0 引 言
农田土壤环境质量是农产品质量安全的保证和国家粮食安全的基础[1]。随着区域工业化和城市化进程的不断深入以及农业活动强度的提高，农田土壤环境安全问题越来越严重，其中重金属污染是影响农田土壤环境的主要因素之一[2，3]。农田土壤中重金属元素迁移和扩散速率慢、潜伏性强以及污染后果严重，可通过积累导致土壤环境恶化，阻碍农作物正常生长，威胁人体健康[4，5]，已成为科学界普遍关注的热点问题。
土壤环境容量是指在一定区域和时限内，遵循环境质量标准，在人类生存和自然生态条件不受破坏的前提下，土壤环境所能容纳的污染物的最大负荷量[6-8]。土壤环境容量评价不仅能反映区域土壤环境的自净能力的优劣，还能解析污染物在土壤环境中的富集情况，在健全土壤安全环境质量标准与修复污染土壤方面起着重要作用[9-11]。国内外学者对环境容量的研究较多，学者们对我国不同区域农田土壤重金属环境容量状况进行评价[12-16]，取得了众多研究成果。张丽娜[17]基于环境静态和动态容量模型，计算出山东省基本农田土壤重金属环境容量，并评价了环境综合相对容量对研究区农田土壤重金属环境容量的综合水平；马辉英等[18]利用土壤环境容量计算模型和综合污染指数法，估算精河县土壤重金属元素的静态和动态环境容量。众多研究重点侧重于估算静态和动态环境容量，对研究区农田土壤重金属单项容量和综合容量空间分异和评价研究较少。
近些年来，随着农业集约化、绿洲城市化程度的增加，焉耆盆地农田土壤环境受到不同程度的重金属污染[19]。基于此，在焉耆盆地农田土壤中采集191个农田土壤样品，测定其中砷 (As)、镉 (Cd)、铬 (Cr)、铜 (Cu)、镍 (Ni)、铅 (Pb) 和锌 (Zn)7种元素含量，采用地统计分析和环境容量综合指数，分析研究区农田土壤重金属环境容量水平及其空间分布规律，以期为焉耆盆地土壤环境安全、农产品质量安全以及农业可持续发展提供参考。
1 研究区概况
焉耆盆地(86°E—87°25′E，41°51′N—42°21′N)位于塔里木盆地东北侧，是天山主脉与其支脉之间的中生代断陷盆地(图1)，地势北高南低、西高东低，总体表现为四周向盆地倾斜的地貌形态[20]。研究区面积为2780 km2，海拔为1050～2000 m，属于温带大陆性干旱荒漠气候，降水量少，蒸发量大，年平均降水量约为80 mm，多年平均蒸发量约为2500 mm，平均气温约为8.9 ℃。土壤类型主要为棕漠土、草甸土、沼泽土、潮土、风化土、石质土、风沙土等[21]。天然植被以红柳、骆驼刺、罗布麻、甘草和麻黄等为主。农作物以辣椒、小麦、玉米、棉花、向日葵、甜菜和工业番茄等为主，其中辣椒和番茄产业是区域经济发展的主导产业[19-22]。
图1 研究区位置及采样点分布
Figure 1 Location of study area and sampling sites
2 材料与方法
2.1 样品采集与测定
根据NY/T 395—2012《农田土壤环境质量监测技术规范》[23]，2016年5—8月，在焉耆盆地采集深度0～20 cm土层农田土壤样品191个。本次采集土壤样品时，采用10 m×10 m 内“梅花形”布设5个子样点，每个子样点采集土壤200 g左右，充分混合后装入洁净自封塑料袋内，每批土壤样品重量约1 kg；将采集的土样带回实验室自然风干，除去沙砾及植物残体等异物后将其磨碎，过0.15 mm筛后供测试分析。
土壤样品中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn 7种重金属含量测定参考HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》[24]。其中，As的含量用PERSEE原子荧光光度计(PF-7)测定，其余6种元素的含量用火焰原子吸收光谱仪(Agilent200AA)测定。在测试过程中，每批土壤样品做3次空白样和平行样检测，取平均值作为样品的最终含量，回收率均在国标允许范围内。
2.2 研究方法
