西藏年楚河流域农用地土壤重金属分布与生态风险评价

杜梅，张强英，任培，高爽，布多

西藏大学理学院

随着我国工农业生产的发展，人们赖以生存的土地资源也受到影响，近年来土壤重金属污染较为突出。2014年全国污染土壤状况调查显示，我国耕地土壤主要受到重金属污染，土壤污染点位超标率为19.4%[1]。重金属可在植物中富集，通过食物链造成的二次污染威胁着人类健康。矿山开采、污水灌溉、农药的使用等均为造成重金属污染的成因，与自然污染源相比，人类的污染行为在重金属污染中占主导地位[2]。由于重金属对不同理化性质的土壤影响不同[3-4]，重金属污染又具有长期性、复杂性、潜在性等特点，因此对土壤重金属污染的研究至关重要。

研究表明[5]，西藏社会经济的发展对土壤质量产生一定的影响。杨安等[6]对西藏中部河流、湖泊表层沉积物和周边土壤进行研究，发现Hg和As污染较为严重；刘青海等[7]针对拉萨4个县的蔬菜生产基地土壤重金属污染状况研究，表明达孜区与城关区温室基地土壤受到Cd污染。李丹等[8]对“一江两河”耕地生态安全进行评价，发现耕地生态安全主要与施用氮、磷肥有关。王伟鹏等[9]对“一江两河”中部地区不同深度土壤重金属进行研究，发现表层土壤Cd达到中度生态风险水平。年楚河流域位于西藏自治区南部，是雅鲁藏布江的一级支流，也是“一江两河”工程的重点开发区，具有重要的生态区位。目前对于年楚河流域段的研究，主要集中于土壤动物群落、水化学特征或是“一江两河”中部地区的土壤重金属研究，针对该流域段农用地土壤重金属的研究较少。笔者按照河流流域空间分布特征进行采样，对农用地土壤重金属进行污染风险评价和来源解析，以期探究农用地土壤重金属污染现状，为区域土壤重金属防治提供理论依据。

1 研究区概况与评价方法

1.1 研究区域概况

年楚河（88°35′E～90°15′E，28°10′N～29°20′N）总长为223 km，流域面积为11 121 km2[10]。流向为东南—西北，流经康马县、江孜县、白朗县和日喀则市。上游段从桑旺错至河源头达巴，为半农半牧区；中游段为达巴至冲巴涌曲汇入口，人口分布较为密集，以农业为主；下游段为冲巴涌曲汇入口以下，在日喀则东北角汇入雅鲁藏布江。流域属温带半干旱季风气候，年均降水量为429 mm，年均气温为6 ℃。作为西藏的“粮仓”，年楚河流域以种植业为主，主要种植青稞、小麦、油菜等农作物。土壤以砂壤土或轻壤土为主，pH为中性至碱性。

1.2 样品采集与分析

在年楚河流域选择江孜县、白朗县耕地（种植青稞和油菜）及农业大棚（种植辣椒、青菜、西葫芦等蔬菜及食用菌）进行土壤样品采集。共设置16个采样点（图1），其中采样点1～9属江孜县，采样点10～16属白朗县。参照HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》，以铁铲采集表层(0～20 cm)土壤装入聚乙烯密封袋中，采集的样品在实验室进行风干、除杂、研磨过筛等预处理后，委托西藏自治区地质矿产勘查开发局中心实验室进行重金属浓度测定。Hg按照GB/T 22105—2008《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定》用AFS-820 原子荧光光谱仪测定；As、Pb、Cd、Cr、Cu、Mn、Zn 和Ni按照 HJ 803—2016《土壤和沉积物12种金属元素的测定 王水提取-电感耦合等离子质谱法》用Nexion 300X电感耦合等离子体质谱仪测定。

图 1 年楚河流域行政区划及采样点分布Fig.1 Administrative divisions and distribution of sampling points in Nianchu River basin

