石河子垦区农田土壤重金属分布特征及生态风险评价

石河子垦区农田土壤重金属分布特征及生态风险评价

土壤是人们生存和发展的最基本物质，也是一切物质生产最基本的来源。多年来,由于农药、化肥的大量使用和工农业污染物的排放,重金属、化学农药等污染物通过污水灌溉、大气烟尘沉降、垃圾填埋处理等各种途径进入土壤,造成土壤污染。有资料显示,我国污染土壤已占耕地面积的l/5,污染最严重的耕地主要集中在耕地土壤生产性状最好、人口密集的城市周边地带和对土壤环境质量的要求应当更高的蔬菜、水果种植基地。土壤重金属被喻为“化学定时炸弹”,其在土壤中不易降解和淋滤,易通过食物链富集,对动植物生长安全以及人体健康等构成直接危害,因此重金属污染引起了广泛关注,土壤重金属污染已成为环境科学与土壤科学等研究领域的热点。目前,国内对于土壤重金属污染的研究主要集中于污灌、采矿、工业化和城市化等方面,对于传统的典型农业区土壤重金属污染及其潜在生态风险研究较少。农业土壤重金属元素背景部分来自其母质,随后受到人类农业耕作活动以及工业生产和交通运输等的影响,大多数农区的土壤重金属污染主要是由农业生产活动引起。有研究发现,农业生产如含重金属的化肥和农药的施用,养殖业的发展,也增加了土壤中重金属等污染物的富集。石河子垦区是新疆及兵团重要的棉花和畜牧业生产基地,也是北疆最大的蔬菜种植和淡水养殖基地。随着石河子垦区城镇化、新型工业化和农业现代化的快速发展,土壤重金属污染问题也日益突出。研究表明石河子市不同城市功能区表层土壤As、Cr、Cu、Mn、Ni、Zn平均含量明显高于我国土壤元素背景值,而Pb浓度相对较低。石河子市郊菜区土壤的Pb、Cd、As、Cu、Zn含量均低于国家规定的土壤环境质量标准,但土壤重金属综合污染指数逐年上升,大部分地区属于微污染,也有个别地区达到了轻污染,主要污染源为As和Cd。石河子葡萄主产区的果园土壤6种重金属Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、As含量都符合无公害葡萄产地环境条件土壤重金属含量限值;但49.02%的果园土壤中Cd含量和所有果园土壤中的Pb含量都超过了绿色食品土壤环境质量重金属含量标准。目前,关于石河子垦区农田土壤重金属污染与评价还鲜有报道。本研究选取石河子垦区北泉镇和桃花镇2个典型农业区为研究对象,测定农田土壤中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、As和Hg7种重金属含量,并对土壤重金属污染状况和潜在生态风险进行评价,旨在为研究区农田土壤重金属污染的风险管理和污染治理提供基础数据和理论依据。1材料和方法1.1大陆性气候概况石河子垦区地处天山北麓中段,古尔班通古特大沙漠南缘,东径84′58″~86′24″,北纬43′26″~45′20″,属典型的温带大陆性气候,年平均气温7.5~8.2℃,日照2318-2732h,无霜期147-191d,年降雨量180~270mm,年蒸发量1000~1500mm。垦区由南向北依次为天山山区、山前丘陵区、山前倾斜平原、洪水冲积平原、风成沙漠区,平均海拔高度450.8m,其中,以山前倾斜平原和洪水冲积平原为主。1.2采样点布在区域间根据石河子垦区农田的分布情况,结合地貌地形特征、土壤类型和土地利用类型等的代表性,选择北泉镇(石河子市北郊)和桃花镇(石河子市西北约100km)为采样区(图1)。北泉镇地处山前倾斜平原,主要土壤类型为潮土,主要农作物为棉花、加工番茄和葡萄。桃花镇地处洪水冲积平原,主要土壤类型为灌耕灰漠土,主要农作物为棉花、加工番茄和葡萄。在采样区内共布设130个土壤采样点,其中北泉镇43个,桃花镇87个。同时,考虑不同土地利用类型的特点,葡萄的生产管理差异较大,采样点数量相对密集;棉花和加工番茄地块大,管理措施较一致,采样点相对稀疏。在130个土壤采样点中,葡萄园60个,棉田40个,加工番茄农田30个。采样时,根据《土壤环境监测技术规范》的相关要求,用GPS定位各采样点的经纬度,以各点为中心,划分50m×50m的采样区,按S型取样法采集采样区0~20cm耕层土壤混合样品,混合均匀后采用四分法取1.0kg的样品作为该采样点的分析样品,装于聚乙烯塑料袋,袋内及袋上贴好标签,带回实验室。1.3土壤样品测定土壤样品在室内自然风干,剔除样品中植物根系,用木棍碾碎并用玛瑙研钵研磨,过100目尼龙筛后,置于密封袋中保存待测。