渭干河-库车河绿洲土壤重金属分布特征与生态风险评价

麦尔耶姆·亚森，买买提·沙吾提,2，尼格拉·塔什甫拉提,3，依克丽曼·阿布都米提，马春玥，如则麦麦提·米吉提，马依拉·热合曼，王敬哲



渭干河-库车河绿洲土壤重金属分布特征与生态风险评价

麦尔耶姆·亚森1，买买提·沙吾提1,2※，尼格拉·塔什甫拉提1,3，依克丽曼·阿布都米提1，马春玥1，如则麦麦提·米吉提1，马依拉·热合曼1，王敬哲1

（1. 新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2. 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐830046； 3. 新疆智慧城市与环境建模普通高校重点实验室，乌鲁木齐830046）

随着工业发展和城市化进程的加剧，农用化学物质种类和数量不断增加，导致土壤受到不同程度的重金属污染，农田土壤重金属污染尤为严重。该文以新疆最典型的荒漠绿洲渭库绿洲为研究区，采集土壤样本57个，测定出土壤样本中砷（As）、汞（Hg）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）和铜（Cu）6种元素的含量，分别采用地统计空间分析法、地积累指数法（geo）和潜在生态风险指数（RI）等方法，对研究区土壤重金属污染和潜在生态风险程度做出科学评价，并采用多因子分析方法对重金属的来源进行了讨论。1）研究区Hg、As、Cu、Cr、Pb和Zn 6种土壤重金属平均质量分数分别为2.41、0、37.64、25.25、39.78、15.01 mg/kg，平均含量均未超过国家二级标准，其中Pb的平均含量超过了新疆土壤重金属背景值，存在一定程度的重金属积累；2）由地积累指数法(geo)和潜在生态风险指数（RI）分析得出，研究区土壤重金属的geo均值As(−4.59)

重金属；污染；土壤；渭库绿洲；潜在生态风险；主成分分析

0 引 言

重金属是土壤环境中对土壤质量有着极其重要影响的污染物之一[1-2]。重金属污染通过食物链、地面扬尘及地下水污染等方向影响人类健康和动物生长。随着中国工业，城市经济的发展，废水排放量增加，以土壤重金属含量过高为代表的土壤环境问题越来越突出[3]。由于重金属具有隐蔽性强、危害大、残留时间长及不可逆性等特点，其防治具有一定困难。因此，土壤重金属污染特征及其防治成为环境科学领域研究的热点[1]。

近年来，国内外学者通过田间采样和室内分析[4]、运用地统计法[5-6]、空间分析法和地理加权回归等分析手段[7]，探讨土壤背景值的含义，确定方法、评价指标的基础上[8]，建立单因子指数[9]、内梅罗综合污染指数[10-11]、地累积指数[12-13]、潜在生态风险指数[11]和叠加污染综合指数[14]等指数模型，对工业和矿产资源开发的重金属污染与来源评价[15]、污染机理[16]和周围环境重金属污染特征[17]、预测未来发展趋势[18]等方面进行了大量研究，为合理地改善和提高土壤环境质量、保障人群健康提供重要的科学依据[19]。但是，这些土壤重金属风险评价研究多集中于中国东部、中部等工业发达地区和北方煤矿区[20]，对干旱区典型绿洲人类农业活动对土壤重金属环境的影响研究较少[4,6,9]。随着沿海地区产业加速向欠发达的中西部地区转移，加之西部地区农业生产活动加剧、农药及化肥广泛使用，导致区域土壤退化，土地生产率下降，引起有关部门越来越多的关注[2]。新疆渭干河-库车河绿洲（以下简称渭库绿洲）是较早进行人工灌溉开发的农业地区，更是一个具有千年历史的重要产棉区。随着绿洲人口激增，土地开发利用强度提高，土地质量有所下降，土地利用和保护面临着严峻的挑战[21]。由于渭库绿洲无可比拟的生态重要性及独特性，针对该区域的演变过程、适宜规模、土壤盐渍化、流域水资源特点、气候变化特征等方面已经开展了大量工作[20]，而对该绿洲重金属污染评价研究鲜有报道。鉴于此，本研究通过对渭干河—库车河绿洲土壤中重金属质量分数的测定，分析研究区土壤重金属的空间分布格局、污染特征、潜在生态风险以及重金属来源，探索重金属污染评价方法在干旱区农田绿洲中的应用，为研究区域农田土壤安全利用及农产品安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

