新疆铁门关市绿洲区土壤重金属污染特征及潜在生态风险评价

艾书涛,喻 龙,孟李奇,王鹏年,何峻岭

中国地质调查局乌鲁木齐自然资源综合调查中心,新疆乌鲁木齐 830057)

土壤是地球表层系统最活跃的圈层,是陆地生态系统的重要组成部分[1],不仅为陆生生物提供良好的生态环境,也为人类提供良好的生活环境[2]。我国土壤污染问题严重,重金属污染日益突出。此种污染隐蔽性较强、易于累计且不易降解、危害时间长[3-5],重金属在农田土壤累积将导致土壤肥力下降和农产品中重金属超标,进而危害人类健康。根据2014年环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,全国土壤镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍重金属污染点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。土壤污染呈现出流域性和区域化发展的态势,对我国农作物生产安全影响巨大[1]。

由于我国土壤污染南方重于北方,东部重于西部。对于农田土壤重金属的评价研究大多集中于东部、中部发达地区及主要矿产集中区[6-11],关于西北地区农田土壤重金属污染方面研究相对较少。近年来,随着工业化、城市化的进一步发展以及内地生产成本逐年增加,在“一带一路”倡议带动下,我国东南沿海产业逐步向西北地区转移,脆弱的干旱绿洲区土壤环境面临重金属污染威胁[12]。因此,在新疆开展土壤重金属研究具有重要意义。部分学者对南疆个别县市土壤重金属污染状况进行研究[13-15],但对铁门关市绿洲土壤环境研究鲜见报道。笔者以新疆生产建设兵团铁门关市为研究区,在1∶5万土地质量地球化学调查的基础上,以研究区内土壤重金属为研究对象,采用单因子污染指数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法,对农田土壤中重金属的含量特征、生态风险以及主要来源进行评估,分析铁门关市农田土壤重金属污染状况,为西北干旱区绿洲农田土壤重金属研究提供补充和借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况新疆生产建设兵团第二师铁门关市,北依天山,南接塔里木盆地,是南疆地区重要的人工生态绿洲区,也是防止塔克拉玛干大沙漠北侵的重要生态屏障。铁门关市位于巴音郭楞蒙古自治州北部,毗邻库尔勒市,是南北疆交通的天然要冲,地理位置极其重要(图1),属暖温带大陆性干旱气候,光热资源丰富,温差大,降水少,蒸发强烈,全年平均气温10.0～11.4 ℃,年较差34.2～37.1 ℃,日照时数2 886 h,年降水量56.5 mm,年蒸发量2 273～2 788 mm。

研究区属于山前冲洪积平原,地势平坦,平均海拔约950 m,第四纪沉积物覆盖厚度可达300 m以上。土地利用类型以耕地、园地为主,存在部分建筑用地、林地、草地、未利用地等。在空间分布上,北部主要为园地,种植库尔勒香梨、红枣等作物,中部、南部为耕地,主要种植棉花、玉米。研究区土壤类型主要为棕漠土、结壳盐土、盐化潮土、草甸土以及荒漠风沙土。自然植被以胡杨、红柳、梭梭、骆驼刺、芦苇等为主。

1.2 样品采集此次调查采用网格和全国第二次土地调查图斑相结合的样点布设方案,采样时选择以农田土壤为主,按照DZ/T 0295—2016土壤样本采集要求进行采样,使用全球定位系统(GPS)定位中心点,并在30 m范围采用五点取样法,采集0～20 cm的土壤样品,共采集3 920件。采集同时记录采样点位置、土地利用类型、植被类型等信息,并拍照记录周边环境。将野外采回的土壤样品及时清理登记后,自然风干,适时翻动,并将大土块敲碎以防止黏泥结块,加速干燥。用木棍碾压风干的样品,压碎的土样先过10目尼龙筛,装瓶送化验室,重量不少于500 g,化验室将样品研磨小于100目,进行化验分析。

