農(nóng)田土壤重金屬污染特征、生態(tài)風險評價與來源分析

張云菲 孜比布拉·司馬義 楊勝天 魏旖夢 田甜 毛紅云 王顯

摘要：目前，我國經(jīng)濟與工業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)田土壤重金屬污染問題日益嚴重。采用污染負荷指數(shù)（PLI）、潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）、相關性分析和聚類分析等方法研究新疆烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀、空間分布特征、潛在生態(tài)風險及其主要來源。結果表明，烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Hg含量的平均值均超過了新疆土壤背景值，特別是Cr和Zn的含量遠超過新疆土壤背景值;烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤屬于輕度污染;烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬中Hg與Cd是最主要的生態(tài)風險因子，研究區(qū)生態(tài)風險預警指數(shù)呈現(xiàn)無警示狀態(tài)。Cu、Cr、Hg、Ni、As的污染主要是由于污水灌溉，Pb和Cd的污染主要是由于煤礦開采，Zn的污染是由鍍鋅鋼管大棚、機械制造及彩鋼制造廠等所造成的。

關鍵詞：農(nóng)田土壤;重金屬;污染負荷指數(shù);潛在風險指數(shù);污染評價

中圖分類號： X826;X53文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）04-0266-07

收稿日期：2018-12-23

基金項目：國家自然科學基金-新疆聯(lián)合基金重點項目（編號：U1603241）。

作者簡介：張云菲（1995—），女，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事土壤生態(tài)環(huán)境研究。E-mail：feifei1995729@163.com。

通信作者：孜比布拉·司馬義，博士，教授，碩士生導師，主要從事資源利用與城鄉(xiāng)規(guī)劃研究。E-mall：zibibulla3283@sina.cn。

自從我國進入工業(yè)時代以來，工業(yè)的不斷發(fā)展以及城市化進程的不斷深入等因素都導致了土壤重金屬污染狀況的加重。在日常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，污水灌溉、農(nóng)藥及化肥等不合理使用，同時加上周邊工業(yè)區(qū)產(chǎn)生的污染，導致農(nóng)田土壤中重金屬的含量逐漸增加[1]。農(nóng)田土壤重金屬污染不僅會導致農(nóng)作物在生長過程中受到影響，更會對人類健康生活產(chǎn)生不利影響。根據(jù)我國農(nóng)業(yè)部門的調查，我國農(nóng)田土壤污水灌溉面積為140萬hm2，受到重金屬污染影響的面積占總污灌區(qū)面積的64.8%，糧食產(chǎn)量每年因重金屬污染而減少1 000多萬t，受到重金屬污染的糧食每年達到1 200萬t，總損失金額至少200億元[2]。進入到土壤中的重金屬不易降解，其毒性會嚴重影響作物的生長，其中鎘（Cd）、砷（As）等重金屬容易被農(nóng)作物吸收，進入食物鏈后對人類健康造成危害。黨的十九大報告中也提及，要著力解決空氣、水、土壤等突出環(huán)境問題，強化土壤污染管控和修復。因此，合理分析和評價土壤環(huán)境，全面掌握實際污染狀況是十分必要的。

目前，針對于土壤重金屬污染物，國內外的研究主要有以下幾個方面：污染來源調查、污染評價、潛在生態(tài)風險評價、污染對人體健康造成的影響以及污染修復等[3-6]。其中進行土壤重金屬污染評價常用的方法有單項污染指數(shù)法、污染負荷指數(shù)（PLI）法、Nemero指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)風險評價法等[7-9]。地處我國西北部的烏魯木齊市為新疆的首府城市，居住人口數(shù)量較多，經(jīng)濟發(fā)展較為迅速，城市化水平較高。與此同時，烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染問題也逐漸受到當?shù)鼐用竦年P注。有關數(shù)據(jù)表明，烏魯木齊市農(nóng)田土壤主要受到5種重金屬元素[Cd、鉻（Cr）、鉛（Pb）、As、汞（Hg）]污染，其中除了As和Cr之外，其余重金屬元素的含量均超過新疆土壤背景值，表明農(nóng)田土壤重金屬污染在烏魯木齊市是一個不可忽視的問題[10]。因此，現(xiàn)階段研究烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染狀況十分重要。

