库尔勒香梨主产区土壤重金属污染评价及分布研究

赵多勇,郭庆军，王 成, 康 露,宋 斌，杨 莲,

曹双瑜1，马 磊1，卫 阳1，李明慧1

(1.新疆农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/农业部农产品质量安全风险评估实验室(乌鲁木齐)/

新疆农产品质量安全实验室，乌鲁木齐　830091;2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京　100101)



库尔勒香梨主产区土壤重金属污染评价及分布研究

赵多勇1,郭庆军2，王 成1, 康 露1,宋 斌1，杨 莲1,

曹双瑜1，马 磊1，卫 阳1，李明慧1

(1.新疆农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/农业部农产品质量安全风险评估实验室(乌鲁木齐)/

新疆农产品质量安全实验室，乌鲁木齐830091;2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101)

摘要：【目的】明确新疆库尔勒香梨主产区梨园土壤重金属残留水平及空间分布，并评价其安全性。【方法】以新疆库尔勒市、尉犁县、轮台县、库车县、沙雅县、新和县、阿克苏市、阿瓦提县等8县市香梨主产区为研究区域，采集86份梨园土壤(0~40 cm)，使用电感耦合等离子质谱法测定铅(Pb)、镉(Cd)、砷(As)、铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)6种重金属元素含量，运用风险评价法评价香梨主产区梨园土壤重金属污染程度及其风险大小，明确重点防控因子，采用普通克里格法分析香梨主产区土壤重金属的空间分布。【结果】8个县市香梨主产区土壤中6种重金属元素含量均低于国家标准中最大允许限量。土壤砷、铅、镉、铬、镍、铜单因子污染指数分别为0.442、0.22、0.33、0.18、0.444、0.12，内梅罗指数为0.47。【结论】从重金属污染等级来说，香梨主产区梨园土壤均处于安全级别；从风险控制的角度来说，6种重金属污染风险均在可接受的水平，风险排序由高到低依次为Ni>As>Cd>Pb>Cr>Cu。

关键词：库尔勒香梨；土壤；重金属；污染评价；空间分布

0 引 言

【研究意义】土壤是产地环境的基本要素，良好的产地环境是确保农产品质量安全的基础。铅、镉、砷等重金属是国家环保部重点防控的重金属元素，也是对人体健康危害较大的重金属元素。库尔勒香梨产地土壤环境重金属污染评价是指导林果业安全生产的重要基础，也是特色林果产品质量安全监管及全程质量控制的重要依据。为了保障新疆库尔勒香梨消费安全，增加消费者对库尔勒香梨的消费信心，掌握并分析新疆库尔勒香梨主产区土壤重金属残留水平，对库尔勒香梨全程质量控制具有十分重要的意义。【前人研究进展】库尔勒香梨是新疆特色果品之一，也是新疆巴音郭楞蒙古自治州和阿克苏地区的主导产业。新疆库尔勒香梨作为我国第一个地理标志性农产品，主要分布于新疆库尔勒市、尉犁县、轮台县、库车县、沙雅县、新和县、阿克苏市、阿瓦提县等县市，其特殊的品质与南疆独特的气候、土壤等多种因素形成有关。近10年来，库尔勒香梨种植面积一直稳定在6.67×104hm2(100万亩)以上，产量由2005年的36.8×104t增加至2014年的95×104t吨[1]。近年来，新疆库尔勒香梨已出口到美国、英国、加拿大、澳大利亚、秘鲁、伊朗、新加坡和香港等20多个国家和地区，以库尔勒香梨等为代表的特色农产品在国内外市场占据的地位越来越重要。在从种植到加工的整个链条中，产地环节是最关键的一个环节。随着农药、化肥等农业投入品的不合理使用，梨园土壤环境质量受到了严重威胁，香梨重金属残留已成为人们备受关注的问题。【本研究切入点】以新疆库尔勒香梨主产区梨园土壤为研究对象，重点分析了新疆8县市梨园土壤中Pb、Cd、Ni、As、Cr、Cu等重金属含量，同时评价了土壤重金属污染水平。【拟解决的关键问题】研究产地环节新疆库尔勒香梨存在的关键重金属危害因子，掌握重金属残留水平与污染等级，为管理部门制定风险控制措施提供参考。

