東祁連山不同土地利用方式下土壤重金屬污染評價

賽寧剛，祁娟，賈燕偉，車美美，楊娟弟，王曉娟，徐長林

（甘肅農業大學草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，甘肅蘭州 730070）

土壤是與人類關系極為密切的環境介質，也是人類賴以生存和發展的重要自然資源［1］。土壤污染嚴重影響到人們的正常生活，其中土壤重金屬污染是土壤污染的主要類型之一。近年來，土壤重金屬污染已成為全球許多國家面臨的環境污染問題之一［2-3］。我國由于工農業、交通運輸和采礦業等行業的飛速發展，使得重金屬的排放日益增加［4-5］。大量的重金屬元素進入土壤，最終超出土壤的承載能力［6］，形成了重金屬污染。土壤一旦受到重金屬污染就很難恢復，因此對土壤造成較大的潛在危害，使得土壤環境的安全問題日益嚴峻［7］。目前我國重金屬污染的土壤面積已經達到上千萬hm2，占我國總耕地面積的20%以上［8］，而且土壤重金屬污染也由東部沿海地區逐漸向西部蔓延。土壤重金屬污染不僅是環境問題也關系到食品安全問題，土壤重金屬元素會通過土壤-植物系統進入人或者動物體內，使其重金屬元素積累，從而對健康造成危害［9-10］。趙玉文等［11］研究表明牦牛體內的重金屬元素含量與牧草中的重金屬元素含量呈顯著正相關關系。這表明青藏高原土壤重金屬元素已經通過土草系統的食物鏈傳遞，對家畜和人造成一定的健康隱患。

青藏高原是地球上獨特的地理區域，由于其海拔較高，其生態比較脆弱，環境的自我修復能力低，很容易受到破壞，青藏高原一旦受到破壞便會造成嚴重的環境損失和經濟損失。研究表明，青藏高原土壤生態系統已遭受一定程度重金屬污染［12-13］。青藏高原重金屬生態風險評價的結果表明，青藏高原超過50%的地區土壤污染程度為中度或高度，其中青海地區土壤污染較嚴重，西藏地區土壤污染相對較弱［14］。

東祁連山屬于青藏高原的東北邊緣，也是青藏高原東北區域的一道生態防線，探究該區域的土壤重金屬污染狀況對于青藏高原生態的防護工作具有重大意義。周會程等［15］對天祝不同退化草地的重金屬元素污染研究表明，草地的退化程度與土壤重金屬污染呈正相關關系，有關祁連山東北邊緣不同土地利用方式下土壤重金屬含量情況鮮見報道。本研究以東祁連山為研究區域，探究東祁連山不同土地利用方式下土壤重金屬含量狀況和分布特征，結合青藏高原土壤元素背景值，對該區域的土壤重金屬污染做出評價，為青藏高原的重金屬污染治理做好基礎工作并提供治理的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省武威市天祝藏族自治縣（N 36°31′-37°55′，E 102°07′-103°46′），處于河西走廊東端，屬青藏高原東北邊緣祁連山東段高寒山區，海拔3700 m左右，年均降水量416 mm左右，雨季集中在7-9月，多為地形雨。土壤偏堿性，pH值7.5～8.2，年平均氣溫為-0.1℃，全年積溫為1380℃，沒有絕對霜期。土壤類型以高山草甸土和亞高山草甸土為主，植被類型相對復雜，但生態脆弱，極容易受到破壞。

1.2 樣地選擇

樣地概況如表1所示，在研究區選取了4種不同土地利用方式下16個采樣點分別調查取樣，并利用GPS記錄每個采樣點的地理坐標和海拔高度。

表1 樣地概況Table 1 Overview of sample site

1.3 土壤樣品的采集及試驗方法

本研究于2020年8月中旬在研究區選取了16個采樣區并將采樣區劃分為4種不同利用方式，進行調查取樣，每個采樣區選取5個樣地，每個樣地隨機選擇5個樣點，每個樣點利用土鉆采集0～20 cm土壤樣品。均勻混合各樣點的土壤后進行裝袋，樣品帶回實驗室。將采集的樣品經過自然風干后，混合研磨待測。

7種重金屬元素：Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni和Mn采用德國耶拿公司生產的TOPwave微波消解儀進行消解。用三酸（HF-HNO3-HCl）消化法制備待測液，稱取土樣約0.5 g，加入6 mL HNO3+2 mL HF+2 mL HCl于微波消解儀中消解，定容至50 mL，每個處理3次重復。測量方法如下［16］：Cr、Pb、Zn、Cu、Ni和Mn含量采用中國北京普析通用公司自主生產的ATS-990型火焰原子吸收光譜儀測定；Cd含量采用中國北京普析通用公司自主生產的GF-990型原子吸收石墨爐進行測定，每個處理3次重復。各分析方法的最低檢出限均等于或優于《多目標區域地球化學調查規范（1:250000）》（DZ/T0258-2014）［17］的要求。