渭干河-库车河三角洲绿洲位于塔里木盆地北部，包含阿克苏地区的库车、新和、沙雅3个县，地理坐标80°37′～83°59′E，41°06′～41°40′N（图1），是典型而完整的山前冲洪积扇平原，是阿克苏地区最大的灌溉区及新疆重要的产棉区之一[22]。该绿洲位于中纬度地区，远离海洋，具有气候干旱，降水稀少，风沙频繁，夏季干热，冬季干冷，蒸发量与昼夜温差大的特点。年均气温10.5～11.4 ℃。年降水50.5～66.5 mm，年均蒸发量2 000.7～2 092.0 mm，年均无霜期为240 d。土壤以轻壤和沙壤为主，中壤、重壤、黏土有少量分布，土壤构成物颗粒细，透水性差。区域内主要有渭干河、库车河、塔里木河，区内河流均发源于北部高山区。土地利用类型主要包括耕地、林地、草地、荒地等；盛产棉花（、小麦（）、玉米()、油菜（）等。

图1 土壤采样点分布示意图

1.2 土壤样品采集与处理

该研究区耕地分布比较集中，林-草地和未利用地分布面积较多且相对分散。因此，在综合考虑样点分布的均匀性和研究区域主要土地利用方式等的基础上，参照《农田土壤环境质量监测技术规范》，选取57个有代表性的采样点。研究团队于2016年4月5日至4月20日进行土壤样品的采集。每个样点上，首先按“梅花形”在10 m×10 m范围内布设5个子样点，对0～20 cm土层的土壤子样进行采集；然后将5个子样充分混合，最终得到0.5 kg土壤样品。土壤样品自然风干，剔除样品中的植物根系、有机残渣及可见侵入体，用木棍碾碎，过0.255 mm尼龙筛。

1.3 重金属测定方法

土样烘干至105 ℃，取烘干样品0.50 g，将0.50 g样品轻放于聚四氟乙烯塑料坩埚内，经过王水-氢氟酸（hydrofluoric acid）-高氯酸（perchloric acid）组成的混合酸体系消解，蒸至近干后，用体积分数为10%硝酸（HNO3）加热溶解，直至土壤消解至灰白色、消解液透明澄清为止，待溶液冷却后，再用高纯水定容至20 mL。汞（Hg）和砷（As）基于原子荣光法，利用日立Z-2000原子吸收分光光度计进行铜（Cu）、铬（Cr）、铅（Pb）、锌（Zn）质量分数[12-13]检测，在测定过程中，所有样品均平行试验3次，取平均值。

1.4 评价方法

参照前人研究成果[23]，本研究采用地累积指数法和潜在生态危害指数法进行土壤污染风险评价，并以新疆土壤背景值作为参比值[24]。

1.4.1 地累积指数法

地累积指数法（index of geo accumulation,geo）将人为污染因子、环境地球化学背景值以及自然成岩作用可能引起背景值变动的因子均纳入研究范围内，因此，地累积指数法在土壤重金属污染评价中被广泛应用，计算公式为：

geo=log2[n/(1.5×n)] （1）

式中geo为地累积指数法，n为土壤元素的实测含量；n为土壤元素的背景值，本研究采用新疆土壤背景值。geo的污染分级标准为：geo≤0为无污染(Ⅰ)，0＜geo≤1为轻度污染(Ⅱ)，1＜geo≤2为中度污染(Ⅲ)，2＜geo≤3为重度污染(Ⅳ)，3

