玛纳斯河流域长期连作棉田土壤重金属剖面分布特征分析

摘要：以新疆玛纳斯河流域长期连作棉田土壤为材料，对长期连作棉花土壤As、Cd、Cr、Ni、Cu和Pb的含量和剖面分布特征进行研究，旨在为该地区合理施肥和棉田土壤环境质量保护提供理论依据。选取研究区荒地和连作棉花5、10、20、30a的土壤，分5层采集1m土壤样品（每层20cm），分析土壤重金属As、Cd、Cr、Ni、Cu和Pb的含量和垂直分布特征，并对土壤重金属的来源进行了解析。结果表明：研究区棉田和荒地土壤重金属As、Cd、Cr、Ni、Cu和Pb含量均未超过国家土壤环境质量二级标准，Cr、Ni、Cu、Cd和As的含量明显高于新疆土壤背景值，除Pb元素外，棉田其他5种重金属含量均显著高于荒地；变异系数棉田大于荒地，Cd的变异系数最大为0.46。棉田和荒地土壤剖面重金属含量都表现出表层略高于底层，随着连作年限的增加，土壤重金属含量显著增加且表现出更为明显的表层富集趋势，对比荒地和连作30a的各层土壤，Cr、Cu、Ni、Pb、As和Cd含量增加幅度分别在36.68%~102.81%、43.31%~74.33%、21.85%~64.95%、2.12%~18.94%、23.03%~45.68%和167.50%~269.19%之间，总体来看，棉田土壤重金属在1m土体中均表现出不同程度的累积。棉田土壤重金属含量相关性分析表明，土壤P素含量与棉田土壤中As、Cd、Cr、Cu和Ni呈极显著和显著相关，其相关系数分别为0.622、0.689、0.611、0.513和0.560，棉田因子载荷矩阵第一主成分As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和P具有较大的载荷，分别为-0.875、-0.952、-0.868、-0.907、-0.964、-0.635和-0.864，累积贡献率达到了85.46%，说明化学磷肥的长期大量施入，是棉田土壤重金属含量累积的主要原因。关键词：长期连作；棉田；土壤；重金属；剖面分布中图分类号：X53文献标志码：A文章编号：1672-2043（2017）11-2216-10doi:10.11654/jaes.2017-0743Profiledistributionofheavymetalsinsoilfromlong-termcontinuouscroppingcottonfieldinManasRiverBasinWANGHai-jiang1,DONGTian-yu1,ZHUYong-qi1,SONGJiang-hui1,SHIXiao-yan1,ZHAOXin-yue2（1.DepartmentofResourcesandEnvironmentalSciences,CollegeofAgronomy,ShiheziUniversity,Shihezi832000,China；2.No.1SecondarySchool,ShiheziCity,Shihezi832000,China）Abstract：Thecontentofheavymetalsinsoilisoneofthebestindicatorsforrationalfertilizationandenvironmentalprotection.Thelong-termcontinuouscroppingofcottonisacommonplantingpatternintheManasRiverBasin,XinjiangProvince,anditmayincreasethecon原tentofheavymetalsinthesoil.Togainabetterunderstandingofheavymetalaccumulationcausedbythiscommonplantingpattern,soilsampleswerecollectedfromwastelandandfromcontinuouscroppingcottonfieldsthathadbeencultivatedforvaryingperiods（5,10,20,or30years）.Soilssamplesweretakenforeachcultivationperiod（20cmsquareby1mverticaldepth）.Wethendeterminedthecontent,the收稿日期：圆园17-05-24录用日期：圆园17-07-17作者简介：王海江（1980—），男，河南偃师人，副教授，博士，从事绿洲水土资源利用研究。E-mail：[e-mail]基金项目：国际科技合作项目（2015DFA11660）；国家自然科学基金项目（31360301）Projectsupported：InternationalScientificandTechnologicalCooperationProjects（2015DFA11660）；TheNationalNaturalScienceFoundationofChina（31360301）圆园17，36（11）:2216-22252017年11月农业环境科学学报允燥怎则灶葬造燥枣粤早则燥鄄耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼杂糟蚤藻灶糟藻王海江，董天宇，朱永琪，等.玛纳斯河流域长期连作棉田土壤重金属剖面分布特征分析[J].农业环境科学学报,2017,36（11）：2216-2225.WANGHai-jiang,DONGTian-yu,ZHUYong-qi,etal.Profiledistributionofheavymetalsinsoilfromlong-termcontinuouscroppingcottonfieldinManasRiverBasin[J].允燥怎则灶葬造燥枣粤早则燥-耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼杂糟蚤藻灶糟藻,2017,36（11）：2216-2225.玛纳斯河流域长期连作棉田土壤重金属剖面分布特征分析王海江1，董天宇1，朱永琪1，宋江辉1，史晓艳1，赵馨玥2（1.