1.4 重金屬污染評價方法

本研究采用青藏高原土壤元素背景值［18］為參考比值，結合中國土壤元素背景值［19］，對不同土地利用方式土壤重金屬元素含量進行比較，并采用單因子污染指數法、內梅羅綜合指數法及潛在生態風險系數法進行評價，以明確祁連山不同類型土地中土壤的重金屬污染特征并做出污染風險評估。

1.4.1單因子污染指數法 單因子污染指數法是對土壤中某一種重金屬元素的污染程度進行評價［20］，其計算公式為：

式中：Ci為污染物i的實際測定的濃度（mg·kg-1）；Si為污染物i的評價標準，本研究選用西藏土壤元素背景值作為污染物的評價標準，單因子指數分級標準如表2所示。

表2 單因子污染指數分級標準Table 2 Classification standards of single-factor pollution index

1.4.2內梅羅綜合污染指數法 內梅羅綜合污染指數法是目前國內外學者評價重金屬污染通常采用的方法［20］，是在單因子污染指數的基礎上，求出各指數的平均值，利用最大值和平均值計算，重點體現了環境要素中含量最大的污染物對環境質量的影響，其公式如下：

式中：PN為內梅羅污染綜合指數；Pimax為單因子污染指數的最大值；Piave為各個污染元素指數的算術平均值。依據內梅羅污染指數法將污染等級分為5個等級，如表3所示。

表3 表層土壤內梅羅指數分級指標Table 3 Classification standard of Nemero integrated pollution index

1.4.3潛在生態風險系數法 潛在生態風險系數法是瑞典學者H?kanson于1980年提出的用于評價重金屬對環境造成潛在生態風險的方法［21］，其能夠在考慮重金屬含量的同時，將重金屬的生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起［22］，其公式如下：

表4 潛在生態風險評價指標Table 4 Index of potential ecological risk assessment of heavy metals

1.4.4重金屬毒性系數 7種重金屬元素Cr、Cd、Cu、Zn、Ni、Pb和Mn的毒性系數分別為2、30、5、1、5、5、1［23］。

1.5 數據處理

采用Excel和SPSS 22.0進行土壤重金屬含量、污染指數、生態風險指數的統計和分析，采用Excel制圖。

2 結果與分析

2.1 研究區土壤重金屬含量特征

研究區Cr（圖1a）元素的青藏高原土壤元素背景值高于中國土壤元素背景值，Ni（圖1e）和Pb（圖1f）元素兩種基本相等，其余各元素的中國土壤元素的背景值均大于青藏高原土壤元素背景值。研究區重金屬Cr、Cu（圖1c）、Zn（圖1d）、Ni、Pb含量均超過了青藏高原土壤元素背景值和中國土壤元素背景值，超標率均為100%，Cd（圖1b）和Mn（圖1g）絕大多數超過了青藏高原土壤元素背景值，超標率分別為88%和94%，超出中國土壤元素背景值的超標率分別為50%和69%。

從各重金屬元素的變異系數來看，元素Cd的變異系數最高，達到了26%，Zn元素的變異系數最低，僅為5%，Cr、Cu、Ni、Pb和Mn的變異系數分別為10%、16%、14%、12%和18%（表5）。

表5 土壤重金屬濃度統計參數Table 5 Statistical parameters of soil heavy metal concentration

2.2 不同土地利用方式下土壤重金屬污染評價

通過單因素污染指數分析可知（表6），各樣地土壤中Cr的污染指數為1.06～1.44，屬于輕度污染；Cd元素的污染指數為0.88～2.29，其中3號和16號樣地分別為0.88和0.96，等級劃分為清潔，1號和2號樣地為2.29和2.15，劃分為中度污染，其余樣地等級劃分為輕度污染；Cu元素污染指數為2.56～4.70，4號、7號、11號和14號樣地等級劃分為中度污染，其他樣地達到了重度污染等級，其中1號樣地污染指數最高，為4.70；Zn元素的污染指數為2.69～3.35，其中3號、4號、7號、8號和13號為2.69～2.95，等級劃分為中度污染，其余樣地均高于3，等級均劃分為重度污染；Ni元素污染指數為2.21～3.39，其中16號、12號和4號樣地污染指數分別為3.07、3.10和3.39，達到了重度污染等級，其余樣地均劃分為中度污染；Pb元素污染指數為2.18～3.37，其中1號樣地污染指數最高，為3.37，達到了重度污染等級，其余各樣地等級均劃分為中度污染；Mn元素污染指數為0.91～1.79，其中15號樣地污染指數最低，為0.91，等級劃分為清潔，其余樣地等級均劃分為輕度污染。

