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

摘要 对铁门关市3 920件表层土壤样品中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8种重金属元素含量进行测定，以单因子污染指数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法对土壤重金属状况进行评价，对来源进行讨论。结果表明，铁门关市表层土壤中重金属As、Cd、Cr含量与新疆土壤背景值的比值分别为1.17、1.58、1.11。单因子污染指数表明Cd存在0.13%轻度污染，其余重金属元素均为清洁—尚清洁；地累积指数表明Cd轻微、轻度、中度污染比例分别为52.14%、1.33%、0.10%；单项潜在生态危害系数Eir从大到小依次为Cd＞Hg＞As＞Ni＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn，RI平均值为112.91，绝大部分样品点属于轻微潜在生态危害。相关分析和主成分分析表明，铁门关市表层土壤中Cr、Cu、Ni、Zn主要受到成土母质的影响，Cd受到成土母质和农业生产的共同影响，Cd是研究区农田土壤主要的污染因子，潜在生态风险的贡献较大，农田土壤Cd污染值得关注。

关键词 土壤重金属；污染特征；潜在生态风险；铁门关市

中图分类号 X825 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）20-0073-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.20.020

Characteristics and Potential Ecological Risk Assessment of Soil Heavy Metal Pollution in the Oasis Area of Tiemenguan City， Xinjiang

AI Shu-tao，YU Long，MENG Li-qi et al

（Urumqi Natural Resources Comprehensive Survey Center，China Geological Survey Bureau，Urumqi Xinjiang 830057）

Abstract The contents of As， Cd， Cr， Cu， Hg， Ni， Pb and Zn in 3 920 surface soil samples from Tiemenguan City were measured. The soil heavy metal status was evaluated by single factor pollution index， geo-accumulation index and potential ecological hazard index， and the sources were discussed. The results showed that the ratios of the contents of heavy metals As， Cd and Cr in topsoil of Tiemenguan City to the background value of Xinjiang topsoil were 1.17， 1.58 and 1.11.The single factor pollution index Cd element had 0.13% slight pollution， the others were clean to still clean;the geo-accumulation index heavy metal Cd had slight， mild and moderate pollution proportions of 52.14%， 1.33% and 0.10%.The single potential ecological hazard coefficient Eir from high to low in order was Cd>Hg>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn， and the average value of RI was 112.91，belong to slight ecological hazard.The correlation analysis and principal component analysis showed that topsoil Cr， Cu， Ni and Zn in Tiemenguan City were mainly affected by parent materials， Cd was jointly affected by parent materials and agricultural production， and Cd was the main pollution factor of topsoil in the study area and that had a great contribution to the potential ecological risk of farmland soil， and Cd pollution deserves attention.

Key words Soil heavy metal;Pollution characteristic;Potential ecological risk;Tiemenguan City

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：

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：

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：

式中：RI为重金属潜在生态危害指数；Eir为某种重金属潜在生态危害系数；Cif为重金属i相对背景的污染系数；Ci为重金属元素含量；Cin为土壤背景参考值；Tir为不同金属生物毒性响应系数［19］，反映了土壤环境对重金属的敏感性，As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni、Cr、Zn的毒性响应系数分别为10、30、5、5、40、5、2、1。

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。

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。