吐魯番盆地葡萄園土壤重金屬含量及其空間分布特征

麥爾哈巴·圖爾貢，麥麥提吐爾遜·艾則孜,2①，王維維 (.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.新疆師范大學(xué)新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830054)

農(nóng)用地土壤污染物中重金屬元素因其生物毒性、潛伏性和不可降解性不僅威脅土壤環(huán)境質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全[1]，還通過不同生態(tài)系統(tǒng)間的循環(huán)和遷移威脅生態(tài)系統(tǒng)安全與生命健康[2-3]。近年來，隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人類活動(dòng)的加劇，人類活動(dòng)導(dǎo)致的重金屬污染使農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量不斷惡化，嚴(yán)重威脅農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，從而成為研究焦點(diǎn)之一[4-6]。

園地土壤環(huán)境質(zhì)量會(huì)直接影響到果樹的生長、結(jié)實(shí)、壽命和果品品質(zhì)[7]，對(duì)葡萄園土壤進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域土壤中重金屬元素的分布規(guī)律和污染來源差異較大[8-13]。新疆吐魯番盆地特殊的氣候、土壤和水文等自然環(huán)境為發(fā)展特色葡萄種植業(yè)提供優(yōu)勢條件，該地已成為我國著名的葡萄主產(chǎn)區(qū)和最大的無核葡萄生產(chǎn)基地之一[14]。園地土壤重金屬污染來源途徑廣泛，主要包括農(nóng)業(yè)污染、交通運(yùn)輸來源、工業(yè)來源及土壤地球化學(xué)來源等[2]。葡萄對(duì)不同重金屬吸收能力差異較大，其中對(duì)Cd吸收能力較強(qiáng)，具有富集能力[13]。葡萄果實(shí)中重金屬含量在一定程度上與土壤中重金屬含量呈正相關(guān)[10]。新疆吐魯番盆地生產(chǎn)的葡萄是國家地理標(biāo)志產(chǎn)品，葡萄總產(chǎn)量約占全疆的52%，葡萄種植業(yè)已成為當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)產(chǎn)業(yè)。針對(duì)新疆吐魯番盆地葡萄園土壤中重金屬元素的積累狀況、空間分布特征和來源方面缺乏系統(tǒng)研究?；诖?，以吐魯番盆地為研究區(qū)，分析葡萄園土壤中6種元素含量、空間分布特征以及主要來源，為葡萄園土壤環(huán)境安全以及綠色食品生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆吐魯番盆地是東天山南坡的山間盆地，位于博格達(dá)山南部，盆地南部山麓的艾丁湖海拔高程為-154 m，是我國地勢最低洼地。研究區(qū)(42°46′～43°05′ N，88°57′～89°34′ E)總面積668.5 km2(圖1)，屬于典型溫帶大陸性干旱荒漠氣候區(qū)，多年平均降水量約15 mm，多年平均氣溫約14.4 ℃，極端最高氣溫49.6 ℃，被稱為“世界熱極”[15-16]，土壤類型主要為棕漠土與灌耕土。

圖1 研究區(qū)與采樣點(diǎn)位置

研究區(qū)作為新疆特色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)發(fā)展模式具有典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)特點(diǎn)，葡萄資源豐富，葡萄產(chǎn)業(yè)具有集群優(yōu)勢，生產(chǎn)的葡萄以品質(zhì)優(yōu)、品種多、無核、糖多等特點(diǎn)馳名中外。葡萄生產(chǎn)也已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收的支柱產(chǎn)業(yè)和特色產(chǎn)業(yè)，約占農(nóng)民收入的60%。

1.2 樣品采集與測定

2019年5月在吐魯番盆地葡萄園進(jìn)行表層(0～20 cm)土壤樣品采集，共采集101個(gè)樣品。根據(jù)HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)和樣品采集。10 m×10 m內(nèi)“梅花形”布設(shè)5個(gè)子樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)采集5～10個(gè)土壤樣品，充分混合成1 kg左右樣品，將樣品自然風(fēng)干后碾碎，取約20 g進(jìn)一步研磨，過0.15 mm孔徑尼龍篩混勻后備用。所有土樣委托新疆維吾爾自治區(qū)分析測試研究院測定As、Cd、Cr、Ni、Pb、Hg元素含量，按國家土壤標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)和重復(fù)樣進(jìn)行質(zhì)量控制，各重金屬回收率均在允許范圍內(nèi)。As、Cd、Cr、Ni、Pb、Hg元素含量檢出限分別為0.01、0.01、0.5、0.4、0.006和0.002 mg·kg-1。各元素含量檢測執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄園土壤重金屬含量特征

