新疆于田縣農田土壤重(類)金屬污染及潛在生態風險評價

孫英，周金龍，曾妍妍，陳云飛，王松濤，杜江巖

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院/新疆水文水資源工程技術研究中心，烏魯木齊 830052；2.新疆地礦局第二水文地質工程地質大隊，新疆昌吉 831100)

0 引 言

【研究意義】土壤是地球生物圈的重要組成部分，是農業和自然生態系統的基礎。土壤作為一種有生命的動態資源，是生產糧食、纖維等的基地，是環境中有害化合物形成、減毒和降解的緩沖劑，具有平衡區域和全球生態系統的功能，在維護地區環境質量方面起重要作用[1-3]。重(類)金屬是農產品中四大化學污染物之一，具有隱蔽性、滯后性、形態多樣性、累積性和難消除性[4]，由于空氣污染和水體污染的直觀性，重(類)金屬最終都會回歸到土壤這個環境要素，人體攝入的某種重(類)金屬一旦超過耐受限度，就會引起人體急性、亞急性或慢性中毒，而且這些毒性效應是持久的、不可逆的[3-5]。因此研究農田土壤中重(類)金屬對保護農用地土壤環境，管控農用地土壤污染風險，保障農產品質量安全和土壤生態環境具有重要意義。【前人研究進展】根據相關調查顯示，目前我國受鎘、砷、鉻、鉛等重(類)金屬污染的耕地面積近2 000×104hm2，約占耕地總面積的20%，全國每年因重(類)金屬污染而減產糧食超過1 000×104t[6]。【本研究切入點】土壤重(類)金屬污染對農用地土壤環境和農作物的產量、品質會有一定影響[7-11]。研究于田縣土地數據調查，分析8種重(類)金屬元素含量特征。【擬解決的關鍵問題】以于田縣農用地土壤為研究對象，在土壤樣品采集的基礎上，依據最新試行的《土壤環境質量-農用地土壤污染風險管控標準(GB15618-2018)》，對土壤中7項重金屬元素(鎘、汞、鉛、鉻、銅、鎳、鋅)和1項類金屬元素(砷)進行含量統計分析，對土壤環境質量和潛在生態風險進行評價。為該區土壤環境綜合治理、農田土壤重(類)金屬污染防治和風險管控提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

于田縣位于新疆西南部，昆侖山脈北麓，塔克拉瑪干沙漠南緣，縣域地處E81°9′～82°51′，N35°14′～39°29′，總面積為3.95×104km2，地勢南高北低，自南向北形成高山、戈壁、沙漠等地貌單元，有典型的冰川、凍土、火山、沙漠等地貌類型[12]。研究區屬暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，主要的氣候特點是：晝夜溫差大，熱量資源豐富，光照充足，降水稀少，蒸發量大，春夏多風沙和浮塵等災害天氣。多年平均氣溫為11.6℃，平均蒸發量為2 420.23 mm，平均降水量為47.7 mm，多年平均相對濕度為42%，年日照總數為2 769.5 h，日照率為62%，大部分灌區多年平均無霜期為213 d[13]。農作物主要有小麥、玉米、水稻和棉花等。

1.2 方 法

1.2.1 樣品采集及測定

于田縣農田土壤取樣時間為2016年7月，取樣點主要布設在旱地、果園、灌木林地和其他林地，采用網格布點法共采集表層土壤樣品484組，采樣深度為0～20 cm，按照取樣密度1點/ km2布設。農田土壤樣品采樣、保存和送檢依據《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T0295-2016)，采集樣品由國土資源部新疆烏魯木齊礦產資源監督檢測中心進行測試，檢測項目為pH和8項重(類)金屬元素，包括鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎳(Ni)和鋅(Zn)。根據相關地球化學勘查樣品分析方法[14]和《土壤環境監測技術規范：HJ/T166-2004》[15]對農田土壤重(類)金屬元素進行檢測，其中Pb和Cd元素采用電感耦合等離子體原子發射光譜法，Hg元素采用冷蒸氣汞非色散原子熒光光譜法，As元素采用氫化物發生—非色散原子熒光光譜法法，Cr元素采用波長色散X射線熒光光譜法，Ni、Cu和Zn元素采用全譜直讀光譜法。Pb、Cd、Hg、As、Cr、Ni、Cu和Zn元素的檢出限分別為0.65、0.002、0.0005、0.112、3.505、0.744、0.952和0.644 mg/kg。圖1

圖1 于田縣農田土壤采樣點分布
Fig.1 Farmland soil sampling spots in Yutian County

1.2.2 評價

單因子指數法是采用最新頒布的、2018年8月1日起實施的《土壤環境質量-農用地土壤污染風險管控標準(GB15618-2018)》中的農用地土壤污染風險篩選值和農用地土壤污染風險管制值作為評價標準[16]計算各取樣點的單因子指數，通過單因子指數分級標準確定單一污染物對土壤的污染程度[11,17]；內梅羅綜合指數法是一種通過單因子污染指數求得綜合污染指數，再結合多項指標的綜合污染指數分級標準確定各個樣品的污染等級，該方法能夠綜合反映多種污染物對土壤的污染狀況程度[10-11]；通過潛在生態風險指數法可以反映單個重(類)金屬的污染水平，也可以反映所有重(類)金屬污染的聯合效應，該方法綜合考慮了多元素的濃度、毒性水平、生態敏感性以及協同作用，是一種應用相對廣泛的評價沉積物重(類)金屬潛在生態風險的一種定量方法[18-19]。

單因子指數法的計算公式為：

Pi=Ci/Si.

