中寧枸杞地農田土壤重金屬污染特征分析

江海紅 賈 濤

（吳忠市科信環境檢測有限公司 寧夏吳忠 751100）

引言

土壤是維持人類生存和發展的基本自然資源之一。隨著工農業和城市化的快速發展，工業“三廢”排放和農藥、化肥的使用以及城市生活垃圾的產生均有所增加，導致土壤受到不同程度的重金屬污染。根據前人的研究，發現重金屬污染具有難以控制、易于積累、隱蔽性強等特點[1][2]。而截至目前，我國約有17%的耕地遭受重金屬污染，且污染程度不同[3～5]。又有研究發現，重金屬污染既會對土壤生態系統造成破壞，又會在糧食、蔬菜等農產品中積累，最終進入食物鏈，對人體健康構成嚴重威脅[6][7]。土壤中重金屬主要來自2 方面，一方面是自然母質，即土壤形成過程中的原始物質以及地質活動把重金屬從地殼中帶出；另一方面是是人為因素，即人為活動干擾土壤產生的重金屬。其中人為活動的干擾是導致土壤重金屬污染的主要原因。

近年來，在國家“西部大開發”“一帶一路”戰略的引導下，我國中西部地區的經濟得到了快速發展，但隨之而來的是生態環境安全問題日益突出，特別是土壤重金屬污染的問題。因此，本文以寧夏中寧縣舟塔鄉萬畝無公害枸杞示范園為研究對象，對其土壤中的不同重金屬特征進行檢測分析，并利用單因子指數與內梅羅綜合指數法評估其土壤重金屬污染水平，以期為中寧縣以及相關地區農田土壤重金屬污染的研究提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

中寧縣位于寧夏回族自治區中部、寧夏平原南端，地處黃河兩岸，是枸杞的發源地，有“中國枸杞之鄉”的美譽。中寧縣地形以平原為主，屬北溫帶大陸性季風氣候區，具有晝夜溫差大、太陽輻射強、日照充足的特點；該區域黃土土層深厚，土壤類型主要為灰鈣土，局部地區為黃綿土，受氣候和植被的影響，土壤分化不明顯，腐殖質含量低。目前，中寧縣以種植枸杞為主，春小麥、谷子、糜子、紅棗和馬鈴薯等也有少量種植，枸杞因品質好、經濟效益高，成為寧夏優勢特色產業之一，種植面積迅速擴大。

1.2 樣品采集、處理與檢測

本研究共采集了32 個土壤樣品；采樣時間為2022 年10 月；采樣點均為枸杞地，采用平均分布布點法，每個采樣點在1m 的半徑內利用不銹鋼鏟采集0～20cm 的表層土壤樣品4 個，混合后采用四分法留約0.5kg。采樣完成后裝入自封袋中，貼上標簽運回實驗室；在實驗室將釆集的樣品自然晾干，先去除植物殘屑和砂礫等，后研磨過100 目尼龍篩備用。土壤樣品經HNO3-HCl-HF-H2O2消解后，采用電感耦合等離子體發射光譜（ICP-OES）檢測分析6 種重金屬Cu、Cd、Cr、Pb、Zn、Mn 的含量，測定時每個樣品均采用3 組平行試驗，取均值為樣品重金屬濃度[8～10]。

1.3 數據處理與分析

1.3.1 經典統計學分析

運用經典統計學對土壤重金屬元素進行空間變異分析，變異特征主要以變異函數Cv表示，見式（1）。

式中s—標準差；X—變量平均值；Cv—變異程度（通常將變異程度分為3 級，即Cv≤0.1 弱變異性；0.1＜Cv＜1 中等變異性；Cv≥1 強變異性）。

6 種重金屬Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Mn 的國家土壤污染風險篩選值見表1。

表1 國家土壤污染風險篩選值

（單位：mg/kg）

1.3.2 地統計分析

運用地統計學對土壤重金屬元素進行空間變異特征分析，見式（2）。

1.3.3 土壤重金屬污染評價標準

單因子指數與內梅羅綜合污染指數可以全面反映出各污染物的污染狀況，同時突出較高濃度污染物對土壤環境質量的影響，計算分別見式（3）和式（4）。

式中Pi—土壤中重金屬元素i污染指數；Ci—重金屬元素i的含量(mg/kg)；Si—重金屬元素i的土壤元素評價標準[11][12]。

單因子指數與內梅羅綜合指數評價標準分別見表2 和表3。

表2 單因子指數評價標準

表3 內梅羅綜合指數評價標準

2 結果與分析

2.1 中寧枸杞地土壤重金屬含量的描述性統計特征

中寧枸杞地土壤重金屬含量的描述性統計見表4。從數值看，中寧枸杞地土壤6 種重金屬中，Zn、Cu、Pb、Cd、Cr 與Mn 的均值（單位：mg/kg）分別為65.82、36.98、49.2、0.58、132.24 與459.8，均低于國家土壤污染風險篩選值；其含量（單位：mg/kg）分別介于20.58～114.52、6.81～97.66、19.2～168.69、0.02～1.76、38.02～235.39、137.06～697.27，Cd 的極大值明顯超過了國家土壤污染風險篩選值，Cu、Pb 的極大值較為接近國家土壤污染風險篩選值。這說明，中寧枸杞地的部分區域出現了相應重金屬的累積。從變異系數看，中寧枸杞地土壤重金屬含量存在一定的空間分布差異。具體表現為6 種重金屬中，Cd 的變異系數大于1，屬于強變異；其余5 種重金屬的變異系數均介于0.1～1 之間，屬于中等變異。這說明中寧枸杞地土壤中Cd 含量具有較大的空間變異，而其余重金屬含量的空間變異較小。

