齊 830057)

土壤是地球表層系統(tǒng)最活躍的圈層,是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1],不僅為陸生生物提供良好的生態(tài)環(huán)境,也為人類提供良好的生活環(huán)境[2]。我國土壤污染問題嚴重,重金屬污染日益突出。此種污染隱蔽性較強、易于累計且不易降解、危害時間長[3-5],重金屬在農(nóng)田土壤累積將導致土壤肥力下降和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬超標,進而危害人類健康。根據(jù)2014年環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示,全國土壤鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳重金屬污染點位超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。土壤污染呈現(xiàn)出流域性和區(qū)域化發(fā)展的態(tài)勢,對我國農(nóng)作物生產(chǎn)安全影響巨大[1]。

由于我國土壤污染南方重于北方,東部重于西部。對于農(nóng)田土壤重金屬的評價研究大多集中于東部、中部發(fā)達地區(qū)及主要礦產(chǎn)集中區(qū)[6-11],關(guān)于西北地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染方面研究相對較少。近年來,隨著工業(yè)化、城市化的進一步發(fā)展以及內(nèi)地生產(chǎn)成本逐年增加,在“一帶一路”倡議帶動下,我國東南沿海產(chǎn)業(yè)逐步向西北地區(qū)轉(zhuǎn)移,脆弱的干旱綠洲區(qū)土壤環(huán)境面臨重金屬污染威脅[12]。因此,在新疆開展土壤重金屬研究具有重要意義。部分學者對南疆個別縣市土壤重金屬污染狀況進行研究[13-15],但對鐵門關(guān)市綠洲土壤環(huán)境研究鮮見報道。筆者以新疆生產(chǎn)建設兵團鐵門關(guān)市為研究區(qū),在1∶5萬土地質(zhì)量地球化學調(diào)查的基礎上,以研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬為研究對象,采用單因子污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法,對農(nóng)田土壤中重金屬的含量特征、生態(tài)風險以及主要來源進行評估,分析鐵門關(guān)市農(nóng)田土壤重金屬污染狀況,為西北干旱區(qū)綠洲農(nóng)田土壤重金屬研究提供補充和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況新疆生產(chǎn)建設兵團第二師鐵門關(guān)市,北依天山,南接塔里木盆地,是南疆地區(qū)重要的人工生態(tài)綠洲區(qū),也是防止塔克拉瑪干大沙漠北侵的重要生態(tài)屏障。鐵門關(guān)市位于巴音郭楞蒙古自治州北部,毗鄰庫爾勒市,是南北疆交通的天然要沖,地理位置極其重要(圖1),屬暖溫帶大陸性干旱氣候,光熱資源豐富,溫差大,降水少,蒸發(fā)強烈,全年平均氣溫10.0～11.4 ℃,年較差34.2～37.1 ℃,日照時數(shù)2 886 h,年降水量56.5 mm,年蒸發(fā)量2 273～2 788 mm。

研究區(qū)屬于山前沖洪積平原,地勢平坦,平均海拔約950 m,第四紀沉積物覆蓋厚度可達300 m以上。土地利用類型以耕地、園地為主,存在部分建筑用地、林地、草地、未利用地等。在空間分布上,北部主要為園地,種植庫爾勒香梨、紅棗等作物,中部、南部為耕地,主要種植棉花、玉米。研究區(qū)土壤類型主要為棕漠土、結(jié)殼鹽土、鹽化潮土、草甸土以及荒漠風沙土。自然植被以胡楊、紅柳、梭梭、駱駝刺、蘆葦?shù)葹橹鳌?/p>

1.2 樣品采集此次調(diào)查采用網(wǎng)格和全國第二次土地調(diào)查圖斑相結(jié)合的樣點布設方案,采樣時選擇以農(nóng)田土壤為主,按照DZ/T 0295—2016土壤樣本采集要求進行采樣,使用全球定位系統(tǒng)(GPS)定位中心點,并在30 m范圍采用五點取樣法,采集0～20 cm的土壤樣品,共采集3 920件。采集同時記錄采樣點位置、土地利用類型、植被類型等信息,并拍照記錄周邊環(huán)境。將野外采回的土壤樣品及時清理登記后,自然風干,適時翻動,并將大土塊敲碎以防止黏泥結(jié)塊,加速干燥。用木棍碾壓風干的樣品,壓碎的土樣先過10目尼龍篩,裝瓶送化驗室,重量不少于500 g,化驗室將樣品研磨小于100目,進行化驗分析。