從表2可見，吐魯番盆地葡萄園土壤中As、Cd、Cr、Ni、Pb和Hg元素含量變幅分別為6.86～13.40、0.11～0.35、47.30～74.10、16.10～28.50、8.34～25.40與0.012～0.139 mg·kg-1，這6種元素含量平均值分別為9.57、0.19、59.0、21.60、13.41和0.045 mg·kg-1。

研究區(qū)葡萄園土壤pH值變化范圍介于7.07～8.98之間，平均值為8.01，低于新疆土壤背景值[17]，呈弱堿性。從表2可以看出，葡萄園土壤中As、Cd、Cr、Ni、Pb和Hg元素含量平均值以及最大值均低于GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中的篩選值。與新疆灌耕土背景值相比，As、Cd、Cr和Hg元素含量平均值分別為相應(yīng)背景值的1.05、1.58、1.49和1.15倍。與新疆土壤背景值[2]相比，Cd、Cr和Hg元素含量平均值分別為相應(yīng)背景值的1.58、1.20和2.65倍。Ni和Pb含量平均值低于相應(yīng)背景值。

表1 重金屬含量檢測標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備

表2 吐魯番盆地葡萄園土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

偏度系數(shù)是描述數(shù)據(jù)分布形態(tài)的統(tǒng)計(jì)量，偏度系數(shù)絕對(duì)值越大，表明數(shù)據(jù)分布形態(tài)的偏斜程度越大。峰度系數(shù)是描述總體中所有取值分布形態(tài)陡緩程度的統(tǒng)計(jì)量，峰度系數(shù)絕對(duì)值越大，表明數(shù)據(jù)分布形態(tài)的陡緩程度與正態(tài)分布的差異程度越大[18]。葡萄園土壤中Cd、Pb和Hg元素含量的偏度系數(shù)(分別為1.33、1.49和1.31)較大，表明部分土壤樣品中Cd、Pb和Hg含量數(shù)據(jù)較集中，處于高積累狀況。葡萄園土壤中Cd、Pb和Hg對(duì)應(yīng)的峰度系數(shù)(分別為3.45、4.06和1.03)也較大，表明部分土壤樣品中Cd、Pb和Hg含量數(shù)據(jù)偏離度較大，部分土壤樣品中含量高。從變異系數(shù)(CV值)來看，Hg的CV值為0.65，呈現(xiàn)強(qiáng)變異(CV值>0.5)[2]，表明Hg元素含量空間分布不均勻，某些局部污染源的影響明顯；Cd與Pb的CV值分別為0.22與0.21，呈中等變異(0.2

2.2 重金屬含量空間分布特征

基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論分析吐魯番葡萄園土壤中As、Cd、Cr、Ni、Pb和Hg元素含量的空間分布特征。利用ArcGIS 10.3軟件，在最佳半方差函數(shù)模型的基礎(chǔ)上選取Kriging最優(yōu)空間插值法對(duì)未采樣區(qū)域6種元素含量進(jìn)行估算，最后形成了葡萄園土壤中6種元素含量空間分布圖(圖2)。

從圖2可以看出，吐魯番盆地葡萄園土壤中6種元素含量空間分布差異較大。As元素含量的空間分布為明顯的地帶性分布特征，含量較高區(qū)主要位于研究區(qū)東部；Cd元素含量高值區(qū)主要分布于研究區(qū)西南部(艾丁湖鄉(xiāng))和北部(吐魯番市)人口密度較大、交通密集、農(nóng)業(yè)集約化程度較高的區(qū)域。Cr元素含量空間分布也具有地帶性分布特征，高值區(qū)出現(xiàn)在研究區(qū)中部；Ni元素含量表現(xiàn)為點(diǎn)狀分布格局，各區(qū)域均有含量高值區(qū)，考慮到Ni元素含量平均值低于相應(yīng)背景值，其含量空間分布主要受到成土母質(zhì)等自然因素的影響；Pb與Hg元素含量高值區(qū)出現(xiàn)研究區(qū)北部、中部(恰特喀勒鄉(xiāng))和西南部人口密度較高的區(qū)域，工業(yè)、交通、日常生活與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)為Pb與Hg等元素的主要來源[19]。

