農田土壤重金屬含量及生態風險程度評價

雷雷佳，殷新，貢璐，劉衛國

（新疆大學資源與環境科學學院/綠洲生態教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046）

0 引言

【研究意義】土壤是陸地生態系統的重要組成部分[1]。重金屬等具有生理毒性的物質[2]。重金屬具有極強的富集能力和污染能力[3]。在農田土壤中，以污水灌溉、大氣沉降、農藥使用等方式造成重金屬在土壤中不斷累積，引起土壤質量變化，阻礙植物生長下降[4]，并且在轉移過程中會影響周邊生態環境[5]，造成潛在生態風險[6]。研究土壤中重金屬含量特征，對分析生態風險評價具有重要意義。【前人研究進展】農田土壤重金屬生態風險評價是一種通過數據分析，評價自然因素與人為因素中風險源對農田生態系統可能造成生態效應的方法[7]。對土壤重金屬污染分布及生態風險評價有文獻研究[3]，取得研究成果[8]。但研究大多集中于我國中東部地區[9]，對西北干旱、半干旱地區缺乏研究。李吉玫等[10]已對烏魯木齊不同區域林帶土壤進行重金屬污染特征分析。姣哈爾·紅衛等[11]對烏魯木齊雅山山地土壤受再生水灌溉后的重金屬含量進行研究。【本研究切入點】目前研究多局限于烏魯木齊城區、山地土壤，對烏魯木齊米東區的農田土壤重金屬狀況、評價及來源分析尚顯不足。需研究烏魯木齊米東區土壤重金屬含量特征。【擬解決的關鍵問題】以干旱區農產品基地米東區為研究區，研究土壤重金屬地累積指數現狀與潛在生態風險空間分布，采用主成分分析法對污染可能來源進行分析，為干旱區農田土壤重金屬管控及潛在生態風險預警提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

烏 魯 木 齊 米 東 區 地 理 坐 標E87°06′～88°08′N43°44′～45°00′，位于烏魯木齊東北郊，距烏魯木齊市中心城區15 km。冬季嚴寒，夏季酷熱，蒸發量大，氣候屬溫帶大陸性氣候。年氣溫38～27℃，年均降水量260 mm[12]。分布包括水磨溝河等在內的7條河流[13]。研究區土壤屬灰漠土，以小麥、玉米和蔬菜類為主種植，主要使用化肥、農家肥[14]。

以烏魯木齊市米東區農田土壤為研究對象，結合米東區土地利用現狀、地形等情況，于2018年生長季，以隨機布點與網格布點結合的方式布設樣點，采集82個土壤樣品。記錄每個采樣點周邊環境特征、坐標、土壤類型等，梅花點法取0～20 cm表層農田土壤，混勻后四分法制成1 kg土壤樣品，所有樣品編號后均裝入聚乙烯密封塑料袋中帶回實驗室。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理與測定

土樣去除雜物，風干研磨，過100目尼龍篩后備用。燒杯中稱取10 g過好篩的土壤樣品，加入無CO2蒸餾水25 mL，持續攪拌1 min，靜置0.5 h，檢測待測液pH值。稱取約0.5 g原始樣品，研磨后土壤樣品經HClO4-HNO3-HF消解，用電感耦合等離子體發射質譜儀測試Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量；經H2SO4-HNO3-KMnO4消解后，用原子熒光光度計測定As和Hg的含量，采用國家一級標準物質GBW07418～GBW07422（土壤）進行質量控制，回收率均處于允許范圍內。

1.2.2 地累積指數法

地累積指數（Igeo）用于研究沉積物中重金屬的污染程度[15]。運用于土壤中重金屬的污染程度[16]。

式中Igeo為地累積指數，Cn為待測土壤樣品中元素n的測試濃度（mg/kg），Bn為樣品中元素n的地球化學背景值（mg/kg），取新疆土壤背景值[17]。使用1.5的系數[18]，Igeo分級標準。無污染Igeo≤0；輕度污染0＜Igeo＜1；中度污染1＜Igeo＜2；重度污染2＜Igeo＜3；嚴重污染Igeo≥3。