(1)

式中：Pi為污染物i的單因子指數，若Pi≤1.0，表示土壤未受到人為污染，若Pi>1.0，表示受到人為污染；Ci為污染物i的實測含量，mg/kg；Si為污染物i的評價標準，采用《土壤環境質量-農用地土壤污染風險管控標準(GB15618-2018)》風險篩選值(選用pH>7.5的限值)，mg/kg。表1

表1 土壤污染風險篩選值與風險管制值(pH>7.5)
Table 1 The risk screening values and control values for soil contamination (pH>7.5) (mg/kg)

元素ElementCdHgAsPbCrCuNiZn風險篩選值 The risk screening value0.63.425170250100190300風險管制值 The risk control value4.06.01001 0001 300---

內梅羅綜合指數法的計算公式為：

(2)

式中：P為土壤綜合污染指數，Pi(ave)為土壤元素中污染指數的平均值；Pi(max)為土壤元素中污染指數的最大值。表2

表2 土壤綜合污染程度的分級標準
Table 2 Standards for soil comprehensive pollution classification

污染等級Pollution grade12345綜合污染指數 Comprehensive pollution index(P)≤0.70.7～1.01.0～2.02.0～3.0>3.0污染程度 Pollution level安全警戒輕污染中污染重污染

潛在生態風險指數法的計算公式為：

(3)

表3 潛在生態風險系數、潛在生態風險指數與污染程度關系
Table 3 The relationship between potential ecological risk coefficient, potential ecological risk index and pollution level

潛在生態風險系數Potential ecological risk coefficient(Eir)潛在生態風險指數Potential ecological risk index (RI)污染程度Pollution levelEir<40RI<150輕微生態風險40≤Eir<80150≤RI <300中等生態風險80≤Eir<160300≤RI <600較強生態風險160≤Eir<320Eir≥600很強生態風險Eir≥320-極強生態風險

2 結果與分析

2.1 土壤中重(類)金屬的含量分布特征

農田表層土壤484組取樣點中重(類)金屬元素含量超過《土壤環境質量-農用地土壤污染風險管控標準(GB15618-2018)》中風險篩選值的個數為3，分別位于縣直屬區、勞改農場和阿熱勒鄉，超標率0.6%；農田土壤取樣點重(類)金屬元素含量均低于標準中的風險管制值，無超風險管制值取樣點。

研究表明，Cd、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的變異系數均小于25.0%，說明這6種元素在研究區的含量變化較小，分布較為均勻；Hg和As的變異系數分別為28.2%和27.9%，略大于其他元素，說明Hg和As的空間分布有一定差異，其污染分布可能與人類活動有關[21]。農田土壤取樣點中鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎳(Ni)和鋅(Zn)元素的平均值分別為0.13、0.02、10.67、17.58、51.66、19.32、25.23和56.46 mg/kg。從樣品土壤中重(類)金屬元素含量的平均值和新疆土壤背景值相比可以發現，Cd、Cr和Hg元素的平均含量略高于其對應的背景值，比值分別為1.08、1.05和1.158；仍低于風險篩選限值。As、Pb、Cu、Ni和Zn元素的平均含量與背景值的比值介于0.72～0.95，與成土母質基本相同。表4

表4 農田土壤重(類)金屬含量特征統計(n=484)
Table 4 Statistical characteristics of heavy metals (metalloid) in farmland soil(n=484)

元素ElementCdHgAsPbCrCuNiZn最大值 Maximum0.270.04639.629.797.129.434.893.8最小值 Minimum0.080.0075.412.530.312.416.836.8平均值 Mean0.130.019 710.6717.5851.6619.3225.2356.46標準差 Standard deviation0.020.005 62.981.497.782.643.668.36變異系數 Coefficient of variation18.228.227.98.515.113.714.514.8新疆土壤背景值[22-23]Soil background values of Xinjiang.0.120.01711.219.449.326.726.668.8

注:變異系數為%，其它指標單位均為mg/kg

Note: The coefficient of variation is %, and other indicators are in mg/kg

2.2 土壤中重(類)金屬污染評價

研究表明，單因子指數評價結果表明，484個農田土壤取樣點中單因子指數(Pi)大于1.0的取樣點有3個，元素為As，其余元素的單因子指數(Pi)均小于1.0，表明只有As在研究區土壤中存在富集現象，土壤可能受到人為污染[24]，各項重(類)金屬單因子污染指數均值由高到低依次為：As>Cd>Cr>Cu=Zn>Ni>Pb>Hg。內梅羅綜合指數結果表明，土壤中位于縣直屬的1個取樣點屬于輕污染狀態(占0.2%)，綜合指數為1.14；位于勞改農場和阿熱勒鄉的2個取樣點屬于警戒狀態(占0.4%)，綜合指數分別為0.76和0.84；其余取樣點屬于安全狀態，研究區農田土壤重(類)金屬整體處于安全狀態。表5

