吐魯番盆地葡萄園土壤重金屬污染狀況及其潛在生態(tài)風險

麥爾哈巴·圖爾貢,麥麥提吐爾遜·艾則孜,2,王維維

1.新疆師范大學地理科學與旅游學院,新疆 烏魯木齊 830054

2.新疆師范大學,新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室,新疆 烏魯木齊 830054

農用地土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重金屬污染物具有生物毒性強、潛伏性強、污染后果嚴重等特點,會危害土壤安全、影響農產(chǎn)品質量[1],進而通過循環(huán)和遷移對區(qū)域生態(tài)與生命安全產(chǎn)生影響[2-3]。 其中,園地土壤中的重金屬含量會對果樹的正常生長、產(chǎn)量及果品質量產(chǎn)生影響,因而受到普遍關注[4-5]。

國內外學者圍繞各類園地土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風險做了許多研究。 楊世琦等[6]分析了我國典型果園土壤中5 種重金屬元素的污染狀況,發(fā)現(xiàn)Pb 元素累積較明顯,土壤表層重金屬累積相對顯著。 HAN 等[7]通過調查我國11 個主要核桃產(chǎn)區(qū)的土壤和核桃中5 種元素的含量及污染風險,發(fā)現(xiàn)Pb 和Cd 是核桃園土壤中主要的污染元素。 譚業(yè)化等[8]研究了海南省不同種植年限檳榔園土壤中4 種元素的污染狀況,發(fā)現(xiàn)檳榔園土壤質量等級處于Ⅱ級警戒態(tài)勢。 梁俊等[9]發(fā)現(xiàn),在優(yōu)勢蘋果產(chǎn)區(qū)土壤中,Hg 與Cd 處于輕度污染態(tài)勢。 SAHODARAN 等[10]研究了印度香蕉種植地的土壤重金屬污染風險,發(fā)現(xiàn)其Pb 含量已超標。 國內外學者對葡萄園土壤重金屬污染風險也開展了一定研究。 龐榮麗等[11]研究發(fā)現(xiàn),葡萄對土壤中不同元素的吸收能力差異較大,其中對Cd 的吸收能力最強。 MIRZAEI 等[12]對38 個施肥葡萄園的土壤重金屬污染風險進行了研究,發(fā)現(xiàn)對葡萄園土壤持續(xù)施用肥料會導致土壤中的Cd 富集明顯,并已超出安全限值。 潘佳穎等[13]研究了賀蘭山東麓葡萄主產(chǎn)區(qū)的土壤重金屬分布特征及污染狀況,發(fā)現(xiàn)Cd 是最主要的潛在生態(tài)風險因子。 可以看出,果園土壤重金屬污染及其危害是當前人類面臨的重要環(huán)境問題之一,因此,揭示葡萄園土壤重金屬污染風險可為重金屬污染防治提供參考。

新疆吐魯番盆地是我國著名的葡萄產(chǎn)區(qū),也是我國規(guī)模較大的無核葡萄種植基地之一[14],葡萄種植業(yè)已成為當?shù)氐闹鲗Мa(chǎn)業(yè)。 本文以吐魯番盆地葡萄園土壤重金屬污染狀況調查及潛在生態(tài)風險評估為目標,研究了葡萄園土壤中As、Cd、Cr、Ni、Pb 和Hg 等6 種元素的含量(As 屬于元素周期表VA 族,處于非金屬元素與金屬元素的過渡區(qū)域,屬于類金屬,但因其生物毒性及某些性質與重金屬相似,國內外大多數(shù)研究[1-2,5-8]將其視為重金屬)、污染水平、潛在生態(tài)風險及生態(tài)風險預警態(tài)勢,以期為提升葡萄主產(chǎn)區(qū)的葡萄安全生產(chǎn)水平提供科學參考。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)概況

吐魯番盆地位于新疆天山南坡,塔克拉瑪干沙漠東北部,是我國海拔高程最低的盆地。 研究區(qū)(42°46′N—43°05′N,88°57′E—89°34′E)總面積668.5 km2,屬于典型的溫帶大陸性干旱荒漠氣候,年均氣溫14.4 ℃,極端最高氣溫則達到了49.6 ℃,而年均降水量僅為15 mm[15-16]。 葡萄種植業(yè)為該地區(qū)的特色產(chǎn)業(yè)。 研究區(qū)概況及采樣點分布見圖1。