1.3 数据处理分析

运用Excel 2010软件进行数据统计，运用SPSS 25软件进行相关性及因子分析，采用Origin 2018软件绘制图表，采用ArcGIS 10.2软件对数据进行空间表征。

1.4 重金属污染评价方法

1.4.1 单因子污染指数法

单因子污染指数法[11-12]计算公式如下：

式中：Pi为土壤污染物i的单因子污染指数；Ci为土壤污染物i的实测浓度，mg/kg；Si为土壤污染物i的参比值，mg/kg。

1.4.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法可弥补单因子指数法在评价中的不足，能够突出较重的污染物[13-14]。其公式如下：

式中：PN为某采样点的内梅罗综合污染指数；Pavg为土壤中Pi的均值；Pmax为各采样点中土壤Pi的最大值。评价标准见表1。

表 1 单因子指数法与内梅罗指数法评价标准Table 1 Evaluation criteria of single-factor index method and Nemerow index method

1.4.3 地累积指数法

地累积指数法由Müller[15]提出，式中引入了成土母岩引起的背景值变动系数，该方法将自然地质作用和人为活动对重金属的影响都考虑其中，使结果更为直观。计算公式如下：

式中：Igeo为地累积累指数；1.5为受成土母岩影响而采用的变动系数。评价标准可分为7级：Igeo≤0，为清洁；0＜Igeo≤1，为轻度污染；1＜Igeo≤2，为偏中度污染；2＜Igeo≤3，为中度污染；3＜Igeo≤4，为偏重污染；4＜Igeo≤5，为严重污染；Igeo＞5，为极重污染。

1.4.4 污染负荷指数法

该方法由Tomlinson[16]提出，能够反映重金属的污染及贡献程度。计算公式如下：

式中：PLI为某采样点的污染负荷指数；n为污染物i的种类数；CFi为污染物i的单因子指数；PLIzone为某一区域污染负荷指数；m为采样点数量。评价等级分为 4 级：PLIzone＜1，为无污染；1≤PLIzone＜2，为低污染；2≤PLIzone＜3，为中度污染；PLIzone≥3，为强污染。

1.5 重金属风险评价方法

重金属风险评价采用潜在生态风险指数法[17]，该方法由瑞典科学家Hakanson提出，方法的特点是将重金属毒性效应与环境效应相结合。计算公式如下：

式中：RI为某采样点重金属的综合生态风险指数；为污染物i的毒性响应系数；Ei为污染物i的生态

r风险指数。潜在生态风险指数法评价标准如表2所示。

表 2 潜在生态风险指数法评价标准Table 2 Evaluation standard of potential ecological risk index method

2 结果与讨论

2.1 农用地土壤重金属浓度特征

研究区农用地土壤重金属浓度统计结果如表3所示。由表3可知，农用地土壤重金属Mn、Ni和Cr浓度较高，Hg浓度较低。与西藏土壤环境背景值相比，研究区农用地土壤中Hg、Cu、Mn和Ni浓度均超标，其中Hg和Ni浓度最大超标倍数分别为6.19和18.17倍，Zn和As浓度超标率分别为93.75%和68.75%。与GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》比较，土壤As、Cr和Ni浓度均有超标：当6.5＜pH≤7.5时，超标率最大的为Cr和Ni(18.75%)；当pH＞7.5时，超标率最大的是As(37.5%)。用标准偏差与平均值的比值来表示变异系数，变异系数表现为Ni＞Cr＞Hg＞As＞Pb＞Cd=Zn＞Mn＞Cu，除 Ni浓度为强变异外，其余重金属浓度均为中等变异[19]，说明Ni浓度在空间分布上极不均匀，可能受到人为活动影响。

