吐鲁番盆地葡萄园土壤重金属污染状况及其潜在生态风险

麦尔哈巴·图尔贡,麦麦提吐尔逊·艾则孜,2,王维维

1.新疆师范大学地理科学与旅游学院,新疆 乌鲁木齐 830054

2.新疆师范大学,新疆干旱区湖泊环境与资源实验室,新疆 乌鲁木齐 830054

农用地土壤生态系统中的重金属污染物具有生物毒性强、潜伏性强、污染后果严重等特点,会危害土壤安全、影响农产品质量[1],进而通过循环和迁移对区域生态与生命安全产生影响[2-3]。 其中,园地土壤中的重金属含量会对果树的正常生长、产量及果品质量产生影响,因而受到普遍关注[4-5]。

国内外学者围绕各类园地土壤重金属污染的潜在生态风险做了许多研究。 杨世琦等[6]分析了我国典型果园土壤中5 种重金属元素的污染状况,发现Pb 元素累积较明显,土壤表层重金属累积相对显著。 HAN 等[7]通过调查我国11 个主要核桃产区的土壤和核桃中5 种元素的含量及污染风险,发现Pb 和Cd 是核桃园土壤中主要的污染元素。 谭业化等[8]研究了海南省不同种植年限槟榔园土壤中4 种元素的污染状况,发现槟榔园土壤质量等级处于Ⅱ级警戒态势。 梁俊等[9]发现,在优势苹果产区土壤中,Hg 与Cd 处于轻度污染态势。 SAHODARAN 等[10]研究了印度香蕉种植地的土壤重金属污染风险,发现其Pb 含量已超标。 国内外学者对葡萄园土壤重金属污染风险也开展了一定研究。 庞荣丽等[11]研究发现,葡萄对土壤中不同元素的吸收能力差异较大,其中对Cd 的吸收能力最强。 MIRZAEI 等[12]对38 个施肥葡萄园的土壤重金属污染风险进行了研究,发现对葡萄园土壤持续施用肥料会导致土壤中的Cd 富集明显,并已超出安全限值。 潘佳颖等[13]研究了贺兰山东麓葡萄主产区的土壤重金属分布特征及污染状况,发现Cd 是最主要的潜在生态风险因子。 可以看出,果园土壤重金属污染及其危害是当前人类面临的重要环境问题之一,因此,揭示葡萄园土壤重金属污染风险可为重金属污染防治提供参考。

新疆吐鲁番盆地是我国著名的葡萄产区,也是我国规模较大的无核葡萄种植基地之一[14],葡萄种植业已成为当地的主导产业。 本文以吐鲁番盆地葡萄园土壤重金属污染状况调查及潜在生态风险评估为目标,研究了葡萄园土壤中As、Cd、Cr、Ni、Pb 和Hg 等6 种元素的含量(As 属于元素周期表VA 族,处于非金属元素与金属元素的过渡区域,属于类金属,但因其生物毒性及某些性质与重金属相似,国内外大多数研究[1-2,5-8]将其视为重金属)、污染水平、潜在生态风险及生态风险预警态势,以期为提升葡萄主产区的葡萄安全生产水平提供科学参考。

1 实验部分

1.1 研究区概况

吐鲁番盆地位于新疆天山南坡,塔克拉玛干沙漠东北部,是我国海拔高程最低的盆地。 研究区(42°46′N—43°05′N,88°57′E—89°34′E)总面积668.5 km2,属于典型的温带大陆性干旱荒漠气候,年均气温14.4 ℃,极端最高气温则达到了49.6 ℃,而年均降水量仅为15 mm[15-16]。 葡萄种植业为该地区的特色产业。 研究区概况及采样点分布见图1。