表4 中寧枸杞地土壤中重金屬含量統計結果（單位：mg/kg）

對中寧枸杞地土壤重金屬進行描述性統計分析，雖然可以反映該區域重金屬含量變化的狀況，但描述性統計的分析方法無法反映其空間結構性與隨機性。因此，還需利用地統計學的方法對重金屬的空間分布做進一步研究。

2.2 中寧枸杞地土壤重金屬的空間特征

利用地統計中的半方差函數對中寧枸杞地土壤重金屬含量空間分布進行研究，得到的半方差函數模型與參數見表5。從所屬模型看，Zn 屬于指數模型，Cd、Cr 屬于球形模型，Pb、Mn、Cu屬于高斯模型。從決定系數看，Zn、Cd、Cr、Pb、Mn與Cu的決定系數（R2）均介于0.214～0.632之間，較好反映了6 種重金屬元素的空間變異結構。從塊金系數看，Zn 與Cr 的塊金系數分別為93.78%與97.74%，這說明中寧枸杞地土壤各樣點的Zn 與Cr 元素呈現出較強的隨機性和獨立性，受耕作措施、施肥、污染等隨機因素的影響大，其余4 種元素的塊金系數均大于25%，說明其受隨機因素的影響較大，受氣候、土壤類型和地形等結構性因素的影響較小。從變程看，Zn、Cd、Cr、Pb、Mn 與Cu 的變程（單位：m）分別為1223、173、282、780、615 與525，這說明Zn、Cd、Cr、Pb、Mn 與Cu 分 別 在1223m、173m、282m、780m、615m 與525m 的范圍內有空間自相關性。

表5 中寧枸杞地土壤重金屬含量地統計分析

2.3 中寧枸杞地土壤重金屬污染評價

利用單因子指數與內梅羅綜合指數法對中寧枸杞地各采樣點土壤重金屬進行分析，具體結果見表6。通過單因子指數分析，發現在中寧枸杞地土壤中，Zn、Pb 的無污染比例為100%，而Cr、Cd 與Cu 的無污染比例分別為88.37%、96.87%與93.75%，輕度污染比例分別為11.63%、3.13%與6.25%，這說明中寧枸杞地未發生Zn、Pb 的污染，Cr、Cd、Cu 呈現一定的輕度污染，無中度與重度污染。通過內梅羅綜合指數分析，發現在中寧枸杞地土壤中，6 種重金屬的無污染比例為92.63%，輕度污染比例為7.37%，無中度與重度污染，這說明中寧枸杞地出現了輕度重金屬污染。

表6 中寧枸杞地土壤重金屬污染指數

2.4 中寧枸杞地土壤重金屬來源分析

中寧枸杞地土壤重金屬來源廣泛，除受成土作用外，還包括工業和交通以及農業行業本身的影響。研究區被道路分割，且周圍有較多民居，部分機動車尾氣以及居民冬季燒煤取暖所產生的污染物質會通過大氣沉降的方式使土壤中的Zn含量增加。汽車輪胎為了增加耐磨性，會在橡膠中添加 Cd，因此交通比較頻繁的地方， Cd 的含量比較多。大量農藥化肥的使用也是導致土壤重金屬含量增加的重要原因。雖然中寧枸杞的抗逆性比較強，但仍然很難避免發生病蟲害（如黑果病和根腐病），需要定期噴施農藥，而可濕性代森鋅會向環境中釋放Zn,長期使用還會造成重金屬的富集；枸杞地土壤使用的肥料主要是氮肥、磷酸肥、硫銨、硝銨、農家肥等，氮肥Pb 含量較高，磷酸肥含較多Cd，未經科學處理的農家肥會將重金屬帶入土壤；而農膜的大量使用，也會導致土壤中Cd 和Pb 含量的增加。枸杞地的灌溉主要依靠黃河水，隨著黃河水水質污染情況加劇，重金屬元素也會在灌溉過程中進行富集。

結論

通過對中寧枸杞地的6 種土壤重金屬進行研究，發現從描述性統計分析看， 6 種重金屬的均值均小于國家土壤污染風險篩選值，但部分區域可能出現了Cd、Cu、Pb 的累積；Cd 屬于強變異，其余5 種重金屬均屬中等變異。從地統計分析看，Zn、Cr 元素的塊金系數很大，說明該區域土壤各樣點的Zn 與Cr 元素呈現出較強的隨機性和獨立性，受耕作措施、施肥、污染等隨機因素的影響大。從單因子指數看，Cd、Cu、Cr 呈現出輕度污染。從內梅羅綜合指數看，土壤中出現了輕度重金屬污染。從來源分析發現，土壤重金屬除受成土作用外，還會受到交通和大氣沉降以及農業中農藥、化肥、灌溉等的影響。