土壤样品采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸微波消解,As采用原子荧光法(AFS)测定,Hg采用冷原子吸收分光光度法(GB/T17136-1997)测定;Cu、Zn、Cr采用火焰原子吸收分光光度法(GB/T17137-1997,GB/T17138-1997)测定;Cd、Pb采用石墨炉原子吸收分光光度法(GB/T17141-1997)测定。1.4评估方法1.4.1综合污染指数法评价标准采用新疆土壤元素平均背景值和《土壤环境质量标准》二级标准(表1)。土壤环境质量评价采用单因子污染指数法和综合污染指数法相结合的方法。单因子指数法是目前国内普遍采用的方法之一,其计算公式为:式(1)中,Pi为土壤中污染物i的环境质量指数;Ci为污染物实测浓度;Si为评价标准值。综合污染指数计算采用内梅罗污染指数法,其计算公式为:式(2)中,Piave和Pimax分别为单因子环境质量指数的平均值和最大值。1.4.2潜在生态风险指数ei土壤环境风险评价采用Hakanson潜在生态危害指数法,计算公式如下:式(3)、(4)中,Ei为单因子潜在生态风险指数;Ti为单个污染物的毒性响应参数,Zn、Cr、Cu、Pb、As、Cd、Hg的毒性响应参数分别为1、2、5、5、10、30、40;RI为多因子综合潜在生态风险指数。1.5描述性统计分析应用Excel2003进行土壤重金属含量的描述性统计分析。为深入揭示重金属含量之间的相互关系,应用SPSSStatistic13.0进行土壤重金属含量的相关性分析和因子分析。2结果与分析2.1土壤环境质量石河子垦区农田土壤重金属Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、As和Hg的平均含量分别为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分别为新疆土壤元素背景值的3.83、2.11、1.95和1.69倍,表现出较为明显的积累趋势。与国家土壤环境质量标准相比(表1),7种土壤重金属平均含量均低于国家土壤环境质量二级标准值(表2)。在130个土壤采样点中,22个样点土壤Cd含量超过国家土壤环境质量二级标准值0.6mg/kg,超标率为16.92%;12个样点土壤As含量超过国家土壤环境质量二级标准值25mg/kg,超标率为9.23%;其余重金属元素含量均未超标。变异系数又称离散系数,是统计学当中的常用统计指标,主要用于比较不同水平的变量数列的离散程度。通常变异系数>100%属于强变异,介于10%和100%之间的属于中等变异,小于10%的属于弱变异。石河子垦区农田土壤Cu、Zn、Cr、Cd、Pb和As含量的变异系数为28%~55%,属中等变异;但Hg含量的变异系数为119%,属强变异,说明可能受到一定的外源重金属污染。2.2zn-pb间的相关性元素间的相关分析是推测重金属来源的重要依据。石河子垦区土壤重金属含量相关系数见表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间均具有极显著的相关性,Cu-Cd、Zn-Pb之间具有显著的相关性。总体来看,不同重金属元素间的相关性较为复杂。为了进一步揭示重金属含量之间的相互关系,对7种土壤重金属元素进行了因子分析,分析结果见表4。对于特征值大于1的提取相应公因子(第三因子的特征值接近1,也进行了提取),第一因子的方差贡献率为39.33%,第二因子的方差贡献率为21.83%,第三因子的方差贡献率为13.97%,累积方差贡献率达75.13%(表4)。表5为前3个因子的载荷表,将其旋转后的载荷绘制成因子载荷散点图(图2),因子间距离可直观反映元素含量间的相关性。由表5见:第一因子和Cr、Cd、Pb有很强的正相关,第二因子和Cu、Zn、As有很强的正相关,第三因子中Hg具有较高的正荷载。图2表明:Cr、Cd和Pb之间距离较近,相关性较强,说明三者极有可能具有相同的来源;Cu、Zn和As的距离也较近,也具有相同的来源;Hg与其他6种元素关系不明显,具有出较强烈的异源特征。2.3不同土地利用类型农田和葡萄园土壤重金属含量状况2个采样区北泉镇和桃花镇农田土壤重金属平均含量见表6。由表6可见:北泉镇农田土壤Cu、Zn和As平均含量和桃花镇相似,土壤Hg平均含量为桃花镇1.36倍;而桃花镇农田土壤Pb、Cr和Cd的平均含量则分别为北泉镇的1.28倍、1.54倍和1.42倍。