圖1 研究區(qū)域及采樣點Fig.1 The study area and sampling points

1.2 樣品采集與測定

參考農田土壤環(huán)境質量監(jiān)測相關技術要求[17]及研究區(qū)環(huán)境特點,確定采樣位置。 2019年5 月,從吐魯番盆地共采集了101 個0 ～20 cm土層的葡萄園土壤樣品。 去除樣品中的各種雜物,將土樣自然風干后,過0.15 mm 尼龍篩。 測定土壤樣品中As、Cd、Cr、Ni、Pb 與Hg 的含量。其中,As 的含量采用原子熒光光度計(北京寶德,BAF-2000)進行測定,檢測依據(jù)為《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法 第2 部分:土壤中總砷的測定》 (GB/T 22105.2—2008)[18];Cd和Pb 的含量采用原子吸收光譜儀(分別為美國熱電公司,SOLAAR M6;美國賽默飛世爾,ICE-3500)進行測定,檢測依據(jù)均為《土壤質量 鉛、鎘的測定 KI-MIBK 萃取火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17140—1997)[19];Cr 與Ni 的含量采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(杭州聚光科技,ICP-5000)進行測定,檢測依據(jù)均為《固體廢物 22 種金屬元素的測定 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》(HJ 781—2016)[20];Hg 的含量采用原子熒光光度計(北京寶德,BAF-2000)進行測定,檢測依據(jù)為《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法 第 1 部 分: 土 壤 中 總 汞 的 測 定》 ( GB/T 22105.1—2008)[21]。 As、Cd、Cr、Ni、Pb、Hg 的檢出 限 分 別 為 0.01、 0.01、 0.50、 0.40、 0.006、0.002 mg/kg。 在元素含量分析過程中,通過加入國家土壤標準參比物質[中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所, 編號 GBW07426(GSS-12)]控制測定質量,6 種重金屬的回收率均處于允許范圍內。

1.3 重金屬污染水平與生態(tài)風險評價方法

采用地質累積指數(shù)(Igeo)[22]評價葡萄園土壤重金屬污染水平;以《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染 風 險 管 控 標 準( 試 行)》 ( GB 15618—2018)[23]中的篩選值(pH＞7.5)為參比值,采用潛在生態(tài)風險指數(shù)(RI)[24]評價葡萄園土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風險;采用生態(tài)風險預警指數(shù)(IER)[25]對潛在生態(tài)風險進行預警評估。 Igeo、RI與IER計算方法如表1 所示。

表1 Igeo、RI 與IER 計算方法Table 1 Calculation methods of Igeo,RI and IER

Igeo污染等級劃分:無污染(Igeo≤0),輕度污染(0＜Igeo≤1),中度污染(1＜Igeo≤2),中到強污染(2＜Igeo≤3),強污染(3 ＜Igeo≤4),強到極強污染(4＜Igeo≤5),極強污染(Igeo＞5)[22]。 單項生態(tài)風險指數(shù)(E)的生態(tài)風險等級包括:輕微風險(E≤40),中等風險(40 ＜E≤80),較 強風 險(80 ＜E ≤160),很強風險(160 ＜E ≤320),極強風險(E ＞320)。 RI 的生態(tài)風險等級包括:輕微風險(RI≤150),中等風險(150＜RI≤300),較強風險(300＜RI≤600),很強風險(600＜RI≤1 200),極強風險(RI＞1 200)。 IER的生態(tài)風險預警等級包括:無警(IER≤0),預警(0＜IER≤1),輕警(1＜IER≤3),中警(3＜IER≤5),重警(IER＞5)[22,24]。

2 結果與討論

2.1 葡萄園土壤重金屬含量特征

從表2 可見,研究區(qū)葡萄園土壤中,As、Cd、Cr、Ni、Pb、Hg 等6 種重金屬的含量平均值及最大值均小于GB 15618—2018 中的篩選值(pH ＞7.5)。 從平均值來看,As、Cd、Cr、Hg 的含量平均值分別為新疆灌耕土背景值[26]的1.05、1.58、1.49、1.15 倍,Cd、Cr、Hg 的含量平均值分別為新疆土壤背景值[2]的1.58、1.20、2.65 倍。 從重金屬含量最大值來看,Cd、Cr、Pb 和Hg 的含量最大值與對應的背景值相差較大。 其中,Cd、Cr、Pb、Hg 的含量最大值分別為新疆灌耕土背景值的2.92、1.87、1.88、3.56 倍,分別為新疆土壤背景值的2.92、1.50、1.31、8.18 倍[27]。

