張云菲 孜比布拉·司馬義 楊勝天 魏旖夢 田甜 毛紅云 王顯

摘要：目前，我國經(jīng)濟與工業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)田土壤重金屬污染問題日益嚴重。采用污染負荷指數(shù)（PLI）、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）、相關(guān)性分析和聚類分析等方法研究新疆烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀、空間分布特征、潛在生態(tài)風(fēng)險及其主要來源。結(jié)果表明，烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Hg含量的平均值均超過了新疆土壤背景值，特別是Cr和Zn的含量遠超過新疆土壤背景值;烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤屬于輕度污染;烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬中Hg與Cd是最主要的生態(tài)風(fēng)險因子，研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù)呈現(xiàn)無警示狀態(tài)。Cu、Cr、Hg、Ni、As的污染主要是由于污水灌溉，Pb和Cd的污染主要是由于煤礦開采，Zn的污染是由鍍鋅鋼管大棚、機械制造及彩鋼制造廠等所造成的。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤;重金屬;污染負荷指數(shù);潛在風(fēng)險指數(shù);污染評價

中圖分類號： X826;X53文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）04-0266-07

收稿日期：2018-12-23

基金項目：國家自然科學(xué)基金-新疆聯(lián)合基金重點項目（編號：U1603241）。

作者簡介：張云菲（1995—），女，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事土壤生態(tài)環(huán)境研究。E-mail：feifei1995729@163.com。

通信作者：孜比布拉·司馬義，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事資源利用與城鄉(xiāng)規(guī)劃研究。E-mall：zibibulla3283@sina.cn。

自從我國進入工業(yè)時代以來，工業(yè)的不斷發(fā)展以及城市化進程的不斷深入等因素都導(dǎo)致了土壤重金屬污染狀況的加重。在日常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，污水灌溉、農(nóng)藥及化肥等不合理使用，同時加上周邊工業(yè)區(qū)產(chǎn)生的污染，導(dǎo)致農(nóng)田土壤中重金屬的含量逐漸增加[1]。農(nóng)田土壤重金屬污染不僅會導(dǎo)致農(nóng)作物在生長過程中受到影響，更會對人類健康生活產(chǎn)生不利影響。根據(jù)我國農(nóng)業(yè)部門的調(diào)查，我國農(nóng)田土壤污水灌溉面積為140萬hm2，受到重金屬污染影響的面積占總污灌區(qū)面積的64.8%，糧食產(chǎn)量每年因重金屬污染而減少1 000多萬t，受到重金屬污染的糧食每年達到1 200萬t，總損失金額至少200億元[2]。進入到土壤中的重金屬不易降解，其毒性會嚴重影響作物的生長，其中鎘（Cd）、砷（As）等重金屬容易被農(nóng)作物吸收，進入食物鏈后對人類健康造成危害。黨的十九大報告中也提及，要著力解決空氣、水、土壤等突出環(huán)境問題，強化土壤污染管控和修復(fù)。因此，合理分析和評價土壤環(huán)境，全面掌握實際污染狀況是十分必要的。

目前，針對于土壤重金屬污染物，國內(nèi)外的研究主要有以下幾個方面：污染來源調(diào)查、污染評價、潛在生態(tài)風(fēng)險評價、污染對人體健康造成的影響以及污染修復(fù)等[3-6]。其中進行土壤重金屬污染評價常用的方法有單項污染指數(shù)法、污染負荷指數(shù)（PLI）法、Nemero指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險評價法等[7-9]。地處我國西北部的烏魯木齊市為新疆的首府城市，居住人口數(shù)量較多，經(jīng)濟發(fā)展較為迅速，城市化水平較高。與此同時，烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染問題也逐漸受到當?shù)鼐用竦年P(guān)注。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，烏魯木齊市農(nóng)田土壤主要受到5種重金屬元素[Cd、鉻（Cr）、鉛（Pb）、As、汞（Hg）]污染，其中除了As和Cr之外，其余重金屬元素的含量均超過新疆土壤背景值，表明農(nóng)田土壤重金屬污染在烏魯木齊市是一個不可忽視的問題[10]。因此，現(xiàn)階段研究烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染狀況十分重要。