1.4.2 潜在生态危害指数

潜在生态危害指数（potential ecological risk index, RI）[25]不仅考虑了多元素的浓度、毒性水平，还考虑了生态敏感性以及协同作用。因此，潜在生态危害指数是一种应用相对广泛的重金属潜在生态风险评价方法。

2 结果分析与讨论

2.1 土壤重金属含量及分布特征

表1表明，研究区域Hg、As、Cu、Cr、Pb和Zn 6种土壤重金属质量分数均值未超过国家二级标准值。其中，Pb的平均值和最大值分别为37.64和69.20 mg/kg，远超19.40 mg/kg的新疆土壤背景值，说明Pb在土壤中有一定的积累；其他重金属含量较低，则表明这些元素在土壤表层中富集不太明显。

表1 研究区土壤重金属含量基本统计结果

注：全部样本数57；耕地数15；林-草地数21；未利用地数21。

Note: All sample number is 57; Crop land sample number is 15; Forest grass land sample number is 21; unused land sample number is 21.

虽然各土地利用类型土壤里重金属含量存在差异，但是这种差异并不明显（图2a），3种土地利用类型中6种土壤重金属元素平均含量（Hg、As、Cu、Cr、Pb、Zn），均未超过国家二级标准值，但是As、Cu、Cr、Pb和Zn的最大值都超过新疆土壤背景值。其中，耕地中Zn的最大值超过了新疆土壤背景值，林、草地和未利用地中pb超过了新疆土壤背景值。变异系数可以衡量一组数据中各个检验值相对离散程度，能够反映总样本值的平均变异程度。从变异系数变化来看（图2b），耕地中的As、Pb、Hg和Zn，林-草地中的As、Pb、Hg、Cr和Zn，以及未利用地中的所有重金属高度变异（CV>36%）[26]，说明这些元素分布不太均匀，As的不均匀程度最为明显；耕地中的Cr 和Cu，林、草地中的Cu分为中度变异(16%

图2 不同土地利用类型重金属含量及变异情况

2.2 土壤重金属空间分布特征

由表1可知，渭库绿洲6种土壤重金属元素质量分数范围较大，为了充分了解研究区土壤重金属污染状况，需要对区域土壤重金属空间分布特征进一步分析。由图3可知，研究区土壤重金属含量均有空间差异，其中As的空间分布差异性最大，而其他Hg、Pb、Cr、Zn 和Cu 5种重金属的分布则较为均匀，重金属含量从西北到东北发生变化，除了As和Hg，其余各重金属含量高值主要集中在，研究区西北部的农田地区和东北部荒漠区。研究区东北部库车河下游，即绿洲外围，包括古河道、河漫滩、泉水溢出带等地下水位和矿化度偏高区出现As的高值，而Hg含量主要集中在渭干河中游，“靠近五一水库”等区域。

2.3 土壤重金属污染特征与潜在生态风险评价

2.3.1土壤重金属污染特征

地累积指数法（geo）计算结果（表2）所示。研究区重金属污染平均值由低到高依次为As

图3 研究区土壤重金属空间分布格局

表2 不同污染级别（Igeo）样本数占样本总数比例

2.3.2 重金属潜在生态风险评价

表3为单项潜在生态危害评价结果。可以看出研究区土壤中重金属潜在生态危害程度Zn

表3 不同重金属单因子潜在生态危害等级样本数占总样本数比例

将重金属综合潜在生态危害进行分级，如表4所示。研究区综合潜在生态指数RI介于10.83～61.43之间，平均值为22.26，处在轻度潜在生态危害水平。3种土地利用类型受到重金属综合污染的程度为林草地<未利用地<耕地。