1材料与方法

1.1　材 料

研究区域位于天山南麓、塔里木盆地北缘，海拔850~1 125 m，属于内陆干旱温带气候，日光充足，降水量少、蒸发量大。年平均气温为10.5~11.5℃，年降雨量30~80 mm。主要包括新疆库尔勒市、尉犁县、轮台县、库车县、沙雅县、新和县、阿克苏市和阿瓦提县8个县市。

1.1.1库尔勒香梨

库尔勒香梨梨园土壤样品于2013年9月和2014年9月采自新疆8个县市的生产基地，共采集梨园86份土壤样品绘出，采样点具体分布。土壤样品按梅花形布点的方式用取土钻采集0~ 40 cm层次的土壤，将样品混匀后、自然风干、用自动研磨仪粉碎后过100目尼龙筛，收集筛下物备用。表1

表1 库尔勒香梨果园土壤样品信息
Table 1Information of soil sample from pear orchard

序号Num.采样位置Samplelocation样本数Samplesize序号Num.采样位置Samplelocation样本数Samplesize1库尔勒市沙依东园艺场10恰尔巴格乡7和什力克乡3托布力其乡3哈拉玉宫乡2兰干乡4阿瓦提农场32尉犁县兴平乡2尉犁镇1古勒巴格乡1塔里木乡13轮台县哈尔巴克乡2园艺场34沙雅县海楼乡3沙雅镇25阿克苏市拜什吐格曼乡7良种场2依干旗乡106库车县阿拉哈格镇5二八台农场2牙哈镇1齐满镇1尹西哈热镇17新和县排先拜巴扎乡3玉奇喀特乡28阿瓦提县多浪乡1阿依巴格乡2乌鲁却勒镇1青年农场1

1.1.2仪器与设备

主要实验试剂：硝酸(优级纯)、氢氟酸(优级纯)。主要实验设备：天平(AR5120)、实验室电动研磨仪(PUIVerisette 2，德国)、微波消解仪(Mars 240/50型，美国CEM公司)、电感耦合等离子质谱仪(7700X型，美国安捷伦科技公司)。

1.2　方 法

1.2.1 样品消解及重金属测定

土壤样品采用微波消解仪进行消解，土壤样品称样量为0.200 0 g，酸体系为8 mL浓HNO3+ 1 mL HF；采用逐步升温的方式消解，消解温度为190℃。所有样品消解完毕后，均采用超纯水(18.2MΩ)定容后测定。

土壤样品中的Pb、Cd、As、Cr、Ni、Cu等元素含量使用电感耦合等离子质谱仪测定；样品在测定过程中，使用国家标准物质中心的新疆北部土壤(GBW10007426)标准物质作为质控样，进行质量控制。

1.2.2 土壤重金属污染评价1.2.2 .1单因子污染指数法[2-6]

参考食用农产品产地环境质量评价标准(HJ332-2006)[7]，评价库尔勒香梨主产区土壤重金属污染程度。列出评价指数范围及风险等级分级1。单个污染元素的所有分指数的算术平均值计算公式如下。表2

(1)

公式(1)中，Pi为污染指数；Ci为重金属含量实测值；Si为重金属评价标准；i为某种重金属；N为样品总数。

表2基于污染指数的环境介质质量分级
Table2Resultsandstandardsofenvironmentalmediaqualitygradebasedpollutionindices

质量分级QualityGrade指数范围IndexRange评价结果EvaluationResult1PN≤0.7安全20.73严重污染

1.2.2 .2内梅罗指数法[8]