农田土壤重金属环境容量评价采用环境容量综合指数法(PI),并采取 GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[25]中的土壤风险筛选值(pH > 7.5)作为风险基准值，新疆土壤背景值[19]作为参比值，使得评价结果更接近实际情况[26]。其计算公式如下：
(1)
Qi=10-6×M(Cic-Cip)
(2)
Qib=10-6×M(Cic-Cib)
(3)
(4)
式中：Pi为土壤中元素i的单项环境容量指数；Qi为土壤对元素i的环境容量，kg/hm2；Qib为利用背景值计算所得的土壤对元素i的环境容量，kg/hm2；M=2.25×106 kg/hm2，代表每公顷耕作层土壤重量[27]；Cic为土壤中元素i的风险基准值，mg/kg; Cip为土壤中元素i的实测值，mg/kg；Cib为土壤中元素i的背景值，mg/kg；PI为土壤容量综合指数；n为元素的种类数量。
依据相关研究[27]确定的土壤重金属环境容量分级标准如表1所示。
表1 土壤重金属环境容量分级标准
Table 1 Standard of classification of soil heavy metals environmental capacity
级别容量等级PI污染水平Ⅰ高容量区PI>1基本未受污染Ⅱ中容量区0.7
3 结果与讨论
3.1 土壤重金属含量特征
表2为焉耆盆地农田土壤重金属元素含量统计分析结果。可知：研究区农田土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb与Zn等元素平均含量分别为6.01，0.20，55.74，30.56，34.24，41.21，110.15 mg/kg。研究区农田土壤中，除As的平均值未超出新疆土壤背景值外，Cd、Cr、Cu、Ni、Pb与Zn的平均值分别为新疆土壤背景值的1.71,1.13,1.15,1.29,2.12,1.63倍。与此同时，农田土壤中的As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb与Zn等元素含量最大值分别为新疆土壤背景值的2.58,5.75,2.50,2.74,2.10,4.97,12.37倍。研究区农田土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb与Zn等元素平均含量均未超出GB 15618—2018中的土壤风险筛选值(pH>7.5)。但是，As、Cd与Zn含量最大值分别为GB15618—2018中土壤风险筛选值的1.15,1.15,2.84倍。该区域部分地区农田存在重金属超标并有一定的风险。
表2 研究区农田土壤重金属含量
Table 2 The contents of heavy metals in farmland soils of the study area mg/kg
参数ω(As)ω(Cd)ω(Cr)ω(Cu)ω(Ni)ω(Pb)ω(Zn)最小值0.520.0533.6819.4519.451.0138.99最大值28.870.69123.3973.1255.9796.36851.06平均值6.010.2055.7430.5634.2441.21110.15标准差4.180.0711.586.276.7123.82129.80新疆土壤背景值11.200.1249.3026.7026.6019.4068.80GB 15618—201825.000.60250.00100.00190.00170.00300.00
3.2 土壤重金属环境容量评价
