基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)的新疆焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬污染評價和潛在生態(tài)風(fēng)險預(yù)警*

阿吉古麗·馬木提 麥麥提吐爾遜·艾則孜# 買托合提·阿那依提 艾尼瓦爾·買買提

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054;2.新疆大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)的新疆焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬污染評價和潛在生態(tài)風(fēng)險預(yù)警*

阿吉古麗·馬木提1麥麥提吐爾遜·艾則孜1#買托合提·阿那依提1艾尼瓦爾·買買提2

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054;2.新疆大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

在新疆焉耆綠洲采集農(nóng)田土壤，測定As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn等8種重金屬的含量?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)(GIS)技術(shù)，并采用污染負(fù)荷指數(shù)(IPL)、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(IR)和生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù)(IER)對焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評價。結(jié)果表明，焉耆綠洲農(nóng)田土壤Cd是《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)二級標(biāo)準(zhǔn)限值(0.60mg/kg)的10.13倍。Cd、Cr、Ni、Pb和Zn分別是新疆灌耕土背景值的50.67、1.40、1.33、2.63、4.92倍。農(nóng)田土壤Cd和Zn呈現(xiàn)重度污染，Pb為中度污染，Cr和Ni為輕度污染，Cu為輕微污染，As與Mn為無污染。重金屬IPL平均值為2.00，呈現(xiàn)輕度污染。重金屬IR平均值為318.38，屬于較強風(fēng)險。重金屬IER平均值為4.83，屬于中度預(yù)警。重金屬IPL、IR與IER空間分布均呈現(xiàn)明顯的地帶性分布格局。Cd是污染水平與生態(tài)風(fēng)險等級最高的重金屬，表明焉耆綠洲農(nóng)田土壤Cd污染風(fēng)險必須給予關(guān)注。

農(nóng)田 重金屬污染 生態(tài)風(fēng)險 預(yù)警 焉耆綠洲

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)資源。重金屬是土壤中具有潛在危害的重要污染物，也是影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的主要污染物[1]。重金屬由于具有潛伏性強、遷移速率慢、環(huán)境效應(yīng)復(fù)雜等特點，不斷積累會導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)惡化，阻礙農(nóng)作物正常生長；還會通過生態(tài)系統(tǒng)間的循環(huán)對農(nóng)作物質(zhì)量安全、土壤環(huán)境安全以及人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，從而成為科學(xué)界關(guān)注的熱點問題[2-4],[5]2964-2965。

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)集約化與工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，農(nóng)田土壤重金屬污染風(fēng)險日益加劇，已成為主要生態(tài)環(huán)境問題之一[6]。我國土壤污染類型以重金屬污染為主，耕地土壤污染超標(biāo)率達(dá)19.4%[7]，受重金屬As、Cr、Cd、Hg和Pb污染的耕地總面積約2×107hm2，每年因重金屬污染而損失的糧食約1×107t[8]。

農(nóng)田土壤重金屬污染評價與潛在風(fēng)險預(yù)警評估是農(nóng)田土壤污染防治的重要基礎(chǔ)。HAKANSON[9]提出的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法和RAPANT等[10]提出的生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù)法是重金屬危害評價、預(yù)警中應(yīng)用最廣的方法。蔡立梅等[11]采用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)對東莞農(nóng)田土壤中重金屬的空間分布和來源及潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了分析。柴世偉等[12]的研究表明，廣州郊區(qū)耕地土壤中Cd的污染程度較高。陳志凡等[13]基于GIS技術(shù)，采用反距離加權(quán)(IDW)插值法，分析河南某城鄉(xiāng)交錯區(qū)農(nóng)田土壤重金屬空間變異特征，并結(jié)合Tessier形態(tài)提取法分析了重金屬主要來源，研究表明，化肥能對土壤中重金屬的空間差異產(chǎn)生一定影響。CAI等[14]分析了惠州農(nóng)田土壤污染狀況，并采用多元統(tǒng)計分析討論了重金屬主要來源，研究表明，惠州農(nóng)田土壤Cd、Zn、Pb與As污染較重，且Cd、Zn與As主要受到農(nóng)業(yè)活動的影響。CHAI等[15]采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法分析了吉林白城—松原地區(qū)草地土壤重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險，研究表明，Cd對土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險的影響較大。這些研究大多集中于我國東部和中部地區(qū)，而關(guān)于西北干旱區(qū)綠洲農(nóng)田土壤重金屬污染危害方面的研究較少。本研究以新疆典型綠洲——焉耆綠洲(焉耆縣灌區(qū))為研究區(qū)，測定農(nóng)田土壤中As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn等8種重金屬的含量，基于GIS技術(shù)，采用地統(tǒng)計法、污染負(fù)荷指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法以及生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù)法，對焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬污染及其潛在危害進(jìn)行評估，以期為焉耆綠洲農(nóng)田土壤環(huán)境風(fēng)險預(yù)警和農(nóng)田土壤環(huán)境安全提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