图1 研究区域及采样点Fig.1 The study area and sampling points

1.2 样品采集与测定

参考农田土壤环境质量监测相关技术要求[17]及研究区环境特点,确定采样位置。 2019年5 月,从吐鲁番盆地共采集了101 个0 ～20 cm土层的葡萄园土壤样品。 去除样品中的各种杂物,将土样自然风干后,过0.15 mm 尼龙筛。 测定土壤样品中As、Cd、Cr、Ni、Pb 与Hg 的含量。其中,As 的含量采用原子荧光光度计(北京宝德,BAF-2000)进行测定,检测依据为《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第2 部分:土壤中总砷的测定》 (GB/T 22105.2—2008)[18];Cd和Pb 的含量采用原子吸收光谱仪(分别为美国热电公司,SOLAAR M6;美国赛默飞世尔,ICE-3500)进行测定,检测依据均为《土壤质量 铅、镉的测定 KI-MIBK 萃取火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17140—1997)[19];Cr 与Ni 的含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪(杭州聚光科技,ICP-5000)进行测定,检测依据均为《固体废物 22 种金属元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ 781—2016)[20];Hg 的含量采用原子荧光光度计(北京宝德,BAF-2000)进行测定,检测依据为《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第 1 部 分: 土 壤 中 总 汞 的 测 定》 ( GB/T 22105.1—2008)[21]。 As、Cd、Cr、Ni、Pb、Hg 的检出 限 分 别 为 0.01、 0.01、 0.50、 0.40、 0.006、0.002 mg/kg。 在元素含量分析过程中,通过加入国家土壤标准参比物质[中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 编号 GBW07426(GSS-12)]控制测定质量,6 种重金属的回收率均处于允许范围内。

1.3 重金属污染水平与生态风险评价方法

采用地质累积指数(Igeo)[22]评价葡萄园土壤重金属污染水平;以《土壤环境质量 农用地土壤污染 风 险 管 控 标 准( 试 行)》 ( GB 15618—2018)[23]中的筛选值(pH＞7.5)为参比值,采用潜在生态风险指数(RI)[24]评价葡萄园土壤重金属污染的潜在生态风险;采用生态风险预警指数(IER)[25]对潜在生态风险进行预警评估。 Igeo、RI与IER计算方法如表1 所示。

表1 Igeo、RI 与IER 计算方法Table 1 Calculation methods of Igeo,RI and IER

Igeo污染等级划分:无污染(Igeo≤0),轻度污染(0＜Igeo≤1),中度污染(1＜Igeo≤2),中到强污染(2＜Igeo≤3),强污染(3 ＜Igeo≤4),强到极强污染(4＜Igeo≤5),极强污染(Igeo＞5)[22]。 单项生态风险指数(E)的生态风险等级包括:轻微风险(E≤40),中等风险(40 ＜E≤80),较 强风 险(80 ＜E ≤160),很强风险(160 ＜E ≤320),极强风险(E ＞320)。 RI 的生态风险等级包括:轻微风险(RI≤150),中等风险(150＜RI≤300),较强风险(300＜RI≤600),很强风险(600＜RI≤1 200),极强风险(RI＞1 200)。 IER的生态风险预警等级包括:无警(IER≤0),预警(0＜IER≤1),轻警(1＜IER≤3),中警(3＜IER≤5),重警(IER＞5)[22,24]。

2 结果与讨论

2.1 葡萄园土壤重金属含量特征

从表2 可见,研究区葡萄园土壤中,As、Cd、Cr、Ni、Pb、Hg 等6 种重金属的含量平均值及最大值均小于GB 15618—2018 中的筛选值(pH ＞7.5)。 从平均值来看,As、Cd、Cr、Hg 的含量平均值分别为新疆灌耕土背景值[26]的1.05、1.58、1.49、1.15 倍,Cd、Cr、Hg 的含量平均值分别为新疆土壤背景值[2]的1.58、1.20、2.65 倍。 从重金属含量最大值来看,Cd、Cr、Pb 和Hg 的含量最大值与对应的背景值相差较大。 其中,Cd、Cr、Pb、Hg 的含量最大值分别为新疆灌耕土背景值的2.92、1.87、1.88、3.56 倍,分别为新疆土壤背景值的2.92、1.50、1.31、8.18 倍[27]。