本研究以新疆烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤為例，在采集表層土壤樣品的基礎(chǔ)上，測定樣品鎘、銅（Cu）、鉻、鎳（Ni）、鉛、鋅（Zn）、汞、砷在土壤中的濃度。借助污染負荷指數(shù)（PLI）法、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）法、生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù)（IER）等分析與評價烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀，旨在為城市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染研究提供更多的案例依據(jù);另外分析農(nóng)田土壤重金屬污染的源頭，提出防止污染的辦法，并為建設(shè)更好的烏魯木齊市提出一些建議。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)概況

烏魯木齊市位于絲綢之路經(jīng)濟帶的核心區(qū)域，是新疆的政治、經(jīng)濟、文化、科教和交通中心，有“亞心之都”之稱。烏魯木齊市地處天山山系北部，天山西段與東段的結(jié)合部，其地理位置為86°37′33″～88°58′24″E、42°45′32″～44°08′00″N，位于天山北麓以及準噶爾盆地南緣，深處亞歐大陸腹地，屬溫帶半干旱氣候，晝夜溫差大，寒暑變化劇烈，平原降水少[11]。

烏魯木齊市的土壤類型主要為栗鈣土和棕鈣土，周邊農(nóng)田土壤pH值平均為7.82，呈堿性，有機質(zhì)含量相對較低。該區(qū)域農(nóng)田土壤污染物主要包括Zn、Cr、Pb、Ni、Cu、As、Cd、Hg、滴滴涕（DDT）、六氯環(huán)己烷（BHC）、苯并（a）芘等。

1.2?樣品采集

利用烏魯木齊市地圖，按500 m×500 m網(wǎng)格在烏魯木齊市周邊農(nóng)田進行布點，其中根據(jù)實際情況選出有效網(wǎng)格178個。在每個網(wǎng)格中心附近采集農(nóng)田土壤樣品，并使用全球定位系統(tǒng)（GPS）進行定位，如圖1所示。在每個樣點上，先在4 m2的范圍內(nèi)，按梅花形布設(shè)5個子樣點，再分別用塑料鏟收集表層（0～20 cm土層）土壤子樣品，將5個子樣品充分混合，得到該樣點的土壤樣品。

1.3?樣品處理與重金屬含量測定

首先將采集到的土壤樣品進行陰干處理，然后清除枯枝落葉、磚瓦塊和垃圾等雜物;接著用木棍將樣品碾碎，全部過100目篩子;最后將其充分混合，保存待測。

稱取0.5 g土壤樣品，分別加入10 mL硝酸、10 mL 氫氟酸、2 mL高氯酸進行電熱板消解，然后將其移至50 mL容量瓶中，并用去離子水定容，搖勻。采用火焰原子吸收分光光度法測定Cd、Cu、Cr、Ni、Pb、Zn含量。

稱取0.5 g土壤樣品，加入5 mL王水（濃鹽酸與濃硝酸體積比為3 ∶1）和5 mL蒸餾水，沸水浴2 h，自然冷卻后，將其移至50 mL容量瓶中，并用去離子水定容，搖勻。利用原子熒光光度法測定Hg、As含量。

在試驗過程中所有樣品均平行測定3次。

1.4?農(nóng)田土壤重金屬污染評價方法

本研究采用污染負荷指數(shù)（PLI）[12-13]來評價烏魯木齊市周邊農(nóng)田重金屬污染狀況，其計算公式如下：

CFi=cici′，i=1，2，…，n;（1）

PLI=nCF1×CF2×…×CFn。（2）

式中：CFi指金屬元素i的污染指數(shù);ci指金屬元素i的實際測量濃度，mg/kg;ci′指金屬元素i的土壤背景值，mg/kg;PLI為重金屬污染負荷指數(shù);n為參加評選的重金屬元素個數(shù)，個。本研究所采用的土壤背景值均為新疆土壤背景值。根據(jù)CF重金屬元素的污染分級標準如下：CF≤1為無污染（Ⅰ）;13為嚴重污染（Ⅳ）。根據(jù)PLI重金屬元素的污染分級標準如下：PLI≤1為無污染（Ⅰ）;13為嚴重污染（Ⅳ）[14]。

采用Hakanson提出的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）[15]分析烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險，其計算公式如下：

