中宁枸杞地农田土壤重金属污染特征分析

江海红 贾 涛

（吴忠市科信环境检测有限公司 宁夏吴忠 751100）

引言

土壤是维持人类生存和发展的基本自然资源之一。随着工农业和城市化的快速发展，工业“三废”排放和农药、化肥的使用以及城市生活垃圾的产生均有所增加，导致土壤受到不同程度的重金属污染。根据前人的研究，发现重金属污染具有难以控制、易于积累、隐蔽性强等特点[1][2]。而截至目前，我国约有17%的耕地遭受重金属污染，且污染程度不同[3～5]。又有研究发现，重金属污染既会对土壤生态系统造成破坏，又会在粮食、蔬菜等农产品中积累，最终进入食物链，对人体健康构成严重威胁[6][7]。土壤中重金属主要来自2 方面，一方面是自然母质，即土壤形成过程中的原始物质以及地质活动把重金属从地壳中带出；另一方面是是人为因素，即人为活动干扰土壤产生的重金属。其中人为活动的干扰是导致土壤重金属污染的主要原因。

近年来，在国家“西部大开发”“一带一路”战略的引导下，我国中西部地区的经济得到了快速发展，但随之而来的是生态环境安全问题日益突出，特别是土壤重金属污染的问题。因此，本文以宁夏中宁县舟塔乡万亩无公害枸杞示范园为研究对象，对其土壤中的不同重金属特征进行检测分析，并利用单因子指数与内梅罗综合指数法评估其土壤重金属污染水平，以期为中宁县以及相关地区农田土壤重金属污染的研究提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

中宁县位于宁夏回族自治区中部、宁夏平原南端，地处黄河两岸，是枸杞的发源地，有“中国枸杞之乡”的美誉。中宁县地形以平原为主，属北温带大陆性季风气候区，具有昼夜温差大、太阳辐射强、日照充足的特点；该区域黄土土层深厚，土壤类型主要为灰钙土，局部地区为黄绵土，受气候和植被的影响，土壤分化不明显，腐殖质含量低。目前，中宁县以种植枸杞为主，春小麦、谷子、糜子、红枣和马铃薯等也有少量种植，枸杞因品质好、经济效益高，成为宁夏优势特色产业之一，种植面积迅速扩大。

1.2 样品采集、处理与检测

本研究共采集了32 个土壤样品；采样时间为2022 年10 月；采样点均为枸杞地，采用平均分布布点法，每个采样点在1m 的半径内利用不锈钢铲采集0～20cm 的表层土壤样品4 个，混合后采用四分法留约0.5kg。采样完成后装入自封袋中，贴上标签运回实验室；在实验室将釆集的样品自然晾干，先去除植物残屑和砂砾等，后研磨过100 目尼龙筛备用。土壤样品经HNO3-HCl-HF-H2O2消解后，采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）检测分析6 种重金属Cu、Cd、Cr、Pb、Zn、Mn 的含量，测定时每个样品均采用3 组平行试验，取均值为样品重金属浓度[8～10]。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 经典统计学分析

运用经典统计学对土壤重金属元素进行空间变异分析，变异特征主要以变异函数Cv表示，见式（1）。

式中s—标准差；X—变量平均值；Cv—变异程度（通常将变异程度分为3 级，即Cv≤0.1 弱变异性；0.1＜Cv＜1 中等变异性；Cv≥1 强变异性）。

6 种重金属Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Mn 的国家土壤污染风险筛选值见表1。

表1 国家土壤污染风险筛选值

（单位：mg/kg）

1.3.2 地统计分析

运用地统计学对土壤重金属元素进行空间变异特征分析，见式（2）。

1.3.3 土壤重金属污染评价标准

单因子指数与内梅罗综合污染指数可以全面反映出各污染物的污染状况，同时突出较高浓度污染物对土壤环境质量的影响，计算分别见式（3）和式（4）。

式中Pi—土壤中重金属元素i污染指数；Ci—重金属元素i的含量(mg/kg)；Si—重金属元素i的土壤元素评价标准[11][12]。

单因子指数与内梅罗综合指数评价标准分别见表2 和表3。

表2 单因子指数评价标准

表3 内梅罗综合指数评价标准

2 结果与分析

2.1 中宁枸杞地土壤重金属含量的描述性统计特征

中宁枸杞地土壤重金属含量的描述性统计见表4。从数值看，中宁枸杞地土壤6 种重金属中，Zn、Cu、Pb、Cd、Cr 与Mn 的均值（单位：mg/kg）分别为65.82、36.98、49.2、0.58、132.24 与459.8，均低于国家土壤污染风险筛选值；其含量（单位：mg/kg）分别介于20.58～114.52、6.81～97.66、19.2～168.69、0.02～1.76、38.02～235.39、137.06～697.27，Cd 的极大值明显超过了国家土壤污染风险筛选值，Cu、Pb 的极大值较为接近国家土壤污染风险筛选值。这说明，中宁枸杞地的部分区域出现了相应重金属的累积。从变异系数看，中宁枸杞地土壤重金属含量存在一定的空间分布差异。具体表现为6 种重金属中，Cd 的变异系数大于1，属于强变异；其余5 种重金属的变异系数均介于0.1～1 之间，属于中等变异。这说明中宁枸杞地土壤中Cd 含量具有较大的空间变异，而其余重金属含量的空间变异较小。