表4 不同土地类型重金属综合污染指数（RI）

比较地积累指数法（geo）和潜在生态危害指数法（RI）2种评价方式，评价结果基本一致，说明这2种方法的结合使用，既互相补充[26]。综合分析认为，研究区域土壤的重金属污染程度较低，土壤重金属环境质量总体优良，整体上属于无污染水平。

综合潜在生态危害指数分布图（图4），虽然研究区域综合潜在生态危害指数RI处于轻度生态态风险水平，但是不同区域呈现区域差异性。研究区RI的高值区域集于研究区西北、中部和东北部，并呈同心圆状向四周递减，因此，分4个方向（NE、NW、SW、SE）由近处及远处以呈辐射状而取周边土样，样点遍及耕地、林-草地及未利用地3种土地利用类型。通过对研究区域RI在不同方向变化特征分析发现（表5），各分区的RI指数存在一定差异。RI值相对较高的方位分区是西北部（NW）和东北部（NE）2个部分，其中最高值出现在东北部（NE）分区上。一方面，受地理环境的影响，地形北高南低，自西北向东南倾斜和天山上岩石重金属元素被冲刷淋失到农田灌溉区堆积；再加上研究区域北部为渭干河、库车河水系，南部主要为塔里木河水系，不同水系造成的水质差异，使得土壤成分空间异质性较强。因此，西北方向的土壤重金属含量相对较高。另一方面，农民在棉花和林果种植过程中，通常使用的农药、塑料大棚和地膜中含有较为高量的汞、镉、砷及锌等重金属，也有可能导致该地区的土壤重金属再分配。绿洲的南、北部，远离城市，重金属元素的含量相对于其他区域重金属的含量偏低。

图4 研究区土壤重金属综合潜在生态危害指数空间分布图

表5 土壤重金属潜在生态危害指数（RI）评价

2.3.3 土壤重金属污染来源分析

导致土壤重金属污染的因素错综复杂，归纳起来有人文因素和自然因素2个方面[27]。研究区域位于天山南麓，塔里木盆地平原的北部，北起秋里塔格山，东、南、西边为戈壁荒漠和塔克拉玛干沙漠所包围，重金属主要来源于土壤母质、地形地貌、水文环境等自然因素，化肥、农药、薄膜的使用等人为因素，以及自然因子和人为因子组合而成的复合因子[5]。

为了分析研究区域土壤重金属的来源，采用相关关系分析对研究区的6种重金属含量进行了相关分析[28]。相关性分析结果表明（表6），研究区域土壤重金属之间存在一定的相关性，其中，Cu、Zn和Cr之间相关系数较高，分别为0.86和0.8（<0.01），说明这些重金属在特定土壤环境中存在相互联系，显示出很强的同源性。另外，Zn、Cr、Pb、Hg和As呈中度相关，表明同源的概率较大，Hg与其他因素的相关性较低，说明它和其他因素来源可能不相同。为了更精确判别土壤重金属元素之间的来源和联系，可以通过进一步的因子分析[29]。

表6 研究区土壤重金属间相关关系

主成分分析有助于重金属来源的辨识[30]。本文采用主成分分析法，通过降维方法简化综合指标，对研究区土壤重金属来源进行进一步解析，分析结果见表7。对6种重金属的主成分分析和聚类分析结果（表7，图5）进行分析，判识出3种主成分（PC1、PC2、PC3），累计解释了总方差的84.71%；聚类分析将6种重金属分为3类，分别对应各个主成分，进一步验证了主成分分析的结果。

