新疆典型区域土壤重金属As和Cd分布特征及评价

刘国宏，冷冰冰，扁青永，魏亚媛，王治国

（1.新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所，新疆吐鲁番 838000；2.乌鲁木齐市环境监测中心站，乌鲁木齐 830091；3.新疆农业科学院拜城农业试验站/国家土壤质量阿克苏观测试验站，新疆阿克苏 843000；4.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091）

0 引言

【研究意义】土壤重金属污染已经成为全球广泛关注的环境问题之一[1-2]。土壤重金属含量是区域环境质量评价的依据之一[3-5]，开展典型区域土壤重金属评价研究，对其安全评价有实际意义。【前人研究发展】目前，新疆重金属评价相关研究主要集中于污灌农田、绿洲城市工业、山地等。李敏等[6]通过对新疆6个典型湖泊沉积物中6种重金属污染特征进行了研究，其中重金属生态风险以Cd 为主。任力民等[7]通过对新疆13个地州农田进行土壤重金属含量调查发现，重金属As和Cd 的含量均低于土壤环境质量标准农用地土壤污染风险筛选值，污染评价均为安全等级。马玉等[8]通过对阿勒泰地区青河县大规模种植的食用向日葵种植地土壤进行了采样调查评价。Cd为表层土壤质量评价中重点关注的重金属[9-12]。部分地区土壤重金属As 和Cd 含量也存在超标[13-14]。【本研究切入点】罗艳丽等[13]研究奎屯垦区重金属污染结果表明，As、Pb、Cd、Cu、Cr、Ni 均超过新疆土壤背景值。赛买提·阿布都热合曼等[9]乌鲁木齐市周边表层土壤中As和Cd的总平均含量超过新疆土壤元素背景值。尚需比较研究新疆土壤重金属背景值和土壤环境质量标准农用地土壤污染风险筛选值，阐明新疆典型区域土壤重金属As和Cd污染特征及风险评价。【拟解决的关键问题】采用污染指数法和潜在风险指数法，以新疆典型重金属污染区域乌鲁木齐县六十户乡、奎屯市123团和127团为研究靶区，重点分析乌鲁木齐县六十户乡6个代表样点、奎屯市123团和127 团的6个样区（典型代表样点6个）土壤重金属As和Cd含量，评价其土壤重金属As和Cd污染水平，为土壤重金属As 和Cd 污染防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

乌鲁木齐县属半干旱大陆性气候，年降雨量183～200 mm，区域年平均气温6.6℃，年日照时数2 833 h，有效积温3 400～3 584℃，年均蒸发量1 787 mm，蒸发量是降雨量的9.77 倍，平均无霜期为166～180 d。

奎屯市位于天山北麓、准噶尔盆地西南边缘、奎屯河畔（44°19′～44°49′N，84°47′～85°18′E），为大陆性干旱气候，日照时间长，降水稀少，蒸发量大。年均温度6.5℃，1月平均温度-18℃，7月平均温度25.7℃。区日照极为丰富，年均日照时数为2 598.1 h，年均日照率为58%。

在乌鲁木齐县六十户乡农田，选取6个具有代表性样点进行重金属样品采集测定，作物为蔬菜。每个样点采用多点取样混合一个代表样，分别取土壤层0～20 cm的土壤0.5 kg，样品晾干后粉碎，过孔径筛（2 mm），保存待测定。

在奎屯垦区123团、127团重金属点样的基础上，首批选取58个原始点位进行调查采样，最终确定6个典型样点，因样点类型丰富，土壤采取0～20 cm、20～40 cm 的农田土壤。每个样点采用多点取样混合一个代表样，分别取土壤层0～20 cm、20～40 cm 的土壤0.5 kg，样品晾干后粉碎，过孔径筛（2 mm），保存待测定。

1.2 方法

1.2.1 样品测定

取0.2 g土壤样品于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL HNO3和2 mL H2O2。将消解罐按要求密闭放入微波消解仪中，设置程序：160°C，10 min；180°C，1 h，消解程序完毕后，冷却至30～50°C后，取出。将消解液全部转移至聚四氟乙烯烧杯中，加入2 mL HF 和1 mL HClO4，在180°C 的加热板上赶酸，赶酸完毕后，将消解液转移到50mL容量瓶中，用5%硝酸溶液定容。使用电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-OMS 测定土壤Cd 和As 含量。为保证实验数据的准确性，部分样品做平行实验，相对误差在5%以内；并用国家标准土样GBW070008 进行回收实验，标样回收率在93%～110%[15]。

1.2.2 重金属污染评价

1.2.2.1 污染指数法

单因子污染指数计算：

式中，Pi为第i污染物的污染指数，Ci为第i污染物的实测值，Si为第i污染物的评价标准。

内梅罗（Nemerow）综合污染指数的计算如公式（2）：

式中，Px为综合污染指数，n为污染物总数，Pi为第i污染物的污染指数，Pmax所有污染元素指数中的最大值。

依据《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ/T 332-2006）的限量标准评价农田土壤环境质量要求，土壤污染指数分级[16，17]。表1

表1 土壤污染指数分级Table 1 The grading of soil pollution indexes

1.2.2.2 潜在生态风险指数法

Hakanson 潜在生态风险指数计算：

式中，Ci是重金属的实测含量，是新疆土壤背景值，是重金属i的污染参数；是重金属i的毒性响应系数，是重金属i的潜在生态危险参数；RI是多种金属潜在生态危险指数。2中金属的值分别为：As=10＜Cd=30[17]。表2