RIj=∑ni=1Eij=∑ni=1Ti×Cij=∑ni=1Ti×cijcir。。（3）

式中：RIj指j采樣點中多種金屬元素的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);Eij指j采樣點中金屬元素i的單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);Cij指j采樣點中金屬元素i的污染指數(shù);cij指j采樣點中金屬元素i的實測含量，mg/kg;cir為金屬元素i的參比值[16]，mg/kg;Ti指金屬元素i的毒性系數(shù)，表示金屬元素在液相、固相和生物相之間的相互關(guān)系，同時，也可以全面地表現(xiàn)出金屬元素的毒性、污染等級以及污染的敏感度[17]。本研究選用新疆農(nóng)田土壤背景值，金屬元素Cd的毒性系數(shù)是30;金屬元素Cr的毒性系數(shù)是2;金屬元素Cu、Ni、Pb的毒性系數(shù)均是5;金屬元素Zn的毒性系數(shù)是1;金屬元素Hg的毒性系數(shù)是40;金屬元素As的毒性系數(shù)是10。根據(jù)Eij單項重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險的分級標準如下：Eij≤40屬于較輕風(fēng)險;40320屬于超高風(fēng)險。根據(jù)RIj多種重金屬元素綜合潛在生態(tài)風(fēng)險的分級標準如下：RIj≤150屬于較輕風(fēng)險;1501 200屬于超高風(fēng)險。

本研究借助Rapant等提出的生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù)（IER）[18]預(yù)警評價烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤生態(tài)風(fēng)險狀況，采用GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[19]中的土壤二級標準（pH值>7.5）作為本研究預(yù)警指數(shù)的參照值，對農(nóng)田土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險進行預(yù)警評價，其計算公式如下：

IER=∑ni=1IERi=∑ni=1（CAi/CRi-1）。（4）

式中：IER指生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù);IERi指超過臨界值金屬元素i的環(huán)境風(fēng)險指數(shù);CAi指金屬元素i的實際濃度，mg/kg;CRi指金屬元素i的濃度臨界值，mg/kg。根據(jù)IER重金屬元素生態(tài)風(fēng)險預(yù)警的分級標準如下：IER≤0屬于無警示狀態(tài);05屬于重警狀態(tài)[20]。

2?結(jié)果與分析

2.1?土壤重金屬含量分析

如圖2、表1所示，土壤中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg、As的平均含量分別為0.500、85.600、29.238、37.637、13.156、126.470、0.090、8.433 mg/kg。重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Hg含量的平均值均超過了新疆土壤背景值，其中Cr和Zn的含量遠超過新疆土壤背景值，并表現(xiàn)出明顯的富集現(xiàn)象。雖然Pb與As的含量平均值低于新疆土壤背景值，但部分樣品中它們的測定值遠超背景值。因此，以上數(shù)據(jù)表明，土壤重金屬元素累積主要是來自非自然的外部條件，觀察它們的極大值與極小值發(fā)現(xiàn)，各元素的極差很大。

偏度系數(shù)是指描述數(shù)據(jù)分布情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其絕對值越小，表示數(shù)據(jù)分布趨勢的偏斜度越小。峰度系數(shù)是指描述全部數(shù)據(jù)中取值分布情況陡斜

程度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[21-22]，其絕對值越小，表示數(shù)據(jù)分布趨勢的陡緩度與正態(tài)分布的差異程度越小[23]。從表1可以看出，土壤中Pb、Zn、Hg含量的偏度系數(shù)與峰度系數(shù)較大，表示在部分土壤樣品中Pb、Zn、Hg含量及累積狀況較高。變異系數(shù)（CV）用于描述樣品中金屬元素平均變異度，其值越小，表示金屬元素在空間分布越均勻，出現(xiàn)點源污染情況的概率越低[24]。烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤中的Cr、Pb、Zn、Hg、As含量呈現(xiàn)強變異性（CV>50），表明Cr、Pb、Zn、Hg、As的累積受某些局部污染源影響較為明顯;農(nóng)田土壤中的Cd、Cu、Ni含量呈中等變異性（25