研究區(qū)葡萄園土壤pH 變幅為7. 07 ～8. 98,平均值為8. 01,小于新疆土壤背景值,屬于弱堿性土壤。 由變異系數(shù)(CV)可以看出,Hg 的CV為0. 650,表現(xiàn)為強變異(CV＞0. 5)[2],即Hg 呈現(xiàn)不均勻的空間分布,可能是受到了局部污染源的影響;Cd 與Pb 呈現(xiàn)中等變異(0. 2 ＜CV ＜0. 5),CV 分別為0. 22 與0. 21,即點污染源可能影響了Cd 與Pb 的含量 分 布;As、Cr、Ni 等3 種元素的CV 分別為0. 17、0. 09、0. 11,表現(xiàn)為弱變異(CV＜0. 2),表明這3 種元素的含量主要受自然因素控制[27]。

表2 吐魯番盆地葡萄園土壤重金屬含量統(tǒng)計結果(n=101)Table 2 Statistics of heavy metal concentrations of vineyard soil in Turpan Basin (n=101)

2.2 葡萄園土壤重金屬污染評價

從圖2 可見,吐魯番盆地葡萄園土壤中,As、Cd、Cr、Ni、Pb、Hg 等6 種元素的Igeo變化范圍分別為-0.99 ～-0.03、-0.76 ～0.97、-0.33 ～0.32、-1.30 ～-0.47、-1.28 ～0.33、-2.24 ～1.25。 6 種元素的Igeo平均值排序為Cd(0.0)＞Cr(-0.02)＞As(- 0.53) ＞Hg (- 0.62) = Pb (- 0.62) ＞Ni(-0.88)。 根據(jù)Igeo污染分級標準,研究區(qū)葡萄園土壤中6 種元素的Igeo平均值均屬于無污染態(tài)勢,但除As 和Ni 外,其他4 種元素的Igeo最大值均表現(xiàn)為輕度污染。 由各元素各污染程度樣品數(shù)在樣品總數(shù)中的占比可見,As 和Ni 均呈現(xiàn)無污染態(tài)勢,Cd 處于無污染和輕度污染狀態(tài)的樣品占比分別為52.48%和47.52%,Cr 呈現(xiàn)無污染和輕度污染狀態(tài)的樣品數(shù)分別占樣品總數(shù)的64.36%和35.64%,Pb 呈現(xiàn)無污染和輕度污染狀態(tài)的樣品數(shù)分別占樣品總數(shù)的96.04%和3.96%,Hg 呈現(xiàn)無污染、輕度污染、中度污染狀態(tài)的樣品數(shù)分別占樣品總數(shù)的76.24%、19.80%、3.96%。

圖2 研究區(qū)葡萄園土壤重金屬污染水平Fig.2 Contamination level of heavy metals in vineyard soil in the study area

從吐魯番盆地葡萄園土壤重金屬的Igeo空間分布格局(圖3)可見,各元素的Igeo空間分布規(guī)律差異較大。 As 元素的Igeo從研究區(qū)東部向西部逐漸減小,呈現(xiàn)地帶性分布。 Cd 是研究區(qū)葡萄園土壤中污染程度和污染面積最大的元素,污染高值區(qū)分布于研究區(qū)西南部和吐魯番市周邊S202省道兩側區(qū)域,這些區(qū)域人口較為集中、車流量較大、農業(yè)生產(chǎn)活動較強,均呈現(xiàn)輕度污染態(tài)勢。 研究區(qū)東部Cd 污染較輕,主要為無污染或輕度污染態(tài)勢。 Cr 的污染面積、污染水平僅小于Cd,Cr元素高Igeo區(qū)主要分布在研究區(qū)中部(恰特喀勒鄉(xiāng))和吐魯番市附近區(qū)域。 從Ni 元素的Igeo空間分布情況來看,污染高值區(qū)分布于研究區(qū)東部、中部和西南部,北部區(qū)域的Igeo較低,所有樣點均呈現(xiàn)無污染態(tài)勢。 Pb 元素的Igeo在人口相對密集的區(qū)域較大。 Hg 元素在研究區(qū)北部和中部呈現(xiàn)中度、輕度污染。

