新疆鐵門關市綠洲區土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評價

艾書濤,喻 龍,孟李奇,王鵬年,何峻嶺

中國地質調查局烏魯木齊自然資源綜合調查中心,新疆烏魯木齊 830057)

土壤是地球表層系統最活躍的圈層,是陸地生態系統的重要組成部分[1],不僅為陸生生物提供良好的生態環境,也為人類提供良好的生活環境[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],重金屬在農田土壤累積將導致土壤肥力下降和農產品中重金屬超標,進而危害人類健康。根據2014年環境保護部和國土資源部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》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%。土壤污染呈現出流域性和區域化發展的態勢,對我國農作物生產安全影響巨大[1]。

由于我國土壤污染南方重于北方,東部重于西部。對于農田土壤重金屬的評價研究大多集中于東部、中部發達地區及主要礦產集中區[6-11],關于西北地區農田土壤重金屬污染方面研究相對較少。近年來,隨著工業化、城市化的進一步發展以及內地生產成本逐年增加,在“一帶一路”倡議帶動下,我國東南沿海產業逐步向西北地區轉移,脆弱的干旱綠洲區土壤環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],但對鐵門關市綠洲土壤環境研究鮮見報道。筆者以新疆生產建設兵團鐵門關市為研究區,在1∶5萬土地質量地球化學調查的基礎上,以研究區內土壤重金屬為研究對象,采用單因子污染指數法、地累積指數法和潛在生態危害指數法,對農田土壤中重金屬的含量特征、生態風險以及主要來源進行評估,分析鐵門關市農田土壤重金屬污染狀況,為西北干旱區綠洲農田土壤重金屬研究提供補充和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況新疆生產建設兵團第二師鐵門關市,北依天山,南接塔里木盆地,是南疆地區重要的人工生態綠洲區,也是防止塔克拉瑪干大沙漠北侵的重要生態屏障。鐵門關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,蒸發強烈,全年平均氣溫10.0～11.4 ℃,年較差34.2～37.1 ℃,日照時數2 886 h,年降水量56.5 mm,年蒸發量2 273～2 788 mm。

研究區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。研究區土壤類型主要為棕漠土、結殼鹽土、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、蘆葦等為主。

1.2 樣品采集此次調查采用網格和全國第二次土地調查圖斑相結合的樣點布設方案,采樣時選擇以農田土壤為主,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(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有色地質勘查局測試中心承擔,嚴格按照《地質礦產實驗室測試質量管理規范》(DZ/T 0130.5—2006)的第5部分、《多目標區域地球化學調查規范》(DZ/T 0258—2014)、《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)執行。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法、地累積指數法和潛在生態危害指數法作為土壤重金屬污染的評價方法。單因子污染指數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;Ci為土壤中重金屬i的實測含量;Si為污染物i在《土壤環境質量 農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。

地累積指數法可定量評價土壤中重金屬污染程度,該方法考慮研究區表層土壤的沉積學背景與地貌地質環境的演化規律。計算公式如下:

(2)

式中:Igeo為重金屬i的地累積指數[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層土壤環境背景值[17]作為背景值。

潛在生態危害指數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效應[18]。計算公式如下:

(3)

依據上述方法得到3種無量綱的環境質量指數,按評價結果劃分等級依次如表1～3所示。

表1 單因子污染指數法等級劃分

表2 地累積指數法等級劃分

表3 潛在生態危害指數法等級劃分

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征鐵門關市表層土壤重金屬元素描述性統計結果表明(表4):研究區表層土壤pH介于7.44～9.85,中位數為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元素在區內富集程度最高,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《土壤環境質量 農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 鐵門關市土壤重金屬元素描述性統計

變異系數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變異系數為40%,達到高度變異水平,表明研究區很可能存在局部的點狀污染源。總體上,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單因子污染指數法評價。根據單因子污染指數法評價土壤重金屬污染狀況,研究區土壤單項環境質量污染指標評價結果顯示(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,超出了國家農用地土壤環境篩選值外,其余所有樣品重金屬都為清潔—尚清潔等級。可見,全區土壤質量整體清潔,可能是因為研究區為傳統農業種植區,工業、礦業的“三廢”污染較少。

表5 單因子污染指數法評價分級統計

2.2.2地累積指數法評價。從圖2和表6可以看出,研究區表層土壤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,呈現出無污染水平,根據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%,研究區內As、Cr、Cu、Ni、Pb呈現為輕微污染程度。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,研究區土壤環境總體良好,存在Cd、Hg的污染,并且以Cd污染最為嚴重。

表6 地累積指數法評價分級統計

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

表7 潛在生態危害指數法評價分級統計

2.3 土壤重金屬元素來源解析采用相關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性極顯著,則說明元素間可能具有同源關系[21]。各重金屬元素間相關分析結果表明(表8),研究區土壤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,Cr-Cu-Ni-Zn兩兩之間呈現極顯著正相關且相關系數大于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,變異系數較小,這些元素之間的相關性較強(表8),具有相似的遷移規律,根據前人研究,土壤中Cr和Ni等元素主要受地質因素影響[22-23],所以研究區土壤Cr、Cu、Ni、Zn主要受到成土母質的控制,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性(相關系數大于0.5),可以判斷成土母質是Cd來源的主要來源,同時在農業種植區農藥、化肥以及殘留農用薄膜也是土壤中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高含量密切關注。

表8 土壤重金屬元素相關性分析

3 結論

(1)總體上,鐵門關市土壤較為清潔。描述性統計分析表明,研究區表層土壤As、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量平均值明顯低于《土壤環境質量 農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,存在局部富集現象。

(2)鐵門關綠洲農田土壤重金屬的單項污染指數表明,Cd存在少量輕度污染,其余重金屬元素無污染;地累積指數表明研究區土壤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危害指數的平均值為112.91,絕大部分樣品點屬于輕微潛在生態危害。

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