2.2?土壤重金屬污染特征及分布

烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤中重金屬的平均CF排列順序為Cd（3.72）>Hg（3.32）>Zn（1.67）>Ni（1.42）>Cr（1.30）>Cu（1.06）>As（0.62）>Pb（0.46）。由表2可知，Cd和Hg呈嚴重污染狀態(tài)，Zn、Ni、Cr及Cu呈較輕污染，As與Pb呈無污染。

從表2可以看出，由每種重金屬的不同污染程度樣點數(shù)占全部樣點數(shù)的比率發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)樣點Pb、As的污染指數(shù)屬于Ⅰ級，未發(fā)生污染，Ⅰ級樣點數(shù)分別占總樣點數(shù)的81.46%、73.59%。大多數(shù)樣點Cr、Cu、Ni、Zn的污染指數(shù)屬于Ⅰ級和Ⅱ級，其中Ⅱ級樣點數(shù)分別占總樣點數(shù)的20.79%、48.88%、65.73%、68.54%。大多數(shù)樣點Cd、Hg的污染指數(shù)屬于Ⅲ級和Ⅳ級，Ⅳ級污染樣點數(shù)分別占總樣點數(shù)的84.29%、60.68%，表明Cd和Hg是最主要的污染因子。

烏魯木齊市土壤中8種重金屬的平均PLI為1.36，屬于輕度污染。由表2可知，無污染的樣點數(shù)占17.98%，Ⅱ級污染樣點數(shù)占66.29%，Ⅲ級污染樣點數(shù)占15.73%，沒有發(fā)生重度污染。

為了充分反映烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬的PLI空間分布，在ArcGIS 10.0軟件支持下，通過普通克里格（ordinary kriging）[25]空間插值技術(shù)得到圖3。從圖3可以看出，PLI的高值區(qū)分布于烏魯木齊市北部的米東區(qū)，水磨溝區(qū)的PLI次之，低值區(qū)分布于烏魯木齊縣和達坂城區(qū)。

2.3?潛在生態(tài)危害評價

根據(jù)生態(tài)風(fēng)險分類標準，以新疆農(nóng)田土壤背景值[26]作為參比值，對烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染進行潛在生態(tài)風(fēng)險評價。結(jié)果（表3）表明，烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的平均值排列順序如下：Hg>Cd>As>Ni>Cu>Cr>Pb>Zn。所有樣點重金屬As、Ni、Cu、Cr、Pb、Zn的單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均小于40，呈現(xiàn)較輕風(fēng)險狀態(tài)。Hg與Cd的單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)相對較高，因此，Hg與Cd是本研究區(qū)域內(nèi)首要的生態(tài)風(fēng)險因子。

烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）變化范圍在91.07～1 177.43之間，平均值為364.70，表現(xiàn)為較高生態(tài)風(fēng)險。47.75%樣點的RI屬于中等生態(tài)風(fēng)險級別，41.57%樣點的RI屬于較高生態(tài)風(fēng)險級別。烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù)（IER）變化范圍在-6.61～-2.91之間，平均值為-4.94，表現(xiàn)為無警示狀態(tài)，所有樣點的生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù)呈現(xiàn)無警示狀態(tài)。

2.4?農(nóng)田土壤重金屬來源分析

如表4所示，Cd與Cr、Cd與As、Cd與Cu、Cr與Hg、Ni與Zn、Ni與Hg、Hg與As含量之間在0.01水平上存在顯著相關(guān)性，但相關(guān)系數(shù)較低（絕對值低于0.3）。Cr與Cu、Cr與Ni、Cu與Ni含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，As與Cr、Cu、Ni含量之間也存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明這些元素之間可能有相似的污染來源。