根据GB 15618—2018，利用式(1)—(4)计算焉耆盆地农田土壤中7种元素的环境单项容量指数Pi和容量综合指数PI(表3)，并根据土壤重金属环境容量分级标准(表1)，评价研究区农田土壤重金属环境容量。结果表明，焉耆盆地农田土壤7种重金属环境单项容量指数和综合容量指数中，除As容量指数>1，处于高容量水平，基本未受污染外，其他6种元素的单项容量指数和容量综合指数均在0.9左右，处于中容量水平，土壤受轻度污染。从平均容量指数来看，7种重金属容量指数大小顺序为As(1.376)>Cr(0.968)>Ni(0.953)>Cu(0.947)>Pb(0.855)>Cd(0.823)>Zn(0.821)。As、Cd与Zn等元素单项容量指数最小值出现负值，且研究区部分地区土壤中这3种元素环境容量出现超载区，说明该区域部分地区农田土壤受点源污染且污染超过风险基准。
表3 研究区农田土壤重金属环境容量状况
Table 3 Environmental capacity of heavy metals in farmland soil of the study area
参数单项容量指数PiAsCdCrCuNiPbZn容量综合指数PI最小值-0.28-0.190.630.370.820.49-2.380.34最大值1.771.151.081.101.041.121.131.10平均值1.3760.8230.9680.9470.9530.8550.8210.963标准差0.300.150.060.090.040.160.560.10
表4为各重金属元素不同环境容量等级样点数占样点总数的比例。
焉耆盆地农田土壤重金属环境综合容量在警戒区和超载区均无样点分布，高容量区、中容量区和低容量区样点分别占样点总数的14.80%、80.61%、4.59%。研究区内属于高容量区、中容量区、低容量区、警戒区和超载区的土壤面积比例分别占整个研究区土壤面积的29.52%、62.39%、6.63%、0.29%和1.17%，研究区农田土壤环境容量综合水平属于中容量(80.61%)水平。高容量区各元素单项环境容量占比大小顺序为As>Ni>Cr>Cu>Pb>Cd>Zn；中容量区各元素单项环境容量占比大小顺序为Ni>Cd>Cu>Cr>Pb>Zn>As；低容量区各元素单项环境容量占比大小顺序为Pb>Cd>Zn>As>Cu>Cr>Ni；警戒区As和Zn单项环境容量占比相同，Cd、Cr、Cu、Ni与Pb在警戒区均无分布；Cr、Cu、Ni与Pb在超载区无分布，超载区Zn容量指数占比最大，As和Cd容量占比相同，且小于Zn的容量占比。
表4 不同容量级别样本数占总样本数的百分数
Table 4 Percentage of sites at different capacity levels in all sampling sites %
容量指标PIPI>10.7
3.3 土壤重金属环境容量空间分布格局
采用土壤重金属环境容量指数模型计算焉耆盆地农田土壤重金属环境容量，并基于GIS技术与地统计法，分析研究区环境容量指数的空间分布规律(图2)。
由图2可知:研究区7种重金属元素环境容量空间分布格局各有不同。大体上，As在研究区单项环境容量指数最大、容量状况最好。研究区As元素环境容量仅包括2个等级：以高容量区为主，中容量区次之。高容量区基本覆盖整个研究区土壤面积，说明研究区农田土壤均具有较高的重金属承载量，农田土壤环境质量整体较好。中容量区主要分布于东南部和西部的小范围区域，部分区域农田受轻度污染。
Cd元素环境容量包括3个等级：以中容量区为主，其次为高容量区和低容量区。其中，中容量区覆盖研究区大部分区域，高容量区主要分布于研究区西部区域，低容量区分布于研究区东南部博斯腾湖湿地附近的农田和东部人口密集的城镇周边农田。对于这部分区域Cd总量控制应引起注意，否则会有部分区域易于转化为警戒区和超载区。
Pb元素环境容量包括3个等级：以中容量水平为主，其次为高容量和低容量区。其中，中容量区覆盖研究区大部分区域，高容量区主要分布研究区东部和东北部区域，Pb低容量区覆盖的面积较大，占整个研究区将近20%的面积，低容量区主要分布于研究区东南部的博斯腾湖湿地边缘和人类活动频繁的旅游景区周边的农田，以及研究区西部国道两边的农田。