新疆焉耆綠洲(86°10′E～86°44′E，41°52′N～42°10′N)位于新疆焉耆盆地腹部，東南與博湖相鄰，南與庫爾勒接界，東北與和碩毗連，北與和靜接壤，總面積約786 km2(見圖1)，是新疆綠洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心示范區(qū)之一，也是新疆番茄與辣椒的重要產(chǎn)地。

研究區(qū)包括4鄉(xiāng)(北大渠鄉(xiāng)、五號渠鄉(xiāng)、查汗采開鄉(xiāng)、包爾海鄉(xiāng))、4鎮(zhèn)(焉耆鎮(zhèn)、七個星鎮(zhèn)、永寧鎮(zhèn)、四十里城子鎮(zhèn))和3個農(nóng)牧場(王家莊牧場、蘇海良種場和豐達(dá)試驗場)。研究區(qū)屬于溫帶大陸性干旱荒漠氣候，海拔1 050～1 450 m，多年平均降水量約68 mm，多年平均蒸發(fā)量約2 500 mm，多年平均氣溫約8.8 ℃。因受博斯騰湖水域的調(diào)節(jié)，冷熱變化不劇烈。日照時間長，熱量較豐富，≥10 ℃積溫約3 700 ℃，農(nóng)作物生長期為4—9月。研究區(qū)土壤主要為灌耕草甸土、灌耕棕漠土、灌耕沼澤土、灌漠土、灌耕石質(zhì)土、灌耕風(fēng)沙土、鹽土等土壤類型。自然植被以蘆葦(Phragmitescommunis)、紅柳(Tamarixramosissima)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)和香蒲(Typhaorientalis)為主。農(nóng)作物主要以辣椒、番茄、小麥、棉花和玉米為主[16]。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布Fig.1 The location of study area and sampling points

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集與測定

2016年5月在焉耆綠洲進(jìn)行農(nóng)田表層(0～20 cm)土壤樣品采樣。采樣過程參照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(NY/T 395—2012)[17]，通過網(wǎng)格法并結(jié)合遙感、GIS和全球定位系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行采樣點布設(shè)，共設(shè)立53個采樣點(見圖1)，采樣間距為3 km×3 km。每個采樣點以梅花形布設(shè)5個子樣點，每個子樣點采集表層土壤0.2 kg左右，將其充分混合后裝入自封塑料袋內(nèi)。所有土壤樣品均在室溫下風(fēng)干，用塑料棒碾碎，充分混合后用瑪瑙研缽進(jìn)一步研磨，通過0.15 mm尼龍篩混勻后備用。

實驗所用的藥品均為優(yōu)級純，實驗過程中所有玻璃器皿、消解罐等在使用前先用50%(體積分?jǐn)?shù))HNO3浸泡24 h，用去離子水洗滌干凈。用于測定Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn等7種重金屬的土壤樣品需進(jìn)行以下處理：稱取過篩后的土壤樣品0.5 g，置于聚四氟乙烯坩鍋中，用少量超純水潤濕后加入2 mL HCl和10 mL HNO3封嚴(yán)并過夜；土壤樣品在電熱板上以150～250 ℃加熱，然后依次加入5 mL HNO3、5 mL HF和5 mL HClO4，放置于電熱板上消解至大量白煙冒出且水分近干，土壤樣品冷卻呈晶體狀后用去離子水定容至50 mL；用注射器吸取5 mL消解液，轉(zhuǎn)移至10 mL離心管中冷藏待測。用于測定As的土壤樣品需要進(jìn)行以下處理：稱取已過篩的土壤樣品0.2～1.0 g于50 mL具塞比色管中，加少許超純水潤濕，加入10 mL王水(HNO3、HCl、去離子水體積比為3∶1∶4)，加塞搖勻；于沸水浴中消解2 h，消解過程中需多次搖晃；消解后冷卻至室溫，用去離子水稀釋至刻度，搖勻后放置；吸取一定量的消解液于50 mL比色管中，加入3 mL HCl、5 mL CH4N2S、5 mL C6H8O6，用去離子水稀釋至刻度，搖勻放置，取上清液待測。