1.3 分析測試分析指標包括8種重金屬元素砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、汞(Hg)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鋅(Zn)及土壤酸堿度(pH)。樣品測試由新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局測試中心承擔,嚴格按照《地質(zhì)礦產(chǎn)實驗室測試質(zhì)量管理規(guī)范》(DZ/T 0130.5—2006)的第5部分、《多目標區(qū)域地球化學調(diào)查規(guī)范》(DZ/T 0258—2014)、《土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)執(zhí)行。各土壤重金屬及pH分析測試配套方法:As和Hg采用原子熒光光譜法(AFS)分析,Cd、Ni、Cu、Pb、Zn采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)分析,Cr采用X射線熒光光譜法(XRF)分析,pH采用pH-離子電極法(ISE)分析。

1.4 評價方法及評價標準該研究采用單因子污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法作為土壤重金屬污染的評價方法。單因子污染指數(shù)法主要考量重金屬元素對土壤污染的累積效應,評估土壤中某種重金屬在土壤中的超標情況。計算公式如下:

(1)

式中:Pi為單因子污染指數(shù);Ci為土壤中重金屬i的實測含量;Si為污染物i在《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》GB 15168—2018(pH>7.5)中給出的篩選值。

地累積指數(shù)法可定量評價土壤中重金屬污染程度,該方法考慮研究區(qū)表層土壤的沉積學背景與地貌地質(zhì)環(huán)境的演化規(guī)律。計算公式如下:

(2)

式中:Igeo為重金屬i的地累積指數(shù)[16];Ci為土壤中重金屬i的實測含量;Bi為元素i的背景值,該研究采用新疆A層土壤環(huán)境背景值[17]作為背景值。

潛在生態(tài)危害指數(shù)法綜合考慮土壤沉積學特征、重金屬元素濃度生物學特征和毒理學、病理學特征研究重金屬生態(tài)效應[18]。計算公式如下:

(3)

依據(jù)上述方法得到3種無量綱的環(huán)境質(zhì)量指數(shù),按評價結(jié)果劃分等級依次如表1～3所示。

表1 單因子污染指數(shù)法等級劃分

表2 地累積指數(shù)法等級劃分

表3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征鐵門關(guān)市表層土壤重金屬元素描述性統(tǒng)計結(jié)果表明(表4):研究區(qū)表層土壤pH介于7.44～9.85,中位數(shù)為8.16,除2個點為中性土壤外,其他均為堿性—強堿性土壤。重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量的平均值分別為13.07、0.19、54.54、24.07、0.015、27.91、20.22和68.18 mg/kg,與全國表層土壤環(huán)境背景值的比值分別為1.17、1.90、0.89、1.07、0.21、1.04、0.78、0.92,可以看出As、Cu、Cd、Ni高于背景值,Cd超出背景值0.90倍,富集最為明顯;與新疆A層土壤背景值比值分別為1.17、1.58、1.11、0.90、0.88、1.06、1.04、0.99,也可以看出Cd元素在區(qū)內(nèi)富集程度最高,As、Cr也略高于該背景值,其他元素相對背景值變化不大。各重金屬元素平均值明顯低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》GB 15168—2018(pH>7.5)中給出的篩選值。

表4 鐵門關(guān)市土壤重金屬元素描述性統(tǒng)計

變異系數(shù)能反映各樣點重金屬含量的平均變異程度,一定程度反映了人為因素的影響[20],<15%為弱變異,15%～35%為中等變異,>35%為高度變異。研究區(qū)表層土壤pH、元素Pb屬于弱變異,As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn屬于中等變異,分布較均勻;Hg變異系數(shù)為40%,達到高度變異水平,表明研究區(qū)很可能存在局部的點狀污染源?？傮w上,8種重金屬元素空間變異性排序為Hg>Cd>As>Cu>Zn=Ni=Cr>Pb。

2.2 土壤重金屬污染狀況評價

2.2.1單因子污染指數(shù)法評價。根據(jù)單因子污染指數(shù)法評價土壤重金屬污染狀況,研究區(qū)土壤單項環(huán)境質(zhì)量污染指標評價結(jié)果顯示(表5),Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn這6種重金屬99.9%以上符合清潔等級,不存在任何污染。除Cd元素有0.13%(5件)樣品為輕度污染,超出了國家農(nóng)用地土壤環(huán)境篩選值外,其余所有樣品重金屬都為清潔—尚清潔等級?？梢?全區(qū)土壤質(zhì)量整體清潔,可能是因為研究區(qū)為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植區(qū),工業(yè)、礦業(yè)的“三廢”污染較少。