通過內梅羅綜合污染指數分析可知（表6），各樣地的7種重金屬元素綜合污染中，1號樣地最為嚴重，污染指數達到了3.82，污染等級為V，屬于重度污染土壤；其次為2號樣地，污染指數為3.29，污染等級也為V，也屬于重度污染土壤；其余樣地污染指數為2.49～2.93，污染等級為Ⅳ，屬于中度污染土壤。

表6 土壤重金屬單因子指數和內梅羅污染指數Table 6 Single factor index and Nemero pollution index of soil heavy metals

2.3 不同土地利用方式下土壤重金屬潛在生態風險評價

通過對研究區各樣地土壤的潛在生態危害指數分析得出（表7），7個重金屬元素的潛在生態風險程度依次為Cd＞Cu＞Ni＞Pb＞Zn＞Cr＞Mn，其中Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Mn元素的單項重金屬潛在生態危害指數為0.91～23.50，小于單項污染系數40分，土壤的重金屬污染屬于輕微污染等級；Cd元素自身的毒性系數遠高于其他重金屬元素，因此其單項重金屬潛在生態危害指數是最大的，其單項重金屬潛在生態危害指數為26.41～68.75，其中1號樣地的污染指數最大，為68.75，其次為2號樣地，為64.53，3號樣地和16號樣地較小，分別為26.41和28.75，污染系數＜40分的有3號、6號、7號、10號和16號樣地，污染等級為輕微污染，其余各樣地的污染指數為40～80，屬于中等污染。

通過綜合生態風險指數（RI）分析可知（表7），各樣地的風險指數為72.12～129.15，綜合生態風險得分均＜150分，屬于低生態風險等級，其中1號樣地的綜合生態風險指數最大，為129.15，其次為2號樣地，為117.92，7號和3號樣地較小，分別為73.29和72.12。將16個樣地劃分為農田、草地、濕地和其他4類不同利用方式土壤類型，其中5種農田類土壤平均風險指數最高，為101.90分，其次為3種其他類土壤，為93.52分，7種草地類土壤平均風險指數為92.22分，濕地土壤風險指數為73.29分。

表7 土壤重金屬污染系數和潛在生態風險系數Table 7 Soil heavy metal pollution coefficient and potential ecological risk coefficient

3 討論

7種重金屬元素中，Cd、Cu、Zn和Mn元素的青藏高原土壤元素背景值水平均低于中國土壤元素背景值，表明青藏高原土壤重金屬含量水平低于全國平均水平，Ni和Pb元素與中國土壤元素背景值基本相同，而青藏高原Cr元素背景值高于中國土壤元素背景值，這可能與青藏高原地區的成土母質有關。本研究結果與青藏高原土壤元素背景值相比，重金屬元素Cr、Cu、Zn、Ni、Pb均高于背景值，Cd和Mn元素只有少部分低于背景值，其余均高于背景值，說明7種重金屬元素在研究區有不同程度的富集，其中Zn和Ni富集程度最高，分別為196.67 mg·kg-1和74.28 mg·kg-1，是土壤背景值的3.2和3.0倍（表5），長此以往會對該區域土壤造成嚴重的重金屬污染，需要進一步做出修復措施。

在各樣地中，農田類重金屬元素含量普遍較高，這可能與人類的田間活動有緊密的關系，其中Cd和Pb元素在農田類土壤中平均含量較高。推測與當地長期施用化肥和機械作業所排放的尾氣有關，而磷肥中多含有Cd在內的多種重金屬元素［24］，長期過量使用會造成土壤中Cd元素積累，導致農田土壤Cd元素大幅超標［25］，這與趙曉光等［26］的研究結果一致。過量使用農藥也是造成農田土壤重金屬污染的原因之一［27］；7種草地類土壤中，垂穗披堿草（Elymus nutans）草地的Cr、Cd、Ni、Pb含量較小，麥賓草（Elymus tangutorum）草地的Cu、Zn、Mn含量較小，這與不同草種對不同重金屬元素的富集效果是否不同還需要進一步探討；比較35年燕麥（oats）地與35年燕麥地旁土壤發現，35年燕麥地各重金屬元素均大于35年燕麥地旁土壤，其中Cd、Ni、Pb元素比35年燕麥地旁分別高1.35、1.25和1.17倍，Cd和Pb元素受人為干擾大，這與農田機械作業的因素有關；河谷土壤與河谷麥賓草草地土壤相比，除Cr和Zn元素之外，其余各元素均大于河谷麥賓草草地，表明河谷麥賓草草地對土壤重金屬元素污染具有明顯的修復作用。