主成分1（PC1）的方差贡献率为49.6%，Cu、Zn、Cr和Pb的因子载荷分别为0.95、0.93、0.81和0.71，均高于其他2个因子（PC2、PC3）的荷载量，与前面的相关性分析结果和重金属空间分布结果基本一致，其中Cu和Cr重金属含量均未超过新疆背景值，但是Zn的最大值、Pb的平均值与最大值都超过新疆背景值（表1），表明其来源比较复杂，可能主要受到自然因子和人为因子的复合影响。研究表明[5,31]土壤中Cr和Cu等元素主要受地球化学成因影响，如Cr本身来自于岩石，经过风化作用进入到土壤和成土母质中[32]，其分布则多与自然因素有关，而Pb和Zn主要来自化肥、农药、薄膜的使用及污水灌溉和汽车尾气排放等人为活动[33]。研究区为新疆重要的棉花（）和林果种植地，作物长期使用以杀虫剂为主的农药及施加以磷为主的化肥，不恰当的使用也会对土壤造成伤害[34]。另外，该绿洲历史悠久、人口密集，新疆重要的石油和天然气开采基地、因开采需要，不断修建公路，汽车数量不断增多、也是其土壤重金属含量受到影响的原因之一。研究表明，汽车轮胎磨损是土壤Zn 含量增加的原因之一[35]。因此推测主成分PC1是自然因子和人为因子的复合影响。

表7 研究区土壤重金属元素因子载荷

图5 研究区土壤重金属聚类分析

主成分PC2对As的载荷量最高，达到0.92，As含量未超过新疆背景值。根据AS含量空间分布图（图3），结合RI空间分布图（图4）可以看出，As含量空间分布差异较大，变异系数为184.6%（表1），表明区域变化不太稳定，其含量高值区集中在渭干河中游，靠近“五一水库”，这与研究区域地表水、地下水等水文环境对土壤重金属的影响有关。由于研究区域主要河流（渭干河）各水系汇集于此，地表水系分布和地下径流过程对土壤重金属运移的影响，地下水灌溉农田、枯丰季节导致水位变化等也对该区域重金属产生影响[36]。同样，PC3对Hg载荷量最高，达到0.93，Hg含量也未超过新疆背景值。对Hg含量空间分布图（图3）和RI空间分布图（图4）进行分析发现，在库车河的下游（东北方向上）Hg含量较大，而且RI值也相对较高。这与研究区域地形北高南低，自西北向东南倾斜等自然因素有很大关系，因为地形地貌主要与土壤中水分运输和物质运移等密切联系，继而影响到重金属的再分配；该区域大量存在的低洼地处利于有机质积累，从而造成重金属富集。因此认为主成分1（PC1）和主成分2（PC2）是自然因子影响。总体而言，渭库绿洲土壤中重金属的分异主要来源于自然因素影响，与该地区地形地貌、成土母质、水文环境密切相关，人为因素虽对土壤重金属富集存在一定的影响，但区域内差异非常小。

3 结 论

1）研究区土壤中6种重金属含量有较大差异，平均含量均未超过国家二级标准，Pb的平均含量均超过新疆土壤重金属元素背景值，存在一定程度的重金属积累。

2）地累积指数法（geo）和潜在生态危害指数（RI）结果看出，研究区土壤重金属的geo均值排序为As(−4.59)

3）相关性分析、聚类分析和主成分分析结果表明，将研究区域重金属的来源可以分为2类；Cu、Zn、Cr和Pb来源可能是成土母质等自然背景和人类农业生产活动复合；As和Hg可能来源于研究区域地形地貌、水文环境等自然背景。

4）虽然研究区域综合生态危害指数RI处于低生态态风险水平，但是各分区的RI指数存在一定差异，其中RI值相对较高的方位分区是西北部（WN）和东北部（EN）2个部分，其中最高值出现在东北部（EN）分区上。这主要与地形北高南低，自西北向东南倾斜，重金属元素被冲刷淋失到在农田灌溉区堆积，再加上研究区域北部主要为渭干河、库车河水系，南部主要为塔里木河水系，由于水系来源的水质差异，使得土壤成分存在差异，可能会对土壤中重金属的空间分布生产一定的影响。

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Distribution of heavy metal pollution and assessment of its potential ecological risks in Ugan-Kuqa River Delta of Xinjiang