研究区葡萄园土壤pH 变幅为7. 07 ～8. 98,平均值为8. 01,小于新疆土壤背景值,属于弱碱性土壤。 由变异系数(CV)可以看出,Hg 的CV为0. 650,表现为强变异(CV＞0. 5)[2],即Hg 呈现不均匀的空间分布,可能是受到了局部污染源的影响;Cd 与Pb 呈现中等变异(0. 2 ＜CV ＜0. 5),CV 分别为0. 22 与0. 21,即点污染源可能影响了Cd 与Pb 的含量 分 布;As、Cr、Ni 等3 种元素的CV 分别为0. 17、0. 09、0. 11,表现为弱变异(CV＜0. 2),表明这3 种元素的含量主要受自然因素控制[27]。

表2 吐鲁番盆地葡萄园土壤重金属含量统计结果(n=101)Table 2 Statistics of heavy metal concentrations of vineyard soil in Turpan Basin (n=101)

2.2 葡萄园土壤重金属污染评价

从图2 可见,吐鲁番盆地葡萄园土壤中,As、Cd、Cr、Ni、Pb、Hg 等6 种元素的Igeo变化范围分别为-0.99 ～-0.03、-0.76 ～0.97、-0.33 ～0.32、-1.30 ～-0.47、-1.28 ～0.33、-2.24 ～1.25。 6 种元素的Igeo平均值排序为Cd(0.0)＞Cr(-0.02)＞As(- 0.53) ＞Hg (- 0.62) = Pb (- 0.62) ＞Ni(-0.88)。 根据Igeo污染分级标准,研究区葡萄园土壤中6 种元素的Igeo平均值均属于无污染态势,但除As 和Ni 外,其他4 种元素的Igeo最大值均表现为轻度污染。 由各元素各污染程度样品数在样品总数中的占比可见,As 和Ni 均呈现无污染态势,Cd 处于无污染和轻度污染状态的样品占比分别为52.48%和47.52%,Cr 呈现无污染和轻度污染状态的样品数分别占样品总数的64.36%和35.64%,Pb 呈现无污染和轻度污染状态的样品数分别占样品总数的96.04%和3.96%,Hg 呈现无污染、轻度污染、中度污染状态的样品数分别占样品总数的76.24%、19.80%、3.96%。

图2 研究区葡萄园土壤重金属污染水平Fig.2 Contamination level of heavy metals in vineyard soil in the study area

从吐鲁番盆地葡萄园土壤重金属的Igeo空间分布格局(图3)可见,各元素的Igeo空间分布规律差异较大。 As 元素的Igeo从研究区东部向西部逐渐减小,呈现地带性分布。 Cd 是研究区葡萄园土壤中污染程度和污染面积最大的元素,污染高值区分布于研究区西南部和吐鲁番市周边S202省道两侧区域,这些区域人口较为集中、车流量较大、农业生产活动较强,均呈现轻度污染态势。 研究区东部Cd 污染较轻,主要为无污染或轻度污染态势。 Cr 的污染面积、污染水平仅小于Cd,Cr元素高Igeo区主要分布在研究区中部(恰特喀勒乡)和吐鲁番市附近区域。 从Ni 元素的Igeo空间分布情况来看,污染高值区分布于研究区东部、中部和西南部,北部区域的Igeo较低,所有样点均呈现无污染态势。 Pb 元素的Igeo在人口相对密集的区域较大。 Hg 元素在研究区北部和中部呈现中度、轻度污染。