石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆石河子832000；2新疆石河子市第一中学，新疆石河子832000）第32卷第1期2017年11月verticaldistributioncharacteristics,andthesourceoftheheavymetals（As,Cd,Cr,Ni,Cu,andPb）inthesoilsamples.Theresultsshowedthatthecontentsofheavymetalsinthecottonfieldsandwastelanddidnotexceedthesecondarystandardofnationalsoilquality.Alltheav原eragecontentsoftheheavymetalsinthecottonfieldswereapparentlyhigherthanboththebackgroundvaluesfortheManasRiverBasinandthewastelandvalues,withtheexceptionofPbcontent.Thevariablecoefficientvaluesforthecottonfieldswerehigherthanthoseforthewasteland,Cdwasthemaximumoftheheavymetalelements,withavariablecoefficientvalueofupto0.46.Thecontentsofthesurfacelayerwereonlyslightlyhigherthanthoseoftheunderlayer,andmoreheavymetalsaccumulatedinthesurfacelayerwithincreasingyearsofcultivation.Comparedwiththecontentsineverylayerofwasteland,heavymetalsaccumulatedinthecottonsoiltovaryingdegreesinthedifferentsoillayers,andtheincreasedrangeswere：36.68%~102.81%（Cr）;43.31%~74.33%（Cu）;21.85%~64.95%（Ni）;2.12%~18.94%（Pb）,and23.03%~45.68%（As）;Cdincreasedtothegreatestextent,reaching167.50%~269.19%.CorrelationanalysisrevealedahighlysignificantcorrelationbetweenthecontentsofPandAs,Cd,Cr,Cu,andNi,withcorrelationcoefficientsof0.622,0.689,0.611,0.513,and0.560,respectively.Inthecottonfields,thecumulativecontributionrateofAs,Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,andPinthefactorloadingmatrixwas85.46%,andthecorrespondingloadingsinthefirstprincipalcomponentwere-0.875,-0.952,-0.868,-0.907,-0.964,-0.635,and-0.864,respectively.Ourresearchindicatesthatextensiveandlong-termapplicationofchemicalphosphorusfertilizeristhemaincauseofheavymetalaccumulationinthecottonfieldsofXinjiangProvince.Keywords：long-termcontinuouscropping;cottonfield;soil;heavymetals;profiledistribution随着全球农业经济化的快速发展，农业生态环境遭到严重的污染和破坏，其中土壤重金属污染问题已成为当今环境科学和土壤科学研究的热点问题[1-2]。重金属污染不仅破坏土壤的正常功能，改变其原有的理化性状，对土壤微生物也起到抑制作用，最终导致土壤肥力和作物产量、品质下降，并通过食物链途径在人体内进行积累[3]。棉花是新疆的特色优势种植作物，为了解决气候干旱、春季气温低和病虫害发生问题，新疆在棉花种植上大量使用农膜和农药，使作物的产量和种植面积得到改善，2016—2017年度播种面积占了全国的53.46%，产量占了全国的67.3%，新疆棉花在全国的战略地位越发显著[4]。但是，随之而来的化肥、农膜、农药残留造成的Cd、Pb、Hg、As等土壤重金属污染问题不断加剧[5-8]。近些年，有报道指出，新疆天山北坡经济带博乐、精河、乌苏、奎屯、石河子、昌吉地区棉田个别样点土壤As、Cd已经超出国家土壤环境质量二级标准，其中Cd、As、Pb最为显著，呈现出累积趋势，各元素平均含量值均超过新疆土壤背景值[9-11]。新疆棉花种植长年连作现象普遍，加上滴灌[12]、农膜覆盖[13]、污水灌溉[14]以及化肥农药的大量投入，导致棉田耕层土壤重金属逐年累积日益凸显[15]。有研究表明，在新疆棉区长期连作是土壤中Cd含量超标的重要原因[9，11]；赵芸晨等[16]利用定点施肥试验，研究了长期连作制种玉米田表层土壤重金属含量变化，结果表明随着种植年限增加，土壤重金属Cd严重超标。不同土壤类型农田长期连续的定点观测也表明，施用无机化肥和有机肥是土壤重金属显著富集的重要原因，有机肥的质量对土壤重金属的累积起重要作用[17-19]。目前，关于土壤重金属的分布特征、形态转化、修复效果等研究已经开展了大量工作，但对于长期连作的新疆棉田土壤剖面重金属分布特征和来源的研究还较为薄弱。因