農(nóng)田土壤重金屬含量及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)

雷雷佳，殷新，貢璐，劉衛(wèi)國(guó)

（新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046）

0 引言

【研究意義】土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]。重金屬等具有生理毒性的物質(zhì)[2]。重金屬具有極強(qiáng)的富集能力和污染能力[3]。在農(nóng)田土壤中，以污水灌溉、大氣沉降、農(nóng)藥使用等方式造成重金屬在土壤中不斷累積，引起土壤質(zhì)量變化，阻礙植物生長(zhǎng)下降[4]，并且在轉(zhuǎn)移過(guò)程中會(huì)影響周邊生態(tài)環(huán)境[5]，造成潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[6]。研究土壤中重金屬含量特征，對(duì)分析生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一種通過(guò)數(shù)據(jù)分析，評(píng)價(jià)自然因素與人為因素中風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可能造成生態(tài)效應(yīng)的方法[7]。對(duì)土壤重金屬污染分布及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)有文獻(xiàn)研究[3]，取得研究成果[8]。但研究大多集中于我國(guó)中東部地區(qū)[9]，對(duì)西北干旱、半干旱地區(qū)缺乏研究。李吉玫等[10]已對(duì)烏魯木齊不同區(qū)域林帶土壤進(jìn)行重金屬污染特征分析。姣哈爾·紅衛(wèi)等[11]對(duì)烏魯木齊雅山山地土壤受再生水灌溉后的重金屬含量進(jìn)行研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前研究多局限于烏魯木齊城區(qū)、山地土壤，對(duì)烏魯木齊米東區(qū)的農(nóng)田土壤重金屬狀況、評(píng)價(jià)及來(lái)源分析尚顯不足。需研究烏魯木齊米東區(qū)土壤重金屬含量特征?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以干旱區(qū)農(nóng)產(chǎn)品基地米東區(qū)為研究區(qū)，研究土壤重金屬地累積指數(shù)現(xiàn)狀與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布，采用主成分分析法對(duì)污染可能來(lái)源進(jìn)行分析，為干旱區(qū)農(nóng)田土壤重金屬管控及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

烏 魯 木 齊 米 東 區(qū) 地 理 坐 標(biāo)E87°06′～88°08′N43°44′～45°00′，位于烏魯木齊東北郊，距烏魯木齊市中心城區(qū)15 km。冬季嚴(yán)寒，夏季酷熱，蒸發(fā)量大，氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?。年氣?8～27℃，年均降水量260 mm[12]。分布包括水磨溝河等在內(nèi)的7條河流[13]。研究區(qū)土壤屬灰漠土，以小麥、玉米和蔬菜類為主種植，主要使用化肥、農(nóng)家肥[14]。

以烏魯木齊市米東區(qū)農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，結(jié)合米東區(qū)土地利用現(xiàn)狀、地形等情況，于2018年生長(zhǎng)季，以隨機(jī)布點(diǎn)與網(wǎng)格布點(diǎn)結(jié)合的方式布設(shè)樣點(diǎn)，采集82個(gè)土壤樣品。記錄每個(gè)采樣點(diǎn)周邊環(huán)境特征、坐標(biāo)、土壤類型等，梅花點(diǎn)法取0～20 cm表層農(nóng)田土壤，混勻后四分法制成1 kg土壤樣品，所有樣品編號(hào)后均裝入聚乙烯密封塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理與測(cè)定

土樣去除雜物，風(fēng)干研磨，過(guò)100目尼龍篩后備用。燒杯中稱取10 g過(guò)好篩的土壤樣品，加入無(wú)CO2蒸餾水25 mL，持續(xù)攪拌1 min，靜置0.5 h，檢測(cè)待測(cè)液pH值。稱取約0.5 g原始樣品，研磨后土壤樣品經(jīng)HClO4-HNO3-HF消解，用電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜儀測(cè)試Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量；經(jīng)H2SO4-HNO3-KMnO4消解后，用原子熒光光度計(jì)測(cè)定As和Hg的含量，采用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07418～GBW07422（土壤）進(jìn)行質(zhì)量控制，回收率均處于允許范圍內(nèi)。

1.2.2 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)（Igeo）用于研究沉積物中重金屬的污染程度[15]。運(yùn)用于土壤中重金屬的污染程度[16]。