變異系數反映了重金屬元素在土壤中的變異性和均勻性，從一定程度上反映了人類活動對土壤重金屬元素的影響［28］。變異系數越大則說明重金屬元素的離散程度越高，不同位點的重金屬元素含量差異較大。7種土壤重金屬元素的變異系數依次為Cd＞Mn＞Cu＞Ni＞Pb＞Cr＞Zn，其中Zn元素變異系數最低，為5%，說明Zn元素在研究區域分布比較均勻，從而證明研究區各類型土壤中Zn元素有同一來源，而且分布受人類干擾小，推測為自然來源；各類型土壤中Cd元素的變異系數最高，為26%，說明Cd元素在研究區土壤中分布不均，受到人類干擾大。

內梅羅綜合污染指數顯示，農田類土壤受污染程度的平均指數最高，為3.10，達到了土壤重度污染水平。而化肥、農藥、有機肥以及除草劑的大量施用是常規農業生產的主要手段，其中含有不同量值的重金屬元素［29-30］，耕地土壤中的重金屬含量會隨著化肥、農藥及有機肥等的長期施用而不斷積累［31-32］。農田土壤重金屬污染對研究區土壤環境造成潛在的生態風險。農田類土壤主要種植的是經濟作物，這些作物會被人直接食用，或者被家畜食用，家畜又被人類食用，最終這些重金屬積累到人體內［33-34］，危害到人體健康。草地類土壤受污染程度的平均指數為2.71，達到了中度污染水平。其他類土壤受污染程度的平均指數為2.82，比草地指數高，其他類土壤主要是河谷、溝口，農田旁土壤，這類土壤植被覆蓋率低，土地裸露面積大，重金屬被植物吸收的效率低，但由于沒有像農田那樣受人為干擾，因此其污染水平高于草地類土壤而低于農田類土壤。濕地類土壤受污染程度指數最低，為2.49，有研究發現人工濕地具有很好的凈化能力，可以通過微生物轉化和植物吸收等途徑來凈化污水中的各種污染物，如碳、氮和磷等［35-36］，陳思敏等［37］研究發現，人工模擬濕地系統對污水中Pb、Cu、Zn、Mn、Cd的凈化率達71.28%以上，因此推測濕地環境人為干擾小和自我修復能力強，對重金屬元素具有很好的凈化作用。各利用方式土壤中，受污染程度由重到輕依次為：農田類＞其他類＞草地類＞濕地土壤。

通過分析潛在生態風險系數可知，5種農田類土壤平均指標最高為101.90分，其次為3種其他類土壤，平均指標為93.52分，7種草地類土壤平均指標為92.22分，濕地土壤指標為73.29分，分數越低表明生態風險水平越低。各利用方式土壤的平均分為90.23分，低于風險等級的150分，屬于低生態風險等級。潛在生態風險系數法結合了重金屬元素的毒性效應，而毒性系數的確定對環境污染物潛在生態風險評價具有現實意義［22］。研究區各不同利用方式土地中，由于Cd自身的毒性系數遠高于其他重金屬元素，因此，其潛在生態風險指數最高，其余元素的潛在生態風險指數均較低，土壤只受到輕微的生態風險。而農田類土壤中Cd元素含量普遍較高，雖然本研究表明農田類土壤處于低生態風險等級，但農田作業會使得Cd元素含量處于升高趨勢，長此以往，勢必會增加污染風險等級。如果不及時治理，任其發展，會對研究區域的生態環境造成嚴重的危害。研究區需要根據評價等級，制定相應降低生態風險的防治措施，也要從源頭上減少有害重金屬元素的產生以及它的傳播途徑。

4 結論

研究區16個樣地的4種不同利用方式的土壤中，7種土壤重金屬元素的平均值均超過了青藏高原土壤元素背景值，說明各類重金屬元素含量均有相應的增高趨勢，而且出現了不同程度的土壤富集現象，其中農田類土壤富集現象最為嚴重，人為干擾是造成農田類土壤Cd和Pb元素富集的重要因素。

各利用方式土壤的內梅羅綜合污染平均指數為2.84，達到中度污染程度，各利用方式土壤的綜合潛在生態風險系數為94.31，屬于低生態風險。各利用方式土壤污染程度和潛在生態風險排名依次為：農田類土壤＞其他類土壤＞草地類土壤＞濕地土壤。需要對農田的土壤環境做出進一步的處理措施，防止重金屬元素通過土草系統的傳遞和積累效應影響到人類和家畜的健康。

土壤重金屬元素除在4種不同利用方式的土壤之間有明顯差異外，在不同類型農田和不同類型草地土壤之間也存在差異，這些差異是否與各農田不同作物和草地的不同植物對重金屬的吸收效率有所不同有關，這需要進一步研究去做出科學合理的解釋。