农田土壤重金属含量及生态风险程度评价

2022-02-21雷雷佳殷新贡璐刘卫国

新疆农业科学 2022年9期

雷雷佳，殷新，贡璐，刘卫国

（新疆大学资源与环境科学学院/绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046）

0 引言

【研究意义】土壤是陆地生态系统的重要组成部分[1]。重金属等具有生理毒性的物质[2]。重金属具有极强的富集能力和污染能力[3]。在农田土壤中，以污水灌溉、大气沉降、农药使用等方式造成重金属在土壤中不断累积，引起土壤质量变化，阻碍植物生长下降[4]，并且在转移过程中会影响周边生态环境[5]，造成潜在生态风险[6]。研究土壤中重金属含量特征，对分析生态风险评价具有重要意义。【前人研究进展】农田土壤重金属生态风险评价是一种通过数据分析，评价自然因素与人为因素中风险源对农田生态系统可能造成生态效应的方法[7]。对土壤重金属污染分布及生态风险评价有文献研究[3]，取得研究成果[8]。但研究大多集中于我国中东部地区[9]，对西北干旱、半干旱地区缺乏研究。李吉玫等[10]已对乌鲁木齐不同区域林带土壤进行重金属污染特征分析。姣哈尔·红卫等[11]对乌鲁木齐雅山山地土壤受再生水灌溉后的重金属含量进行研究。【本研究切入点】目前研究多局限于乌鲁木齐城区、山地土壤，对乌鲁木齐米东区的农田土壤重金属状况、评价及来源分析尚显不足。需研究乌鲁木齐米东区土壤重金属含量特征。【拟解决的关键问题】以干旱区农产品基地米东区为研究区，研究土壤重金属地累积指数现状与潜在生态风险空间分布，采用主成分分析法对污染可能来源进行分析，为干旱区农田土壤重金属管控及潜在生态风险预警提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

乌鲁木齐米东区地理坐标E87°06′～88°08′N43°44′～45°00′，位于乌鲁木齐东北郊，距乌鲁木齐市中心城区15 km。冬季严寒，夏季酷热，蒸发量大，气候属温带大陆性气候。年气温38～27℃，年均降水量260 mm[12]。分布包括水磨沟河等在内的7条河流[13]。研究区土壤属灰漠土，以小麦、玉米和蔬菜类为主种植，主要使用化肥、农家肥[14]。

以乌鲁木齐市米东区农田土壤为研究对象，结合米东区土地利用现状、地形等情况，于2018年生长季，以随机布点与网格布点结合的方式布设样点，采集82个土壤样品。记录每个采样点周边环境特征、坐标、土壤类型等，梅花点法取0～20 cm表层农田土壤，混匀后四分法制成1 kg土壤样品，所有样品编号后均装入聚乙烯密封塑料袋中带回实验室。

1.2 方法

1.2.1 样品处理与测定

土样去除杂物，风干研磨，过100目尼龙筛后备用。烧杯中称取10 g过好筛的土壤样品，加入无CO2蒸馏水25 mL，持续搅拌1 min，静置0.5 h，检测待测液pH值。称取约0.5 g原始样品，研磨后土壤样品经HClO4-HNO3-HF消解，用电感耦合等离子体发射质谱仪测试Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量；经H2SO4-HNO3-KMnO4消解后，用原子荧光光度计测定As和Hg的含量，采用国家一级标准物质GBW07418～GBW07422（土壤）进行质量控制，回收率均处于允许范围内。

1.2.2 地累积指数法

地累积指数（Igeo）用于研究沉积物中重金属的污染程度[15]。运用于土壤中重金属的污染程度[16]。

式中Igeo为地累积指数，Cn为待测土壤样品中元素n的测试浓度（mg/kg），Bn为样品中元素n的地球化学背景值（mg/kg），取新疆土壤背景值[17]。使用1.5的系数[18]，Igeo分级标准。无污染Igeo≤0；轻度污染0＜Igeo＜1；中度污染1＜Igeo＜2；重度污染2＜Igeo＜3；严重污染Igeo≥3。

1.2.3 Hakanson潜在生态危害指数法

Hakanson潜在生态危害指数法将沉积学方法应用于重金属污染物[19]。

式中，中Ci f为污染物i的单因子污染指数；Ci污染物含量实测值，mg/kg；由于研究区域米东区为农田土壤，Cin重金属污染物含量参比值取自《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ/T 332-2006）[20]，mg/kg；Eir为污染物i的潜在生态风险系数；Tir为重金属毒性响应系数，Hakanson给出的重金属毒性系数为Hg=40＞Cd=30＞As=10=＞=Pb=Cu=Ni=5＞Cr=2＞Zn=1；RI为潜在生态危害指数。表1

表1 潜在生态危害指数分级标准Table 1 Potential ecological hazard index classification standard

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量的描述性统计

研究表明，土壤中8种重金属测定的范围是：As（6.39）1.07～98.70 mg/kg，Cd（0.40）0.08～19.60 mg/kg，Cr（41.37）25.60～64.30 mg/kg，Hg（0.08）0.02～0.25 mg/kg，Pb（18.65）12.20～38.80 mg/kg，Cu（32.20）22.50～49.30 mg/kg，Zn（93.18）67.40～221.00 mg/kg，Ni（23.66）14.60～34.80 mg/kg。82个样品土壤重金属pH值7.51～8.62，均值为8.04，整体为碱性土壤。As、Cr、Pb、Ni平均含量均低于新疆土壤背景值，采样点土壤重金属含量平均值均小于评价标准。