式中Igeo為地累積指數(shù)，Cn為待測(cè)土壤樣品中元素n的測(cè)試濃度（mg/kg），Bn為樣品中元素n的地球化學(xué)背景值（mg/kg），取新疆土壤背景值[17]。使用1.5的系數(shù)[18]，Igeo分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)污染Igeo≤0；輕度污染0＜Igeo＜1；中度污染1＜Igeo＜2；重度污染2＜Igeo＜3；嚴(yán)重污染Igeo≥3。

1.2.3 Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法

Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法將沉積學(xué)方法應(yīng)用于重金屬污染物[19]。

式中，中Ci f為污染物i的單因子污染指數(shù)；Ci污染物含量實(shí)測(cè)值，mg/kg；由于研究區(qū)域米東區(qū)為農(nóng)田土壤，Cin重金屬污染物含量參比值取自《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T 332-2006）[20]，mg/kg；Eir為污染物i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Tir為重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)，Hakanson給出的重金屬毒性系數(shù)為Hg=40＞Cd=30＞As=10=＞=Pb=Cu=Ni=5＞Cr=2＞Zn=1；RI為潛在生態(tài)危害指數(shù)。表1

表1 潛在生態(tài)危害指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Potential ecological hazard index classification standard

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)

研究表明，土壤中8種重金屬測(cè)定的范圍是：As（6.39）1.07～98.70 mg/kg，Cd（0.40）0.08～19.60 mg/kg，Cr（41.37）25.60～64.30 mg/kg，Hg（0.08）0.02～0.25 mg/kg，Pb（18.65）12.20～38.80 mg/kg，Cu（32.20）22.50～49.30 mg/kg，Zn（93.18）67.40～221.00 mg/kg，Ni（23.66）14.60～34.80 mg/kg。82個(gè)樣品土壤重金屬pH值7.51～8.62，均值為8.04，整體為堿性土壤。As、Cr、Pb、Ni平均含量均低于新疆土壤背景值，采樣點(diǎn)土壤重金屬含量平均值均小于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

研究區(qū)土壤8種重金屬存在中等到高度變異，變異系數(shù)大小排序分別為Cd＞As＞Hg＞Zn＞Ni＞Cr=Cu＞Pb。As、Cd、Hg、Pb和Zn在土壤中的偏度和峰度值較大，顯示正偏向和高峰度。表2

表2 研究區(qū)土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of heavy metal content in soil in the study area

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

研究表明，8種重金屬As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni的Igeo值分別為-3.97～2.55，-1.10～6.77，-1.53～-0.20，-1.00-3.06，0.42～1.33，-0.83～0.30，-0.61～1.10，-1.45～-0.20。8種重金屬Igeo值從大到小順序?yàn)镠g＞Pb＞Cd＞Zn＞Cu＞Ni＞Cr＞As，其中Pb平均值為0.64，Hg平均值為1.24，研究區(qū)7種重金屬整體處于輕度污染水平。圖1

圖1 研究區(qū)土壤地累積指數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistical chart of soil land accumulation index in the study area

研究區(qū)土壤Cr、Ni為無(wú)污染，As、Cd、Pb、Cu、Zn大部分為無(wú)污染或輕度污染。圖2

圖2 研究區(qū)土壤重金屬程度Fig.2 Histogram of soil heavy metal pollution in the study area

2.3 誘餌表達(dá)載體自激活及功能檢測(cè)

2.3.1 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)

研究表明，單因子污染指數(shù)污染程度排序?yàn)镃d＞Ni＞Cu＞Zn＞As＞Pb＞Cr＞Hg。Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni平均值為0.17、0.08、0.23、0.32、0.31、0.39，均小于1，其污染程度均處于輕度污染。As平均值分別為0.26，為輕度污染。Cd均值為0.67，為輕度污染。表3

表3 土壤重金屬單因子污染指數(shù)Cif評(píng)價(jià)Table 3 Table of evaluation results of single factor pollution index Cif of heavy metals in soil

2.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

研究表明，8種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Eir平均值分別為2.56、20.15、0.33、3.31、1.17、1.61、0.31、1.97。As、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni7種重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)完全處于低危害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)研究區(qū)土壤產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較小。Cd98.78%處于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。表4

研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)范圍為12.22～1032.76，均值為31.41，研究區(qū)整體處于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。潛在生態(tài)危害指數(shù)RI的分布于北部數(shù)值較低，西南部及中部數(shù)值較高。研究區(qū)中部、中北部及西南部區(qū)域處于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。Cd對(duì)潛在生態(tài)危害指數(shù)的貢獻(xiàn)高達(dá)64.15%，Hg的貢獻(xiàn)率較其他6種重金屬占一定比例，為10.54%。圖3，表4～表6

