基于地理信息系统技术的新疆焉耆绿洲农田土壤重金属污染评价和潜在生态风险预警*
2017-10-18阿吉古丽马木提麦麦提吐尔逊艾则孜买托合提阿那依提艾尼瓦尔买买提
阿吉古丽·马木提 麦麦提吐尔逊·艾则孜# 买托合提·阿那依提 艾尼瓦尔·买买提
(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054;2.新疆大学化学与化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046)
基于地理信息系统技术的新疆焉耆绿洲农田土壤重金属污染评价和潜在生态风险预警*
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(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054;2.新疆大学化学与化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046)
在新疆焉耆绿洲采集农田土壤，测定As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn等8种重金属的含量。基于地理信息系统(GIS)技术，并采用污染负荷指数(IPL)、潜在生态风险指数(IR)和生态风险预警指数(IER)对焉耆绿洲农田土壤重金属污染状况进行评价。结果表明，焉耆绿洲农田土壤Cd是《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)二级标准限值(0.60mg/kg)的10.13倍。Cd、Cr、Ni、Pb和Zn分别是新疆灌耕土背景值的50.67、1.40、1.33、2.63、4.92倍。农田土壤Cd和Zn呈现重度污染，Pb为中度污染，Cr和Ni为轻度污染，Cu为轻微污染，As与Mn为无污染。重金属IPL平均值为2.00，呈现轻度污染。重金属IR平均值为318.38，属于较强风险。重金属IER平均值为4.83，属于中度预警。重金属IPL、IR与IER空间分布均呈现明显的地带性分布格局。Cd是污染水平与生态风险等级最高的重金属，表明焉耆绿洲农田土壤Cd污染风险必须给予关注。
农田 重金属污染 生态风险 预警 焉耆绿洲
土壤是农业生产的基础资源。重金属是土壤中具有潜在危害的重要污染物，也是影响农产品质量安全的主要污染物[1]。重金属由于具有潜伏性强、迁移速率慢、环境效应复杂等特点，不断积累会导致土壤理化性质恶化，阻碍农作物正常生长；还会通过生态系统间的循环对农作物质量安全、土壤环境安全以及人类健康产生严重威胁，从而成为科学界关注的热点问题[2-4],[5]2964-2965。
近年来，随着我国农业集约化与工农业迅速发展，农田土壤重金属污染风险日益加剧，已成为主要生态环境问题之一[6]。我国土壤污染类型以重金属污染为主，耕地土壤污染超标率达19.4%[7]，受重金属As、Cr、Cd、Hg和Pb污染的耕地总面积约2×107hm2，每年因重金属污染而损失的粮食约1×107t[8]。
农田土壤重金属污染评价与潜在风险预警评估是农田土壤污染防治的重要基础。HAKANSON[9]提出的潜在生态风险指数法和RAPANT等[10]提出的生态风险预警指数法是重金属危害评价、预警中应用最广的方法。蔡立梅等[11]采用地理信息系统(GIS)技术对东莞农田土壤中重金属的空间分布和来源及潜在生态风险进行了分析。柴世伟等[12]的研究表明，广州郊区耕地土壤中Cd的污染程度较高。陈志凡等[13]基于GIS技术，采用反距离加权(IDW)插值法，分析河南某城乡交错区农田土壤重金属空间变异特征，并结合Tessier形态提取法分析了重金属主要来源，研究表明，化肥能对土壤中重金属的空间差异产生一定影响。CAI等[14]分析了惠州农田土壤污染状况，并采用多元统计分析讨论了重金属主要来源，研究表明，惠州农田土壤Cd、Zn、Pb与As污染较重，且Cd、Zn与As主要受到农业活动的影响。CHAI等[15]采用潜在生态风险指数法分析了吉林白城—松原地区草地土壤重金属污染的生态风险，研究表明，Cd对土壤重金属污染生态风险的影响较大。这些研究大多集中于我国东部和中部地区，而关于西北干旱区绿洲农田土壤重金属污染危害方面的研究较少。本研究以新疆典型绿洲——焉耆绿洲(焉耆县灌区)为研究区，测定农田土壤中As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn等8种重金属的含量，基于GIS技术，采用地统计法、污染负荷指数法、潜在生态风险指数法以及生态风险预警指数法，对焉耆绿洲农田土壤重金属污染及其潜在危害进行评估，以期为焉耆绿洲农田土壤环境风险预警和农田土壤环境安全提供科学参考。
1 研究区概况
新疆焉耆绿洲(86°10′E～86°44′E，41°52′N～42°10′N)位于新疆焉耆盆地腹部，东南与博湖相邻，南与库尔勒接界，东北与和硕毗连，北与和静接壤，总面积约786 km2(见图1)，是新疆绿洲经济发展的核心示范区之一，也是新疆番茄与辣椒的重要产地。