表5 單因子污染指數(shù)法評價分級統(tǒng)計

2.2.2地累積指數(shù)法評價。從圖2和表6可以看出,研究區(qū)表層土壤8種重金屬Igeo平均值從高到低依次為Cd>As>Cr>Pb>Ni>Zn>Cu>Hg,均小于0,呈現(xiàn)出無污染水平,根據(jù)Igeo分級標準,受到As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn污染的土壤樣點比例分別為8.83%、53.57%、1.79%、0.10%、4.13%、0.33%、0.05%、0.15%,研究區(qū)內(nèi)As、Cr、Cu、Ni、Pb呈現(xiàn)為輕微污染程度。部分樣點Cd、Hg和Zn達到輕度污染程度,比例分別為1.33%、0.20%、0.02%,0.10%的土壤樣點受到Cd的中度污染。以上表明,研究區(qū)土壤環(huán)境總體良好,存在Cd、Hg的污染,并且以Cd污染最為嚴重。

表6 地累積指數(shù)法評價分級統(tǒng)計

圖2 土壤重金屬地累積指數(shù)箱圖Fig.2 Boxplot of geo-accumulation index of soil heavy metal elements

表7 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價分級統(tǒng)計

2.3 土壤重金屬元素來源解析采用相關(guān)分析法和主成分分析法對土壤中重金屬來源進行進一步解析。由于土壤重金屬的來源分為“人為源”和“自然源”,而重金屬元素間的相關(guān)性可用于反映這些元素的來源及遷移途徑。若重金屬元素間相關(guān)性極顯著,則說明元素間可能具有同源關(guān)系[21]。各重金屬元素間相關(guān)分析結(jié)果表明(表8),研究區(qū)土壤8種重金屬元素通過了α=0.01水平的顯著性檢驗,均存在極顯著正相關(guān),Cr-Cu-Ni-Zn兩兩之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)且相關(guān)系數(shù)大于0.797,反映出元素間具有較大的同源性。為進一步研究各重金屬元素污染源,使用SPSS 19進行了主成分分析,提取出1個主成分,解釋了總方差的68.538%,反映出8種重金屬的大部分信息,主成分的主要元素為Cr、Cu、Ni、Zn,其有效載荷分別為0.867、0.898、0.909和0.847,由于研究區(qū)Cr、Cu、Ni和Zn含量分布比較均勻,平均值接近新疆A層土壤背景值,變異系數(shù)較小,這些元素之間的相關(guān)性較強(表8),具有相似的遷移規(guī)律,根據(jù)前人研究,土壤中Cr和Ni等元素主要受地質(zhì)因素影響[22-23],所以研究區(qū)土壤Cr、Cu、Ni、Zn主要受到成土母質(zhì)的控制,人為影響相對較小。Cd元素與主成分主要元素(Cr、Cu、Ni、Zn)之間具有一定的正相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)大于0.5),可以判斷成土母質(zhì)是Cd來源的主要來源,同時在農(nóng)業(yè)種植區(qū)農(nóng)藥、化肥以及殘留農(nóng)用薄膜也是土壤中Cd的重要來源[24-25]。Cd活性較強,是植物易積累元素,生物毒害性大,因此必須對Cd高含量密切關(guān)注。

表8 土壤重金屬元素相關(guān)性分析

3 結(jié)論

(1)總體上,鐵門關(guān)市土壤較為清潔。描述性統(tǒng)計分析表明,研究區(qū)表層土壤As、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量平均值明顯低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》GB 15168—2018(pH>7.5)中給出的篩選值。土壤Cd含量的平均值超出新疆土壤背景值1.58倍,存在局部富集現(xiàn)象。

(2)鐵門關(guān)綠洲農(nóng)田土壤重金屬的單項污染指數(shù)表明,Cd存在少量輕度污染,其余重金屬元素無污染;地累積指數(shù)表明研究區(qū)土壤Hg和Cd輕度污染以上為0.20%和1.43%;土壤重金屬污染綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)的平均值為112.91,絕大部分樣品點屬于輕微潛在生態(tài)危害。

(3)整體來看,鐵門關(guān)綠洲農(nóng)田土壤重金屬污染程度較低,各重金屬之間相關(guān)性較強;主成分分析結(jié)果表明,研究區(qū)農(nóng)田土壤Cr、Cu、Ni、Zn主要受到研究區(qū)成土母質(zhì)控制;Cd是研究區(qū)污染風險最高的重金屬元素,研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cd局部富集值得關(guān)注。