2.2 农用地土壤重金属污染评价

2.2.1Pi与PN评价结果

9种重金属Pi计算结果显示，农用地采样点土壤中重金属超标率最大的为Hg和Cd(100%)，最小的为Pb(12.5%)。Hg、Cr和Ni达到重度污染水平，其中Hg污染较为严重，轻度污染采样点8个，中度污染采样点6个，重度污染采样点2个。Cu虽未达到重度污染水平，但中度污染水平采样点数量为3个，占比18.75%，也应引起关注。Pb和Cu的Pi最大值出现在采样点3(江孜县)；As和Mn的Pi最大值出现在采样点10(白朗县)。采样点农用地土壤中PN最大值为13.12，最小值为1.54，各农用地采样点土壤PN空间分布（图2）表明，研究区农用地土壤已受到不同程度的重金属污染，且从东南到西北方向污染逐渐加重，重度污染集中在白朗县。白朗县农用地为中度到重度污染，采样点15PN最大(13.12)，是由于Ni和Cr的Pi贡献较大所致。江孜县大部分农用地土壤为轻度污染，采样点3的PN最大(2.73)，是由于Hg和Cu的Pi贡献较大所致。

图 2 采样点农用地土壤PN空间分布Fig.2 PN spatial distribution of soil in agricultural land at each sampling point

2.2.2Igeo与PLI评价结果

各采样点农用地土壤9种重金属Igeo分布如图3所示。由图3可知，研究区受到As、Pb、Cd、Cu、Mn和Zn的污染较轻。Hg的轻度污染采样点为11个，占68.75%；中度污染采样点为2个，占12.5%。Cr的轻度污染采样点为3个，占18.75%；中度污染采样点为2个，占12.5%。Ni的轻度污染采样点为4个，占25%；中度污染采样点为3个，占18.75%。江孜县各采样点、白朗县采样点11～12的9种重金属Igeo皆为轻度污染等级。采样点12之后的采样区域，沿西北方向采样点重金属Igeo逐渐增大，Cr和Ni均出现Igeo最大值。各采样点农用地土壤PLI计算结果显示，PLI为1.14～1.96，PLIzone为1.45，表明研究区农用地土壤受重金属污染程度较低。空间分布上，江孜县的采样点4～6区域以及白朗县的采样点12～16区域，PLI逐步增大，污染程度加深。各采样点Igeo和PLI统计结果如表4所示。

表 4 农用地土壤各采样点Igeo和PLI统计结果Table 4 Statistical results of Igeo and PLI at each sampling point of agricultural land soil

图 3 各采样点农用地土壤中9种重金属Igeo统计Fig.3 Igeo distribution of 9 heavy metals in soils of agricultural land at sampling sites

2.2.3 RI评价结果

研究区农用地土壤中9种重金属中Er均值最大的为Hg(89.84)。Hg和Cd的Er显示，大部分农用地土壤处于中等到重度风险等级（图4）。Hg处于中等、重度风险等级的采样点数量为8和7个，分别占总采样点数量的50%和43.8%。Cd的中等风险采样点数量为13个，占总采样点数量的81.25%。空间分布上〔图5（a）〕，Hg的中等风险区主要集中在江孜县，重度风险区位于白朗县。Cd中等污染等级在空间上均匀分布，只有个别采样点为低风险〔图5（b）〕。Ni在研究区域农用地土壤中Er显示主要为低风险，而中等到重度风险集中在白朗县的采样点15～16 区域〔图 5(c)〕。

图 4 各采样点农用地土壤中9种重金属Er统计Fig.4 Er distribution of 9 heavy metals in soils of agricultural land at sampling sites

研究区农用地土壤各采样RI计算结果显示，各采样点RI平均值为185.62，为中等风险水平。中等风险水平采样点11个，占总采样点数量的68.8%；重度风险采样点1个，RI为333.18，其中Hg的贡献量最大(RI为247.69)。重度风险样点为某农业科技博览园的大棚土。王莉霞等[20]也发现蔬菜大棚土中，Hg对RI的贡献率最高，高RI区域分布在交通便捷、种植规模大、种植年限长的地区，而某农业科技博览园符合以上区域特性。将研究区域RI运用反距离插值法进行空间可视化，结果如图6所示。由图6可知，从江孜县至白朗县，在东南—西北方向上农用地土壤中重金属RI逐步增大，其趋势与河流流向一致，农用地土壤重金属污染中等风险区集中在江孜县的采样点3～6、白朗县的采样点10～12和15～16。重度风险区位于白朗县的采样点13。