内梅罗指数是一种突出最大值的记权型多因子环境质量指数。土壤等环境介质重金属污染状况综合评价采用内梅罗综合污染指数法，表达式如下：

(2)

公式(2)中，PN为内梅罗综合污染指数；(Ci/Si)max为土壤或灰尘等环境介质重金属元素中污染指数的最大值；(Ci/Si)ave为土壤或灰尘等介质各污染指数的平均值。

2 结果与分析

2.1　梨园土壤重金属含量

库尔勒香梨主产区梨园土壤中Pb、Cd、As、Cr、Ni、Cu的含量统计分析显示。Pb含量范围在11.60~25.88 mg/kg，Cd含量范围为0.14~0.37 mg/kg；As含量范围为5.11~16.54 mg/kg；Cr含量范围为32.43~70.72 mg/kg；Ni含量范围为19.29~43.49 mg/kg；Cu含量范围为16.10~50.78 mg/kg。与食用农产品产地环境质量评价标准[9]中规定的土壤中污染物限量相比，8县市梨园土壤样品6种重金属含量均低于食用农产品产地环境质量评价标准(HJ332-2006)。表3

表3库尔勒香梨主产区土壤(0~40 cm)中重金属含量统计
Table 3 Statistical analysis of heavy metal concentrations in soil from different region(mg/kg)

样品产地Samplesource样本数Samplesize铅(Pb)镉(Cd)砷(As)铬(Cr)镍(Ni)铜(Cu)库尔勒市KorleCity2016.67±2.210.19±0.089.23±1.5642.23±4.6823.95±2.7120.41±2.65尉犁县YuliCounty516.28±1.830.19±0.0511.46±1.4347.35±5.6225.64±4.5522.14±3.16轮台县LuntaiCounty518.83±2.820.20±0.0411.88±2.1057.48±7.9035.22±6.6234.09±10.27沙雅县ShayaCounty517.52±4.940.22±0.0811.88±3.0950.29±13.1829.35±8.7225.62±8.57新和县XinheCounty515.60±1.100.19±0.0110.39±0.9645.52±4.6524.93±2.7621.20±3.34库车县KucheCounty518.01±2.140.20±0.0111.88±1.0655.07±6.0630.68±3.6826.61±3.76阿克苏市AkesuCity1020.18±1.480.21±0.0113.38±1.9744.41±6.8026.71±3.6124.50±3.43阿瓦提县AwatiCounty514.65±2.040.18±0.0311.35±1.4140.13±5.2824.36±3.1120.89±3.43最小值Max11.600.145.1132.4319.2916.10最大值Min25.880.3716.5470.7243.4950.78算数平均值Ave17.330.2011.0446.1326.6223.87限量标准a(pH>7.5)Limitstandard800.602525060200

2.2 　梨园土壤重金属污染安全性评价

运用单因子污染指数法对研究区域土壤重金属污染水平进行评价，土壤重金属污染评价结果。结果表明，Pb、Cd、As、Cr、Ni、Cu的单因子污染指数范围分别为0.18~0.24、0.31~0.37、0.37~0.54、0.16~0.23、0.41~0.59、0.10~0.17，由单因子污染指数范围可知，香梨主产区梨园土壤6种重金属含量均处于安全级别。若从控制风险的角度来说，6种重金属的风险级别由大到小依次为Ni>As>Cd>Pb>Cr>Cu；这说明Ni和As虽然均处于安全级别，但二者是6种重金属中今后重点监控的重金属污染因子。同时，由内梅罗指数计算可知，该指数为0.47，说明8县市梨园土壤(0 ~ 40 cm)处于安全级别。表4

新疆库尔勒香梨主产区8县市梨园土壤(0~ 40 cm)6种重金属含量空间分布结果可以看出，香梨主产区8县市梨园土壤中6种重金属含量均低于食用农产品产地环境质量评价标准，但也存在一定的空间分布差异。由空间分布图可知，库车县、轮台县梨园土壤中铅、铬、镍和铜含量略高于其他县市，尉犁县镉、砷、铬、镍含量相对低于其他县市。图1~6

