新疆典型區(qū)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(nóng)業(yè)科學院吐魯番農(nóng)業(yè)科學研究所，新疆吐魯番 838000；2.烏魯木齊市環(huán)境監(jiān)測中心站，烏魯木齊 830091；3.新疆農(nóng)業(yè)科學院拜城農(nóng)業(yè)試驗站/國家土壤質(zhì)量阿克蘇觀測試驗站，新疆阿克蘇 843000；4.新疆農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)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(jīng)成為全球廣泛關(guān)注的環(huán)境問題之一[1-2]。土壤重金屬含量是區(qū)域環(huán)境質(zhì)量評價的依據(jù)之一[3-5]，開展典型區(qū)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(fā)展】目前，新疆重金屬評價相關(guān)研究主要集中于污灌農(nóng)田、綠洲城市工業(yè)、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(tài)風險以Cd 為主。任力民等[7]通過對新疆13個地州農(nóng)田進行土壤重金屬含量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，重金屬As和Cd 的含量均低于土壤環(huán)境質(zhì)量標準農(nóng)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(qū)青河縣大規(guī)模種植的食用向日葵種植地土壤進行了采樣調(diào)查評價。Cd為表層土壤質(zhì)量評價中重點關(guān)注的重金屬[9-12]。部分地區(qū)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(qū)重金屬污染結(jié)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(huán)境質(zhì)量標準農(nóng)用地土壤污染風險篩選值，闡明新疆典型區(qū)域土壤重金屬As和Cd污染特征及風險評價。【擬解決的關(guān)鍵問題】采用污染指數(shù)法和潛在風險指數(shù)法，以新疆典型重金屬污染區(qū)域烏魯木齊縣六十戶鄉(xiāng)、奎屯市123團和127團為研究靶區(qū)，重點分析烏魯木齊縣六十戶鄉(xiāng)6個代表樣點、奎屯市123團和127 團的6個樣區(qū)（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(jù)。

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(qū)域年平均氣溫6.6℃，年日照時數(shù)2 833 h，有效積溫3 400～3 584℃，年均蒸發(fā)量1 787 mm，蒸發(fā)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(fā)量大。年均溫度6.5℃，1月平均溫度-18℃，7月平均溫度25.7℃。區(qū)日照極為豐富，年均日照時數(shù)為2 598.1 h，年均日照率為58%。

在烏魯木齊縣六十戶鄉(xiāng)農(nóng)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(qū)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(diào)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(nóng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)射光譜儀ICP-OMS 測定土壤Cd 和As 含量。為保證實驗數(shù)據(jù)的準確性，部分樣品做平行實驗，相對誤差在5%以內(nèi)；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(shù)法

單因子污染指數(shù)計算：

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

內(nèi)梅羅（Nemerow）綜合污染指數(shù)的計算如公式（2）：

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

依據(jù)《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準》（HJ/T 332-2006）的限量標準評價農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量要求，土壤污染指數(shù)分級[16，17]。表1

表1 土壤污染指數(shù)分級Table 1 The grading of soil pollution indexes

1.2.2.2 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

Hakanson 潛在生態(tài)風險指數(shù)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(shù)；是重金屬i的毒性響應系數(shù)，是重金屬i的潛在生態(tài)危險參數(shù)；RI是多種金屬潛在生態(tài)危險指數(shù)。2中金屬的值分別為：As=10＜Cd=30[17]。表2

表2 重金屬生態(tài)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(shù)據(jù)處理

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

2 結(jié)果與分析

2.1 烏魯木齊縣六十戶鄉(xiāng)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(xiāng)土壤重金屬含量

研究表明，烏魯木齊縣六十戶鄉(xiāng)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(shù)為9.6%；Cd 平均含量0.08 mg/kg，標準差為0.01 mg/kg，變異系數(shù)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(xiāng)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(xiāng)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(shù)分級Table 4 The grading of soil pollution indexes

2.1.3 烏魯木齊縣六十戶鄉(xiāng)潛在生態(tài)風險評價

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

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

2.2 新疆奎屯市農(nóng)田土壤重金屬染分析特征及風險評價

2.2.1 奎屯市農(nóng)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(shù)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(shù)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(nóng)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(huán)境質(zhì)量標準農(nóng)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(nóng)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(shù)分級Table 7 The grading of soil pollution indexes

2.2.3 奎屯市農(nóng)田潛在生態(tài)風險評價

表8 重金屬潛在生態(tài)風險系數(shù)（Eir）和風險指數(shù)（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(nóng)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(guān)，為自然來源。土壤中重金屬的變異系數(shù)可以反映人為因素對重金屬含量的影響，變異系數(shù)越大，人為干擾越強烈[21]。變異系數(shù)可分為3 類，變異系數(shù)＜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(xiāng)典型區(qū)域內(nèi)，As的變異系數(shù)為9.6%，表現(xiàn)為弱變異，Cd 的變異數(shù)系數(shù)為66.7%，表現(xiàn)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(nóng)戶種植蔬菜長期施用農(nóng)家肥有關(guān)。在奎屯市典型區(qū)域內(nèi)，As 的變異系數(shù)為19.78%，Cd 的變異數(shù)系數(shù)為26.67%，均表現(xiàn)為中變異。不同典型區(qū)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(qū)域受人為活動的干擾不同。

以污染指數(shù)、潛在生態(tài)風險指數(shù)法綜合評定烏魯木齊縣六十戶鄉(xiāng)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(yōu)點。六十戶鄉(xiāng)、123團和127團基本上不存在重金屬污染、生態(tài)危險狀況。

4 結(jié)論

烏魯木齊縣六十戶鄉(xiāng)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(xiāng)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(nóng)田潛在生態(tài)風險評價，烏魯木齊縣六十戶鄉(xiāng)以及奎屯市樣點區(qū)均處于低生態(tài)風險程度，典型區(qū)域不存在重金屬污染、生態(tài)危險狀況。