本研究以新疆烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤為例，在采集表層土壤樣品的基礎上，測定樣品鎘、銅（Cu）、鉻、鎳（Ni）、鉛、鋅（Zn）、汞、砷在土壤中的濃度。借助污染負荷指數(shù)（PLI）法、潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）法、生態(tài)風險預警指數(shù)（IER）等分析與評價烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀，旨在為城市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染研究提供更多的案例依據(jù);另外分析農(nóng)田土壤重金屬污染的源頭，提出防止污染的辦法，并為建設更好的烏魯木齊市提出一些建議。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)概況

烏魯木齊市位于絲綢之路經(jīng)濟帶的核心區(qū)域，是新疆的政治、經(jīng)濟、文化、科教和交通中心，有“亞心之都”之稱。烏魯木齊市地處天山山系北部，天山西段與東段的結合部，其地理位置為86°37′33″～88°58′24″E、42°45′32″～44°08′00″N，位于天山北麓以及準噶爾盆地南緣，深處亞歐大陸腹地，屬溫帶半干旱氣候，晝夜溫差大，寒暑變化劇烈，平原降水少[11]。

烏魯木齊市的土壤類型主要為栗鈣土和棕鈣土，周邊農(nóng)田土壤pH值平均為7.82，呈堿性，有機質含量相對較低。該區(qū)域農(nóng)田土壤污染物主要包括Zn、Cr、Pb、Ni、Cu、As、Cd、Hg、滴滴涕（DDT）、六氯環(huán)己烷（BHC）、苯并（a）芘等。

1.2?樣品采集

利用烏魯木齊市地圖，按500 m×500 m網(wǎng)格在烏魯木齊市周邊農(nóng)田進行布點，其中根據(jù)實際情況選出有效網(wǎng)格178個。在每個網(wǎng)格中心附近采集農(nóng)田土壤樣品，并使用全球定位系統(tǒng)（GPS）進行定位，如圖1所示。在每個樣點上，先在4 m2的范圍內，按梅花形布設5個子樣點，再分別用塑料鏟收集表層（0～20 cm土層）土壤子樣品，將5個子樣品充分混合，得到該樣點的土壤樣品。

1.3?樣品處理與重金屬含量測定

首先將采集到的土壤樣品進行陰干處理，然后清除枯枝落葉、磚瓦塊和垃圾等雜物;接著用木棍將樣品碾碎，全部過100目篩子;最后將其充分混合，保存待測。

稱取0.5 g土壤樣品，分別加入10 mL硝酸、10 mL 氫氟酸、2 mL高氯酸進行電熱板消解，然后將其移至50 mL容量瓶中，并用去離子水定容，搖勻。采用火焰原子吸收分光光度法測定Cd、Cu、Cr、Ni、Pb、Zn含量。

稱取0.5 g土壤樣品，加入5 mL王水（濃鹽酸與濃硝酸體積比為3 ∶1）和5 mL蒸餾水，沸水浴2 h，自然冷卻后，將其移至50 mL容量瓶中，并用去離子水定容，搖勻。利用原子熒光光度法測定Hg、As含量。

在試驗過程中所有樣品均平行測定3次。

1.4?農(nóng)田土壤重金屬污染評價方法

本研究采用污染負荷指數(shù)（PLI）[12-13]來評價烏魯木齊市周邊農(nóng)田重金屬污染狀況，其計算公式如下：

CFi=cici′，i=1，2，…，n;（1）

PLI=nCF1×CF2×…×CFn。（2）

式中：CFi指金屬元素i的污染指數(shù);ci指金屬元素i的實際測量濃度，mg/kg;ci′指金屬元素i的土壤背景值，mg/kg;PLI為重金屬污染負荷指數(shù);n為參加評選的重金屬元素個數(shù)，個。本研究所采用的土壤背景值均為新疆土壤背景值。根據(jù)CF重金屬元素的污染分級標準如下：CF≤1為無污染（Ⅰ）;13為嚴重污染（Ⅳ）。根據(jù)PLI重金屬元素的污染分級標準如下：PLI≤1為無污染（Ⅰ）;13為嚴重污染（Ⅳ）[14]。

采用Hakanson提出的潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）[15]分析烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風險，其計算公式如下：

