新疆于田縣農(nóng)田土壤重(類)金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

孫英，周金龍，曾妍妍，陳云飛，王松濤，杜江巖

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院/新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830052；2.新疆地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆昌吉 831100)

0 引 言

【研究意義】土壤是地球生物圈的重要組成部分，是農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。土壤作為一種有生命的動(dòng)態(tài)資源，是生產(chǎn)糧食、纖維等的基地，是環(huán)境中有害化合物形成、減毒和降解的緩沖劑，具有平衡區(qū)域和全球生態(tài)系統(tǒng)的功能，在維護(hù)地區(qū)環(huán)境質(zhì)量方面起重要作用[1-3]。重(類)金屬是農(nóng)產(chǎn)品中四大化學(xué)污染物之一，具有隱蔽性、滯后性、形態(tài)多樣性、累積性和難消除性[4]，由于空氣污染和水體污染的直觀性，重(類)金屬最終都會(huì)回歸到土壤這個(gè)環(huán)境要素，人體攝入的某種重(類)金屬一旦超過耐受限度，就會(huì)引起人體急性、亞急性或慢性中毒，而且這些毒性效應(yīng)是持久的、不可逆的[3-5]。因此研究農(nóng)田土壤中重(類)金屬對保護(hù)農(nóng)用地土壤環(huán)境，管控農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和土壤生態(tài)環(huán)境具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，目前我國受鎘、砷、鉻、鉛等重(類)金屬污染的耕地面積近2 000×104hm2，約占耕地總面積的20%，全國每年因重(類)金屬污染而減產(chǎn)糧食超過1 000×104t[6]。【本研究切入點(diǎn)】土壤重(類)金屬污染對農(nóng)用地土壤環(huán)境和農(nóng)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)會(huì)有一定影響[7-11]。研究于田縣土地?cái)?shù)據(jù)調(diào)查，分析8種重(類)金屬元素含量特征。【擬解決的關(guān)鍵問題】以于田縣農(nóng)用地土壤為研究對象，在土壤樣品采集的基礎(chǔ)上，依據(jù)最新試行的《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)(GB15618-2018)》，對土壤中7項(xiàng)重金屬元素(鎘、汞、鉛、鉻、銅、鎳、鋅)和1項(xiàng)類金屬元素(砷)進(jìn)行含量統(tǒng)計(jì)分析，對土壤環(huán)境質(zhì)量和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為該區(qū)土壤環(huán)境綜合治理、農(nóng)田土壤重(類)金屬污染防治和風(fēng)險(xiǎn)管控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

于田縣位于新疆西南部，昆侖山脈北麓，塔克拉瑪干沙漠南緣，縣域地處E81°9′～82°51′，N35°14′～39°29′，總面積為3.95×104km2，地勢南高北低，自南向北形成高山、戈壁、沙漠等地貌單元，有典型的冰川、凍土、火山、沙漠等地貌類型[12]。研究區(qū)屬暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，主要的氣候特點(diǎn)是：晝夜溫差大，熱量資源豐富，光照充足，降水稀少，蒸發(fā)量大，春夏多風(fēng)沙和浮塵等災(zāi)害天氣。多年平均氣溫為11.6℃，平均蒸發(fā)量為2 420.23 mm，平均降水量為47.7 mm，多年平均相對濕度為42%，年日照總數(shù)為2 769.5 h，日照率為62%，大部分灌區(qū)多年平均無霜期為213 d[13]。農(nóng)作物主要有小麥、玉米、水稻和棉花等。

1.2 方 法

1.2.1 樣品采集及測定

于田縣農(nóng)田土壤取樣時(shí)間為2016年7月，取樣點(diǎn)主要布設(shè)在旱地、果園、灌木林地和其他林地，采用網(wǎng)格布點(diǎn)法共采集表層土壤樣品484組，采樣深度為0～20 cm，按照取樣密度1點(diǎn)/ km2布設(shè)。農(nóng)田土壤樣品采樣、保存和送檢依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T0295-2016)，采集樣品由國土資源部新疆烏魯木齊礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進(jìn)行測試，檢測項(xiàng)目為pH和8項(xiàng)重(類)金屬元素，包括鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎳(Ni)和鋅(Zn)。根據(jù)相關(guān)地球化學(xué)勘查樣品分析方法[14]和《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：HJ/T166-2004》[15]對農(nóng)田土壤重(類)金屬元素進(jìn)行檢測，其中Pb和Cd元素采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法，Hg元素采用冷蒸氣汞非色散原子熒光光譜法，As元素采用氫化物發(fā)生—非色散原子熒光光譜法法，Cr元素采用波長色散X射線熒光光譜法，Ni、Cu和Zn元素采用全譜直讀光譜法。Pb、Cd、Hg、As、Cr、Ni、Cu和Zn元素的檢出限分別為0.65、0.002、0.0005、0.112、3.505、0.744、0.952和0.644 mg/kg。圖1