从不同土地利用类型农田土壤重金属平均含量(表7)来看,棉田、加工番茄农田和葡萄园土壤Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、As和Hg的平均含量总体差异较小。葡萄园土壤Cu、Zn含量最高;同时,从不同种植年限葡萄园土壤Cu平均含量的变化来看,总体表现为随着种植年限的延长,土壤Cu平均含量呈逐渐增加趋势(图3)。种植6-8年和10年以上的葡萄园较3年以下葡萄园土壤Cu平均含量分别增加了30.70%和21.47%。加工番茄农田和棉田土壤Cd含量均高于葡萄园土壤。2.3重金属的污染程度研究区农田土壤重金属单因子污染指数见表8。由表8可知:以新疆土壤元素背景值为评价标准,研究区农田土壤7种重金属元素的单因子污染指数大小顺序为Cd>Hg>Pb>As>Zn>Cu>Cr;按照土壤环境质量评价分级标准,Cd的污染指数超过3,属重度污染;Hg的污染指数为2~3,属重度污染;而Pb、As、Zn、Cu、Cr的污染指数均为1~2,属轻度污染。以国家土壤环境质量(二级)为评价标准,重金属元素的单因子污染指数大小顺序为Cd>As>Zn>Cu>Cr>Pb>Hg;其中,Cd和As的污染指数在0.7~1.0之间,属尚清洁;其他重金属的污染指数均低于0.7,属清洁。研究区农田土壤重金属综合污染指数评价分级见表9。由表9可知:以新疆土壤元素背景值为评价标准,研究区农田土壤重金属内梅罗污染指数平均为3.43,属重度污染。其中,轻度污染占20.77%,中度污染占38.46%,重度污染占40.77%。以国家土壤环境质量(二级)为评价标准,土壤重金属内梅罗污染指数平均为0.71,属尚清洁(警戒限)。其中,污染指数为1~2属轻度污染的仅占16.92%,其余均属于清洁或尚清洁。综合上述结果来看,石河子垦区农田土壤环境质量受人为活动影响较大,7种重金属元素均存在不同程度的累积,尤其是Cd和Hg的污染指数较大,达到了重度和中度污染。但土壤环境质量仍符合国家土壤环境质量标准(二级)要求,总体属于尚清洁(警戒限)。2.4低潜在生态风险从土壤重金属单因子生态风险指数Ei(表10)可以看出,研究区农田土壤7种重金属的单因子潜在生态风险指数大小依次为:Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn。土壤中As、Pb、Cu、Cr和Zn的潜在生态风险指数较低,全部130个采样点土壤5种重金属均处于低潜在生态风险水平。土壤Cd的潜在生态风险最大,所有采样点土壤Cd均存在一定的潜在生态风险,其中40.77%处于中等潜在风险,38.46%处于较高潜在风险,20.77%处于高潜在风险。其次是土壤Hg,接近一半的采样点土壤Hg存在一定的潜在生态风险,其中21.54%处于中等潜在风险,13.85%处于较高潜在风险,7.69%处于高潜在风险,另有6.15%处于极高潜在风险。研究区土壤重金属多因子综合潜在生态风险指数(RI)结果(表11)表明,低潜在生态风险的点有35个,占26.92%,中等潜在生态风险的点有65个,占50.00%,较高生态风险点30个,占23.08%。3农田土壤重金属含量变化的主要来源1)石河子垦区农田土壤Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、As和Hg的平均含量分别为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最为显著。7种重金属平均含量均低于国家《土壤环境质量标准》二级标准,但Cd的超标率为16.92%,As的超标率为9.23%。2)土壤中Cu-Zn-As、Cr-Cd-Pb的相关性较好,具有较强的同源性,而土壤中Hg具有强烈的异源特征。北泉镇农田土壤Cu、Zn和As平均含量和桃花镇相似,也进一步说明Cu、Zn和As的相关性较强,具有相同的来源。北泉镇农田土壤Hg富集明显,这可能主要是由于北泉镇位于石河子市郊,市区的电厂以及工业可能是导致北泉镇农田土壤Hg含量增加的原因。大气汞是土壤汞的重要来源,其中燃煤电厂是大气中汞排放最大的源;其他污染源还包括电厂以外的各种燃煤工业锅炉、水银法氯碱生产、水泥生产等。桃花镇农田土壤Cd、Cr和Pb明显累积,农田土壤Pb、Cr和Cd含量的升高与农药、化肥以及