1.2.3 Hakanson潛在生態危害指數法

Hakanson潛在生態危害指數法將沉積學方法應用于重金屬污染物[19]。

式中，中Ci f為污染物i的單因子污染指數；Ci污染物含量實測值，mg/kg；由于研究區域米東區為農田土壤，Cin重金屬污染物含量參比值取自《食用農產品產地環境質量評價標準》（HJ/T 332-2006）[20]，mg/kg；Eir為污染物i的潛在生態風險系數；Tir為重金屬毒性響應系數，Hakanson給出的重金屬毒性系數為Hg=40＞Cd=30＞As=10=＞=Pb=Cu=Ni=5＞Cr=2＞Zn=1；RI為潛在生態危害指數。表1

表1 潛在生態危害指數分級標準Table 1 Potential ecological hazard index classification standard

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量的描述性統計

研究表明，土壤中8種重金屬測定的范圍是：As（6.39）1.07～98.70 mg/kg，Cd（0.40）0.08～19.60 mg/kg，Cr（41.37）25.60～64.30 mg/kg，Hg（0.08）0.02～0.25 mg/kg，Pb（18.65）12.20～38.80 mg/kg，Cu（32.20）22.50～49.30 mg/kg，Zn（93.18）67.40～221.00 mg/kg，Ni（23.66）14.60～34.80 mg/kg。82個樣品土壤重金屬pH值7.51～8.62，均值為8.04，整體為堿性土壤。As、Cr、Pb、Ni平均含量均低于新疆土壤背景值，采樣點土壤重金屬含量平均值均小于評價標準。

研究區土壤8種重金屬存在中等到高度變異，變異系數大小排序分別為Cd＞As＞Hg＞Zn＞Ni＞Cr=Cu＞Pb。As、Cd、Hg、Pb和Zn在土壤中的偏度和峰度值較大，顯示正偏向和高峰度。表2

表2 研究區土壤重金屬含量描述性統計Table 2 Descriptive statistics of heavy metal content in soil in the study area

2.2 土壤重金屬污染評價

研究表明，8種重金屬As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni的Igeo值分別為-3.97～2.55，-1.10～6.77，-1.53～-0.20，-1.00-3.06，0.42～1.33，-0.83～0.30，-0.61～1.10，-1.45～-0.20。8種重金屬Igeo值從大到小順序為Hg＞Pb＞Cd＞Zn＞Cu＞Ni＞Cr＞As，其中Pb平均值為0.64，Hg平均值為1.24，研究區7種重金屬整體處于輕度污染水平。圖1

圖1 研究區土壤地累積指數統計Fig.1 Statistical chart of soil land accumulation index in the study area

研究區土壤Cr、Ni為無污染，As、Cd、Pb、Cu、Zn大部分為無污染或輕度污染。圖2

圖2 研究區土壤重金屬程度Fig.2 Histogram of soil heavy metal pollution in the study area

2.3 誘餌表達載體自激活及功能檢測

2.3.1 單因子污染指數評價

研究表明，單因子污染指數污染程度排序為Cd＞Ni＞Cu＞Zn＞As＞Pb＞Cr＞Hg。Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni平均值為0.17、0.08、0.23、0.32、0.31、0.39，均小于1，其污染程度均處于輕度污染。As平均值分別為0.26，為輕度污染。Cd均值為0.67，為輕度污染。表3

表3 土壤重金屬單因子污染指數Cif評價Table 3 Table of evaluation results of single factor pollution index Cif of heavy metals in soil

2.3.2 潛在生態風險評價

研究表明，8種重金屬潛在生態風險系數Eir平均值分別為2.56、20.15、0.33、3.31、1.17、1.61、0.31、1.97。As、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni7種重金屬的生態風險等級完全處于低危害風險等級，對研究區土壤產生的生態風險較小。Cd98.78%處于低潛在生態風險水平。表4