為提高農產(chǎn)品產(chǎn)量而過量施用含Pb、Cd、Hg和As 等重金屬的化肥,會導致土壤中Pb、Cd、Hg和As 等元素的積累[28]。 園地土壤中重金屬的含量達到一定程度后,不僅會降低農作物的產(chǎn)量和質量,而且會對生態(tài)系統(tǒng)安全造成危害[1]。 葡萄園土壤中Cr 與Ni 的含量平均值小于(或接近)土壤背景值,64.36%的樣點的Cr 元素處于無污染態(tài)勢,所有樣點的Ni 元素均處于無污染態(tài)勢。 從污染程度來看,并未表現(xiàn)出明顯的污染累積狀況。早前研究[29-30]顯示,土壤地球化學成因(成土母質)是土壤中Cr 與Ni 的主要來源,農用地土壤中的Cr 與Ni 主要受成土母質等自然來源的影響。因此,研究區(qū)葡萄園土壤中Cr、Ni 的含量主要受土壤地球化學作用的控制。

圖3 研究區(qū)葡萄園土壤重金屬的Igeo 空間分布Fig.3 Spatial distribution of Igeovalue of heavy metals of vineyard soil in the study area

研究區(qū)葡萄園土壤中As 的平均含量低于新疆土壤背景值,所有樣點的As 元素均處于無污染態(tài)勢,累積不明顯。 從As 的污染分布圖(圖3)可看出明顯的地帶性分布格局,可確定葡萄園土壤中As 的含量主要受到土壤地球化學作用的控制。

相關研究[2,7,28]表明,交通運輸過程中汽車輪胎磨損產(chǎn)生的含Pb 殘留物會進入土壤環(huán)境,農藥和殺蟲劑中也含有Pb 元素。 研究區(qū)葡萄園土壤中的Pb 可能來源于移動源及農藥和殺蟲劑的施用等。

研究區(qū)葡萄園土壤中Hg 的平均含量高出相應背景值,累積明顯。 Hg 污染高值區(qū)出現(xiàn)在人口和交通最密集的區(qū)域,表明其在一定程度上受到人為因素的影響。 謝小進等[31]的研究表明,農用土壤中Hg 和Pb 的來源相同,主要受到人為因素的影響,以工業(yè)源、交通源為主。

相關研究顯示,化學肥料、有機肥料以及農藥等的施用可能是農用地土壤Cd 的基本來源之一[9],葡萄園土壤過度施用肥料會導致Cd 元素的富集[12]。 因此,研究區(qū)葡萄園土壤中的Cd 可能來源于農藥、化肥和肥料等的施用。

可以看出,研究區(qū)葡萄園土壤中的As、Cr、Ni主要受到土壤地球化學作用的控制,Cd、Pb、Hg主要與人類活動相關。

2.3 葡萄園土壤重金屬污染生態(tài)風險評價

以GB 15618—2018 中的篩選值為參比值,分析吐魯番盆地葡萄園土壤中重金屬元素的潛在生態(tài)風險(圖4)。

圖4 研究區(qū)葡萄園土壤重金屬生態(tài)風險Fig.4 Ecological risk of heavy metals in vineyard soil in the study area

從圖4 可見,吐魯番盆地葡萄園土壤中,各元素E 的平均值排序為Cd(9.23)＞As(3.83)＞Ni(0.57)＞Hg(0.53)＞Cr(0.47)＞Pb(0.39),所有樣點的6 種元素均處于輕微生態(tài)風險態(tài)勢。 RI的變化范圍為12.14 ～28.56,平均值為17.33,最大值(28.56)也僅呈現(xiàn)出輕微風險水平,表明研究區(qū)葡萄園土壤中6 種元素目前的含量不會對土壤生態(tài)安全產(chǎn)生威脅。

基于GIS 技術繪制吐魯番盆地葡萄園土壤重金屬的RI 空間分布圖(圖5)。 從圖5 可見,RI 的空間分布格局與Cd 元素Igeo的分布格局(圖3)較相似,Cd 污染高值區(qū)與RI 高值區(qū)主要分布于研究區(qū)西南部和北部,說明Cd 元素對RI 的貢獻率較高。 研究區(qū)葡萄園土壤中,Cd 是污染水平和生態(tài)風險最高的元素。 考慮到葡萄對土壤中Cd元素的吸收能力很強[11],吐魯番盆地鄯善縣所產(chǎn)葡萄果實中的Cd 元素對成人的復合健康風險貢獻率較高[32]等情況,研究區(qū)葡萄園土壤中Cd 元素的累積值得關注。

圖5 研究區(qū)葡萄園土壤重金屬RI 空間分布Fig.5 Spatial distribution of RI value of heavy metals of vineyard soil in the study area