表2 重金属生态风险、污染水平评估标准Table 2 Assessment standards of potential ecological risk coefficient（Eir）and risk indices（RI）of heavy metals

1.3 数据处理

数据使用Excel2020 软件进行数据计算，SPSS21.0（IBM 公司，美国）进行单因素方差分析（One-way ANOVA）。

2 结果与分析

2.1 乌鲁木齐县六十户乡重金属As、Cd污染分析特征及风险评价

2.1.1 乌鲁木齐县六十户乡土壤重金属含量

研究表明，乌鲁木齐县六十户乡重金属As的平均含量为8.75 mg/kg，标准差为0.84 mg/kg，变异系数为9.6%；Cd 平均含量0.08 mg/kg，标准差为0.01 mg/kg，变异系数为8.7%。6个样点土壤重金属As含量差异不大（分别为9.6%，重金属Cd含量差异较大为66.7%。重金属As 的平均值和背景值的比值为0.78，各样点土壤重金属As的含量低于新疆土壤背景值。重金属Cd 的平均值和背景值的比值为0.66，各样点土壤重金属Cd的含量低于新疆土壤背景值。表3

表3 乌鲁木齐县六十户乡土壤重金属含量Table 3 Soil heavy metal content in the Sixty Household Township s of Urumqi County（mg/kg）

2.1.2 乌鲁木齐县六十户乡土壤重金属评价

研究表明，2种重金属范围均为Pi≤1，Px≤0.7，污染水平均为清洁；污染程度排序为：Cd（0.57）＞As（0.35）。土壤As 的Pi在0.37～0.49，土壤Cd 的Pi在0.40～0.48；Px为0.44，污染水平为清洁，作物未受到污染。表4

表4 土壤污染指数分级Table 4 The grading of soil pollution indexes

2.1.3 乌鲁木齐县六十户乡潜在生态风险评价

2种重金属的RI值的范围为48.03～56.17，生态风险程度（RI＜150）为低。生态风险程度（RI=50.31＜150）为低。表5

表5 重金属潜在生态风险系数（Eir）和风险指数（R）ITable 5 Potential ecological risk coefficients（Eir）and risk indices（R）Iof heavy metals

2.2 新疆奎屯市农田土壤重金属染分析特征及风险评价

2.2.1 奎屯市农田土壤重金属含量

研究表明，重金属As的平均含量为21.39 mg/kg，标准差为4.23 mg/kg，变异系数为19.78%；重金属Cd 的平均含量为0.15mg/kg，标准差为0.04mg/kg，变异系数为26.67%。奎屯市6个样点土壤As、Cd重金属含量差异不大（分别为19.78%和26.67%）。重金属As 平均值和背景值比值为1.91，奎屯市农田的重金属As的含量高于新疆土壤背景值，土壤受到污染，且接近土壤环境质量标准农用地土壤污染风险筛选值。重金属Cd 平均值和背景值的比值为0.92，土壤未污染。表2，表6

表6 土壤重金属含量Table 6 Soil heavy metals contents of each survey point

2.2.2 奎屯市农田土壤重金属污染评价

研究表明，2种重金属范围均为Pi≤0.7 或者0.7＜Pi≤1.0，Px≤0.7，污染水平均为清洁或者尚清洁；污染程度排序为Cd（0.61）＞As（0.48）。表7，表8

表7 土壤污染指数分级Table 7 The grading of soil pollution indexes

2.2.3 奎屯市农田潜在生态风险评价

表8 重金属潜在生态风险系数（Eir）和风险指数（R）ITable 8 Potential ecological risk coefficients（Eir）and risk indices（R）Iof heavy metals

3 讨论

土壤重金属污染源主要来自于废水、废气、农药、化肥等途径，且土壤重金属积累具有必然性[18-20]。研究表明，As和Cd 重金属元素含量受自然因素的影响，与土壤背景值有关，为自然来源。土壤中重金属的变异系数可以反映人为因素对重金属含量的影响，变异系数越大，人为干扰越强烈[21]。变异系数可分为3 类，变异系数＜15%为弱变异，15%～36%为中等变异，＞36%为强变异[9]。在乌鲁木齐县六十户乡典型区域内，As的变异系数为9.6%，表现为弱变异，Cd 的变异数系数为66.7%，表现为强变异，重金属Cd 含量可能受人为来源的控制和影响，主要与农户种植蔬菜长期施用农家肥有关。在奎屯市典型区域内，As 的变异系数为19.78%，Cd 的变异数系数为26.67%，均表现为中变异。不同典型区域土壤中的重金属As和Cd 含量差异较大，其重金属来源较分散，不同区域受人为活动的干扰不同。

以污染指数、潜在生态风险指数法综合评定乌鲁木齐县六十户乡和奎屯市123团和127团的重金属情况，有更全面、更实时、更准确的优点。六十户乡、123团和127团基本上不存在重金属污染、生态危险状况。

4 结论

乌鲁木齐县六十户乡重金属As和Cd的平均值和背景值的比值小于1，低于新疆土壤背景值。奎屯市123 团和127 团的6个样点的重金属As的平均值和背景值的比值为1.91，高于新疆土壤背景值。重金属Cd 的平均值和背景值的比值为0.92，低于新疆土壤背景值。乌鲁木齐县六十户乡以及奎屯市样点2种重金属范围均为Pi≤0.7或者0.7＜Pi≤1.0，Px≤0.7，污染水平均为清洁或者尚清洁。采取农田潜在生态风险评价，乌鲁木齐县六十户乡以及奎屯市样点区均处于低生态风险程度，典型区域不存在重金属污染、生态危险状况。