奎屯墾區(qū)地方性重金屬污染評價及剖面分布特征

楊明鳳，褚貴新

（石河子大學農(nóng)學院資環(huán)系／新疆兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，石河子832003）

奎屯墾區(qū)地方性重金屬污染評價及剖面分布特征

楊明鳳，褚貴新

（石河子大學農(nóng)學院資環(huán)系／新疆兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，石河子832003）

以奎屯墾區(qū)123團典型地方性重金屬污染區(qū)為研究區(qū)域，通過測定0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 c m各土層土壤的Cd、As、Cu、Zn含量，揭示其剖面分布特征。通過單項污染指數(shù)法和尼梅羅綜合指數(shù)法，并結(jié)合國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標（GB15618－1995）》的Ⅱ級評價標準，對土壤的重金屬污染狀況進行了評價。結(jié)果表明：奎屯墾區(qū)123團的重金屬單因子污染指數(shù)由大到小為Cd＞As＞Cu＞Zn，尼梅羅綜合污染指數(shù)為1.71，已達到土壤3級污染水平。該區(qū)域土壤重金屬污染以Cd污染為主，其次是As，而Cu和Zn未達到污染水平。本文首次提出奎屯墾區(qū)重金屬污染具有Cd－As復合污染的特性。

123團；重金屬；剖面分布；尼梅羅綜合指數(shù)法

由地下水、土壤母質(zhì)等地質(zhì)原因造成的Cd、As等地方性土壤重金屬污染是土壤重金屬污染的主要因素。重金屬在土壤中具有殘留時間長、毒性大、遷移性小、隱蔽性強等特點，其不僅對土壤生物活性和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯不良影響［1－3］，而且嚴重影響地上部植物生長發(fā)育［4－7］，并通過土壤－植物系統(tǒng)經(jīng)食物鏈進入人體，導致各種典型地方性的慢性病、畸形、癌癥等的發(fā)生，從而危害人體健康［8］。

20世紀80年代初，新疆奎屯地區(qū)首次報道了中國大陸第一個地方性砷中毒病區(qū)。該地區(qū)屬長期飲用高砷水引起的飲水型砷中毒，通過各種物理、化學方法改水后病情得到控制。但由于地質(zhì)原因造成了重金屬污染，因而并未從土壤中將其根本去除。20余年來，該地區(qū)土壤的重金屬污染發(fā)展狀況如何，仍缺乏系統(tǒng)的研究與評估。地方性土壤重金屬污染往往表現(xiàn)為多種重金屬元素相伴生的復合污染。

針對奎屯墾區(qū)有限的研究表明123團34.84%的土壤受到As污染［9］，然而在該區(qū)域是否有其他重金屬與As元素伴生形成復合污染，相關的研究仍然比較缺乏。本文研究了典型污染區(qū)土壤As、Cd、Cu、Zn重金屬元素在土壤中含量與剖面分布，以期對該區(qū)域的重金屬污染發(fā)展狀況有更深的理解，并為該區(qū)土壤合理利用以及今后重金屬修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于奎屯墾區(qū)，隸屬于新疆兵團農(nóng)七師123團。該區(qū)地處天山北麓的古爾班通古特沙漠南緣（E 84°21′～84°36′，N 44°52′～45°05′），東與奎屯墾區(qū)128團和129團接壤，西南至奎屯河，西北與127團毗鄰。轄區(qū)總面積22553.6 h m2，其中耕地9874.6 h m2，占43.8%，土壤質(zhì)地以壤土和沙壤土為主，土壤p H范圍為8.1～9.6。多年種植的農(nóng)作物以棉花、加工番茄、小麥、玉米為主。

1.2 樣品采集與分析方法

1.2.1 儀器與試劑

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Ther mo Scientific ICAP 6300 ICP，USA）（儀器工作參數(shù)分別為：射頻功率1150 W，蠕動泵速50 r／min，輔助氣流速0.5 L／min）；電子天平（AL104－IC Mettler Toledo，Swiss）；微波消解儀（Et hos 1－Advanced Micr owave Digestion System）。實驗所用玻璃、塑料器皿均在10%HNO3中浸泡24 h以上，并用超純水洗凈烘干。

試驗所用的鹽酸、硝酸、氫氟酸均為優(yōu)級純試劑；As、Cd、Cu、Zn標準溶液為單元素標準溶液（國家有色金屬及電子材料分析測試中心）；試驗用水為Millipore－Synergy UV SystemView All處 理 后 的超純水。