1.3 分析测试分析指标包括8种重金属元素砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、镍(Ni)、铅(Pb)、锌(Zn)及土壤酸碱度(pH)。样品测试由新疆维吾尔自治区有色地质勘查局测试中心承担,严格按照《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130.5—2006)的第5部分、《多目标区域地球化学调查规范》(DZ/T 0258—2014)、《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)执行。各土壤重金属及pH分析测试配套方法:As和Hg采用原子荧光光谱法(AFS)分析,Cd、Ni、Cu、Pb、Zn采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析,Cr采用X射线荧光光谱法(XRF)分析,pH采用pH-离子电极法(ISE)分析。

1.4 评价方法及评价标准该研究采用单因子污染指数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法作为土壤重金属污染的评价方法。单因子污染指数法主要考量重金属元素对土壤污染的累积效应,评估土壤中某种重金属在土壤中的超标情况。计算公式如下:

(1)

式中:Pi为单因子污染指数;Ci为土壤中重金属i的实测含量;Si为污染物i在《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB 15168—2018(pH>7.5)中给出的筛选值。

地累积指数法可定量评价土壤中重金属污染程度,该方法考虑研究区表层土壤的沉积学背景与地貌地质环境的演化规律。计算公式如下:

(2)

式中:Igeo为重金属i的地累积指数[16];Ci为土壤中重金属i的实测含量;Bi为元素i的背景值,该研究采用新疆A层土壤环境背景值[17]作为背景值。

潜在生态危害指数法综合考虑土壤沉积学特征、重金属元素浓度生物学特征和毒理学、病理学特征研究重金属生态效应[18]。计算公式如下:

(3)

依据上述方法得到3种无量纲的环境质量指数,按评价结果划分等级依次如表1～3所示。

表1 单因子污染指数法等级划分

表2 地累积指数法等级划分

表3 潜在生态危害指数法等级划分

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征铁门关市表层土壤重金属元素描述性统计结果表明(表4):研究区表层土壤pH介于7.44～9.85,中位数为8.16,除2个点为中性土壤外,其他均为碱性—强碱性土壤。重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量的平均值分别为13.07、0.19、54.54、24.07、0.015、27.91、20.22和68.18 mg/kg,与全国表层土壤环境背景值的比值分别为1.17、1.90、0.89、1.07、0.21、1.04、0.78、0.92,可以看出As、Cu、Cd、Ni高于背景值,Cd超出背景值0.90倍,富集最为明显;与新疆A层土壤背景值比值分别为1.17、1.58、1.11、0.90、0.88、1.06、1.04、0.99,也可以看出Cd元素在区内富集程度最高,As、Cr也略高于该背景值,其他元素相对背景值变化不大。各重金属元素平均值明显低于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB 15168—2018(pH>7.5)中给出的筛选值。

表4 铁门关市土壤重金属元素描述性统计

变异系数能反映各样点重金属含量的平均变异程度,一定程度反映了人为因素的影响[20],<15%为弱变异,15%～35%为中等变异,>35%为高度变异。研究区表层土壤pH、元素Pb属于弱变异,As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn属于中等变异,分布较均匀;Hg变异系数为40%,达到高度变异水平,表明研究区很可能存在局部的点状污染源。总体上,8种重金属元素空间变异性排序为Hg>Cd>As>Cu>Zn=Ni=Cr>Pb。

2.2 土壤重金属污染状况评价

2.2.1单因子污染指数法评价。根据单因子污染指数法评价土壤重金属污染状况,研究区土壤单项环境质量污染指标评价结果显示(表5),Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn这6种重金属99.9%以上符合清洁等级,不存在任何污染。除Cd元素有0.13%(5件)样品为轻度污染,超出了国家农用地土壤环境筛选值外,其余所有样品重金属都为清洁—尚清洁等级。可见,全区土壤质量整体清洁,可能是因为研究区为传统农业种植区,工业、矿业的“三废”污染较少。

