石河子墾區(qū)農(nóng)田土壤重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

石河子墾區(qū)農(nóng)田土壤重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

土壤是人們生存和發(fā)展的最基本物質(zhì)，也是一切物質(zhì)生產(chǎn)最基本的來源。多年來,由于農(nóng)藥、化肥的大量使用和工農(nóng)業(yè)污染物的排放,重金屬、化學(xué)農(nóng)藥等污染物通過污水灌溉、大氣煙塵沉降、垃圾填埋處理等各種途徑進(jìn)入土壤,造成土壤污染。有資料顯示,我國(guó)污染土壤已占耕地面積的l/5,污染最嚴(yán)重的耕地主要集中在耕地土壤生產(chǎn)性狀最好、人口密集的城市周邊地帶和對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的要求應(yīng)當(dāng)更高的蔬菜、水果種植基地。土壤重金屬被喻為“化學(xué)定時(shí)炸彈”,其在土壤中不易降解和淋濾,易通過食物鏈富集,對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)安全以及人體健康等構(gòu)成直接危害,因此重金屬污染引起了廣泛關(guān)注,土壤重金屬污染已成為環(huán)境科學(xué)與土壤科學(xué)等研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于土壤重金屬污染的研究主要集中于污灌、采礦、工業(yè)化和城市化等方面,對(duì)于傳統(tǒng)的典型農(nóng)業(yè)區(qū)土壤重金屬污染及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究較少。農(nóng)業(yè)土壤重金屬元素背景部分來自其母質(zhì),隨后受到人類農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)以及工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸?shù)鹊挠绊?大多數(shù)農(nóng)區(qū)的土壤重金屬污染主要是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)引起。有研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)如含重金屬的化肥和農(nóng)藥的施用,養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,也增加了土壤中重金屬等污染物的富集。石河子墾區(qū)是新疆及兵團(tuán)重要的棉花和畜牧業(yè)生產(chǎn)基地,也是北疆最大的蔬菜種植和淡水養(yǎng)殖基地。隨著石河子墾區(qū)城鎮(zhèn)化、新型工業(yè)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展,土壤重金屬污染問題也日益突出。研究表明石河子市不同城市功能區(qū)表層土壤As、Cr、Cu、Mn、Ni、Zn平均含量明顯高于我國(guó)土壤元素背景值,而Pb濃度相對(duì)較低。石河子市郊菜區(qū)土壤的Pb、Cd、As、Cu、Zn含量均低于國(guó)家規(guī)定的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),但土壤重金屬綜合污染指數(shù)逐年上升,大部分地區(qū)屬于微污染,也有個(gè)別地區(qū)達(dá)到了輕污染,主要污染源為As和Cd。石河子葡萄主產(chǎn)區(qū)的果園土壤6種重金屬Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、As含量都符合無公害葡萄產(chǎn)地環(huán)境條件土壤重金屬含量限值;但49.02%的果園土壤中Cd含量和所有果園土壤中的Pb含量都超過了綠色食品土壤環(huán)境質(zhì)量重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)。目前,關(guān)于石河子墾區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染與評(píng)價(jià)還鮮有報(bào)道。本研究選取石河子墾區(qū)北泉鎮(zhèn)和桃花鎮(zhèn)2個(gè)典型農(nóng)業(yè)區(qū)為研究對(duì)象,測(cè)定農(nóng)田土壤中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、As和Hg7種重金屬含量,并對(duì)土壤重金屬污染狀況和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),旨在為研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)管理和污染治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。1材料和方法1.1大陸性氣候概況石河子墾區(qū)地處天山北麓中段,古爾班通古特大沙漠南緣,東徑84′58″~86′24″,北緯43′26″~45′20″,屬典型的溫帶大陸性氣候,年平均氣溫7.5~8.2℃,日照2318-2732h,無霜期147-191d,年降雨量180~270mm,年蒸發(fā)量1000~1500mm。