Zn元素在5个容量区均有容量分布，中容量区占研究区土壤总面积的大部分区域，其次为高容量区，其余3个容量区的占地面积较小。其中，中容量区覆盖研究区大部分区域，高容量区主要分布于研究区南部、东部和西北部，低容量区、警戒区和超载区主要在研究区的东北部焉耆盆地4个县(和静县、和硕县、博湖县和焉耆县)县界交汇处附近集中分布。研究区部分区域Zn的累积较严重，环境容量不大，土壤重金属载荷量还较小，应积极采取预防措施以保证土壤环境可持续发展。
结合采样点实际情况，元素As、Pb、Cd和Zn环境容量较低的区域主要分布于研究区内人口密集的城镇周边的农田、人类活动频繁的旅游景点附近的农田和交通主干道(国道G314、G218、南疆铁路线以及省道S205、S206、S305、S306、S325)周边的农田。这些交通主干路周边农田土壤重金属Cd、Pb和Zn环境容量出现较低水平的原因很可能是交通运输过程中含铅汽油燃烧产生的排放物和汽车轮胎磨损产生的残留物进入土壤环境，使土壤中重金属元素的累计超过土壤的自净能力[28，29]。研究区是农业生产面积较大的区域，农业生产过程中难免施用化肥、农药和各种杀虫剂来提高农产品产量，这也会提升农田土壤中重金属含量的累积速率。有关研究认为，农业活动施用的化肥和农药和各种杀虫剂中含有As、Cd与Pb等重金属元素，并且干旱区绿洲农田土壤对Pb的吸附能力很强[29，30]。这说明，焉耆盆地农田土壤重金属As、Pb、Cd和Zn的环境容量在研究区的部分区域出现较差水平的容量区，这很可能与研究区内的加工产业、旅游产业、生产活动、交通运输、施用农药、化肥和有机肥等人为因素有关。
Cu元素包括高容量、中容量和低容量区3个容量等级，中容量区占研究区土壤总面积的大部分区域，其余2个容量区占地区域较小。结合采样点实际情况，Cu低容量区主要在研究区中西部的良种场和养猪场附近的区域集中分布。畜禽养殖产业生产过程中普遍施用含有Cu、Zn等重金属元素的饲料添加剂，畜禽对这些元素缺乏消化能力，未被吸收的重金属元素通过动物消化道随着畜禽粪便排出体外，大量的重金属累积粪便中[31，32]。畜禽粪处理与还田过程中畜禽粪便中的重金属进入农田土壤，可能致使研究区内养猪场附近的农田土壤环境容量出现低容量区。
图2 研究区农田土壤PI空间分布
Figure 2 Spatial Distribution PI of Farmland Soil in the study area
Cr元素的高容量区分布于研究区西部、西南和南部区域，Ni元素的高容量分布于研究区东部的小范围区域，大部分区域处于中容量水平，土壤受到了轻度污染。结合描述统计结果(表2)，元素Cr、Cu和Ni的含量平均值接近新疆土壤背景值，环境容量均处于中容量或高容量水平，环境容量指数空间分布格局较均匀，土壤污染水平处于轻度污染或无污染。相关研究认为，Cu、Cr和Ni等元素在土壤环境中的赋存形式由土壤的地球化学和成土母质所控制[33]。
从As、Ni、Cr、Cu、Pb、Cd和Zn的容量综合指数(PI)空间分布图(图2)来看，焉耆盆地农田土壤重金属环境容量仅包括2个等级，以中容量区为主，其次为高容量区。环境综合容量空间分异一方面是受元素的自然背景分异，另一方面人为因素也会一定程度上影响环境综合容量空间分异。自然背景因素是不可改变的，只有控制农田土壤系统的重金属元素的排放量，才能确保研究农田土壤环境往高容量区方向发展。
4 结 论
1)焉耆盆地农田土壤As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量的平均值均未超出GB 15618—2018中的限值。
2)研究区农田土壤中各重金属元素单项环境容量指数平均值顺序为As>Cr>Ni>Cu>Pb>Cd>Zn。As环境容量指数平均水平属于高容量区，Cd、Cr、Cu、Ni、Pb与Zn的环境容量水平均属于中容量区。研究区农田土壤环境容量综合指数平均值为0.963，属于中容量区。
3)研究区农田土壤容量综合指数反应的土壤重金属环境容量指数空间分布特征各不相同。研究区中处于中容量区的土壤面积最大，警戒区最小，其余容量区土壤面积顺序为高容量区>低容量区>超载区。
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