表5 单因子污染指数法评价分级统计

2.2.2地累积指数法评价。从图2和表6可以看出,研究区表层土壤8种重金属Igeo平均值从高到低依次为Cd>As>Cr>Pb>Ni>Zn>Cu>Hg,均小于0,呈现出无污染水平,根据Igeo分级标准,受到As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn污染的土壤样点比例分别为8.83%、53.57%、1.79%、0.10%、4.13%、0.33%、0.05%、0.15%,研究区内As、Cr、Cu、Ni、Pb呈现为轻微污染程度。部分样点Cd、Hg和Zn达到轻度污染程度,比例分别为1.33%、0.20%、0.02%,0.10%的土壤样点受到Cd的中度污染。以上表明,研究区土壤环境总体良好,存在Cd、Hg的污染,并且以Cd污染最为严重。

表6 地累积指数法评价分级统计

图2 土壤重金属地累积指数箱图Fig.2 Boxplot of geo-accumulation index of soil heavy metal elements

表7 潜在生态危害指数法评价分级统计

2.3 土壤重金属元素来源解析采用相关分析法和主成分分析法对土壤中重金属来源进行进一步解析。由于土壤重金属的来源分为“人为源”和“自然源”,而重金属元素间的相关性可用于反映这些元素的来源及迁移途径。若重金属元素间相关性极显著,则说明元素间可能具有同源关系[21]。各重金属元素间相关分析结果表明(表8),研究区土壤8种重金属元素通过了α=0.01水平的显著性检验,均存在极显著正相关,Cr-Cu-Ni-Zn两两之间呈现极显著正相关且相关系数大于0.797,反映出元素间具有较大的同源性。为进一步研究各重金属元素污染源,使用SPSS 19进行了主成分分析,提取出1个主成分,解释了总方差的68.538%,反映出8种重金属的大部分信息,主成分的主要元素为Cr、Cu、Ni、Zn,其有效载荷分别为0.867、0.898、0.909和0.847,由于研究区Cr、Cu、Ni和Zn含量分布比较均匀,平均值接近新疆A层土壤背景值,变异系数较小,这些元素之间的相关性较强(表8),具有相似的迁移规律,根据前人研究,土壤中Cr和Ni等元素主要受地质因素影响[22-23],所以研究区土壤Cr、Cu、Ni、Zn主要受到成土母质的控制,人为影响相对较小。Cd元素与主成分主要元素(Cr、Cu、Ni、Zn)之间具有一定的正相关性(相关系数大于0.5),可以判断成土母质是Cd来源的主要来源,同时在农业种植区农药、化肥以及残留农用薄膜也是土壤中Cd的重要来源[24-25]。Cd活性较强,是植物易积累元素,生物毒害性大,因此必须对Cd高含量密切关注。

表8 土壤重金属元素相关性分析

3 结论

(1)总体上,铁门关市土壤较为清洁。描述性统计分析表明,研究区表层土壤As、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量平均值明显低于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB 15168—2018(pH>7.5)中给出的筛选值。土壤Cd含量的平均值超出新疆土壤背景值1.58倍,存在局部富集现象。

(2)铁门关绿洲农田土壤重金属的单项污染指数表明,Cd存在少量轻度污染,其余重金属元素无污染;地累积指数表明研究区土壤Hg和Cd轻度污染以上为0.20%和1.43%;土壤重金属污染综合潜在生态危害指数的平均值为112.91,绝大部分样品点属于轻微潜在生态危害。

(3)整体来看,铁门关绿洲农田土壤重金属污染程度较低,各重金属之间相关性较强;主成分分析结果表明,研究区农田土壤Cr、Cu、Ni、Zn主要受到研究区成土母质控制;Cd是研究区污染风险最高的重金属元素,研究区农田土壤中Cd局部富集值得关注。