2.3 葡萄園土壤重金屬來源解析

通過對(duì)吐魯番盆地葡萄園土壤中各重金屬元素相關(guān)性分析(表3)發(fā)現(xiàn)， As與Ni、Cr與Ni的相關(guān)性系數(shù)分別為0.32和0.57，處于極顯著水平(P<0.01)；Cd與Cr、Cd與Pb之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.21與0.25，均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

表3 研究區(qū)葡萄園土壤中重金屬含量的相關(guān)系數(shù)

為了進(jìn)一步了解葡萄園土壤中的重金屬來源，進(jìn)行主成分分析。結(jié)果表明，前3個(gè)主成分累計(jì)解釋了總方差的71.07%(表4)。PC1上Cr和Ni的載荷較高，分別為0.77和0.85。PC2上Cd和Pb的載荷較高，分別為0.59和0.71。PC3上As和Hg的載荷較高，分別為-0.63和0.75。

PC2的方差貢獻(xiàn)率為21.06%，Cd和Pb在PC2上的載荷分別為0.59和0.71。研究區(qū)葡萄園土壤中Cd和Pb間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平，Cd含量最大值為新疆灌耕土背景值的2.92倍，Pb含量最大值為新疆灌耕土背景值的1.8倍，這2種元素含量高值區(qū)主要分布于人口和交通相對(duì)密集的區(qū)域，表明研究區(qū)部分區(qū)域葡萄園土壤中Cd和Pb元素含量受人類活動(dòng)的影響較明顯。

圖2 研究區(qū)葡萄園土壤重金屬含量空間分布格局

表4 研究區(qū)葡萄園土壤重金屬含量的主成分分析結(jié)果

農(nóng)藥和殺蟲劑中含有Pb元素[23]，有機(jī)肥、農(nóng)藥和化肥施用是土壤中Cd主要來源之一[24]，葡萄園土壤施用肥料會(huì)導(dǎo)致Cd元素富集[9]。以上分析可以看出，PC2為人為源因子，既研究區(qū)葡萄園土壤中Cd和Pb含量主要受人類活動(dòng)的影響。

PC3的方差貢獻(xiàn)率為19.99%，As和Hg在PC3上的載荷分別為-0.63和0.75，As和Hg之間的相關(guān)系數(shù)呈顯著相關(guān)。葡萄園土壤中As平均含量低于新疆土壤背景值，呈明顯的地帶性分布特征，因此As含量主要受到自然因素的影響。Hg平均含量高出相應(yīng)背景值，最大值分別為新疆灌耕土背景值與新疆土壤背景值的3.56與8.18倍，含量高值區(qū)出現(xiàn)在人口和交通較密集的區(qū)域。謝小進(jìn)等[19]的研究表明，農(nóng)用土壤中Hg元素含量主要受到工業(yè)、交通等人為活動(dòng)影響。因此，PC3為自然-人為復(fù)合源因子。

3 結(jié)論

吐魯番盆地葡萄園土壤中As、Cd、Cr、Ni、Pb和Hg含量平均值分別為9.57、0.19、59.0、21.60、13.41與0.045 mg·kg-1。這6種元素含量平均值和最大值均低于GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中的篩選值，均未超標(biāo)。從研究區(qū)葡萄園土壤中各元素含量空間分布特征來看，As含量高值區(qū)分布于研究區(qū)東部，Cd含量高值區(qū)分布于研究區(qū)西南部，Cr含量高值區(qū)分布于研究區(qū)中部，Ni含量呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布格局，Pb和Hg含量高值區(qū)分布于人口和交通相對(duì)密集的區(qū)域。多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，吐魯番葡萄園土壤中As、Cr與Ni元素含量主要以自然源為主，Cd、Pb與Hg元素含量主要以人為源為主。