圖1 于田縣農(nóng)田土壤采樣點(diǎn)分布
Fig.1 Farmland soil sampling spots in Yutian County

1.2.2 評(píng)價(jià)

單因子指數(shù)法是采用最新頒布的、2018年8月1日起實(shí)施的《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)(GB15618-2018)》中的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[16]計(jì)算各取樣點(diǎn)的單因子指數(shù)，通過單因子指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定單一污染物對土壤的污染程度[11,17]；內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是一種通過單因子污染指數(shù)求得綜合污染指數(shù)，再結(jié)合多項(xiàng)指標(biāo)的綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定各個(gè)樣品的污染等級(jí)，該方法能夠綜合反映多種污染物對土壤的污染狀況程度[10-11]；通過潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法可以反映單個(gè)重(類)金屬的污染水平，也可以反映所有重(類)金屬污染的聯(lián)合效應(yīng)，該方法綜合考慮了多元素的濃度、毒性水平、生態(tài)敏感性以及協(xié)同作用，是一種應(yīng)用相對廣泛的評(píng)價(jià)沉積物重(類)金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的一種定量方法[18-19]。

單因子指數(shù)法的計(jì)算公式為：

Pi=Ci/Si.

(1)

式中：Pi為污染物i的單因子指數(shù)，若Pi≤1.0，表示土壤未受到人為污染，若Pi>1.0，表示受到人為污染；Ci為污染物i的實(shí)測含量，mg/kg；Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用《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)(GB15618-2018)》風(fēng)險(xiǎn)篩選值(選用pH>7.5的限值)，mg/kg。表1

表1 土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值與風(fēng)險(xiǎn)管制值(pH>7.5)
Table 1 The risk screening values and control values for soil contamination (pH>7.5) (mg/kg)

元素ElementCdHgAsPbCrCuNiZn風(fēng)險(xiǎn)篩選值 The risk screening value0.63.425170250100190300風(fēng)險(xiǎn)管制值 The risk control value4.06.01001 0001 300---

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法的計(jì)算公式為：

(2)

式中：P為土壤綜合污染指數(shù)，Pi(ave)為土壤元素中污染指數(shù)的平均值；Pi(max)為土壤元素中污染指數(shù)的最大值。表2

表2 土壤綜合污染程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
Table 2 Standards for soil comprehensive pollution classification

污染等級(jí)Pollution grade12345綜合污染指數(shù) Comprehensive pollution index(P)≤0.70.7～1.01.0～2.02.0～3.0>3.0污染程度 Pollution level安全警戒輕污染中污染重污染

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的計(jì)算公式為：

(3)

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與污染程度關(guān)系
Table 3 The relationship between potential ecological risk coefficient, potential ecological risk index and pollution level

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Potential ecological risk coefficient(Eir)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Potential ecological risk index (RI)污染程度Pollution levelEir<40RI<150輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)40≤Eir<80150≤RI <300中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)80≤Eir<160300≤RI <600較強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)160≤Eir<320Eir≥600很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)Eir≥320-極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中重(類)金屬的含量分布特征

農(nóng)田表層土壤484組取樣點(diǎn)中重(類)金屬元素含量超過《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)(GB15618-2018)》中風(fēng)險(xiǎn)篩選值的個(gè)數(shù)為3，分別位于縣直屬區(qū)、勞改農(nóng)場和阿熱勒鄉(xiāng)，超標(biāo)率0.6%；農(nóng)田土壤取樣點(diǎn)重(類)金屬元素含量均低于標(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)險(xiǎn)管制值，無超風(fēng)險(xiǎn)管制值取樣點(diǎn)。