1.2.2 樣品的采集與處理

2010年8月中旬，在了解研究區(qū)重金屬污染分布的基礎上，按照隨機布點法，在123團棉花地、加工番茄地、家屬院菜地、大棚蔬菜地、荒地進行采樣。采樣點分別為一連3個點，二連3個點，三連5個點，四連1個點，六連4個點，二十二連4個點，油脂化工廠3個點，16連1個點。每個采樣點的土樣由相互間距為50 m的3個平行土樣組成1個混合樣，共打72個土鉆組成，分別代表24個不同采樣點。每個剖面點按0～20 c m、20～40 c m、40～60 c m、60～80 c m、80～100 c m分層采集土樣，平行土樣按層次將土樣充分混合后按四分法取1 kg混合樣，共采集120個土樣。每個采樣點采用 GPS（Timber Juno series，USA）定位。樣品采回后在陰涼處自然風干，除去石塊、生物殘體后研磨，過100目尼龍篩，將研磨好的龍篩樣品按四分法取50 g，置陰涼干燥處，備用。

1.2.3 樣品的制備與測定

稱取過100目土壤樣品（0.2000±0.0005）g于聚四氟乙烯消煮罐中，向其中加入8 mL 65%HNO3，5 mL 37%HCl，1.5 mL 40%HF，進行微波消解 （8 min 160 ℃，5 min 210℃，20 min 210℃），經(jīng)驅(qū)酸后用超純水定容至50 mL，待測。并以不加土壤樣品的試樣為空白（每20個樣品做1個空白對照），扣除試劑本底。

將樣品試液用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP－AES）測定其濃度［10］，其中λAs＝189.042，λCd＝228.802，λCu＝327.396，λZn＝334.502，相關系數(shù)均≥0.9999，樣品采用3樣平行進行測定，測定時嚴格按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》中的相關要求進行操作，檢出限、精密度、準確度均達到規(guī)范要求。

1.3 土壤污染的評價方法及評價標準

1.3.1 評價方法

目前評價方法主要有單項指數(shù)法和尼梅羅綜合指數(shù)法［11－12］。單項污染指數(shù)法能夠比較直觀地反映環(huán)境中各項污染指標的情況，尼梅羅綜合指數(shù)法不僅考慮到所有評價因子單項污染程度的平均水平，而且還考慮到了最大污染指數(shù)。以上兩種評價方法的計算公式如下：

（1）單因子指數(shù)法：

式（1）中：Pi為污染指數(shù)；Ci為某種污染物實測值；Si為某種污染物評價標準；i代表某種污染物。當Pi≤1時，表示土壤未受污染；Pi＞1時，表示土壤已受某種污染物污染，且Pi值越大污染越嚴重。

（2）尼梅羅綜合污染指數(shù)法：

式（2）中：P綜為綜合污染指數(shù)；（Ci／Si）max為土壤重金屬元素中污染指數(shù)最大值；（Ci／Si）ave為土壤各污染指數(shù)的平均值。

1.3.2 評價標準

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，選擇As、Cu、Zn和Cd四項指標作為該區(qū)的土壤重金屬污染狀況評價因子。土壤評價標準采用國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標（GB15618－1995）》中的二級評價標準，其中As為25 mg／kg，Cu為100 mg／kg，Zn為300 mg／kg，Cd為0.6 mg／kg；評價方法采用中國綠色食品發(fā)展中心1994年編制的《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價綱要（試行）》［13］中推薦的單項污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法評價分級標準（表1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層（0～20 c m）土壤重金屬含量及其污染評價

2.1.1 表層土壤重金屬含量

由于土壤重金屬污染的非均勻性，采用平均值、極值、標準差以及變異系數(shù)等4個統(tǒng)計指標進行統(tǒng)計分析。由表2可知，表層0～20 c m土壤的Cd、As、Cu和Zn含量范圍分別為：Cd 0.87～2.09 mg／kg，As 6.6～30.1 mg／kg，Cu 19.0～49.2 mg／kg，Zn 6.2～79.4 mg／kg。其中，Cu與Zn的含量均未超過國家土壤環(huán)境二級標準，但Cd和部分樣點As含量超過了國家土壤環(huán)境二級標準中Cd（0.6 mg／kg）與As（25 mg／kg）的污染標準含量。Cd元素在該區(qū)域的超標率為100%，As超標百分數(shù)達到了15.6%（表2），說明該區(qū)域的土壤已受到不同程度的以Cd、As為主的重金屬污染。

