吐鲁番盆地葡萄园土壤重金属含量及其空间分布特征

麦尔哈巴·图尔贡，麦麦提吐尔逊·艾则孜,2①，王维维 (.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆师范大学新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054)

农用地土壤污染物中重金属元素因其生物毒性、潜伏性和不可降解性不仅威胁土壤环境质量和农产品质量安全[1]，还通过不同生态系统间的循环和迁移威胁生态系统安全与生命健康[2-3]。近年来，随着区域经济的快速发展以及人类活动的加剧，人类活动导致的重金属污染使农用地土壤环境质量不断恶化，严重威胁农产品质量安全，从而成为研究焦点之一[4-6]。

园地土壤环境质量会直接影响到果树的生长、结实、寿命和果品品质[7]，对葡萄园土壤进行的研究发现不同区域土壤中重金属元素的分布规律和污染来源差异较大[8-13]。新疆吐鲁番盆地特殊的气候、土壤和水文等自然环境为发展特色葡萄种植业提供优势条件，该地已成为我国著名的葡萄主产区和最大的无核葡萄生产基地之一[14]。园地土壤重金属污染来源途径广泛，主要包括农业污染、交通运输来源、工业来源及土壤地球化学来源等[2]。葡萄对不同重金属吸收能力差异较大，其中对Cd吸收能力较强，具有富集能力[13]。葡萄果实中重金属含量在一定程度上与土壤中重金属含量呈正相关[10]。新疆吐鲁番盆地生产的葡萄是国家地理标志产品，葡萄总产量约占全疆的52%，葡萄种植业已成为当地的主导产业。针对新疆吐鲁番盆地葡萄园土壤中重金属元素的积累状况、空间分布特征和来源方面缺乏系统研究。基于此，以吐鲁番盆地为研究区，分析葡萄园土壤中6种元素含量、空间分布特征以及主要来源，为葡萄园土壤环境安全以及绿色食品生产提供科学依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

新疆吐鲁番盆地是东天山南坡的山间盆地，位于博格达山南部，盆地南部山麓的艾丁湖海拔高程为-154 m，是我国地势最低洼地。研究区(42°46′～43°05′ N，88°57′～89°34′ E)总面积668.5 km2(图1)，属于典型温带大陆性干旱荒漠气候区，多年平均降水量约15 mm，多年平均气温约14.4 ℃，极端最高气温49.6 ℃，被称为“世界热极”[15-16]，土壤类型主要为棕漠土与灌耕土。

图1 研究区与采样点位置

研究区作为新疆特色农产品生产基地，农业发展模式具有典型的绿洲灌溉农业特点，葡萄资源丰富，葡萄产业具有集群优势，生产的葡萄以品质优、品种多、无核、糖多等特点驰名中外。葡萄生产也已成为当地农民增收的支柱产业和特色产业，约占农民收入的60%。

1.2 样品采集与测定

2019年5月在吐鲁番盆地葡萄园进行表层(0～20 cm)土壤样品采集，共采集101个样品。根据HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》进行监测点位布设和样品采集。10 m×10 m内“梅花形”布设5个子样点，每个样点采集5～10个土壤样品，充分混合成1 kg左右样品，将样品自然风干后碾碎，取约20 g进一步研磨，过0.15 mm孔径尼龙筛混匀后备用。所有土样委托新疆维吾尔自治区分析测试研究院测定As、Cd、Cr、Ni、Pb、Hg元素含量，按国家土壤标准参比物质和重复样进行质量控制，各重金属回收率均在允许范围内。As、Cd、Cr、Ni、Pb、Hg元素含量检出限分别为0.01、0.01、0.5、0.4、0.006和0.002 mg·kg-1。各元素含量检测执行标准如表1所示。

2 结果与分析

2.1 葡萄园土壤重金属含量特征

从表2可见，吐鲁番盆地葡萄园土壤中As、Cd、Cr、Ni、Pb和Hg元素含量变幅分别为6.86～13.40、0.11～0.35、47.30～74.10、16.10～28.50、8.34～25.40与0.012～0.139 mg·kg-1，这6种元素含量平均值分别为9.57、0.19、59.0、21.60、13.41和0.045 mg·kg-1。

研究区葡萄园土壤pH值变化范围介于7.07～8.98之间，平均值为8.01，低于新疆土壤背景值[17]，呈弱碱性。从表2可以看出，葡萄园土壤中As、Cd、Cr、Ni、Pb和Hg元素含量平均值以及最大值均低于GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的筛选值。与新疆灌耕土背景值相比，As、Cd、Cr和Hg元素含量平均值分别为相应背景值的1.05、1.58、1.49和1.15倍。与新疆土壤背景值[2]相比，Cd、Cr和Hg元素含量平均值分别为相应背景值的1.58、1.20和2.65倍。Ni和Pb含量平均值低于相应背景值。

