新疆于田县农田土壤重(类)金属污染及潜在生态风险评价

孙英，周金龙，曾妍妍，陈云飞，王松涛，杜江岩

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院/新疆水文水资源工程技术研究中心，乌鲁木齐 830052；2.新疆地矿局第二水文地质工程地质大队，新疆昌吉 831100)

0 引 言

【研究意义】土壤是地球生物圈的重要组成部分，是农业和自然生态系统的基础。土壤作为一种有生命的动态资源，是生产粮食、纤维等的基地，是环境中有害化合物形成、减毒和降解的缓冲剂，具有平衡区域和全球生态系统的功能，在维护地区环境质量方面起重要作用[1-3]。重(类)金属是农产品中四大化学污染物之一，具有隐蔽性、滞后性、形态多样性、累积性和难消除性[4]，由于空气污染和水体污染的直观性，重(类)金属最终都会回归到土壤这个环境要素，人体摄入的某种重(类)金属一旦超过耐受限度，就会引起人体急性、亚急性或慢性中毒，而且这些毒性效应是持久的、不可逆的[3-5]。因此研究农田土壤中重(类)金属对保护农用地土壤环境，管控农用地土壤污染风险，保障农产品质量安全和土壤生态环境具有重要意义。【前人研究进展】根据相关调查显示，目前我国受镉、砷、铬、铅等重(类)金属污染的耕地面积近2 000×104hm2，约占耕地总面积的20%，全国每年因重(类)金属污染而减产粮食超过1 000×104t[6]。【本研究切入点】土壤重(类)金属污染对农用地土壤环境和农作物的产量、品质会有一定影响[7-11]。研究于田县土地数据调查，分析8种重(类)金属元素含量特征。【拟解决的关键问题】以于田县农用地土壤为研究对象，在土壤样品采集的基础上，依据最新试行的《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)》，对土壤中7项重金属元素(镉、汞、铅、铬、铜、镍、锌)和1项类金属元素(砷)进行含量统计分析，对土壤环境质量和潜在生态风险进行评价。为该区土壤环境综合治理、农田土壤重(类)金属污染防治和风险管控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

于田县位于新疆西南部，昆仑山脉北麓，塔克拉玛干沙漠南缘，县域地处E81°9′～82°51′，N35°14′～39°29′，总面积为3.95×104km2，地势南高北低，自南向北形成高山、戈壁、沙漠等地貌单元，有典型的冰川、冻土、火山、沙漠等地貌类型[12]。研究区属暖温带大陆性干旱荒漠气候，主要的气候特点是：昼夜温差大，热量资源丰富，光照充足，降水稀少，蒸发量大，春夏多风沙和浮尘等灾害天气。多年平均气温为11.6℃，平均蒸发量为2 420.23 mm，平均降水量为47.7 mm，多年平均相对湿度为42%，年日照总数为2 769.5 h，日照率为62%，大部分灌区多年平均无霜期为213 d[13]。农作物主要有小麦、玉米、水稻和棉花等。

1.2 方 法

1.2.1 样品采集及测定

于田县农田土壤取样时间为2016年7月，取样点主要布设在旱地、果园、灌木林地和其他林地，采用网格布点法共采集表层土壤样品484组，采样深度为0～20 cm，按照取样密度1点/ km2布设。农田土壤样品采样、保存和送检依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T0295-2016)，采集样品由国土资源部新疆乌鲁木齐矿产资源监督检测中心进行测试，检测项目为pH和8项重(类)金属元素，包括镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、铬(Cr)、铜(Cu)、镍(Ni)和锌(Zn)。根据相关地球化学勘查样品分析方法[14]和《土壤环境监测技术规范：HJ/T166-2004》[15]对农田土壤重(类)金属元素进行检测，其中Pb和Cd元素采用电感耦合等离子体原子发射光谱法，Hg元素采用冷蒸气汞非色散原子荧光光谱法，As元素采用氢化物发生—非色散原子荧光光谱法法，Cr元素采用波长色散X射线荧光光谱法，Ni、Cu和Zn元素采用全谱直读光谱法。Pb、Cd、Hg、As、Cr、Ni、Cu和Zn元素的检出限分别为0.65、0.002、0.0005、0.112、3.505、0.744、0.952和0.644 mg/kg。图1