表1 土壤綜合評價分級標準Tab.1 the classification criteria about soil comprehensive evaluations

表2 表層（0～20 c m）土壤重金屬含量Tab.2 heavy metal concents in top－surface soil（0～20 c m）

2.1.2 表層土壤（0～20 c m）重金屬污染評價

以國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準值作為評價標準，通過單因子污染指數(shù)值和尼梅羅綜合污染指數(shù)對奎屯墾區(qū)123團土壤Cd、As、Cu、Zn四種重金屬進行污染評價的結(jié)果見表3。

由表3可知，研究區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)平均值由大到小的順序為：Cd 2.27、As 0.56、Cu 0.33、Zn 0.12，As、Cu、Zn為一級水平，即安全清潔，Cd達到了中度污染；不同重金屬單因子指數(shù)值變異系數(shù)規(guī)律與重金屬含量規(guī)律相同，PCd＞PAs＞PCu＞PZn。而以尼梅羅綜合污染指數(shù)評價的結(jié)果表明，所測土壤的綜合污染指數(shù)最小值為1.10，最大值達2.60，平均值為1.71。通過綜合污染指數(shù)，說明盡管Cu、Zn、As的單因子污染指數(shù)未達到污染水平，但是由于Cd極高的單因子污染指數(shù)對綜合指數(shù)運算的貢獻，使得土壤綜合污染指數(shù)達到輕度污染水平，由此說明該地區(qū)土壤主要的重金屬污染為Cd污染。

表3 土壤重金屬污染指數(shù)統(tǒng)計分析Tab.3 Soil heavy metal pollution index descriptively statistical analysis

2.2 土壤中Cd、As、Cu和Zn的剖面分布特征

由于土壤本身成土礦物組成不同，地下水中重金屬含量的差異，地下水位的高低，各種重金屬元素在土壤中遷移能力不同以及污染等因素，使得不同重金屬的剖面含量變化具有一定的差異。如圖1所示，As與Cd含量在剖面中的變幅分別為11.85～13.97 mg／kg和1.23～1.36 mg／kg，其含量均隨土壤剖面深度而呈降低的趨勢，但在不同土層中其含量并無顯著差異。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB15618－1995）二級標準，旱地土壤Cd含量為0.6 mg／kg，各土層Cd含量分別超過該標準126.34%、123.39%、118.38%、106.54%、110.11%。As未超過二級標準，但各層超過土壤As含量背景值11.20 mg／kg［14］的 30.80%、25.34%、25.47%、6.00%、4.45%。由此可知，該區(qū)域土壤已明顯的受到Cd污染，As可視為該區(qū)域的一種潛在重金屬污染源，存在著農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)隱患，而且土壤本身成土礦物組成，地下水中重金屬含量是影響其在土壤剖面分布的主導因素。

圖1顯示了Cu和Zn具有相似的剖面分布格式，含量最大值出現(xiàn)在0～40 c m，在40～60 c m過渡層之后，呈降低趨勢。表層土壤Cu和Zn的含量較高，可能是受到了人為活動的影響，包括常年耕作以及化肥、農(nóng)藥的使用。

圖1 土壤Cd、As、Zn、Cu含量的剖面變化特征Fig.1 Cd，As，Zn and Cu distribution in different layers of soil profile

