新疆典型區域土壤重金屬As和Cd分布特征及評價

劉國宏，冷冰冰，扁青永，魏亞媛，王治國

（1.新疆農業科學院吐魯番農業科學研究所，新疆吐魯番 838000；2.烏魯木齊市環境監測中心站，烏魯木齊 830091；3.新疆農業科學院拜城農業試驗站/國家土壤質量阿克蘇觀測試驗站，新疆阿克蘇 843000；4.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091）

0 引言

【研究意義】土壤重金屬污染已經成為全球廣泛關注的環境問題之一[1-2]。土壤重金屬含量是區域環境質量評價的依據之一[3-5]，開展典型區域土壤重金屬評價研究，對其安全評價有實際意義。【前人研究發展】目前，新疆重金屬評價相關研究主要集中于污灌農田、綠洲城市工業、山地等。李敏等[6]通過對新疆6個典型湖泊沉積物中6種重金屬污染特征進行了研究，其中重金屬生態風險以Cd 為主。任力民等[7]通過對新疆13個地州農田進行土壤重金屬含量調查發現，重金屬As和Cd 的含量均低于土壤環境質量標準農用地土壤污染風險篩選值，污染評價均為安全等級。馬玉等[8]通過對阿勒泰地區青河縣大規模種植的食用向日葵種植地土壤進行了采樣調查評價。Cd為表層土壤質量評價中重點關注的重金屬[9-12]。部分地區土壤重金屬As 和Cd 含量也存在超標[13-14]。【本研究切入點】羅艷麗等[13]研究奎屯墾區重金屬污染結果表明，As、Pb、Cd、Cu、Cr、Ni 均超過新疆土壤背景值。賽買提·阿布都熱合曼等[9]烏魯木齊市周邊表層土壤中As和Cd的總平均含量超過新疆土壤元素背景值。尚需比較研究新疆土壤重金屬背景值和土壤環境質量標準農用地土壤污染風險篩選值，闡明新疆典型區域土壤重金屬As和Cd污染特征及風險評價。【擬解決的關鍵問題】采用污染指數法和潛在風險指數法，以新疆典型重金屬污染區域烏魯木齊縣六十戶鄉、奎屯市123團和127團為研究靶區，重點分析烏魯木齊縣六十戶鄉6個代表樣點、奎屯市123團和127 團的6個樣區（典型代表樣點6個）土壤重金屬As和Cd含量，評價其土壤重金屬As和Cd污染水平，為土壤重金屬As 和Cd 污染防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

烏魯木齊縣屬半干旱大陸性氣候，年降雨量183～200 mm，區域年平均氣溫6.6℃，年日照時數2 833 h，有效積溫3 400～3 584℃，年均蒸發量1 787 mm，蒸發量是降雨量的9.77 倍，平均無霜期為166～180 d。

奎屯市位于天山北麓、準噶爾盆地西南邊緣、奎屯河畔（44°19′～44°49′N，84°47′～85°18′E），為大陸性干旱氣候，日照時間長，降水稀少，蒸發量大。年均溫度6.5℃，1月平均溫度-18℃，7月平均溫度25.7℃。區日照極為豐富，年均日照時數為2 598.1 h，年均日照率為58%。

在烏魯木齊縣六十戶鄉農田，選取6個具有代表性樣點進行重金屬樣品采集測定，作物為蔬菜。每個樣點采用多點取樣混合一個代表樣，分別取土壤層0～20 cm的土壤0.5 kg，樣品晾干后粉碎，過孔徑篩（2 mm），保存待測定。

在奎屯墾區123團、127團重金屬點樣的基礎上，首批選取58個原始點位進行調查采樣，最終確定6個典型樣點，因樣點類型豐富，土壤采取0～20 cm、20～40 cm 的農田土壤。每個樣點采用多點取樣混合一個代表樣，分別取土壤層0～20 cm、20～40 cm 的土壤0.5 kg，樣品晾干后粉碎，過孔徑篩（2 mm），保存待測定。