表4库尔勒香梨主产区土壤(0~ 40 cm)中重金属污染评价(单因子污染指数Pi)
Table 4 Evaluation results of heavy metal pollution in soil from different region (single-factor index)

样品产地Samplesource铅(Pb)镉(Cd)砷(As)铬(Cr)镍(Ni)铜(Cu)库尔勒市KorleCity0.210.310.370.170.400.10尉犁县YuliCounty0.200.320.460.190.430.11轮台县LuntaiCounty0.240.340.480.230.590.17沙雅县ShayaCounty0.220.370.480.200.490.13新和县XinheCounty0.200.320.420.180.420.11库车县KucheCounty0.230.330.480.220.510.13阿克苏市AkesuCity0.250.350.540.180.450.12阿瓦提县AwatiCounty0.180.310.450.160.410.10算数平均值Ave0.220.330.4420.180.4440.12

图1 梨园土壤(0~40 cm)铅含量空间分布
Fig.1Spatial distribution of Pb in soil(0-40 cm)from pear orchard

图2 梨园土壤(0~40 cm)镉含量空间分布
Fig.2Spatial distribution of Cd in soil(0-40 cm)from pear orchard

图3梨园土壤(0~40 cm)砷含量空间分布
Fig.3Spatial distribution of As in soil(0-40 cm)from pear orchard

图4梨园土壤(0~40 cm)铬含量空间分布
Fig.4Spatial distribution of Cr in soil(0-40 cm)from pear orchard

图5梨园土壤(0~40 cm)镍含量空间分布
Fig.5Spatial distribution of Ni in soil(0-40 cm)from pear orchard

图6梨园土壤(0~40 cm)铜含量空间分布
Fig.6Spatial distribution of Cu in soil(0-40 cm)from pear orchard

3 讨 论

研究比较分析了8个县市香梨主产区梨园土壤中重金属含量，同时评价了多种重金属污染水平，6种重金属在不同产地的含量表现规律不同，8县市梨园土壤样品6种重金属含量均低于食用农产品产地环境质量评价标准(HJ332-2006)，例如，在土壤中的Pb、Cd、Ni、As、Cr、Cu等6种重金属是国家重点防控的危害因子，而在香梨主产区梨园土壤中Pb、Cd、As、Cr等污染级别较低，这可能与产地环境工业污染小，属于非交通要道区域有关。Chen等[9]探讨了8种国产梨品种的矿物元素含量，结果表明，库尔勒香梨、砀山梨、鸭梨、京白梨、南果梨、五九香梨、湖南沙梨、二宫白梨等8种国产梨中，K、Na、Ca、Mg、Zn、Cu、Fe、Mn、B等矿物元素组成存在一定的差异，其中，库尔勒香梨中K元素显著高于其他梨品种，说明香梨产地境可能是引起果实矿质元素升高的重要原因。古丽巴哈尔·沙吾提等[10]探讨了库尔勒香梨与喀什地方梨中的Ca、Zn、Fe、Cu、K、Na、Co、Ni等8种矿物元素含量差异，结果表明，库尔勒香梨中Fe、Mg等元素远高于喀什地方梨，而Ca、Zn、Cu、K、Na、Co和Ni等元素低于喀什地方梨。上述研究均说明，土壤环境或者农业投入品的使用等因素有可能是导致香梨果实变化的因素，梨园土壤重金属元素与果实重金属元素的含量关系还有待于进一步深入探讨。

4 结 论

4.18个县市香梨主产区土壤中6种重金属含量均低于国家标准中最大允许限量，处于安全级别。若从风险控制的角度来说，As和Ni是今后库尔勒香梨主产区土壤需要重点监控的重金属污染因子。