图1 于田县农田土壤采样点分布
Fig.1 Farmland soil sampling spots in Yutian County

1.2.2 评价

单因子指数法是采用最新颁布的、2018年8月1日起实施的《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)》中的农用地土壤污染风险筛选值和农用地土壤污染风险管制值作为评价标准[16]计算各取样点的单因子指数，通过单因子指数分级标准确定单一污染物对土壤的污染程度[11,17]；内梅罗综合指数法是一种通过单因子污染指数求得综合污染指数，再结合多项指标的综合污染指数分级标准确定各个样品的污染等级，该方法能够综合反映多种污染物对土壤的污染状况程度[10-11]；通过潜在生态风险指数法可以反映单个重(类)金属的污染水平，也可以反映所有重(类)金属污染的联合效应，该方法综合考虑了多元素的浓度、毒性水平、生态敏感性以及协同作用，是一种应用相对广泛的评价沉积物重(类)金属潜在生态风险的一种定量方法[18-19]。

单因子指数法的计算公式为：

Pi=Ci/Si.

(1)

式中：Pi为污染物i的单因子指数，若Pi≤1.0，表示土壤未受到人为污染，若Pi>1.0，表示受到人为污染；Ci为污染物i的实测含量，mg/kg；Si为污染物i的评价标准，采用《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)》风险筛选值(选用pH>7.5的限值)，mg/kg。表1

表1 土壤污染风险筛选值与风险管制值(pH>7.5)
Table 1 The risk screening values and control values for soil contamination (pH>7.5) (mg/kg)

元素ElementCdHgAsPbCrCuNiZn风险筛选值 The risk screening value0.63.425170250100190300风险管制值 The risk control value4.06.01001 0001 300---

内梅罗综合指数法的计算公式为：

(2)

式中：P为土壤综合污染指数，Pi(ave)为土壤元素中污染指数的平均值；Pi(max)为土壤元素中污染指数的最大值。表2

表2 土壤综合污染程度的分级标准
Table 2 Standards for soil comprehensive pollution classification

污染等级Pollution grade12345综合污染指数 Comprehensive pollution index(P)≤0.70.7～1.01.0～2.02.0～3.0>3.0污染程度 Pollution level安全警戒轻污染中污染重污染

潜在生态风险指数法的计算公式为：

(3)

表3 潜在生态风险系数、潜在生态风险指数与污染程度关系
Table 3 The relationship between potential ecological risk coefficient, potential ecological risk index and pollution level

潜在生态风险系数Potential ecological risk coefficient(Eir)潜在生态风险指数Potential ecological risk index (RI)污染程度Pollution levelEir<40RI<150轻微生态风险40≤Eir<80150≤RI <300中等生态风险80≤Eir<160300≤RI <600较强生态风险160≤Eir<320Eir≥600很强生态风险Eir≥320-极强生态风险

2 结果与分析

2.1 土壤中重(类)金属的含量分布特征

农田表层土壤484组取样点中重(类)金属元素含量超过《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)》中风险筛选值的个数为3，分别位于县直属区、劳改农场和阿热勒乡，超标率0.6%；农田土壤取样点重(类)金属元素含量均低于标准中的风险管制值，无超风险管制值取样点。

研究表明，Cd、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的变异系数均小于25.0%，说明这6种元素在研究区的含量变化较小，分布较为均匀；Hg和As的变异系数分别为28.2%和27.9%，略大于其他元素，说明Hg和As的空间分布有一定差异，其污染分布可能与人类活动有关[21]。农田土壤取样点中镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、铬(Cr)、铜(Cu)、镍(Ni)和锌(Zn)元素的平均值分别为0.13、0.02、10.67、17.58、51.66、19.32、25.23和56.46 mg/kg。从样品土壤中重(类)金属元素含量的平均值和新疆土壤背景值相比可以发现，Cd、Cr和Hg元素的平均含量略高于其对应的背景值，比值分别为1.08、1.05和1.158；仍低于风险筛选限值。As、Pb、Cu、Ni和Zn元素的平均含量与背景值的比值介于0.72～0.95，与成土母质基本相同。表4

表4 农田土壤重(类)金属含量特征统计(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标准差 Standard deviation0.020.005 62.981.497.782.643.668.36变异系数 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:变异系数为%，其它指标单位均为mg/kg