3 討論

盡管各重金屬元素之間本身無直接聯(lián)系，然而對于地方性重金屬污染，由于其有相近的地球化學發(fā)生條件和生態(tài)氣候條件，往往導致幾種重金屬元素污染具有一定的伴生性，并在統(tǒng)計上存在相關性［15－16］。在地方性重金屬污染的地區(qū)，若重金屬元素間呈顯著或極顯著正相關，說明重金屬元素間可能具有復合污染的特點。許書軍等［17］研究表明，土壤中Cd、Pb、Cu、As、Zn五種重金屬元素間呈極顯著正相關，土壤重金屬污染具有復合污染特征。從奎屯墾區(qū)123團土壤重金屬間的相關性分析的結(jié)果（表4）可見，表層土壤（0～20 c m）Cd、As、Cu、Zn四種重金屬間相關性表現(xiàn)為：Cd和As的相關系數(shù)為0.727，且達到極顯著正相關水平，說明在奎屯墾區(qū)Cd、As污染具有伴生性。這一結(jié)果與Cd含量的超標率高達100%，As含量的超標率為15.6%（表2）的結(jié)果相互印證，證明奎屯地區(qū)土壤重金屬污染為Cd－As復合污染，且以Cd污染為主。從表4的相關數(shù)據(jù)還可以看出0～100 c m土壤中的Cd－Cu、Cd－Zn、As－Cu、As－Zn也均呈顯著或極顯著正相關（表4），但由于Cu與Zn在土壤中的含量并未超過土壤環(huán)境質(zhì)量標準的二級標準，因此可推斷出奎屯墾區(qū)123團的土壤重金屬污染源主要為Cd與As。這一結(jié)果和羅艷麗等［9］認為奎屯墾區(qū)主要重金屬污染為As污染的結(jié)論存在不同。僅從相關性統(tǒng)計結(jié)果看，Cu、Zn也與Cd、As呈顯著正相關，然而從表2得知，Cu、Zn含量均在土壤環(huán)境容量以內(nèi)，尚未達到污染標準，說明Cu、Zn不是奎屯墾區(qū)地方性重金屬的污染源。

表4 123團土壤重金屬元素間的相關系數(shù)Tab.4 Correlation coefficients of heavy metal concentrations in 123 state far m Unit

4 結(jié)論

1）奎屯墾區(qū)123團的土壤重金屬污染中Cd含量的超標率達到100%；As含量超標率為15.6%，Cu與Zn均為土壤質(zhì)量一級標準，因此該區(qū)域重金屬污染呈Cd－As復合污染的特點，且以Cd污染為主。

2）研究區(qū)單因子污染指數(shù)順序為Cd＞As＞Cu＞Zn，且Cd的單因子污染指數(shù)明顯高于其它元素。尼梅羅綜合污染指數(shù)為1.71，已達到3級污染水平，即土壤屬輕度污染。

3）在0～100 c m的土壤剖面上Cd和As在各土層無顯著差異（P＜0.05），說明母質(zhì)、地下水等地質(zhì)性因素是造成土壤地方性Cd、As重金屬污染的主要原因。

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Endemic Heavy Metals Pollution Assessment and Its Distribution in Soil Profile in Kuitun Region

YANG Mingfeng，CHU Guixin
（Key Laboratory of Oasis Eco－Agriculture of Xinjiang Production and Constr uction Group，College of Agrono my，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

In the present study，heavy metals including Cd，As，Cu and Zn distribution in different layers of soil profile（0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 c m）were deter mined.Two met hods including single factor index and nemerow pollution index were employed to evaluate heavy metal pollution level based on heavy metal national quality standard GB15618－1995（Ⅱ）.Our research area located in 123 state far m unit in Kuitun region，Xinjiang.The or der of soil heavy metal pollution evaluated by single factor index met hod is Cd＞As＞Cu＞Zn，and by met hod of nemerow pollution index，pollution degree value already reached to 1.71，which means soil heavy metal pollution in researching area belonging to 3 grade.Moreover，fro m single pollution index order and heavy metal concentration in top layer of soil we can make a conclusion that soil heavy metal pollution occurred in 123 far m unit in Kuitun region is Cd－As compound pollution，the mainly source of heavy metal element is Cadmium，followed by Arsenic，however，elements of Cu and Zn haven’t reached to pollution rate yet.Briefly，our research show soil heavy metal pollution in investigated area belongs to Cd－As compound pollution.Soil Cd and As contents have no statistically significant difference among different soil vertical depth，indicating soil parent material and under ground water quality play a major role to soil Cd－As compound pollution in Kuitun region.

123 state farmunit；heavy metals；profile distribution；nemerow pollution index

X53；S153

A

1007－7383（2011）06－0742－05

2011－11－11

國家人事部留學回國人員研究項目（2009LX002）

楊明鳳（1985－），女，碩士生，研究方向為農(nóng)業(yè)資源的高效利用；e－mail：mingfengyang＠sina.cn。

褚貴新（1969－），男，教授，從事土壤與植物營養(yǎng)生理研究；e－mail：chuguixin＠shzu.edu.cn。