重金屬含量委托新疆大學(xué)理化測試中心測定，測定過程參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)[18]。Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn采用火焰原子吸收光譜儀(Agilent 200AA)測定，As采用原子熒光光度計(PF-7)測定。每批土壤樣品做3次空白樣和平行樣，取平均值。測定過程中加入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤參比物質(zhì)GSS-5進(jìn)行質(zhì)量控制，各重金屬的回收率均在允許范圍內(nèi)。

2.2 污染評價方法

以新疆灌耕土背景值[19]為評價依據(jù)，采用單因子污染指數(shù)法和污染負(fù)荷指數(shù)法對焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬污染進(jìn)行評價。以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)[20]中的二級標(biāo)準(zhǔn)(pH>7.5)為評價依據(jù)，采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬潛在危害；同時，采用生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù)法對研究區(qū)農(nóng)田土壤生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警評估，為研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險可能出現(xiàn)的危機建立警報。單因子污染指數(shù)(ICF)、污染負(fù)荷指數(shù)(IPL)、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(IR)以及生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù)(IER)的計算方法可參考文獻(xiàn)[5]、[7]、[9]和[21]。污染等級劃分：ICF≤0.7或IPL≤0.7為無污染；0.73.0或IPL>3.0為重度污染。潛在生態(tài)風(fēng)險等級劃分：IR≤150為輕微風(fēng)險；1501 200為極強風(fēng)險。生態(tài)風(fēng)險預(yù)警等級劃分：IER≤0為安全；05為重度預(yù)警。

2.3 地統(tǒng)計法

地統(tǒng)計法是借助半變異函數(shù)，研究既具有結(jié)構(gòu)性又具有隨機性，或具有空間依賴性的自然現(xiàn)象的一種方法[22]，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)田土壤重金屬含量、污染與生態(tài)風(fēng)險空間分布格局的研究[5]2965-2966,[23]。本研究首先利用GS+ 9.0確定ICF、IPL、IR以及IER的半變異函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)，然后利用ArcGIS 10.3，選擇克里金最優(yōu)內(nèi)插法，對未采樣區(qū)域的取值進(jìn)行估計，最終生成研究區(qū)土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險空間分布圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 重金屬含量統(tǒng)計分析

焉耆綠洲農(nóng)田土壤中重金屬含量統(tǒng)計分析結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，研究區(qū)農(nóng)田土壤As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn分別為0.52～17.42、4.00～11.10、33.79～87.22、15.91～74.12、363.10～620.50、26.18～47.94、1.98～72.28、39.30～323.70 mg/kg，波動均較大。As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn的平均值分別為5.23、6.08、55.58、30.57、474.10、35.19、35.46、82.70 mg/kg。Cd的平均值為GB 15618—1995二級標(biāo)準(zhǔn)限值10.13倍；As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的平均值均符合GB 15618—1995二級標(biāo)準(zhǔn)。As、Cu和Mn的平均值未超出新疆灌耕土背景值，Cd、Cr、Ni、Pb和Zn的平均值分別為新疆灌耕土背景值的50.67、1.40、1.33、2.63、4.92倍。As、Pb和Zn的變異系數(shù)分別為0.68、0.69、0.52，變異較明顯，表明As、Pb和Zn可能受某些局部污染源的影響。Cu的變異系數(shù)為0.29，屬于中等變異，表明人為因素對Cu積累的影響可能較大。Cd、Cr、Mn、Ni的變異系數(shù)均小于0.25，呈現(xiàn)弱變異，表明自然因素可能是主要的影響因素。此外，研究區(qū)土壤pH最小值為8.02，最大值為9.18，平均值為8.68，呈現(xiàn)弱堿性，其變異系數(shù)為0.03，表明土壤pH分布均勻。