2.3 土壤中重(類)金屬潛在生態風險評價

研究表明，各項重(類)金屬潛在生態風險系數均值由高到低依次為：Cd>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Hg>Zn，土壤中重(類)金屬Cd和As潛在生態風險系數的平均值均低于7.00，Hg、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn潛在生態風險系數的平均值均低于1.00，輕微生態風險占100.0%，表明研究區土壤中重(類)金屬的潛在生態風險程度都較低。通過對各個土壤取樣點的潛在生態風險系數求和，得到484個潛在生態風險指數(RI)，RI的最大值為25.67，最小值為9.16，均值為13.72，均低于潛在生態風險指數輕微生態風險的限值(潛在生態風險指數中輕微生態風險的限值為150)，表明研究區農田土壤取樣點均屬于輕微生態風險。表6

表5 農田土壤重(類)金屬單因子指數和內梅羅綜合指數評價

Table5EvaluationresultsofSinglefactorindex(Pi)andNemerowcomprehensiveindex(P)ofheavymetals(metalloid)insoil

單因子指數 Single factor index(Pi)元素Element CdHgAsPbCrCuNiZn內梅羅綜合指數(P)Nemerow comprehensive index最大值 Maximum0.450.011.580.170.390.290.180.311.14最小值 Minimum0.1300.220.070.120.120.090.120.18平均值 Mean0.220.010.430.100.210.190.130.190.33超標率(%) Exceeding standard rate0.00.00.60.00.00.00.00.00.2

表6 潛在生態風險系數評價
Table 6 Evaluation results of potential ecological risk coefficient

潛在生態風險系數 Potential ecological risk coefficient(E)元素Element CdHgAsPbCrCuNiZn潛在生態風險指數Potential ecological risk index (RI)最大值 Maximum13.500.5515.840.870.781.470.920.3125.67最小值 Minimum 4.000.082.160.370.240.620.440.129.16平均值 Mean6.470.234.270.520.410.970.660.1913.72

3 討 論

土壤中重(類)金屬主要來源于大氣沉降、農藥、化肥和塑料薄膜使用、污水灌溉和含金屬廢棄物堆積等[24]，研究區農田土壤中有砷(As)元素超過風險篩選值的取樣點，呈點狀分布，均位于農用地土壤中，且靠近居民區。As在農業和工業方面廣泛應用，主要用作毒鼠劑、除草劑、殺菌劑、防腐劑和燃料等。于田縣是以農業為主、農牧結合的中等小縣，該縣特產主要有甘草、大蕓、紅棗、蓯蓉、核桃和棉花等，為大力發展特產農業，研究區農作物面積逐年增大，據《新疆維吾爾自治區水資源公報(2010-2016)》數據顯示，2016年于田縣農作物播種面積3.764×104hm2，較2010年增加了2.0%。

于田縣農田土壤取樣點中484個取樣點中，除3個取樣點中的砷(As)超過標準風險篩選值外，重金屬元素含量均低于《土壤環境質量-農用地土壤污染風險管控標準(GB15618-2018)》中風險篩選值，對農產品安全、農作物生長或土壤生態環境的風險低，一般情況下可以忽略；3個砷(As)超過標準風險篩選值的農田取樣點可能存在農用地土壤污染風險，應當加強土壤環境監測和農產品協同監測，原則上應當采取安全利用措施[16]。農田土壤取樣點中沒有超過標準中土壤污染風險管制值，食用農產品符合質量安全標準。

4 結 論

4.1 于田縣農田土壤取樣點中重(類)金屬元素含量超過《土壤環境質量-農用地土壤污染風險管控標準(GB15618-2018)》中風險篩選值的個數為3；農田土壤取樣點重(類)金屬元素含量均低于標準中的風險管制值，無超風險管制值取樣點。樣品土壤中重(類)金屬元素含量的平均值和新疆土壤背景值相比，Cd、Cr和Hg元素的平均含量高于其對應的背景值，比值分別為1.08、1.0和1.158；As、Pb、Cu、Ni和Zn元素的平均含量與背景值的比值介于0.72～0.95，與成土母質基本相同。

4.2 土壤中重(類)金屬污染評價表明，484個農田土壤取樣點中單因子指數(Pi)大于1.0的取樣點有3個(元素為As)，其余元素的單因子指數(Pi)均小于1.0，表明只有As元素在研究區土壤中存在富集現象，土壤可能受到人為污染。內梅羅綜合指數結果表明，土壤中位于縣直屬的1個取樣點屬于輕污染狀態(占0.2%)，位于勞改農場和阿熱勒鄉的2個取樣點屬于警戒狀態(占0.4%)；其余取樣點屬于安全狀態，研究區農田土壤重(類)金屬整體處于安全狀態。

4.3 土壤中重(類)金屬潛在生態風險評價表明，土壤中重(類)金屬的潛在生態風險程度都較低，取樣點均屬于輕微生態風險。