4.28个县市库尔勒香梨主产区香梨产品中6种重金属含量远远低于国家标准中最大允许限量，均处于安全级别。

4.3库尔勒香梨产地土壤中6种重金属含量均未超过国家限量标准，但从风险控制的角度来说，从风险控制的角度来说，6种重金属污染风险均在可接受的水平，风险排序由高到低依次为Ni>As>Cd>Pb>Cr>Cu。

致谢:新疆巴音郭楞蒙古自治州沙依东园艺场、库尔勒市农产品质量安全检验检测中心、阿克苏市农产品质量安全检验检测中心，库车县农产品检测中心、轮台县农业局、尉犁县农业局、沙雅县、新和县农产品检测中心的相关人员参与了采样工作，在此一并致以诚挚的谢意。

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Fund project:Science and Technology Project on aid to Xinjiang Uygur Autonomous Region (201491117)，China Postdoctoral Science Foundation Project(2014M562484)，National Project of Fruit Quality and Safety Risk Assessment(GJFP2015002)，Xinjiang Training Project for the Young Doctor Talent of Science and Technology(2013731010)，National Natural Science Foundation of China(41563002)，，

Evaluation and Distribution on Heavy Metal Pollution of Original

Environment of Kuerle Pear in Xinjiang

ZHAO Duo-yong, GUO Qing-jun, WANG Cheng, KANG Lu, SONG Bin, YANG Lian,

CAO Shuang-yu, MA Lei, WEI Yang, LI Ming-hui

(1.ResearchInstituteofQualityStandards&TestingTechnologyforAgro-Products,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,LaboratoryofQualityandSafetyRiskAssessmentforAgro-Products(Urumqi),MinistryofAgriculture/KeyLaboratoryofAgro-productsQualityandSafetyofXinjiang, /Xinjianglaboratoryofagro-productsqualityandsafety,Urumqi830091,China；2.InstituteofGeographicalSciencesandResources,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

Abstract：【Objective】 This project aims to identify the level of the heavy metal residue in Xinjiang Korla Pear and its origin environment and to assess and analyze the safety of the level of residue. 【Method】This experiment was conducted at Korla City, Yuli County, Luntai County, Kuche County, Shaya County, Xinhe County, Akesu City, Awati County, eight main producing areas of the Xinjiang Kuerle pear production. The total of 86 soil samples (0-40 cm) were collected, then inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) method were adopted to determine the content of Pb, Cd, As, Cr, Ni, Cu in these samples respectively. The level of the pollution and the magnitude of the risk from heavy metal in origin environment (including soil) was assessed by risk evaluation method. 【Result】The residues of Pb, Cd, As, Cr, Ni, Cu in soil from eight main producing areas were all below the maximum residue limit requirement of the national standard. Single factor pollution indexs of As, Pb, Cd, Cr, Ni, Cu in soil were 0.442, 0.22, 0.33, 0.18, 0.444, 0.12, and the Nemero index was 0.47. 【Conclusion】According to the level of the heavy metal pollution, surface layer soil were all at safety grade. From the risk management angle, the pollution risk of Pb, Cd, As, Cr, Ni, Cu are all be accepted. The risk from high level to low level was Ni > As > Cd > Pb > Cr > Cu.

Key words:Xinjiang Korla Fragrant Pear; soil; heavy metal; pollution evaluation; spatial distribution

通讯作者:王成(1971-)，男，陕西白河人，研究员，研究方向为农产品质量安全与检测技术，(E-mail)wangcheng312@sina.com

作者简介:赵多勇(1980-)，男，新疆奇台人，副研究员，博士，研究方向为农产品质量与食物安全，(E-mail)luckydyz@163.com

基金项目:自治区科技支疆项目计划(201491117)；国家博士后基金面上项目(2014M562484)；国家果品质量安全风险评估专项(GJFP2015002)；新疆自治区青年博士科技人才培养项目(2013731010)；国家自然科学基金项目(41563002)

收稿日期：2015-07-13

中图分类号：S661.2,X825，X56

文献标识码：A

文章编号：1001-4330(2016)02-0332-07

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2016.02.020