研究区包括4乡(北大渠乡、五号渠乡、查汗采开乡、包尔海乡)、4镇(焉耆镇、七个星镇、永宁镇、四十里城子镇)和3个农牧场(王家庄牧场、苏海良种场和丰达试验场)。研究区属于温带大陆性干旱荒漠气候，海拔1 050～1 450 m，多年平均降水量约68 mm，多年平均蒸发量约2 500 mm，多年平均气温约8.8 ℃。因受博斯腾湖水域的调节，冷热变化不剧烈。日照时间长，热量较丰富，≥10 ℃积温约3 700 ℃，农作物生长期为4—9月。研究区土壤主要为灌耕草甸土、灌耕棕漠土、灌耕沼泽土、灌漠土、灌耕石质土、灌耕风沙土、盐土等土壤类型。自然植被以芦苇(Phragmitescommunis)、红柳(Tamarixramosissima)、骆驼刺(Alhagisparsifolia)和香蒲(Typhaorientalis)为主。农作物主要以辣椒、番茄、小麦、棉花和玉米为主[16]。
图1 研究区位置及采样点分布Fig.1 The location of study area and sampling points
2 材料与方法
2.1 土壤样品采集与测定
2016年5月在焉耆绿洲进行农田表层(0～20 cm)土壤样品采样。采样过程参照《农田土壤环境质量监测技术规范》(NY/T 395—2012)[17]，通过网格法并结合遥感、GIS和全球定位系统技术进行采样点布设，共设立53个采样点(见图1)，采样间距为3 km×3 km。每个采样点以梅花形布设5个子样点，每个子样点采集表层土壤0.2 kg左右，将其充分混合后装入自封塑料袋内。所有土壤样品均在室温下风干，用塑料棒碾碎，充分混合后用玛瑙研钵进一步研磨，通过0.15 mm尼龙筛混匀后备用。
实验所用的药品均为优级纯，实验过程中所有玻璃器皿、消解罐等在使用前先用50%(体积分数)HNO3浸泡24 h，用去离子水洗涤干净。用于测定Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn等7种重金属的土壤样品需进行以下处理：称取过筛后的土壤样品0.5 g，置于聚四氟乙烯坩锅中，用少量超纯水润湿后加入2 mL HCl和10 mL HNO3封严并过夜；土壤样品在电热板上以150～250 ℃加热，然后依次加入5 mL HNO3、5 mL HF和5 mL HClO4，放置于电热板上消解至大量白烟冒出且水分近干，土壤样品冷却呈晶体状后用去离子水定容至50 mL；用注射器吸取5 mL消解液，转移至10 mL离心管中冷藏待测。用于测定As的土壤样品需要进行以下处理：称取已过筛的土壤样品0.2～1.0 g于50 mL具塞比色管中，加少许超纯水润湿，加入10 mL王水(HNO3、HCl、去离子水体积比为3∶1∶4)，加塞摇匀；于沸水浴中消解2 h，消解过程中需多次摇晃；消解后冷却至室温，用去离子水稀释至刻度，摇匀后放置；吸取一定量的消解液于50 mL比色管中，加入3 mL HCl、5 mL CH4N2S、5 mL C6H8O6，用去离子水稀释至刻度，摇匀放置，取上清液待测。
重金属含量委托新疆大学理化测试中心测定，测定过程参照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)[18]。Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn采用火焰原子吸收光谱仪(Agilent 200AA)测定，As采用原子荧光光度计(PF-7)测定。每批土壤样品做3次空白样和平行样，取平均值。测定过程中加入国家标准土壤参比物质GSS-5进行质量控制，各重金属的回收率均在允许范围内。
2.2 污染评价方法
以新疆灌耕土背景值[19]为评价依据，采用单因子污染指数法和污染负荷指数法对焉耆绿洲农田土壤重金属污染进行评价。以《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)[20]中的二级标准(pH>7.5)为评价依据，采用潜在生态风险指数法评价焉耆绿洲农田土壤重金属潜在危害；同时，采用生态风险预警指数法对研究区农田土壤生态风险进行预警评估，为研究区农田土壤重金属污染生态风险可能出现的危机建立警报。单因子污染指数(ICF)、污染负荷指数(IPL)、潜在生态风险指数(IR)以及生态风险预警指数(IER)的计算方法可参考文献[5]、[7]、[9]和[21]。污染等级划分：ICF≤0.7或IPL≤0.7为无污染；0.7
2.3 地统计法
地统计法是借助半变异函数，研究既具有结构性又具有随机性，或具有空间依赖性的自然现象的一种方法[22]，已广泛应用于农田土壤重金属含量、污染与生态风险空间分布格局的研究[5]2965-2966,[23]。本研究首先利用GS+ 9.0确定ICF、IPL、IR以及IER的半变异函数理论模型及其相关参数，然后利用ArcGIS 10.3，选择克里金最优内插法，对未采样区域的取值进行估计，最终生成研究区土壤重金属污染及潜在生态风险空间分布图。
3 结果与讨论
3.1 重金属含量统计分析
焉耆绿洲农田土壤中重金属含量统计分析结果如表1所示。