研究表明，Cd、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的變異系數(shù)均小于25.0%，說明這6種元素在研究區(qū)的含量變化較小，分布較為均勻；Hg和As的變異系數(shù)分別為28.2%和27.9%，略大于其他元素，說明Hg和As的空間分布有一定差異，其污染分布可能與人類活動(dòng)有關(guān)[21]。農(nóng)田土壤取樣點(diǎn)中鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎳(Ni)和鋅(Zn)元素的平均值分別為0.13、0.02、10.67、17.58、51.66、19.32、25.23和56.46 mg/kg。從樣品土壤中重(類)金屬元素含量的平均值和新疆土壤背景值相比可以發(fā)現(xiàn)，Cd、Cr和Hg元素的平均含量略高于其對應(yīng)的背景值，比值分別為1.08、1.05和1.158；仍低于風(fēng)險(xiǎn)篩選限值。As、Pb、Cu、Ni和Zn元素的平均含量與背景值的比值介于0.72～0.95，與成土母質(zhì)基本相同。表4

表4 農(nóng)田土壤重(類)金屬含量特征統(tǒng)計(jì)(n=484)
Table 4 Statistical characteristics of heavy metals (metalloid) in farmland soil(n=484)

元素ElementCdHgAsPbCrCuNiZn最大值 Maximum0.270.04639.629.797.129.434.893.8最小值 Minimum0.080.0075.412.530.312.416.836.8平均值 Mean0.130.019 710.6717.5851.6619.3225.2356.46標(biāo)準(zhǔn)差 Standard deviation0.020.005 62.981.497.782.643.668.36變異系數(shù) Coefficient of variation18.228.227.98.515.113.714.514.8新疆土壤背景值[22-23]Soil background values of Xinjiang.0.120.01711.219.449.326.726.668.8

注:變異系數(shù)為%，其它指標(biāo)單位均為mg/kg

Note: The coefficient of variation is %, and other indicators are in mg/kg

2.2 土壤中重(類)金屬污染評(píng)價(jià)

研究表明，單因子指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，484個(gè)農(nóng)田土壤取樣點(diǎn)中單因子指數(shù)(Pi)大于1.0的取樣點(diǎn)有3個(gè)，元素為As，其余元素的單因子指數(shù)(Pi)均小于1.0，表明只有As在研究區(qū)土壤中存在富集現(xiàn)象，土壤可能受到人為污染[24]，各項(xiàng)重(類)金屬單因子污染指數(shù)均值由高到低依次為：As>Cd>Cr>Cu=Zn>Ni>Pb>Hg。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)結(jié)果表明，土壤中位于縣直屬的1個(gè)取樣點(diǎn)屬于輕污染狀態(tài)(占0.2%)，綜合指數(shù)為1.14；位于勞改農(nóng)場和阿熱勒鄉(xiāng)的2個(gè)取樣點(diǎn)屬于警戒狀態(tài)(占0.4%)，綜合指數(shù)分別為0.76和0.84；其余取樣點(diǎn)屬于安全狀態(tài)，研究區(qū)農(nóng)田土壤重(類)金屬整體處于安全狀態(tài)。表5

2.3 土壤中重(類)金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

研究表明，各項(xiàng)重(類)金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均值由高到低依次為：Cd>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Hg>Zn，土壤中重(類)金屬Cd和As潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的平均值均低于7.00，Hg、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的平均值均低于1.00，輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)占100.0%，表明研究區(qū)土壤中重(類)金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度都較低。通過對各個(gè)土壤取樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)求和，得到484個(gè)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)，RI的最大值為25.67，最小值為9.16，均值為13.72，均低于潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的限值(潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)中輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的限值為150)，表明研究區(qū)農(nóng)田土壤取樣點(diǎn)均屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。表6

表5 農(nóng)田土壤重(類)金屬單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)

Table5EvaluationresultsofSinglefactorindex(Pi)andNemerowcomprehensiveindex(P)ofheavymetals(metalloid)insoil

單因子指數(shù) Single factor index(Pi)元素Element CdHgAsPbCrCuNiZn內(nèi)梅羅綜合指數(shù)(P)Nemerow comprehensive index最大值 Maximum0.450.011.580.170.390.290.180.311.14最小值 Minimum0.1300.220.070.120.120.090.120.18平均值 Mean0.220.010.430.100.210.190.130.190.33超標(biāo)率(%) Exceeding standard rate0.00.00.60.00.00.00.00.00.2