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

2.2 土壤中重(类)金属污染评价

研究表明，单因子指数评价结果表明，484个农田土壤取样点中单因子指数(Pi)大于1.0的取样点有3个，元素为As，其余元素的单因子指数(Pi)均小于1.0，表明只有As在研究区土壤中存在富集现象，土壤可能受到人为污染[24]，各项重(类)金属单因子污染指数均值由高到低依次为：As>Cd>Cr>Cu=Zn>Ni>Pb>Hg。内梅罗综合指数结果表明，土壤中位于县直属的1个取样点属于轻污染状态(占0.2%)，综合指数为1.14；位于劳改农场和阿热勒乡的2个取样点属于警戒状态(占0.4%)，综合指数分别为0.76和0.84；其余取样点属于安全状态，研究区农田土壤重(类)金属整体处于安全状态。表5

2.3 土壤中重(类)金属潜在生态风险评价

研究表明，各项重(类)金属潜在生态风险系数均值由高到低依次为：Cd>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Hg>Zn，土壤中重(类)金属Cd和As潜在生态风险系数的平均值均低于7.00，Hg、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn潜在生态风险系数的平均值均低于1.00，轻微生态风险占100.0%，表明研究区土壤中重(类)金属的潜在生态风险程度都较低。通过对各个土壤取样点的潜在生态风险系数求和，得到484个潜在生态风险指数(RI)，RI的最大值为25.67，最小值为9.16，均值为13.72，均低于潜在生态风险指数轻微生态风险的限值(潜在生态风险指数中轻微生态风险的限值为150)，表明研究区农田土壤取样点均属于轻微生态风险。表6

表5 农田土壤重(类)金属单因子指数和内梅罗综合指数评价

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

单因子指数 Single factor index(Pi)元素Element CdHgAsPbCrCuNiZn内梅罗综合指数(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超标率(%) Exceeding standard rate0.00.00.60.00.00.00.00.00.2

表6 潜在生态风险系数评价
Table 6 Evaluation results of potential ecological risk coefficient

潜在生态风险系数 Potential ecological risk coefficient(E)元素Element CdHgAsPbCrCuNiZn潜在生态风险指数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 讨 论

土壤中重(类)金属主要来源于大气沉降、农药、化肥和塑料薄膜使用、污水灌溉和含金属废弃物堆积等[24]，研究区农田土壤中有砷(As)元素超过风险筛选值的取样点，呈点状分布，均位于农用地土壤中，且靠近居民区。As在农业和工业方面广泛应用，主要用作毒鼠剂、除草剂、杀菌剂、防腐剂和燃料等。于田县是以农业为主、农牧结合的中等小县，该县特产主要有甘草、大芸、红枣、苁蓉、核桃和棉花等，为大力发展特产农业，研究区农作物面积逐年增大，据《新疆维吾尔自治区水资源公报(2010-2016)》数据显示，2016年于田县农作物播种面积3.764×104hm2，较2010年增加了2.0%。

于田县农田土壤取样点中484个取样点中，除3个取样点中的砷(As)超过标准风险筛选值外，重金属元素含量均低于《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)》中风险筛选值，对农产品安全、农作物生长或土壤生态环境的风险低，一般情况下可以忽略；3个砷(As)超过标准风险筛选值的农田取样点可能存在农用地土壤污染风险，应当加强土壤环境监测和农产品协同监测，原则上应当采取安全利用措施[16]。农田土壤取样点中没有超过标准中土壤污染风险管制值，食用农产品符合质量安全标准。

4 结 论

4.1 于田县农田土壤取样点中重(类)金属元素含量超过《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)》中风险筛选值的个数为3；农田土壤取样点重(类)金属元素含量均低于标准中的风险管制值，无超风险管制值取样点。样品土壤中重(类)金属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对应的背景值，比值分别为1.08、1.0和1.158；As、Pb、Cu、Ni和Zn元素的平均含量与背景值的比值介于0.72～0.95，与成土母质基本相同。

4.2 土壤中重(类)金属污染评价表明，484个农田土壤取样点中单因子指数(Pi)大于1.0的取样点有3个(元素为As)，其余元素的单因子指数(Pi)均小于1.0，表明只有As元素在研究区土壤中存在富集现象，土壤可能受到人为污染。内梅罗综合指数结果表明，土壤中位于县直属的1个取样点属于轻污染状态(占0.2%)，位于劳改农场和阿热勒乡的2个取样点属于警戒状态(占0.4%)；其余取样点属于安全状态，研究区农田土壤重(类)金属整体处于安全状态。

4.3 土壤中重(类)金属潜在生态风险评价表明，土壤中重(类)金属的潜在生态风险程度都较低，取样点均属于轻微生态风险。