1.2 方法

1.2.1 樣品測定

取0.2 g土壤樣品于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL HNO3和2 mL H2O2。將消解罐按要求密閉放入微波消解儀中，設置程序：160°C，10 min；180°C，1 h，消解程序完畢后，冷卻至30～50°C后，取出。將消解液全部轉移至聚四氟乙烯燒杯中，加入2 mL HF 和1 mL HClO4，在180°C 的加熱板上趕酸，趕酸完畢后，將消解液轉移到50mL容量瓶中，用5%硝酸溶液定容。使用電感耦合等離子體發射光譜儀ICP-OMS 測定土壤Cd 和As 含量。為保證實驗數據的準確性，部分樣品做平行實驗，相對誤差在5%以內；并用國家標準土樣GBW070008 進行回收實驗，標樣回收率在93%～110%[15]。

1.2.2 重金屬污染評價

1.2.2.1 污染指數法

單因子污染指數計算：

式中，Pi為第i污染物的污染指數，Ci為第i污染物的實測值，Si為第i污染物的評價標準。

內梅羅（Nemerow）綜合污染指數的計算如公式（2）：

式中，Px為綜合污染指數，n為污染物總數，Pi為第i污染物的污染指數，Pmax所有污染元素指數中的最大值。

依據《食用農產品產地環境質量評價標準》（HJ/T 332-2006）的限量標準評價農田土壤環境質量要求，土壤污染指數分級[16，17]。表1

表1 土壤污染指數分級Table 1 The grading of soil pollution indexes

1.2.2.2 潛在生態風險指數法

Hakanson 潛在生態風險指數計算：

式中，Ci是重金屬的實測含量，是新疆土壤背景值，是重金屬i的污染參數；是重金屬i的毒性響應系數，是重金屬i的潛在生態危險參數；RI是多種金屬潛在生態危險指數。2中金屬的值分別為：As=10＜Cd=30[17]。表2

表2 重金屬生態風險、污染水平評估標準Table 2 Assessment standards of potential ecological risk coefficient（Eir）and risk indices（RI）of heavy metals

1.3 數據處理

數據使用Excel2020 軟件進行數據計算，SPSS21.0（IBM 公司，美國）進行單因素方差分析（One-way ANOVA）。

2 結果與分析

2.1 烏魯木齊縣六十戶鄉重金屬As、Cd污染分析特征及風險評價

2.1.1 烏魯木齊縣六十戶鄉土壤重金屬含量

研究表明，烏魯木齊縣六十戶鄉重金屬As的平均含量為8.75 mg/kg，標準差為0.84 mg/kg，變異系數為9.6%；Cd 平均含量0.08 mg/kg，標準差為0.01 mg/kg，變異系數為8.7%。6個樣點土壤重金屬As含量差異不大（分別為9.6%，重金屬Cd含量差異較大為66.7%。重金屬As 的平均值和背景值的比值為0.78，各樣點土壤重金屬As的含量低于新疆土壤背景值。重金屬Cd 的平均值和背景值的比值為0.66，各樣點土壤重金屬Cd的含量低于新疆土壤背景值。表3

表3 烏魯木齊縣六十戶鄉土壤重金屬含量Table 3 Soil heavy metal content in the Sixty Household Township s of Urumqi County（mg/kg）

2.1.2 烏魯木齊縣六十戶鄉土壤重金屬評價

研究表明，2種重金屬范圍均為Pi≤1，Px≤0.7，污染水平均為清潔；污染程度排序為：Cd（0.57）＞As（0.35）。土壤As 的Pi在0.37～0.49，土壤Cd 的Pi在0.40～0.48；Px為0.44，污染水平為清潔，作物未受到污染。表4