为提高农产品产量而过量施用含Pb、Cd、Hg和As 等重金属的化肥,会导致土壤中Pb、Cd、Hg和As 等元素的积累[28]。 园地土壤中重金属的含量达到一定程度后,不仅会降低农作物的产量和质量,而且会对生态系统安全造成危害[1]。 葡萄园土壤中Cr 与Ni 的含量平均值小于(或接近)土壤背景值,64.36%的样点的Cr 元素处于无污染态势,所有样点的Ni 元素均处于无污染态势。 从污染程度来看,并未表现出明显的污染累积状况。早前研究[29-30]显示,土壤地球化学成因(成土母质)是土壤中Cr 与Ni 的主要来源,农用地土壤中的Cr 与Ni 主要受成土母质等自然来源的影响。因此,研究区葡萄园土壤中Cr、Ni 的含量主要受土壤地球化学作用的控制。

图3 研究区葡萄园土壤重金属的Igeo 空间分布Fig.3 Spatial distribution of Igeovalue of heavy metals of vineyard soil in the study area

研究区葡萄园土壤中As 的平均含量低于新疆土壤背景值,所有样点的As 元素均处于无污染态势,累积不明显。 从As 的污染分布图(图3)可看出明显的地带性分布格局,可确定葡萄园土壤中As 的含量主要受到土壤地球化学作用的控制。

相关研究[2,7,28]表明,交通运输过程中汽车轮胎磨损产生的含Pb 残留物会进入土壤环境,农药和杀虫剂中也含有Pb 元素。 研究区葡萄园土壤中的Pb 可能来源于移动源及农药和杀虫剂的施用等。

研究区葡萄园土壤中Hg 的平均含量高出相应背景值,累积明显。 Hg 污染高值区出现在人口和交通最密集的区域,表明其在一定程度上受到人为因素的影响。 谢小进等[31]的研究表明,农用土壤中Hg 和Pb 的来源相同,主要受到人为因素的影响,以工业源、交通源为主。

相关研究显示,化学肥料、有机肥料以及农药等的施用可能是农用地土壤Cd 的基本来源之一[9],葡萄园土壤过度施用肥料会导致Cd 元素的富集[12]。 因此,研究区葡萄园土壤中的Cd 可能来源于农药、化肥和肥料等的施用。

可以看出,研究区葡萄园土壤中的As、Cr、Ni主要受到土壤地球化学作用的控制,Cd、Pb、Hg主要与人类活动相关。

2.3 葡萄园土壤重金属污染生态风险评价

以GB 15618—2018 中的筛选值为参比值,分析吐鲁番盆地葡萄园土壤中重金属元素的潜在生态风险(图4)。

图4 研究区葡萄园土壤重金属生态风险Fig.4 Ecological risk of heavy metals in vineyard soil in the study area

从图4 可见,吐鲁番盆地葡萄园土壤中,各元素E 的平均值排序为Cd(9.23)＞As(3.83)＞Ni(0.57)＞Hg(0.53)＞Cr(0.47)＞Pb(0.39),所有样点的6 种元素均处于轻微生态风险态势。 RI的变化范围为12.14 ～28.56,平均值为17.33,最大值(28.56)也仅呈现出轻微风险水平,表明研究区葡萄园土壤中6 种元素目前的含量不会对土壤生态安全产生威胁。

基于GIS 技术绘制吐鲁番盆地葡萄园土壤重金属的RI 空间分布图(图5)。 从图5 可见,RI 的空间分布格局与Cd 元素Igeo的分布格局(图3)较相似,Cd 污染高值区与RI 高值区主要分布于研究区西南部和北部,说明Cd 元素对RI 的贡献率较高。 研究区葡萄园土壤中,Cd 是污染水平和生态风险最高的元素。 考虑到葡萄对土壤中Cd元素的吸收能力很强[11],吐鲁番盆地鄯善县所产葡萄果实中的Cd 元素对成人的复合健康风险贡献率较高[32]等情况,研究区葡萄园土壤中Cd 元素的累积值得关注。

图5 研究区葡萄园土壤重金属RI 空间分布Fig.5 Spatial distribution of RI value of heavy metals of vineyard soil in the study area

2.4 葡萄园土壤重金属污染生态风险预警

以GB 15618—2018 中的筛选值为参比值,进行吐鲁番盆地葡萄园土壤重金属污染生态风险预警评估(表3)。

表3 研究区葡萄园土壤重金属生态风险预警Table 3 Ecological risk index of heavy metals of vineyard soil in the study area