表6 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)評(píng)價(jià)
Table 6 Evaluation results of potential ecological risk coefficient

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù) Potential ecological risk coefficient(E)元素Element CdHgAsPbCrCuNiZn潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Potential ecological risk index (RI)最大值 Maximum13.500.5515.840.870.781.470.920.3125.67最小值 Minimum 4.000.082.160.370.240.620.440.129.16平均值 Mean6.470.234.270.520.410.970.660.1913.72

3 討 論

土壤中重(類)金屬主要來源于大氣沉降、農(nóng)藥、化肥和塑料薄膜使用、污水灌溉和含金屬廢棄物堆積等[24]，研究區(qū)農(nóng)田土壤中有砷(As)元素超過風(fēng)險(xiǎn)篩選值的取樣點(diǎn)，呈點(diǎn)狀分布，均位于農(nóng)用地土壤中，且靠近居民區(qū)。As在農(nóng)業(yè)和工業(yè)方面廣泛應(yīng)用，主要用作毒鼠劑、除草劑、殺菌劑、防腐劑和燃料等。于田縣是以農(nóng)業(yè)為主、農(nóng)牧結(jié)合的中等小縣，該縣特產(chǎn)主要有甘草、大蕓、紅棗、蓯蓉、核桃和棉花等，為大力發(fā)展特產(chǎn)農(nóng)業(yè)，研究區(qū)農(nóng)作物面積逐年增大，據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)水資源公報(bào)(2010-2016)》數(shù)據(jù)顯示，2016年于田縣農(nóng)作物播種面積3.764×104hm2，較2010年增加了2.0%。

于田縣農(nóng)田土壤取樣點(diǎn)中484個(gè)取樣點(diǎn)中，除3個(gè)取樣點(diǎn)中的砷(As)超過標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)篩選值外，重金屬元素含量均低于《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)(GB15618-2018)》中風(fēng)險(xiǎn)篩選值，對農(nóng)產(chǎn)品安全、農(nóng)作物生長或土壤生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)低，一般情況下可以忽略；3個(gè)砷(As)超過標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)篩選值的農(nóng)田取樣點(diǎn)可能存在農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)土壤環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測，原則上應(yīng)當(dāng)采取安全利用措施[16]。農(nóng)田土壤取樣點(diǎn)中沒有超過標(biāo)準(zhǔn)中土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值，食用農(nóng)產(chǎn)品符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

4.1 于田縣農(nóng)田土壤取樣點(diǎn)中重(類)金屬元素含量超過《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)(GB15618-2018)》中風(fēng)險(xiǎn)篩選值的個(gè)數(shù)為3；農(nóng)田土壤取樣點(diǎn)重(類)金屬元素含量均低于標(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)險(xiǎn)管制值，無超風(fēng)險(xiǎn)管制值取樣點(diǎn)。樣品土壤中重(類)金屬元素含量的平均值和新疆土壤背景值相比，Cd、Cr和Hg元素的平均含量高于其對應(yīng)的背景值，比值分別為1.08、1.0和1.158；As、Pb、Cu、Ni和Zn元素的平均含量與背景值的比值介于0.72～0.95，與成土母質(zhì)基本相同。

4.2 土壤中重(類)金屬污染評(píng)價(jià)表明，484個(gè)農(nóng)田土壤取樣點(diǎn)中單因子指數(shù)(Pi)大于1.0的取樣點(diǎn)有3個(gè)(元素為As)，其余元素的單因子指數(shù)(Pi)均小于1.0，表明只有As元素在研究區(qū)土壤中存在富集現(xiàn)象，土壤可能受到人為污染。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)結(jié)果表明，土壤中位于縣直屬的1個(gè)取樣點(diǎn)屬于輕污染狀態(tài)(占0.2%)，位于勞改農(nóng)場和阿熱勒鄉(xiāng)的2個(gè)取樣點(diǎn)屬于警戒狀態(tài)(占0.4%)；其余取樣點(diǎn)屬于安全狀態(tài)，研究區(qū)農(nóng)田土壤重(類)金屬整體處于安全狀態(tài)。

4.3 土壤中重(類)金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明，土壤中重(類)金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度都較低，取樣點(diǎn)均屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。