研究區農田土壤重金屬潛在生態危害指數范圍為12.22～1032.76，均值為31.41，研究區整體處于低潛在生態風險水平。潛在生態危害指數RI的分布于北部數值較低，西南部及中部數值較高。研究區中部、中北部及西南部區域處于低潛在生態風險水平。Cd對潛在生態危害指數的貢獻高達64.15%，Hg的貢獻率較其他6種重金屬占一定比例，為10.54%。圖3，表4～表6

表4 土壤重金屬潛在生態風險系數Eir及潛在生態危害指數RI評價Table 4 Table of evaluation results of potential ecological risk coefficient Eir and potential ecological harm index RI of soil heavy metals

表6 研究區土壤重金屬含量主成分Table 6 Principal component analysis of heavy metal content in soil in the study area

圖3 研究區土壤重金屬潛在生態危害指數RI分布Fig.3 Distribution of potential ecological harm index RI of heavy metals in soil in the study area

3 討論

表5 研究區土壤重金屬含量相關性Table 5 Correlation analysis of heavy metal content in soil in the study area

Cd、Hg、As呈現出高變異，其余5種重金屬均呈現出中等程度變異[21]。土壤重金屬污染物來源復雜，相關分析一定程度上能反映8種重金屬元素之間的相互依存關系，如果重金屬元素高度線性相關，則表明來源可能相同或相似，反之亦然[25]。研究區農田土壤8種重金屬的潛在生態風險系數均值小于40，該地區土壤潛在生態風險程度較低，與孫英等[22]對新疆于田縣農田土壤的研究結果相似。Hg、Cd是研究區潛在生態風險指數RI的主要貢獻因子，與米熱阿地力·庫爾班等[23]對烏魯木齊北郊蔬菜基地土壤、王文全等[13]針對米東區農田土壤、胡慧玲等[24]針對烏魯木齊市郊安寧渠區菜田土壤的研究結果相似。Cd-As-Pb-Zn-Cu，Cr-Ni之間存在一定的相關性，Cd-As、Pb-As、Cu-Pb、Zn-Pb的相關系數分別0.960、0.758、0.647、0.722，較高且均達到極顯著相關（P＜0.01）水平，之間可能存在相同來源。Cr-Ni的相關系數為0.866，呈極顯著正相關（P＜0.01）水平，二者存在良好伴生關系。Hg與其余7種重金屬均不呈顯著性相關，與同處于干旱區的張掖市[21]、伊寧市[26]的研究結果相似。

三個主成分累積方差占總方差的87.488%，基本能夠解釋8種重金屬來源的大量信息。同一成分中具有高因子載荷的重金屬存在相同來源。Pb、Zn、As、Cd、Cu的因子載荷量在第一主成分中較高，具備相同來源。其均值分別為新疆土壤背景值的0.96倍、1.35倍、0.57倍、3.34倍、1.21倍。Zn、Cd、Cu在研究區土壤中有一定累積。Pb、As均未超過土壤背景值，二者可能主要受成土母質與地質影響[23]。研究區為農田土壤[13]。第一主成分可視為自然源和人為影響源的復合源。Cr、Ni因子載荷在第二主成分因子中較高。Cr、Ni含量平均值均未超過新疆土壤背景值，研究區農田土壤中Cr、Ni含量可能受成土母質的影響，第二主成分可視為為自然源[28]。Hg因子載荷在第三主成分因子中較高，為0.766。

4 結論

4.1 8種重金屬含量均值均低于評價標準限量值。As、Cr、Pb、Ni均值均低于新疆土壤背景值。Cd、Hg、As變異系數呈現出高度變異，其余5種重金屬均呈現出中等程度變異。

4.2 地積累指數Hg＞Pb＞Cd＞Zn＞Cu＞Ni＞Cr＞As，研究區Hg、Cd、Pb、Zn重金屬元素累積較高，7種重金屬整體處于輕度污染水平。

4.3 單項污染指數評價米東區8種重金屬均處于輕度污染。米東區整體處于低潛在生態風險水平，Cd、Hg對米東區RI的方差貢獻率最高。米東區土壤Pb、Zn、As、Cd與Cu，Cr與Ni均存在顯著正相關。