从表3 可见,研究区葡萄园土壤中,6 种重金属的IERi排序为As(-0.62) ＞Cd(-0.69) ＞Cr(-0.76)＞Ni(-0.89)＞Hg(-0.99),IER平均值为-4.87,变化范围介于-5.12 ～-4.49。 通过IER等级划分标准可以看出,本研究所采集的所有样品均表现为无警态势。

从IER的空间分布来看(图6),研究区IER较高的区域主要分布于西南部、中部和东部。 研究区IER的空间分布格局与RI 基本一致,RI 及IER相对较高的区域主要分布于研究区人口密度较大及交通主线周围地区。

图6 IER 空间分布Fig.6 Spatial distribution of IER value

本研究检测结果显示,吐鲁番盆地葡萄园土壤中6 种重金属的平均含量和最大含量统计值均未高出GB 15618—2018 中的筛选值,处于安全范围内。 从平均值来看,As、Cd、Cr 和Hg 的平均含量均高于新疆灌耕土背景值,累积较为明显。 各重金属元素的污染程度与潜在生态风险并不完全一致,这是因为元素毒性系数相差较大,元素毒性系数越高,潜在生态风险指数越大。 此外,有些重金属虽然在土壤中的污染程度较高,但容易伴随其他颗粒物迁移进入土壤中矿化埋藏,使其对生物的毒性降低,从而降低了潜在生态风险[33]。

相关研究[34]表明,我国耕地土壤中Cd 的含量不同程度地受到人类活动的干扰,其中约56%来自农业活动。 Cd 的自然背景值和国家标准限值均较低,导致其在污染水平、潜在生态风险及生态风险预警评价中的影响很突出[35]。 Cd 是毒性极强的重金属之一,而且对于农作物的生长和发育而言,Cd 是非必需元素。 Cd 元素污染会导致植物中叶绿素含量的减少,扰乱水分平衡并损伤植物细胞[36]。 吐鲁番盆地葡萄园土壤中,95.05%的样点的Cd 含量超出新疆灌耕土背景值,47.52%的样点的Cd 元素处于轻度污染水平。Cd 是研究区葡萄园土壤中污染水平和生态风险等级最高的元素,对研究区葡萄园土壤重金属Igeo、RI 和IER的贡献较大。 研究显示,葡萄对土壤中Cd 的吸收能力较强[11],因此,研究区葡萄园土壤中Cd 的污染风险值得重视。

3 结论

1)吐鲁番盆地葡萄园土壤中,As、Cd、Cr、Ni、Pb 和Hg 的平均含量均低于GB 15618—2018 中的筛选值;As、Cd、Cr、Hg 的平均含量分别为新疆灌耕土背景值的1.05、1.58、1.49、1.15 倍。

2)从污染水平来看,吐鲁番盆地葡萄园土壤中各元素 Igeo平均值的排序为 Cd (0.0) ＞Cr(-0.02)＞As(-0.53)＞Hg(-0.62)= Pb(-0.62)＞Ni(-0.88)。 其中,As、Ni 表现为无污染,Cd、Cr、Pb 表现为无污染和轻度污染,Hg 表现为无污染、轻度污染和中度污染。

3)从潜在生态风险级别来看,吐鲁番盆地葡萄园土壤中各元素E 的排序为Cd＞As＞Ni＞Hg ＞Cr＞Pb, 均呈现轻微生态风险; RI 平均值为17.33,呈现轻微生态风险;IER平均值为-4.87,处于无警态势。

4)研究区葡萄园土壤中,重金属元素RI 及IER的空间分布格局基本一致,即人口和交通较密集区域的RI 和IER值较大。 研究区葡萄园土壤的Cd 污染水平及生态风险级别较高,应予以关注。 总体上,当前研究区葡萄园土壤中6 种重金属的含量不会对土壤生态安全造成威胁。