表4 中宁枸杞地土壤中重金属含量统计结果（单位：mg/kg）

对中宁枸杞地土壤重金属进行描述性统计分析，虽然可以反映该区域重金属含量变化的状况，但描述性统计的分析方法无法反映其空间结构性与随机性。因此，还需利用地统计学的方法对重金属的空间分布做进一步研究。

2.2 中宁枸杞地土壤重金属的空间特征

利用地统计中的半方差函数对中宁枸杞地土壤重金属含量空间分布进行研究，得到的半方差函数模型与参数见表5。从所属模型看，Zn 属于指数模型，Cd、Cr 属于球形模型，Pb、Mn、Cu属于高斯模型。从决定系数看，Zn、Cd、Cr、Pb、Mn与Cu的决定系数（R2）均介于0.214～0.632之间，较好反映了6 种重金属元素的空间变异结构。从块金系数看，Zn 与Cr 的块金系数分别为93.78%与97.74%，这说明中宁枸杞地土壤各样点的Zn 与Cr 元素呈现出较强的随机性和独立性，受耕作措施、施肥、污染等随机因素的影响大，其余4 种元素的块金系数均大于25%，说明其受随机因素的影响较大，受气候、土壤类型和地形等结构性因素的影响较小。从变程看，Zn、Cd、Cr、Pb、Mn 与Cu 的变程（单位：m）分别为1223、173、282、780、615 与525，这说明Zn、Cd、Cr、Pb、Mn 与Cu 分 别 在1223m、173m、282m、780m、615m 与525m 的范围内有空间自相关性。

表5 中宁枸杞地土壤重金属含量地统计分析

2.3 中宁枸杞地土壤重金属污染评价

利用单因子指数与内梅罗综合指数法对中宁枸杞地各采样点土壤重金属进行分析，具体结果见表6。通过单因子指数分析，发现在中宁枸杞地土壤中，Zn、Pb 的无污染比例为100%，而Cr、Cd 与Cu 的无污染比例分别为88.37%、96.87%与93.75%，轻度污染比例分别为11.63%、3.13%与6.25%，这说明中宁枸杞地未发生Zn、Pb 的污染，Cr、Cd、Cu 呈现一定的轻度污染，无中度与重度污染。通过内梅罗综合指数分析，发现在中宁枸杞地土壤中，6 种重金属的无污染比例为92.63%，轻度污染比例为7.37%，无中度与重度污染，这说明中宁枸杞地出现了轻度重金属污染。

表6 中宁枸杞地土壤重金属污染指数

2.4 中宁枸杞地土壤重金属来源分析

中宁枸杞地土壤重金属来源广泛，除受成土作用外，还包括工业和交通以及农业行业本身的影响。研究区被道路分割，且周围有较多民居，部分机动车尾气以及居民冬季烧煤取暖所产生的污染物质会通过大气沉降的方式使土壤中的Zn含量增加。汽车轮胎为了增加耐磨性，会在橡胶中添加 Cd，因此交通比较频繁的地方， Cd 的含量比较多。大量农药化肥的使用也是导致土壤重金属含量增加的重要原因。虽然中宁枸杞的抗逆性比较强，但仍然很难避免发生病虫害（如黑果病和根腐病），需要定期喷施农药，而可湿性代森锌会向环境中释放Zn,长期使用还会造成重金属的富集；枸杞地土壤使用的肥料主要是氮肥、磷酸肥、硫铵、硝铵、农家肥等，氮肥Pb 含量较高，磷酸肥含较多Cd，未经科学处理的农家肥会将重金属带入土壤；而农膜的大量使用，也会导致土壤中Cd 和Pb 含量的增加。枸杞地的灌溉主要依靠黄河水，随着黄河水水质污染情况加剧，重金属元素也会在灌溉过程中进行富集。

结论

通过对中宁枸杞地的6 种土壤重金属进行研究，发现从描述性统计分析看， 6 种重金属的均值均小于国家土壤污染风险筛选值，但部分区域可能出现了Cd、Cu、Pb 的累积；Cd 属于强变异，其余5 种重金属均属中等变异。从地统计分析看，Zn、Cr 元素的块金系数很大，说明该区域土壤各样点的Zn 与Cr 元素呈现出较强的随机性和独立性，受耕作措施、施肥、污染等随机因素的影响大。从单因子指数看，Cd、Cu、Cr 呈现出轻度污染。从内梅罗综合指数看，土壤中出现了轻度重金属污染。从来源分析发现，土壤重金属除受成土作用外，还会受到交通和大气沉降以及农业中农药、化肥、灌溉等的影响。