表1 焉耆綠洲土壤重金屬統(tǒng)計結(jié)果

表2 不同污染等級采樣點比例

圖2 研究區(qū)農(nóng)田土壤部分重金屬的ICF和IPL空間分布格局Fig.2 Spatial distribution of part of ICF and IPL of farmland soil heavy metal in study area

3.2 重金屬污染的空間分布格局

焉耆綠洲農(nóng)田土壤各重金屬ICF平均值大小順序為：Cd(51.73)>Zn(5.17)>Pb(2.57)>Cr(1.39)>Ni(1.36)>Cu(0.87)>Mn(0.70)>As(0.62)。Cd和Zn屬于重度污染，Pb屬于中度污染，Cr和Ni屬于輕度污染，Cu屬于輕微污染，As與Mn屬于無污染。從各重金屬不同污染等級采樣點數(shù)比例來看(見表2)，大部分采樣點Zn均屬于重度污染，其比例為97.83%。所有采樣點Cd均屬于重度污染，表明Cd是研究區(qū)農(nóng)田土壤最主要的污染因子。大部分采樣點Cr和Ni屬于輕度污染，其比例分別為91.30%、97.83%。大多數(shù)采樣點Mn屬于無污染，其比例為73.91%。焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬IPL為1.34～2.78，平均值為2.00，屬于輕度污染。所有采樣點中，屬于輕度污染和中度污染的采樣點分別占43.48%、56.52%。

基于GIS技術(shù)，并結(jié)合克里金最優(yōu)內(nèi)插法，可以得到焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬ICF和IPL的空間分布格局。Cd和Zn在空間分布上均表現(xiàn)為中度污染，而Cr和Ni均表現(xiàn)為輕度污染。由圖2(a)至圖2(d)可以看出，As在研究區(qū)東南部(四十里城子鎮(zhèn))出現(xiàn)小范圍的輕度污染區(qū)，其余大部分區(qū)域表現(xiàn)為無污染； Cu在研究區(qū)西北部(查汗采開鄉(xiāng))表現(xiàn)為輕度污染，其余大部分區(qū)域表現(xiàn)為輕微污染；Mn呈現(xiàn)無污染和輕微污染，污染程度總體較低；Pb在研究區(qū)東南部(永寧鎮(zhèn))和西南部(七個星鎮(zhèn)和包爾海鄉(xiāng))出現(xiàn)重度污染。IPL呈現(xiàn)明顯的地帶性分布規(guī)律，研究區(qū)的東北部(北大渠鄉(xiāng)、焉耆鎮(zhèn))和北部呈現(xiàn)輕度污染，其他區(qū)域表現(xiàn)為中度污染(見圖2(e))。由于IPL突出體現(xiàn)ICF最大的重金屬對土壤污染的影響，因此Cd的ICF在IPL中占據(jù)了較大的比重，其他重金屬對農(nóng)田土壤的影響被弱化。

3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

在計算IR前，對各重金屬的單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(IE)先進(jìn)行了計算，焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬IE的平均值大小順序為：Cd(310.37)>Ni(2.99)>As(2.24)>Cu(1.56)>Pb(0.50)>Cr(0.44)>Zn(0.28)。As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的IE均小于40，處于輕微風(fēng)險。Cd的IE偏高，處于極強風(fēng)險，表明Cd是研究區(qū)最主要的生態(tài)風(fēng)險因子。焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬IR為210.76～566.44，平均值為318.38。從IR的空間分布格局看(見圖3)，IR呈現(xiàn)明顯的地帶性分布規(guī)律，中等風(fēng)險區(qū)主要分布于研究區(qū)北部(焉耆縣、北大渠鄉(xiāng)與查汗采開鄉(xiāng))，南部呈現(xiàn)較強風(fēng)險。

圖3 研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬IR空間分布格局Fig.3 Spatial distribution of IR of farmland soil heavy metal in study area