墾區(qū)由南向北依次為天山山區(qū)、山前丘陵區(qū)、山前傾斜平原、洪水沖積平原、風(fēng)成沙漠區(qū),平均海拔高度450.8m,其中,以山前傾斜平原和洪水沖積平原為主。1.2采樣點(diǎn)布在區(qū)域間根據(jù)石河子墾區(qū)農(nóng)田的分布情況,結(jié)合地貌地形特征、土壤類型和土地利用類型等的代表性,選擇北泉鎮(zhèn)(石河子市北郊)和桃花鎮(zhèn)(石河子市西北約100km)為采樣區(qū)(圖1)。北泉鎮(zhèn)地處山前傾斜平原,主要土壤類型為潮土,主要農(nóng)作物為棉花、加工番茄和葡萄。桃花鎮(zhèn)地處洪水沖積平原,主要土壤類型為灌耕灰漠土,主要農(nóng)作物為棉花、加工番茄和葡萄。在采樣區(qū)內(nèi)共布設(shè)130個(gè)土壤采樣點(diǎn),其中北泉鎮(zhèn)43個(gè),桃花鎮(zhèn)87個(gè)。同時(shí),考慮不同土地利用類型的特點(diǎn),葡萄的生產(chǎn)管理差異較大,采樣點(diǎn)數(shù)量相對(duì)密集;棉花和加工番茄地塊大,管理措施較一致,采樣點(diǎn)相對(duì)稀疏。在130個(gè)土壤采樣點(diǎn)中,葡萄園60個(gè),棉田40個(gè),加工番茄農(nóng)田30個(gè)。采樣時(shí),根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求,用GPS定位各采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度,以各點(diǎn)為中心,劃分50m×50m的采樣區(qū),按S型取樣法采集采樣區(qū)0~20cm耕層土壤混合樣品,混合均勻后采用四分法取1.0kg的樣品作為該采樣點(diǎn)的分析樣品,裝于聚乙烯塑料袋,袋內(nèi)及袋上貼好標(biāo)簽,帶回實(shí)驗(yàn)室。1.3土壤樣品測(cè)定土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干,剔除樣品中植物根系,用木棍碾碎并用瑪瑙研缽研磨,過100目尼龍篩后,置于密封袋中保存待測(cè)。土壤樣品采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸微波消解,As采用原子熒光法(AFS)測(cè)定,Hg采用冷原子吸收分光光度法(GB/T17136-1997)測(cè)定;Cu、Zn、Cr采用火焰原子吸收分光光度法(GB/T17137-1997,GB/T17138-1997)測(cè)定;Cd、Pb采用石墨爐原子吸收分光光度法(GB/T17141-1997)測(cè)定。1.4評(píng)估方法1.4.1綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用新疆土壤元素平均背景值和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)采用單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法相結(jié)合的方法。單因子指數(shù)法是目前國(guó)內(nèi)普遍采用的方法之一,其計(jì)算公式為:式(1)中,Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Ci為污染物實(shí)測(cè)濃度;Si為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。綜合污染指數(shù)計(jì)算采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法,其計(jì)算公式為:式(2)中,Piave和Pimax分別為單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的平均值和最大值。1.4.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)ei土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法,計(jì)算公式如下:式(3)、(4)中,Ei為單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);Ti為單個(gè)污染物的毒性響應(yīng)參數(shù),Zn、Cr、Cu、Pb、As、Cd、Hg的毒性響應(yīng)參數(shù)分別為1、2、5、5、10、30、40;RI為多因子綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。1.5描述性統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用Excel2003進(jìn)行土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析。為深入揭示重金屬含量之間的相互關(guān)系,應(yīng)用SPSSStatistic13.0進(jìn)行土壤重金屬含量的相關(guān)性分析和因子分析。2結(jié)果與分析2.1土壤環(huán)境質(zhì)量石河子墾區(qū)農(nóng)田土壤重金屬Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、As和Hg的平均含量分別為33.34、102.64、58.77、0.46、13.72、18.89和0.036mg/kg(表2),均高于新疆土壤元素背景值(表1)。其中,Cd、Hg、Pb和As分別為新疆土壤元素背景值的3.83、2.11、1.95和1.69倍,表現(xiàn)出較為明顯的積累趨勢(shì)。