2.4 葡萄園土壤重金屬污染生態(tài)風險預警

以GB 15618—2018 中的篩選值為參比值,進行吐魯番盆地葡萄園土壤重金屬污染生態(tài)風險預警評估(表3)。

表3 研究區(qū)葡萄園土壤重金屬生態(tài)風險預警Table 3 Ecological risk index of heavy metals of vineyard soil in the study area

從表3 可見,研究區(qū)葡萄園土壤中,6 種重金屬的IERi排序為As(-0.62) ＞Cd(-0.69) ＞Cr(-0.76)＞Ni(-0.89)＞Hg(-0.99),IER平均值為-4.87,變化范圍介于-5.12 ～-4.49。 通過IER等級劃分標準可以看出,本研究所采集的所有樣品均表現(xiàn)為無警態(tài)勢。

從IER的空間分布來看(圖6),研究區(qū)IER較高的區(qū)域主要分布于西南部、中部和東部。 研究區(qū)IER的空間分布格局與RI 基本一致,RI 及IER相對較高的區(qū)域主要分布于研究區(qū)人口密度較大及交通主線周圍地區(qū)。

圖6 IER 空間分布Fig.6 Spatial distribution of IER value

本研究檢測結果顯示,吐魯番盆地葡萄園土壤中6 種重金屬的平均含量和最大含量統(tǒng)計值均未高出GB 15618—2018 中的篩選值,處于安全范圍內。 從平均值來看,As、Cd、Cr 和Hg 的平均含量均高于新疆灌耕土背景值,累積較為明顯。 各重金屬元素的污染程度與潛在生態(tài)風險并不完全一致,這是因為元素毒性系數(shù)相差較大,元素毒性系數(shù)越高,潛在生態(tài)風險指數(shù)越大。 此外,有些重金屬雖然在土壤中的污染程度較高,但容易伴隨其他顆粒物遷移進入土壤中礦化埋藏,使其對生物的毒性降低,從而降低了潛在生態(tài)風險[33]。

相關研究[34]表明,我國耕地土壤中Cd 的含量不同程度地受到人類活動的干擾,其中約56%來自農業(yè)活動。 Cd 的自然背景值和國家標準限值均較低,導致其在污染水平、潛在生態(tài)風險及生態(tài)風險預警評價中的影響很突出[35]。 Cd 是毒性極強的重金屬之一,而且對于農作物的生長和發(fā)育而言,Cd 是非必需元素。 Cd 元素污染會導致植物中葉綠素含量的減少,擾亂水分平衡并損傷植物細胞[36]。 吐魯番盆地葡萄園土壤中,95.05%的樣點的Cd 含量超出新疆灌耕土背景值,47.52%的樣點的Cd 元素處于輕度污染水平。Cd 是研究區(qū)葡萄園土壤中污染水平和生態(tài)風險等級最高的元素,對研究區(qū)葡萄園土壤重金屬Igeo、RI 和IER的貢獻較大。 研究顯示,葡萄對土壤中Cd 的吸收能力較強[11],因此,研究區(qū)葡萄園土壤中Cd 的污染風險值得重視。

3 結論

1)吐魯番盆地葡萄園土壤中,As、Cd、Cr、Ni、Pb 和Hg 的平均含量均低于GB 15618—2018 中的篩選值;As、Cd、Cr、Hg 的平均含量分別為新疆灌耕土背景值的1.05、1.58、1.49、1.15 倍。

2)從污染水平來看,吐魯番盆地葡萄園土壤中各元素 Igeo平均值的排序為 Cd (0.0) ＞Cr(-0.02)＞As(-0.53)＞Hg(-0.62)= Pb(-0.62)＞Ni(-0.88)。 其中,As、Ni 表現(xiàn)為無污染,Cd、Cr、Pb 表現(xiàn)為無污染和輕度污染,Hg 表現(xiàn)為無污染、輕度污染和中度污染。

3)從潛在生態(tài)風險級別來看,吐魯番盆地葡萄園土壤中各元素E 的排序為Cd＞As＞Ni＞Hg ＞Cr＞Pb, 均呈現(xiàn)輕微生態(tài)風險; RI 平均值為17.33,呈現(xiàn)輕微生態(tài)風險;IER平均值為-4.87,處于無警態(tài)勢。

4)研究區(qū)葡萄園土壤中,重金屬元素RI 及IER的空間分布格局基本一致,即人口和交通較密集區(qū)域的RI 和IER值較大。 研究區(qū)葡萄園土壤的Cd 污染水平及生態(tài)風險級別較高,應予以關注。 總體上,當前研究區(qū)葡萄園土壤中6 種重金屬的含量不會對土壤生態(tài)安全造成威脅。