Maieryemu Yasen1, Mamat Sawut1,2※, Nigela Taxipulati1,3, Yikiliman Abudoumijiti1, Ma Chunyue1, Ruzimaimaiti Mijiti1, Mayila Rehiman1, Wang Jingzhe1

(1.830046,; 2.830046,;3.830046,)

As the progress of industrial development and urbanization, the quantities and types of agricultural chemicals have been increasing, which has led to heavy metal pollution in soil, and the pollution in agricultural soils was especially serious. In this paper, Ugan-Kuqa River oasis was selected to be study area. The amounts of As, Hg, Pb,Cr, Zn and Cu were determined from 57 soil samples collected in Ugan-Kuqa River oasis. The spatial analysis, geo-accumulation index, and potential ecological risk index were adopted to evaluate the pollution characteristics, pollution degree and potential ecological risks of heavy metal, and the multivariate statistical analysis was adopted for the discussion on heavy metal. The results showed that: 1) The contents of 6 kinds of heavy metals in soils, i.e. Hg, As, Cu, Cr, Pb and Zn, were different, and the average contents were 2.41, 0, 37.64, 25.25, 39.78 and 15.01 mg/kg, respectively; soil heavy metal contents were not higher than national standard level, but Pb content value was higher than the background value of soil in Xinjiang. There is a certain degree of heavy metal pollution in the study area. 2) Through the analysis of geo-accumulation index and potential ecological risk index, the results showed that the heavy metals for the geo-accumulation index value were sorted as As (-4.59) < Hg (-3.62) < Cu (-1.92) < Cr (-1.44) < Zn (0.59) < Pb (0.73), and the potential ecological risk index was 22.26, presenting the non-pollution level of soil heavy metal in research area. 3) By the correlation analysis, principal component analysis and cluster analysis, the sources of heavy metals could be classified 2 categories in the study area. The source of Cu, Zn, Cr and Pb might be from the combined influence of the soil parent material and human agricultural activities. As and Hg might be controlled by landform and hydrologic environment factors. 4) Although the ecological risk index of study area was non-pollution level, there was difference on ecological risk index for different regions; among them, the values of ecological risk index were higher in the areas west-north (WN), north-west (NW) and north-east (NE), and the highest value appeared in the area north- east (NE), which should be on alert. In this paper, the proposed method of analysis can reflect characteristics and source of soil heavy metal quickly and objectively in the oasis, and it can provide scientific basis for evaluation and management of soil environment quality in the oasis.

heavy metals; pollution; soils; Ugan-Kuqa river oasis; potential ecological risk; principle component analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.028

X53; X820.4

A

1002-6819(2017)-20-0226-08

2017-04-24

2017-10-01

国家自然科学基金项目(41361016，40901163，41761077)；新疆大学博士启动基金（BS120116, No. XY110117），新疆维吾尔科技厅基金（2014KL005，2013711014）

麦尔耶姆·亚森，女（维吾尔族），新疆昌吉人，研究方向：资源环境及遥感应用研究。Email：1263705431@qq.com

※通信作者：买买提·沙吾提，男（维吾尔族），新疆喀什人，副教授，博士，主要从事资源环境及遥感应用研究。Email：korxat@xju.edu.cn

麦尔耶姆·亚森，买买提·沙吾提，尼格拉·塔什甫拉提，依克丽曼·阿布都米提，马春玥，如则麦麦提·米吉提，马依拉·热合曼,王敬哲. 渭干河-库车河绿洲土壤重金属分布特征与生态风险评价[J]. 农业工程学报，2017，33(20)：226－233. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.028 http://www.tcsae.org

Maieryemu Yasen, Mamat Sawut, Nigela Taxipulati, Yikiliman Abudoumijiti, Ma Chunyue, Ruzimaimaiti Mijiti, Mayila Rehiman, Wang Jingzhe. Distribution of heavy metal pollution and assessment of its potential ecological risks in Ugan-Kuqa River Delta of Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 226－233. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.028 http://www.tcsae.org