RIj=∑ni=1Eij=∑ni=1Ti×Cij=∑ni=1Ti×cijcir。。（3）

式中：RIj指j采樣點中多種金屬元素的綜合潛在生態(tài)風險指數(shù);Eij指j采樣點中金屬元素i的單項潛在生態(tài)風險指數(shù);Cij指j采樣點中金屬元素i的污染指數(shù);cij指j采樣點中金屬元素i的實測含量，mg/kg;cir為金屬元素i的參比值[16]，mg/kg;Ti指金屬元素i的毒性系數(shù)，表示金屬元素在液相、固相和生物相之間的相互關系，同時，也可以全面地表現(xiàn)出金屬元素的毒性、污染等級以及污染的敏感度[17]。本研究選用新疆農(nóng)田土壤背景值，金屬元素Cd的毒性系數(shù)是30;金屬元素Cr的毒性系數(shù)是2;金屬元素Cu、Ni、Pb的毒性系數(shù)均是5;金屬元素Zn的毒性系數(shù)是1;金屬元素Hg的毒性系數(shù)是40;金屬元素As的毒性系數(shù)是10。根據(jù)Eij單項重金屬元素潛在生態(tài)風險的分級標準如下：Eij≤40屬于較輕風險;40320屬于超高風險。根據(jù)RIj多種重金屬元素綜合潛在生態(tài)風險的分級標準如下：RIj≤150屬于較輕風險;1501 200屬于超高風險。

本研究借助Rapant等提出的生態(tài)風險預警指數(shù)（IER）[18]預警評價烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤生態(tài)風險狀況，采用GB 15618—1995《土壤環(huán)境質量標準》[19]中的土壤二級標準（pH值>7.5）作為本研究預警指數(shù)的參照值，對農(nóng)田土壤重金屬污染生態(tài)風險進行預警評價，其計算公式如下：

IER=∑ni=1IERi=∑ni=1（CAi/CRi-1）。（4）

式中：IER指生態(tài)風險預警指數(shù);IERi指超過臨界值金屬元素i的環(huán)境風險指數(shù);CAi指金屬元素i的實際濃度，mg/kg;CRi指金屬元素i的濃度臨界值，mg/kg。根據(jù)IER重金屬元素生態(tài)風險預警的分級標準如下：IER≤0屬于無警示狀態(tài);05屬于重警狀態(tài)[20]。

2?結果與分析

2.1?土壤重金屬含量分析

如圖2、表1所示，土壤中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg、As的平均含量分別為0.500、85.600、29.238、37.637、13.156、126.470、0.090、8.433 mg/kg。重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Hg含量的平均值均超過了新疆土壤背景值，其中Cr和Zn的含量遠超過新疆土壤背景值，并表現(xiàn)出明顯的富集現(xiàn)象。雖然Pb與As的含量平均值低于新疆土壤背景值，但部分樣品中它們的測定值遠超背景值。因此，以上數(shù)據(jù)表明，土壤重金屬元素累積主要是來自非自然的外部條件，觀察它們的極大值與極小值發(fā)現(xiàn)，各元素的極差很大。

偏度系數(shù)是指描述數(shù)據(jù)分布情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其絕對值越小，表示數(shù)據(jù)分布趨勢的偏斜度越小。峰度系數(shù)是指描述全部數(shù)據(jù)中取值分布情況陡斜

程度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[21-22]，其絕對值越小，表示數(shù)據(jù)分布趨勢的陡緩度與正態(tài)分布的差異程度越小[23]。從表1可以看出，土壤中Pb、Zn、Hg含量的偏度系數(shù)與峰度系數(shù)較大，表示在部分土壤樣品中Pb、Zn、Hg含量及累積狀況較高。變異系數(shù)（CV）用于描述樣品中金屬元素平均變異度，其值越小，表示金屬元素在空間分布越均勻，出現(xiàn)點源污染情況的概率越低[24]。烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤中的Cr、Pb、Zn、Hg、As含量呈現(xiàn)強變異性（CV>50），表明Cr、Pb、Zn、Hg、As的累積受某些局部污染源影響較為明顯;農(nóng)田土壤中的Cd、Cu、Ni含量呈中等變異性（25