聚類分析結(jié)果（圖4）顯示，Cu、Cr、Hg、Ni、As聚為一類，Pb和Cd聚為一類，說明這2類元素在土壤中有相似的來源和相近釋放的規(guī)律。本研究區(qū)域內(nèi)有多家混凝土公司、建材耐火材料廠、有色金屬冶煉以及機械制造廠，同時在米東區(qū)區(qū)域附近有石油化工以及煤化工企業(yè)，工業(yè)廢水及生活污水排放到河流中，再灌溉到農(nóng)田中，導(dǎo)致了農(nóng)田Cu、Cr、Hg、Ni、As污染的產(chǎn)生。研究區(qū)附近有煤礦產(chǎn)業(yè)，煤礦排水或雨水進入土壤，會造成土壤重金屬污染現(xiàn)象發(fā)生[27-28]，煤礦的開采和礦泥的排放導(dǎo)致了土壤中Pb和Cd的污染。Zn的污染是由于研究區(qū)內(nèi)有鍍鋅鋼管大棚、機械制造及彩鋼制造廠等?即使鍍鋅鋼架有良好的抗腐性，但長時間在空氣、雨雪等環(huán)境中暴露，也會被腐蝕進而破裂，產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，從而剝落于土壤環(huán)境中，造成土壤中Zn污染[29]。主成分分析結(jié)果（圖5）表明，通過正交旋轉(zhuǎn)使得復(fù)雜的因子負荷矩陣變得簡明清晰，組分1包括Cu、Cr、Hg、Ni、As，組分2包括Pb和Cd，組分3包括Zn，該結(jié)果進一步支持聚類分析的結(jié)果。

3?結(jié)論與建議

3.1?結(jié)論

本研究主要分析烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤8種重金屬污染特征及其分布特征，并對重金屬污染進行潛在風(fēng)險及生態(tài)預(yù)警評價，最后應(yīng)用相關(guān)性分析和聚類分析研究了重金屬的主要來源。主要結(jié)論如下。

（1）烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Hg含量的平均測定值均超過新疆土壤背景值，其中Cr和Zn的含量遠超過新疆土壤背景值，并表現(xiàn)出明顯的富集現(xiàn)象。雖然Pb與As的含量平均值低于新疆土壤背景值，但部分樣品中它們的含量測定值遠超背景值。

（2）烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤中重金屬的平均CF排列順序為Cd>Hg>Zn>Ni>Cr>Cu>As>Pb，其中Cd和Hg呈重度污染，Zn、Ni、Cr及Cu呈輕度污染，As與Pb呈無污染。烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬的平均PLI為1.36，屬于輕度污染。

（3）烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的平均值排列順序為Hg>Cd>As>Ni>Cu>Cr>Pb>Zn。所有樣點重金屬As、Ni、Cu、Cr、Pb、Zn的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均小于40，呈較輕風(fēng)險狀態(tài)，Hg與Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)相對較高，表明Hg與Cd是本研究區(qū)中首要的生態(tài)風(fēng)險因子。研究區(qū)域土壤重金屬的平均生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù)為-4.94，呈現(xiàn)出無警示狀態(tài)。

（4）烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤各重金屬元素含量之間存在較強的相關(guān)性，其中土壤中的Cu、Cr、Hg、Ni、As主要來源于污水灌溉，Pb和Cd主要來源于煤礦開采，而Zn的污染是由鍍鋅鋼管大棚、機械制造及彩鋼制造廠等所造成的。

3.2?建議

黨的十九大報告提出，堅持人與自然和諧共生和建設(shè)生態(tài)文明是中華民族持續(xù)發(fā)展的千年大計。近年來，國家對于土壤重金屬污染與防治問題也越加重視[30]。烏魯木齊市作為新疆的首府，它周邊農(nóng)田土壤重金屬污染也是筆者主要關(guān)注的問題之一。

（1）烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬中的Pb和As含量平均值小于新疆農(nóng)田土壤背景值，但還有很多樣點的Pb和As含量高于土壤背景值。烏魯木齊市米東區(qū)土壤重金屬污染最為嚴重，這是由于米東區(qū)有工業(yè)園區(qū)，比其他幾個區(qū)域更容易造成農(nóng)田土壤重金屬污染。雖然米東區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染相對嚴重，但烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬污染負荷指數(shù)呈輕度污染狀態(tài)。建議對烏魯木齊米東區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染進行防治，以免后期造成嚴重污染。

（2）當以不同土壤背景值為參考值時，土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險預(yù)警結(jié)果不同。以新疆農(nóng)田土壤背景值作為參比值時，烏魯木齊市周邊農(nóng)田土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)呈較強風(fēng)險狀態(tài);但以國家二級土壤標準作為參比值時，烏魯木齊周邊農(nóng)田土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險預(yù)警指數(shù)呈無警示狀態(tài)。因此，在評價農(nóng)田土壤重金屬時，可采用不同的土壤背景值進行綜合評價。

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