研究区土壤8种重金属存在中等到高度变异，变异系数大小排序分别为Cd＞As＞Hg＞Zn＞Ni＞Cr=Cu＞Pb。As、Cd、Hg、Pb和Zn在土壤中的偏度和峰度值较大，显示正偏向和高峰度。表2

表2 研究区土壤重金属含量描述性统计Table 2 Descriptive statistics of heavy metal content in soil in the study area

2.2 土壤重金属污染评价

研究表明，8种重金属As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni的Igeo值分别为-3.97～2.55，-1.10～6.77，-1.53～-0.20，-1.00-3.06，0.42～1.33，-0.83～0.30，-0.61～1.10，-1.45～-0.20。8种重金属Igeo值从大到小顺序为Hg＞Pb＞Cd＞Zn＞Cu＞Ni＞Cr＞As，其中Pb平均值为0.64，Hg平均值为1.24，研究区7种重金属整体处于轻度污染水平。图1

图1 研究区土壤地累积指数统计Fig.1 Statistical chart of soil land accumulation index in the study area

研究区土壤Cr、Ni为无污染，As、Cd、Pb、Cu、Zn大部分为无污染或轻度污染。图2

图2 研究区土壤重金属程度Fig.2 Histogram of soil heavy metal pollution in the study area

2.3 诱饵表达载体自激活及功能检测

2.3.1 单因子污染指数评价

研究表明，单因子污染指数污染程度排序为Cd＞Ni＞Cu＞Zn＞As＞Pb＞Cr＞Hg。Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni平均值为0.17、0.08、0.23、0.32、0.31、0.39，均小于1，其污染程度均处于轻度污染。As平均值分别为0.26，为轻度污染。Cd均值为0.67，为轻度污染。表3

表3 土壤重金属单因子污染指数Cif评价Table 3 Table of evaluation results of single factor pollution index Cif of heavy metals in soil

2.3.2 潜在生态风险评价

研究表明，8种重金属潜在生态风险系数Eir平均值分别为2.56、20.15、0.33、3.31、1.17、1.61、0.31、1.97。As、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni7种重金属的生态风险等级完全处于低危害风险等级，对研究区土壤产生的生态风险较小。Cd98.78%处于低潜在生态风险水平。表4

研究区农田土壤重金属潜在生态危害指数范围为12.22～1032.76，均值为31.41，研究区整体处于低潜在生态风险水平。潜在生态危害指数RI的分布于北部数值较低，西南部及中部数值较高。研究区中部、中北部及西南部区域处于低潜在生态风险水平。Cd对潜在生态危害指数的贡献高达64.15%，Hg的贡献率较其他6种重金属占一定比例，为10.54%。图3，表4～表6

表4 土壤重金属潜在生态风险系数Eir及潜在生态危害指数RI评价Table 4 Table of evaluation results of potential ecological risk coefficient Eir and potential ecological harm index RI of soil heavy metals

表6 研究区土壤重金属含量主成分Table 6 Principal component analysis of heavy metal content in soil in the study area

图3 研究区土壤重金属潜在生态危害指数RI分布Fig.3 Distribution of potential ecological harm index RI of heavy metals in soil in the study area

3 讨论

表5 研究区土壤重金属含量相关性Table 5 Correlation analysis of heavy metal content in soil in the study area

Cd、Hg、As呈现出高变异，其余5种重金属均呈现出中等程度变异[21]。土壤重金属污染物来源复杂，相关分析一定程度上能反映8种重金属元素之间的相互依存关系，如果重金属元素高度线性相关，则表明来源可能相同或相似，反之亦然[25]。研究区农田土壤8种重金属的潜在生态风险系数均值小于40，该地区土壤潜在生态风险程度较低，与孙英等[22]对新疆于田县农田土壤的研究结果相似。Hg、Cd是研究区潜在生态风险指数RI的主要贡献因子，与米热阿地力·库尔班等[23]对乌鲁木齐北郊蔬菜基地土壤、王文全等[13]针对米东区农田土壤、胡慧玲等[24]针对乌鲁木齐市郊安宁渠区菜田土壤的研究结果相似。Cd-As-Pb-Zn-Cu，Cr-Ni之间存在一定的相关性，Cd-As、Pb-As、Cu-Pb、Zn-Pb的相关系数分别0.960、0.758、0.647、0.722，较高且均达到极显著相关（P＜0.01）水平，之间可能存在相同来源。Cr-Ni的相关系数为0.866，呈极显著正相关（P＜0.01）水平，二者存在良好伴生关系。Hg与其余7种重金属均不呈显著性相关，与同处于干旱区的张掖市[21]、伊宁市[26]的研究结果相似。

三个主成分累积方差占总方差的87.488%，基本能够解释8种重金属来源的大量信息。同一成分中具有高因子载荷的重金属存在相同来源。Pb、Zn、As、Cd、Cu的因子载荷量在第一主成分中较高，具备相同来源。其均值分别为新疆土壤背景值的0.96倍、1.35倍、0.57倍、3.34倍、1.21倍。Zn、Cd、Cu在研究区土壤中有一定累积。Pb、As均未超过土壤背景值，二者可能主要受成土母质与地质影响[23]。研究区为农田土壤[13]。第一主成分可视为自然源和人为影响源的复合源。Cr、Ni因子载荷在第二主成分因子中较高。Cr、Ni含量平均值均未超过新疆土壤背景值，研究区农田土壤中Cr、Ni含量可能受成土母质的影响，第二主成分可视为为自然源[28]。Hg因子载荷在第三主成分因子中较高，为0.766。