與國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比(表1),7種土壤重金屬平均含量均低于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值(表2)。在130個(gè)土壤采樣點(diǎn)中,22個(gè)樣點(diǎn)土壤Cd含量超過國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值0.6mg/kg,超標(biāo)率為16.92%;12個(gè)樣點(diǎn)土壤As含量超過國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值25mg/kg,超標(biāo)率為9.23%;其余重金屬元素含量均未超標(biāo)。變異系數(shù)又稱離散系數(shù),是統(tǒng)計(jì)學(xué)當(dāng)中的常用統(tǒng)計(jì)指標(biāo),主要用于比較不同水平的變量數(shù)列的離散程度。通常變異系數(shù)>100%屬于強(qiáng)變異,介于10%和100%之間的屬于中等變異,小于10%的屬于弱變異。石河子墾區(qū)農(nóng)田土壤Cu、Zn、Cr、Cd、Pb和As含量的變異系數(shù)為28%~55%,屬中等變異;但Hg含量的變異系數(shù)為119%,屬強(qiáng)變異,說明可能受到一定的外源重金屬污染。2.2zn-pb間的相關(guān)性元素間的相關(guān)分析是推測(cè)重金屬來源的重要依據(jù)。石河子墾區(qū)土壤重金屬含量相關(guān)系數(shù)見表3。由表3可知:Cu-Zn、Cu-Pb、Cu-As、Cu-Cr、ZnAs、Cr-Cd、Cr-Pb、Cr-As、Cr-Hg、Cd-Pb、Pb-As、PbHg、As-Hg間均具有極顯著的相關(guān)性,Cu-Cd、Zn-Pb之間具有顯著的相關(guān)性?？傮w來看,不同重金屬元素間的相關(guān)性較為復(fù)雜。為了進(jìn)一步揭示重金屬含量之間的相互關(guān)系,對(duì)7種土壤重金屬元素進(jìn)行了因子分析,分析結(jié)果見表4。對(duì)于特征值大于1的提取相應(yīng)公因子(第三因子的特征值接近1,也進(jìn)行了提取),第一因子的方差貢獻(xiàn)率為39.33%,第二因子的方差貢獻(xiàn)率為21.83%,第三因子的方差貢獻(xiàn)率為13.97%,累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)75.13%(表4)。表5為前3個(gè)因子的載荷表,將其旋轉(zhuǎn)后的載荷繪制成因子載荷散點(diǎn)圖(圖2),因子間距離可直觀反映元素含量間的相關(guān)性。由表5見:第一因子和Cr、Cd、Pb有很強(qiáng)的正相關(guān),第二因子和Cu、Zn、As有很強(qiáng)的正相關(guān),第三因子中Hg具有較高的正荷載。圖2表明:Cr、Cd和Pb之間距離較近,相關(guān)性較強(qiáng),說明三者極有可能具有相同的來源;Cu、Zn和As的距離也較近,也具有相同的來源;Hg與其他6種元素關(guān)系不明顯,具有出較強(qiáng)烈的異源特征。2.3不同土地利用類型農(nóng)田和葡萄園土壤重金屬含量狀況2個(gè)采樣區(qū)北泉鎮(zhèn)和桃花鎮(zhèn)農(nóng)田土壤重金屬平均含量見表6。由表6可見:北泉鎮(zhèn)農(nóng)田土壤Cu、Zn和As平均含量和桃花鎮(zhèn)相似,土壤Hg平均含量為桃花鎮(zhèn)1.36倍;而桃花鎮(zhèn)農(nóng)田土壤Pb、Cr和Cd的平均含量則分別為北泉鎮(zhèn)的1.28倍、1.54倍和1.42倍。從不同土地利用類型農(nóng)田土壤重金屬平均含量(表7)來看,棉田、加工番茄農(nóng)田和葡萄園土壤Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、As和Hg的平均含量總體差異較小。葡萄園土壤Cu、Zn含量最高;同時(shí),從不同種植年限葡萄園土壤Cu平均含量的變化來看,總體表現(xiàn)為隨著種植年限的延長(zhǎng),土壤Cu平均含量呈逐漸增加趨勢(shì)(圖3)。種植6-8年和10年以上的葡萄園較3年以下葡萄園土壤Cu平均含量分別增加了30.70%和21.47%。加工番茄農(nóng)田和棉田土壤Cd含量均高于葡萄園土壤。2.3重金屬的污染程度研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬單因子污染指數(shù)見表8。由表8可知:以新疆土壤元素背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)農(nóng)田土壤7種重金屬元素的單因子污染指數(shù)大小順序?yàn)镃d>Hg>Pb>As>Zn>Cu>Cr;按照土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),Cd的污染指數(shù)超過3,屬重度污染;Hg的污染指數(shù)為2~3,屬重度污染;而Pb、As、Zn、Cu、Cr的污染指數(shù)均為1~2,屬輕度污染。以國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量(二級(jí))為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),重金屬元素的單因子污染指數(shù)大小順序?yàn)镃d>As>Zn>Cu>Cr>Pb>Hg;其中,Cd和As的污染指數(shù)在0.7~1.0之間,屬尚清潔;其他重金屬的污染指數(shù)均低于0.7,屬清潔。