2.2?土壤重金屬污染特征及分布

烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤中重金屬的平均CF排列順序為Cd（3.72）>Hg（3.32）>Zn（1.67）>Ni（1.42）>Cr（1.30）>Cu（1.06）>As（0.62）>Pb（0.46）。由表2可知，Cd和Hg呈嚴重污染狀態(tài)，Zn、Ni、Cr及Cu呈較輕污染，As與Pb呈無污染。

從表2可以看出，由每種重金屬的不同污染程度樣點數(shù)占全部樣點數(shù)的比率發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)樣點Pb、As的污染指數(shù)屬于Ⅰ級，未發(fā)生污染，Ⅰ級樣點數(shù)分別占總樣點數(shù)的81.46%、73.59%。大多數(shù)樣點Cr、Cu、Ni、Zn的污染指數(shù)屬于Ⅰ級和Ⅱ級，其中Ⅱ級樣點數(shù)分別占總樣點數(shù)的20.79%、48.88%、65.73%、68.54%。大多數(shù)樣點Cd、Hg的污染指數(shù)屬于Ⅲ級和Ⅳ級，Ⅳ級污染樣點數(shù)分別占總樣點數(shù)的84.29%、60.68%，表明Cd和Hg是最主要的污染因子。

烏魯木齊市土壤中8種重金屬的平均PLI為1.36，屬于輕度污染。由表2可知，無污染的樣點數(shù)占17.98%，Ⅱ級污染樣點數(shù)占66.29%，Ⅲ級污染樣點數(shù)占15.73%，沒有發(fā)生重度污染。

為了充分反映烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬的PLI空間分布，在ArcGIS 10.0軟件支持下，通過普通克里格（ordinary kriging）[25]空間插值技術得到圖3。從圖3可以看出，PLI的高值區(qū)分布于烏魯木齊市北部的米東區(qū)，水磨溝區(qū)的PLI次之，低值區(qū)分布于烏魯木齊縣和達坂城區(qū)。

2.3?潛在生態(tài)危害評價

根據(jù)生態(tài)風險分類標準，以新疆農(nóng)田土壤背景值[26]作為參比值，對烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染進行潛在生態(tài)風險評價。結果（表3）表明，烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬單項潛在生態(tài)風險指數(shù)的平均值排列順序如下：Hg>Cd>As>Ni>Cu>Cr>Pb>Zn。所有樣點重金屬As、Ni、Cu、Cr、Pb、Zn的單項潛在生態(tài)風險指數(shù)均小于40，呈現(xiàn)較輕風險狀態(tài)。Hg與Cd的單項潛在生態(tài)風險指數(shù)相對較高，因此，Hg與Cd是本研究區(qū)域內首要的生態(tài)風險因子。

烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）變化范圍在91.07～1 177.43之間，平均值為364.70，表現(xiàn)為較高生態(tài)風險。47.75%樣點的RI屬于中等生態(tài)風險級別，41.57%樣點的RI屬于較高生態(tài)風險級別。烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風險預警指數(shù)（IER）變化范圍在-6.61～-2.91之間，平均值為-4.94，表現(xiàn)為無警示狀態(tài)，所有樣點的生態(tài)風險預警指數(shù)呈現(xiàn)無警示狀態(tài)。

2.4?農(nóng)田土壤重金屬來源分析

如表4所示，Cd與Cr、Cd與As、Cd與Cu、Cr與Hg、Ni與Zn、Ni與Hg、Hg與As含量之間在0.01水平上存在顯著相關性，但相關系數(shù)較低（絕對值低于0.3）。Cr與Cu、Cr與Ni、Cu與Ni含量之間呈極顯著正相關關系，As與Cr、Cu、Ni含量之間也存在極顯著正相關關系，說明這些元素之間可能有相似的污染來源。