由表1可以看出，研究区农田土壤As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn分别为0.52～17.42、4.00～11.10、33.79～87.22、15.91～74.12、363.10～620.50、26.18～47.94、1.98～72.28、39.30～323.70 mg/kg，波动均较大。As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn的平均值分别为5.23、6.08、55.58、30.57、474.10、35.19、35.46、82.70 mg/kg。Cd的平均值为GB 15618—1995二级标准限值10.13倍；As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的平均值均符合GB 15618—1995二级标准。As、Cu和Mn的平均值未超出新疆灌耕土背景值，Cd、Cr、Ni、Pb和Zn的平均值分别为新疆灌耕土背景值的50.67、1.40、1.33、2.63、4.92倍。As、Pb和Zn的变异系数分别为0.68、0.69、0.52，变异较明显，表明As、Pb和Zn可能受某些局部污染源的影响。Cu的变异系数为0.29，属于中等变异，表明人为因素对Cu积累的影响可能较大。Cd、Cr、Mn、Ni的变异系数均小于0.25，呈现弱变异，表明自然因素可能是主要的影响因素。此外，研究区土壤pH最小值为8.02，最大值为9.18，平均值为8.68，呈现弱碱性，其变异系数为0.03，表明土壤pH分布均匀。
表1 焉耆绿洲土壤重金属统计结果
表2 不同污染等级采样点比例
图2 研究区农田土壤部分重金属的ICF和IPL空间分布格局Fig.2 Spatial distribution of part of ICF and IPL of farmland soil heavy metal in study area
3.2 重金属污染的空间分布格局
焉耆绿洲农田土壤各重金属ICF平均值大小顺序为：Cd(51.73)>Zn(5.17)>Pb(2.57)>Cr(1.39)>Ni(1.36)>Cu(0.87)>Mn(0.70)>As(0.62)。Cd和Zn属于重度污染，Pb属于中度污染，Cr和Ni属于轻度污染，Cu属于轻微污染，As与Mn属于无污染。从各重金属不同污染等级采样点数比例来看(见表2)，大部分采样点Zn均属于重度污染，其比例为97.83%。所有采样点Cd均属于重度污染，表明Cd是研究区农田土壤最主要的污染因子。大部分采样点Cr和Ni属于轻度污染，其比例分别为91.30%、97.83%。大多数采样点Mn属于无污染，其比例为73.91%。焉耆绿洲农田土壤重金属IPL为1.34～2.78，平均值为2.00，属于轻度污染。所有采样点中，属于轻度污染和中度污染的采样点分别占43.48%、56.52%。
基于GIS技术，并结合克里金最优内插法，可以得到焉耆绿洲农田土壤重金属ICF和IPL的空间分布格局。Cd和Zn在空间分布上均表现为中度污染，而Cr和Ni均表现为轻度污染。由图2(a)至图2(d)可以看出，As在研究区东南部(四十里城子镇)出现小范围的轻度污染区，其余大部分区域表现为无污染； Cu在研究区西北部(查汗采开乡)表现为轻度污染，其余大部分区域表现为轻微污染；Mn呈现无污染和轻微污染，污染程度总体较低；Pb在研究区东南部(永宁镇)和西南部(七个星镇和包尔海乡)出现重度污染。IPL呈现明显的地带性分布规律，研究区的东北部(北大渠乡、焉耆镇)和北部呈现轻度污染，其他区域表现为中度污染(见图2(e))。由于IPL突出体现ICF最大的重金属对土壤污染的影响，因此Cd的ICF在IPL中占据了较大的比重，其他重金属对农田土壤的影响被弱化。
3.3 潜在生态风险评价
在计算IR前，对各重金属的单项潜在生态风险指数(IE)先进行了计算，焉耆绿洲农田土壤重金属IE的平均值大小顺序为：Cd(310.37)>Ni(2.99)>As(2.24)>Cu(1.56)>Pb(0.50)>Cr(0.44)>Zn(0.28)。As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的IE均小于40，处于轻微风险。Cd的IE偏高，处于极强风险，表明Cd是研究区最主要的生态风险因子。焉耆绿洲农田土壤重金属IR为210.76～566.44，平均值为318.38。从IR的空间分布格局看(见图3)，IR呈现明显的地带性分布规律，中等风险区主要分布于研究区北部(焉耆县、北大渠乡与查汗采开乡)，南部呈现较强风险。
图3 研究区农田土壤重金属IR空间分布格局Fig.3 Spatial distribution of IR of farmland soil heavy metal in study area
3.4 生态风险预警评估
焉耆绿洲农田土壤重金属生态风险预警源于潜在生态风险评价，但更突出对生态系统可能存在生态风险的警示[24]。结合GIS技术，进行焉耆绿洲农田土壤重金属污染生态风险预警评估。分析结果表明，焉耆绿洲农田土壤重金属IER为1.44～13.64，平均值为4.83，属于中度预警。处于轻度预警、中度预警和重度预警的采样点分别占22.64%、45.28%、32.08%。从IER的空间分布格局来看(见图4)，IER空间分布同样呈现明显的地带性分布规律，研究区南部处于重度预警，北部处于轻度预警和中度预警，且以中度预警为主。
图4 研究区农田土壤重金属IER空间分布格局Fig.4 Spatial distribution of IER of farmland soil heavy metals in study area
4 结 论
(1) 焉耆绿洲农田土壤Cd和Zn属于重度污染，Pb属于中度污染，Cr和Ni属于轻度污染，Cu属于轻微污染，As与Mn属于无污染。农田土壤重金属总体呈现轻度污染，东北部和北部为轻度污染，其他区域为中度污染。