研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)分級(jí)見表9。由表9可知:以新疆土壤元素背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)平均為3.43,屬重度污染。其中,輕度污染占20.77%,中度污染占38.46%,重度污染占40.77%。以國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量(二級(jí))為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),土壤重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)平均為0.71,屬尚清潔(警戒限)。其中,污染指數(shù)為1~2屬輕度污染的僅占16.92%,其余均屬于清潔或尚清潔。綜合上述結(jié)果來看,石河子墾區(qū)農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量受人為活動(dòng)影響較大,7種重金屬元素均存在不同程度的累積,尤其是Cd和Hg的污染指數(shù)較大,達(dá)到了重度和中度污染。但土壤環(huán)境質(zhì)量仍符合國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(二級(jí))要求,總體屬于尚清潔(警戒限)。2.4低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)從土壤重金屬單因子生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ei(表10)可以看出,研究區(qū)農(nóng)田土壤7種重金屬的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小依次為:Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn。土壤中As、Pb、Cu、Cr和Zn的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較低,全部130個(gè)采樣點(diǎn)土壤5種重金屬均處于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。土壤Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大,所有采樣點(diǎn)土壤Cd均存在一定的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),其中40.77%處于中等潛在風(fēng)險(xiǎn),38.46%處于較高潛在風(fēng)險(xiǎn),20.77%處于高潛在風(fēng)險(xiǎn)。其次是土壤Hg,接近一半的采樣點(diǎn)土壤Hg存在一定的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),其中21.54%處于中等潛在風(fēng)險(xiǎn),13.85%處于較高潛在風(fēng)險(xiǎn),7.69%處于高潛在風(fēng)險(xiǎn),另有6.15%處于極高潛在風(fēng)險(xiǎn)。研究區(qū)土壤重金屬多因子綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)結(jié)果(表11)表明,低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)有35個(gè),占26.92%,中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)有65個(gè),占50.00%,較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)30個(gè),占23.08%。3農(nóng)田土壤重金屬含量變化的主要來源1)石河子墾區(qū)農(nóng)田土壤Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、As和Hg的平均含量分別為33.34、102.64、58.77、0.46、13.72、18.89和0.036mg/kg,均高于新疆土壤元素背景值,其中Cd、Hg、Pb和As最為顯著。7種重金屬平均含量均低于國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),但Cd的超標(biāo)率為16.92%,As的超標(biāo)率為9.23%。2)土壤中Cu-Zn-As、Cr-Cd-Pb的相關(guān)性較好,具有較強(qiáng)的同源性,而土壤中Hg具有強(qiáng)烈的異源特征。北泉鎮(zhèn)農(nóng)田土壤Cu、Zn和As平均含量和桃花鎮(zhèn)相似,也進(jìn)一步說明Cu、Zn和As的相關(guān)性較強(qiáng),具有相同的來源。北泉鎮(zhèn)農(nóng)田土壤Hg富集明顯,這可能主要是由于北泉鎮(zhèn)位于石河子市郊,市區(qū)的電廠以及工業(yè)可能是導(dǎo)致北泉鎮(zhèn)農(nóng)田土壤Hg含量增加的原因。大氣汞是土壤汞的重要來源,其中燃煤電廠是大氣中汞排放最大的源;其他污染源還包括電廠以外的各種燃煤工業(yè)鍋爐、水銀法氯堿生產(chǎn)、水泥生產(chǎn)等。桃花鎮(zhèn)農(nóng)田土壤Cd、Cr和Pb明顯累積,農(nóng)田土壤Pb、Cr和Cd含量的升高與農(nóng)藥、化肥以及