表4 土壤污染指數分級Table 4 The grading of soil pollution indexes

2.1.3 烏魯木齊縣六十戶鄉潛在生態風險評價

2種重金屬的RI值的范圍為48.03～56.17，生態風險程度（RI＜150）為低。生態風險程度（RI=50.31＜150）為低。表5

表5 重金屬潛在生態風險系數（Eir）和風險指數（R）ITable 5 Potential ecological risk coefficients（Eir）and risk indices（R）Iof heavy metals

2.2 新疆奎屯市農田土壤重金屬染分析特征及風險評價

2.2.1 奎屯市農田土壤重金屬含量

研究表明，重金屬As的平均含量為21.39 mg/kg，標準差為4.23 mg/kg，變異系數為19.78%；重金屬Cd 的平均含量為0.15mg/kg，標準差為0.04mg/kg，變異系數為26.67%。奎屯市6個樣點土壤As、Cd重金屬含量差異不大（分別為19.78%和26.67%）。重金屬As 平均值和背景值比值為1.91，奎屯市農田的重金屬As的含量高于新疆土壤背景值，土壤受到污染，且接近土壤環境質量標準農用地土壤污染風險篩選值。重金屬Cd 平均值和背景值的比值為0.92，土壤未污染。表2，表6

表6 土壤重金屬含量Table 6 Soil heavy metals contents of each survey point

2.2.2 奎屯市農田土壤重金屬污染評價

研究表明，2種重金屬范圍均為Pi≤0.7 或者0.7＜Pi≤1.0，Px≤0.7，污染水平均為清潔或者尚清潔；污染程度排序為Cd（0.61）＞As（0.48）。表7，表8

表7 土壤污染指數分級Table 7 The grading of soil pollution indexes

2.2.3 奎屯市農田潛在生態風險評價

表8 重金屬潛在生態風險系數（Eir）和風險指數（R）ITable 8 Potential ecological risk coefficients（Eir）and risk indices（R）Iof heavy metals

3 討論

土壤重金屬污染源主要來自于廢水、廢氣、農藥、化肥等途徑，且土壤重金屬積累具有必然性[18-20]。研究表明，As和Cd 重金屬元素含量受自然因素的影響，與土壤背景值有關，為自然來源。土壤中重金屬的變異系數可以反映人為因素對重金屬含量的影響，變異系數越大，人為干擾越強烈[21]。變異系數可分為3 類，變異系數＜15%為弱變異，15%～36%為中等變異，＞36%為強變異[9]。在烏魯木齊縣六十戶鄉典型區域內，As的變異系數為9.6%，表現為弱變異，Cd 的變異數系數為66.7%，表現為強變異，重金屬Cd 含量可能受人為來源的控制和影響，主要與農戶種植蔬菜長期施用農家肥有關。在奎屯市典型區域內，As 的變異系數為19.78%，Cd 的變異數系數為26.67%，均表現為中變異。不同典型區域土壤中的重金屬As和Cd 含量差異較大，其重金屬來源較分散，不同區域受人為活動的干擾不同。

以污染指數、潛在生態風險指數法綜合評定烏魯木齊縣六十戶鄉和奎屯市123團和127團的重金屬情況，有更全面、更實時、更準確的優點。六十戶鄉、123團和127團基本上不存在重金屬污染、生態危險狀況。

4 結論

烏魯木齊縣六十戶鄉重金屬As和Cd的平均值和背景值的比值小于1，低于新疆土壤背景值。奎屯市123 團和127 團的6個樣點的重金屬As的平均值和背景值的比值為1.91，高于新疆土壤背景值。重金屬Cd 的平均值和背景值的比值為0.92，低于新疆土壤背景值。烏魯木齊縣六十戶鄉以及奎屯市樣點2種重金屬范圍均為Pi≤0.7或者0.7＜Pi≤1.0，Px≤0.7，污染水平均為清潔或者尚清潔。采取農田潛在生態風險評價，烏魯木齊縣六十戶鄉以及奎屯市樣點區均處于低生態風險程度，典型區域不存在重金屬污染、生態危險狀況。