2.3 农用地土壤重金属来源分析

重金属之间存在显著或极显著的相关性，则说明元素之间来源相同或存在复合污染[9]。研究区农用地土壤中重金属之间相关系数如表5所示。由表5可知，As与Pb、Pb与Cd、Cr与Ni相关系数大于0.5，为极显著相关，Cd与Cu为显著相关(P＜0.05)。Hg和Mn不与其他金属存在相关关系，说明存在单独来源。

2.4 农用地土壤主成分分析

运用SPSS 25.0 软件对数据进行KMO和Bartlett检验。基于特征根大于1提取出5个主成分，可解释全部信息的92.7%。采用Kaiser最大方差法对成分矩阵进行旋转后，由得到的载荷图（图7）可知：1）第1主成分贡献率为38.51%，Cr和Ni载荷较大。Cr和Ni的富集一般发生在超基性岩发育的土壤中。研究表明，亚欧板块和印度洋板块的碰撞导致了青藏高原形成逆断层，使超基性岩广布高原地区[21]。Nanos等[22]发现，Cr和Ni元素明显受地球化学元素控制。又由于Cr和Ni的相关系数为0.67，Ni在空间上分布不均匀，受人为影响。因此第1主成分为自然与人为源复合因子。2）第2主成分贡献率为18.44%，As和Pb载荷较大。As元素是矿山开采特征污染物[23]，青藏高原富含铅锌矿，因此第2主成分可能是受矿山开采影响。3）第3主成分献率为13.02%，Cd、Cu和Zn载荷较大。采集的土样来自耕地或大棚，少数为露天地膜覆盖。土壤中Cd、Cu、Zn积累与长期使用农药、施肥、地膜有关[24]。因此第3主成分可解释为农业因子。4）第4主成分贡献率为11.65%，只有Mn载荷其中。Mn元素在地壳中含量丰富，其受到地质背景的控制[25]，故第4主成分可视为土壤母质因子。5）第5主成分贡献率为11.13%，Hg元素载荷其中。汽车尾气排放会导致Hg元素超标，此次部分采样点靠经道路。Yang等[26]发现，随着东亚的经济发展，Hg排放量增大，Hg受大气传输影响较为明显，造成了西藏地区Hg的富集，因此第5主成分为大气传输因子。

图 7 农用地土壤9种重金属主成分载荷Fig.7 Principal component loading of nine heavy metals in soils of agricultural land

表 5 研究区农用地土壤中重金属元素之间相关系数Table 5 Correlation coefficients of heavy metal elements in the soil of agricultural land in the study area

图 5 各采样点农用地土壤中Hg、Cd和Ni的Er空间分布Fig.5 Er spatial distribution of Hg, Cd and Ni in soils of agricultural land at sampling points

图 6 研究区农用地土壤RI空间分布Fig.6 RI spatial distribution in soils of agricultural land in the study area

3 结论

(1) 西藏年楚河流域16个农用地土壤采样点中Hg、Cu、Mn和Ni浓度平均值皆超出西藏地区土壤背景值，As、Cr和Ni浓度均超过GB 15618—2018中pH＞7.5时的相关标准，As（37.5%）超标率最大。农用地土壤中Ni变异系数为1.43，表明其受人为影响明显。

(2) 年楚河流域农用地土壤重金属PN的空间分布表明，从东南到西北方向上农用地土壤重金属污染加重，重度污染集中在白朗县。研究区域PLIzone为1.45，为低污染等级。从江孜县到白朗县，重金属RI逐步增大，其趋势与河流向一致。

(3) 年楚河流域农用地土壤中，Cr与Ni为自然与人为源复合因子；As和Pb为矿山开采因子；Cd、Cu和Zn为农业因子；Mn为土壤母质因子；Hg为大气传输因子。