(2) 焉耆绿洲农田土壤Cd处于极强生态风险水平，是最主要的生态风险因子。重金属IR平均值为318.38，呈现较强风险。中等风险区分布于焉耆绿洲北部，较强风险区分布于焉耆绿洲南部。重金属IER平均值为4.83，属于中度预警。焉耆绿洲南部处于重度预警，北部处于轻度预警和中度预警，且以中度预警为主。
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GIStechnology-basedresearchontheheavymetalpollutionevaluationandecologicalriskwarningassessmentoffarmlandsoilsinKarashaharoasis,Xinjiang
AjigulMamut1,MamattursunEziz1,MattohtiAnayit1,AnwarMohammad2.
(1.CollegeofGeographicalScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,UrumqiXinjiang830054;2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,XinjiangUniversity,UrumqiXinjiang830046)
Farmland soil samples were collected from Karashahar oasis,Xinjiang,and the contents of 8 heavy metal elements (As,Cd,Cr,Cu,Mn,Ni,Pb and Zn) were determined. The heavy metal of farmland soils in Karashahar oasis were analyzed based on geographic information system (GIS) technology,pollution load index (IPL),potential ecological risk index (IR) and ecological risk warning index (IER). Results indicated that the average contents of Cd in farmland soils of Karashahar oasis was 10.13 times of the Grade Ⅱ standard value (0.60 mg/kg) of “Environmental quality standard for soil” (GB 15618-1995),whereas the average contents of Cd,Cr,Ni,Pb and Zn were 50.67,1.40,1.33,2.63 and 4.92 times of the background values for irrigation soil in Xinjiang,respectively. For farmland soils,Cd and Zn were in heavy pollution level,with Pb in moderate pollution level,Cr and Ni in light pollution level,Cu in slight pollution and As and Mn in no pollution level. The average value ofIPLfor heavy metals in farmland soil was 2.00,which showed a light pollution level. The average value ofIRwas 318.38,indicating a strong ecological risk situation. The average value ofIERwas 4.83,implying a moderate warning situation. The spatial distribution ofIPL,IRandIERshowed obvious zonal distribution patterns. Cd was a heavy metal element with the highest level of pollution and ecological risk. Therefore,the pollution risk of Cd should be a major concern during the process of agricultural production in Karashahar oasis.
farmland; heavy metal pollution; ecological risk; warning; Karashahar oasis
阿吉古丽·马木提，女，1990年生，硕士研究生，研究方向为干旱区土壤环境安全。#
。
*国家自然科学基金资助项目(No.41561073、No.41361002)；新疆杰出青年科技人才培养项目(No.qn2015jq003)。
10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.016
2016-12-15)