3.4 生態(tài)風(fēng)險預(yù)警評估

焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險預(yù)警源于潛在生態(tài)風(fēng)險評價，但更突出對生態(tài)系統(tǒng)可能存在生態(tài)風(fēng)險的警示[24]。結(jié)合GIS技術(shù)，進(jìn)行焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險預(yù)警評估。分析結(jié)果表明，焉耆綠洲農(nóng)田土壤重金屬IER為1.44～13.64，平均值為4.83，屬于中度預(yù)警。處于輕度預(yù)警、中度預(yù)警和重度預(yù)警的采樣點分別占22.64%、45.28%、32.08%。從IER的空間分布格局來看(見圖4)，IER空間分布同樣呈現(xiàn)明顯的地帶性分布規(guī)律，研究區(qū)南部處于重度預(yù)警，北部處于輕度預(yù)警和中度預(yù)警，且以中度預(yù)警為主。

圖4 研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬IER空間分布格局Fig.4 Spatial distribution of IER of farmland soil heavy metals in study area

4 結(jié) 論

(1) 焉耆綠洲農(nóng)田土壤Cd和Zn屬于重度污染，Pb屬于中度污染，Cr和Ni屬于輕度污染，Cu屬于輕微污染，As與Mn屬于無污染。農(nóng)田土壤重金屬總體呈現(xiàn)輕度污染，東北部和北部為輕度污染，其他區(qū)域為中度污染。

(2) 焉耆綠洲農(nóng)田土壤Cd處于極強生態(tài)風(fēng)險水平，是最主要的生態(tài)風(fēng)險因子。重金屬IR平均值為318.38，呈現(xiàn)較強風(fēng)險。中等風(fēng)險區(qū)分布于焉耆綠洲北部，較強風(fēng)險區(qū)分布于焉耆綠洲南部。重金屬IER平均值為4.83，屬于中度預(yù)警。焉耆綠洲南部處于重度預(yù)警，北部處于輕度預(yù)警和中度預(yù)警，且以中度預(yù)警為主。

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GIStechnology-basedresearchontheheavymetalpollutionevaluationandecologicalriskwarningassessmentoffarmlandsoilsinKarashaharoasis,Xinjiang

AjigulMamut1,MamattursunEziz1,MattohtiAnayit1,AnwarMohammad2.

(1.CollegeofGeographicalScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,UrumqiXinjiang830054;2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,XinjiangUniversity,UrumqiXinjiang830046)

Farmland soil samples were collected from Karashahar oasis,Xinjiang,and the contents of 8 heavy metal elements (As,Cd,Cr,Cu,Mn,Ni,Pb and Zn) were determined. The heavy metal of farmland soils in Karashahar oasis were analyzed based on geographic information system (GIS) technology,pollution load index (IPL),potential ecological risk index (IR) and ecological risk warning index (IER). Results indicated that the average contents of Cd in farmland soils of Karashahar oasis was 10.13 times of the Grade Ⅱ standard value (0.60 mg/kg) of “Environmental quality standard for soil” (GB 15618-1995),whereas the average contents of Cd,Cr,Ni,Pb and Zn were 50.67,1.40,1.33,2.63 and 4.92 times of the background values for irrigation soil in Xinjiang,respectively. For farmland soils,Cd and Zn were in heavy pollution level,with Pb in moderate pollution level,Cr and Ni in light pollution level,Cu in slight pollution and As and Mn in no pollution level. The average value ofIPLfor heavy metals in farmland soil was 2.00,which showed a light pollution level. The average value ofIRwas 318.38,indicating a strong ecological risk situation. The average value ofIERwas 4.83,implying a moderate warning situation. The spatial distribution ofIPL,IRandIERshowed obvious zonal distribution patterns. Cd was a heavy metal element with the highest level of pollution and ecological risk. Therefore,the pollution risk of Cd should be a major concern during the process of agricultural production in Karashahar oasis.

farmland; heavy metal pollution; ecological risk; warning; Karashahar oasis

阿吉古麗·馬木提，女，1990年生，碩士研究生，研究方向為干旱區(qū)土壤環(huán)境安全。#

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*國家自然科學(xué)基金資助項目(No.41561073、No.41361002)；新疆杰出青年科技人才培養(yǎng)項目(No.qn2015jq003)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.016

2016-12-15)