聚類分析結果（圖4）顯示，Cu、Cr、Hg、Ni、As聚為一類，Pb和Cd聚為一類，說明這2類元素在土壤中有相似的來源和相近釋放的規(guī)律。本研究區(qū)域內有多家混凝土公司、建材耐火材料廠、有色金屬冶煉以及機械制造廠，同時在米東區(qū)區(qū)域附近有石油化工以及煤化工企業(yè)，工業(yè)廢水及生活污水排放到河流中，再灌溉到農(nóng)田中，導致了農(nóng)田Cu、Cr、Hg、Ni、As污染的產(chǎn)生。研究區(qū)附近有煤礦產(chǎn)業(yè)，煤礦排水或雨水進入土壤，會造成土壤重金屬污染現(xiàn)象發(fā)生[27-28]，煤礦的開采和礦泥的排放導致了土壤中Pb和Cd的污染。Zn的污染是由于研究區(qū)內有鍍鋅鋼管大棚、機械制造及彩鋼制造廠等?即使鍍鋅鋼架有良好的抗腐性，但長時間在空氣、雨雪等環(huán)境中暴露，也會被腐蝕進而破裂，產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，從而剝落于土壤環(huán)境中，造成土壤中Zn污染[29]。主成分分析結果（圖5）表明，通過正交旋轉使得復雜的因子負荷矩陣變得簡明清晰，組分1包括Cu、Cr、Hg、Ni、As，組分2包括Pb和Cd，組分3包括Zn，該結果進一步支持聚類分析的結果。

3?結論與建議

3.1?結論

本研究主要分析烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤8種重金屬污染特征及其分布特征，并對重金屬污染進行潛在風險及生態(tài)預警評價，最后應用相關性分析和聚類分析研究了重金屬的主要來源。主要結論如下。

（1）烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Hg含量的平均測定值均超過新疆土壤背景值，其中Cr和Zn的含量遠超過新疆土壤背景值，并表現(xiàn)出明顯的富集現(xiàn)象。雖然Pb與As的含量平均值低于新疆土壤背景值，但部分樣品中它們的含量測定值遠超背景值。

（2）烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤中重金屬的平均CF排列順序為Cd>Hg>Zn>Ni>Cr>Cu>As>Pb，其中Cd和Hg呈重度污染，Zn、Ni、Cr及Cu呈輕度污染，As與Pb呈無污染。烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬的平均PLI為1.36，屬于輕度污染。

（3）烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬單項潛在生態(tài)風險指數(shù)的平均值排列順序為Hg>Cd>As>Ni>Cu>Cr>Pb>Zn。所有樣點重金屬As、Ni、Cu、Cr、Pb、Zn的潛在生態(tài)風險指數(shù)均小于40，呈較輕風險狀態(tài)，Hg與Cd的潛在生態(tài)風險指數(shù)相對較高，表明Hg與Cd是本研究區(qū)中首要的生態(tài)風險因子。研究區(qū)域土壤重金屬的平均生態(tài)風險預警指數(shù)為-4.94，呈現(xiàn)出無警示狀態(tài)。

（4）烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤各重金屬元素含量之間存在較強的相關性，其中土壤中的Cu、Cr、Hg、Ni、As主要來源于污水灌溉，Pb和Cd主要來源于煤礦開采，而Zn的污染是由鍍鋅鋼管大棚、機械制造及彩鋼制造廠等所造成的。

3.2?建議

黨的十九大報告提出，堅持人與自然和諧共生和建設生態(tài)文明是中華民族持續(xù)發(fā)展的千年大計。近年來，國家對于土壤重金屬污染與防治問題也越加重視[30]。烏魯木齊市作為新疆的首府，它周邊農(nóng)田土壤重金屬污染也是筆者主要關注的問題之一。

（1）烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬中的Pb和As含量平均值小于新疆農(nóng)田土壤背景值，但還有很多樣點的Pb和As含量高于土壤背景值。烏魯木齊市米東區(qū)土壤重金屬污染最為嚴重，這是由于米東區(qū)有工業(yè)園區(qū)，比其他幾個區(qū)域更容易造成農(nóng)田土壤重金屬污染。雖然米東區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染相對嚴重，但烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染負荷指數(shù)呈輕度污染狀態(tài)。建議對烏魯木齊米東區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染進行防治，以免后期造成嚴重污染。

（2）當以不同土壤背景值為參考值時，土壤重金屬的生態(tài)風險預警結果不同。以新疆農(nóng)田土壤背景值作為參比值時，烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)呈較強風險狀態(tài);但以國家二級土壤標準作為參比值時，烏魯木齊周邊農(nóng)田土壤重金屬的生態(tài)風險預警指數(shù)呈無警示狀態(tài)。因此，在評價農(nóng)田土壤重金屬時，可采用不同的土壤背景值進行綜合評價。

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