表4 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Eir及潛在生態(tài)危害指數(shù)RI評(píng)價(jià)Table 4 Table of evaluation results of potential ecological risk coefficient Eir and potential ecological harm index RI of soil heavy metals

表6 研究區(qū)土壤重金屬含量主成分Table 6 Principal component analysis of heavy metal content in soil in the study area

圖3 研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)RI分布Fig.3 Distribution of potential ecological harm index RI of heavy metals in soil in the study area

3 討論

表5 研究區(qū)土壤重金屬含量相關(guān)性Table 5 Correlation analysis of heavy metal content in soil in the study area

Cd、Hg、As呈現(xiàn)出高變異，其余5種重金屬均呈現(xiàn)出中等程度變異[21]。土壤重金屬污染物來(lái)源復(fù)雜，相關(guān)分析一定程度上能反映8種重金屬元素之間的相互依存關(guān)系，如果重金屬元素高度線性相關(guān)，則表明來(lái)源可能相同或相似，反之亦然[25]。研究區(qū)農(nóng)田土壤8種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均值小于40，該地區(qū)土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度較低，與孫英等[22]對(duì)新疆于田縣農(nóng)田土壤的研究結(jié)果相似。Hg、Cd是研究區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI的主要貢獻(xiàn)因子，與米熱阿地力·庫(kù)爾班等[23]對(duì)烏魯木齊北郊蔬菜基地土壤、王文全等[13]針對(duì)米東區(qū)農(nóng)田土壤、胡慧玲等[24]針對(duì)烏魯木齊市郊安寧渠區(qū)菜田土壤的研究結(jié)果相似。Cd-As-Pb-Zn-Cu，Cr-Ni之間存在一定的相關(guān)性，Cd-As、Pb-As、Cu-Pb、Zn-Pb的相關(guān)系數(shù)分別0.960、0.758、0.647、0.722，較高且均達(dá)到極顯著相關(guān)（P＜0.01）水平，之間可能存在相同來(lái)源。Cr-Ni的相關(guān)系數(shù)為0.866，呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）水平，二者存在良好伴生關(guān)系。Hg與其余7種重金屬均不呈顯著性相關(guān)，與同處于干旱區(qū)的張掖市[21]、伊寧市[26]的研究結(jié)果相似。

三個(gè)主成分累積方差占總方差的87.488%，基本能夠解釋8種重金屬來(lái)源的大量信息。同一成分中具有高因子載荷的重金屬存在相同來(lái)源。Pb、Zn、As、Cd、Cu的因子載荷量在第一主成分中較高，具備相同來(lái)源。其均值分別為新疆土壤背景值的0.96倍、1.35倍、0.57倍、3.34倍、1.21倍。Zn、Cd、Cu在研究區(qū)土壤中有一定累積。Pb、As均未超過(guò)土壤背景值，二者可能主要受成土母質(zhì)與地質(zhì)影響[23]。研究區(qū)為農(nóng)田土壤[13]。第一主成分可視為自然源和人為影響源的復(fù)合源。Cr、Ni因子載荷在第二主成分因子中較高。Cr、Ni含量平均值均未超過(guò)新疆土壤背景值，研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cr、Ni含量可能受成土母質(zhì)的影響，第二主成分可視為為自然源[28]。Hg因子載荷在第三主成分因子中較高，為0.766。

4 結(jié)論

4.1 8種重金屬含量均值均低于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限量值。As、Cr、Pb、Ni均值均低于新疆土壤背景值。Cd、Hg、As變異系數(shù)呈現(xiàn)出高度變異，其余5種重金屬均呈現(xiàn)出中等程度變異。

4.2 地積累指數(shù)Hg＞Pb＞Cd＞Zn＞Cu＞Ni＞Cr＞As，研究區(qū)Hg、Cd、Pb、Zn重金屬元素累積較高，7種重金屬整體處于輕度污染水平。

4.3 單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)米東區(qū)8種重金屬均處于輕度污染。米東區(qū)整體處于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，Cd、Hg對(duì)米東區(qū)RI的方差貢獻(xiàn)率最高。米東區(qū)土壤Pb、Zn、As、Cd與Cu，Cr與Ni均存在顯著正相關(guān)。