表1 重金属含量检测标准和设备

表2 吐鲁番盆地葡萄园土壤重金属含量统计结果

偏度系数是描述数据分布形态的统计量，偏度系数绝对值越大，表明数据分布形态的偏斜程度越大。峰度系数是描述总体中所有取值分布形态陡缓程度的统计量，峰度系数绝对值越大，表明数据分布形态的陡缓程度与正态分布的差异程度越大[18]。葡萄园土壤中Cd、Pb和Hg元素含量的偏度系数(分别为1.33、1.49和1.31)较大，表明部分土壤样品中Cd、Pb和Hg含量数据较集中，处于高积累状况。葡萄园土壤中Cd、Pb和Hg对应的峰度系数(分别为3.45、4.06和1.03)也较大，表明部分土壤样品中Cd、Pb和Hg含量数据偏离度较大，部分土壤样品中含量高。从变异系数(CV值)来看，Hg的CV值为0.65，呈现强变异(CV值>0.5)[2]，表明Hg元素含量空间分布不均匀，某些局部污染源的影响明显；Cd与Pb的CV值分别为0.22与0.21，呈中等变异(0.2

2.2 重金属含量空间分布特征

基于地统计学理论分析吐鲁番葡萄园土壤中As、Cd、Cr、Ni、Pb和Hg元素含量的空间分布特征。利用ArcGIS 10.3软件，在最佳半方差函数模型的基础上选取Kriging最优空间插值法对未采样区域6种元素含量进行估算，最后形成了葡萄园土壤中6种元素含量空间分布图(图2)。

从图2可以看出，吐鲁番盆地葡萄园土壤中6种元素含量空间分布差异较大。As元素含量的空间分布为明显的地带性分布特征，含量较高区主要位于研究区东部；Cd元素含量高值区主要分布于研究区西南部(艾丁湖乡)和北部(吐鲁番市)人口密度较大、交通密集、农业集约化程度较高的区域。Cr元素含量空间分布也具有地带性分布特征，高值区出现在研究区中部；Ni元素含量表现为点状分布格局，各区域均有含量高值区，考虑到Ni元素含量平均值低于相应背景值，其含量空间分布主要受到成土母质等自然因素的影响；Pb与Hg元素含量高值区出现研究区北部、中部(恰特喀勒乡)和西南部人口密度较高的区域，工业、交通、日常生活与现代农业为Pb与Hg等元素的主要来源[19]。

2.3 葡萄园土壤重金属来源解析

通过对吐鲁番盆地葡萄园土壤中各重金属元素相关性分析(表3)发现， As与Ni、Cr与Ni的相关性系数分别为0.32和0.57，处于极显著水平(P<0.01)；Cd与Cr、Cd与Pb之间的相关系数分别为0.21与0.25，均达到显著水平(P<0.05)。

表3 研究区葡萄园土壤中重金属含量的相关系数

为了进一步了解葡萄园土壤中的重金属来源，进行主成分分析。结果表明，前3个主成分累计解释了总方差的71.07%(表4)。PC1上Cr和Ni的载荷较高，分别为0.77和0.85。PC2上Cd和Pb的载荷较高，分别为0.59和0.71。PC3上As和Hg的载荷较高，分别为-0.63和0.75。

PC2的方差贡献率为21.06%，Cd和Pb在PC2上的载荷分别为0.59和0.71。研究区葡萄园土壤中Cd和Pb间的相关系数达到显著水平，Cd含量最大值为新疆灌耕土背景值的2.92倍，Pb含量最大值为新疆灌耕土背景值的1.8倍，这2种元素含量高值区主要分布于人口和交通相对密集的区域，表明研究区部分区域葡萄园土壤中Cd和Pb元素含量受人类活动的影响较明显。

图2 研究区葡萄园土壤重金属含量空间分布格局

表4 研究区葡萄园土壤重金属含量的主成分分析结果

农药和杀虫剂中含有Pb元素[23]，有机肥、农药和化肥施用是土壤中Cd主要来源之一[24]，葡萄园土壤施用肥料会导致Cd元素富集[9]。以上分析可以看出，PC2为人为源因子，既研究区葡萄园土壤中Cd和Pb含量主要受人类活动的影响。

PC3的方差贡献率为19.99%，As和Hg在PC3上的载荷分别为-0.63和0.75，As和Hg之间的相关系数呈显著相关。葡萄园土壤中As平均含量低于新疆土壤背景值，呈明显的地带性分布特征，因此As含量主要受到自然因素的影响。Hg平均含量高出相应背景值，最大值分别为新疆灌耕土背景值与新疆土壤背景值的3.56与8.18倍，含量高值区出现在人口和交通较密集的区域。谢小进等[19]的研究表明，农用土壤中Hg元素含量主要受到工业、交通等人为活动影响。因此，PC3为自然-人为复合源因子。

3 结论

吐鲁番盆地葡萄园土壤中As、Cd、Cr、Ni、Pb和Hg含量平均值分别为9.57、0.19、59.0、21.60、13.41与0.045 mg·kg-1。这6种元素含量平均值和最大值均低于GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的筛选值，均未超标。从研究区葡萄园土壤中各元素含量空间分布特征来看，As含量高值区分布于研究区东部，Cd含量高值区分布于研究区西南部，Cr含量高值区分布于研究区中部，Ni含量呈现点状分布格局，Pb和Hg含量高值区分布于人口和交通相对密集的区域。多元统计分析结果表明，吐鲁番葡萄园土壤中As、Cr与Ni元素含量主要以自然源为主，Cd、Pb与Hg元素含量主要以人为源为主。