农田生态系统是一个开放的系统，它与外界不断地进行着物质的交换，重金属的输入、输出就是农田生态系统中土壤、水系统与外界进行物质交换的重要内容。当重金属输入大于输出时，就会出现积累，积累到一定程度就会造成农业生态系统中土壤、水资源等重金属含量超标，生态失衡，最终导致农业可持续生产能力遭到破坏。砷（As）是一种类金属元素，普遍存在于地表环境中^[1]，一般将其列入污染重金属之一加以研究。人体摄入As可以诱发皮肤及多个器官病变，甚至导致癌症^[2]。因为对动植物具有广泛致毒性，美国环保局（US Environmental Protection Agency，USEPA）将As列为清洁水源优先控制污染物^[3]。我国是受As中毒危害最严重的国家之一，As 污染正严重威胁着我国很多地方人畜饮水安全和农产品安全^{[4, 5]}。

农业生产中As 可以通过肥料进入土壤^{[6, 7, 8, 9, 10]}，又可以随水淋溶离开土壤进入水系统，造成水资源的污染^{[4, 5, 11]}。灌溉影响下地下水中As 的迁移富集规律研究成为当今地学界高度关注的热点研究领域，同时也是农业领域As研究的趋势。Holly A. Michael^[5]在前人研究的基础上总结出，在大江大河流域潮湿、平坦地区，缺氧还原环境条件会促进有机碳驱动化学反应溶解铁矿物对As 的约束，提高As 浓度；在干旱地区，好氧、高pH 值的水环境条件会促进土壤中矿物氧化物解吸As，从而释放As，并指出这2 种情况在中国一些局部地区具备发生条件。我国学者何薪^[12]在对河套平原灌溉影响下地下水中As的迁移、富集规律研究中认识到，在干旱地区，灌溉影响下解吸释放的As，随大量灌溉水的渗透向水相中迁移，As 的迁移去向随着灌溉水对地下水的补充而进入地下水系统，造成地下水As的积累。而As的地下水积累形成，正是目前各国政府、公众和学术界高度关注的全球性问题。

柴达木盆地枸杞种植面积已近2 万hm²，是我国出口有机枸杞的重要基地^[13]。为了更好地维护和保障枸杞种植这一地区优势产业的可持续发展，当地政府提出了发展绿色枸杞、有机枸杞的产业目标。在这一目标要求下，资源环境条件是否达到要求，以及保护性利用资源环境，是实现这一目标的先决条件。认识绿洲农业重金属的迁移富集规律，尤其认识肥料、农药以及灌溉用地下水携带As进入农业生态系统乃至食物链的规律，能够为地区As影响下的农产品质量安全评价、生态环境风险预测及农业可持续生产影响奠定研究基础。 1 材料与方法 1.1 研究区概况

柴达木盆地地处青藏高原，是我国海拔最高的高原型盆地。诺木洪河发源于柴达木盆地南部山区，全长123 km。20 世纪50 年代开始，在流域中下游引河水灌溉，形成绿洲农业。诺木洪地区年降水量42.7 mm，土壤pH值在7.8~8.2之间，属于干旱、高pH 值地区。该地区土壤质地为沙壤土，土壤贫瘠，田间栽培施肥量大，由于沙壤土保水性差，整个作物生育期田间灌水量很大，年灌水7~8 次，每次平均4 500 m³·hm^-2。

共选择3 块农田作为研究对象，3 块地均为开垦后灌溉水浇地，处在同一农业区，最大相隔距离不到2 km。第1 块为当年新开荒地，因采集土样是在开春施肥、浇水之前，所以可以作为原生地看待；第2 块为开垦种植约20 年生产田，历史上曾种植麦类、蔬菜、豌豆，5 年前开始种植枸杞至今；第3 块为开垦种植多年的生产田，耕作历史约50 年，历史上约40 年种植麦类，5 年种植蔬菜和豌豆，5 年前开始种植枸杞至今。 1.2 采样与分析 1.2.1 样品采集 1.2.1.1 土壤样品

采样时遵循以下原则：（1）选择栽培田采集土壤，避免洼地、凸地，避免在施肥点采集；（2）采样时避开受人为干扰明显或土壤侵蚀严重而缺乏代表性的地点；（3）采样时间在施肥前30 d；（4）采集时了解采集田耕作历史。

采用网格土壤取样方法100 m×50 m的间隔进行采样。以每个间隔点为中心，3 m半径范围内随机选5个点，每个点取表层至下（20 cm×20 cm×20 cm）土壤正方体，5个土样现场均匀混合后用四分法从中取1 kg作为该点的混合样品，带回室内分析。为防止样品污染，在采样、样品保存和样品处理过程中，避免与金属器皿直接接触。50年田为260 m×330 m，共采集25 个样点；20 年田为250 m×330 m，共采集26 个样点；原生地为400 m×330 m，共采集22个样点。 1.2.1.2 灌溉水

诺木洪农田灌溉水主要来源于诺木洪河，选9 个河水渠道点，各采集500 mL 水，每3 瓶水混合均匀，取一瓶为河水样品，共3 个河水样品；选3 个机井口各采集500 mL 水为地下水样品，共3 个地下水样品。 1.2.1.3 农药、肥料

调查诺木洪枸杞田一年生产中使用农药、肥料的种类和施用次数，随生产过程采集农药、肥料样品。各样采集3耀5 个点，混合均匀，保存于样品瓶或样品袋中，带回实验室。 1.2.1.4 枸杞干果

按农业部行业标准《绿色食品枸杞NY/T 1051—2006》采集各生产田枸杞干果样品。 1.2.2 重金属As测定方法

采集的土壤样品，挑出其中的石块、草根及其他植物残体，在通风处自然风干，磨细，过100 目筛。电感耦合等离子体发射光谱法（ICP）进行As 全量检测，主要设备有：MILESTONE 微波消解仪，ICP 电感耦合等离子体发射光谱仪。测试方法：7 mL（优级纯）浓硝酸+2 mL（优级纯）过氧化氢+2 mL（优级纯）氢氟酸消化法制样。采用ICP进行As全量检测。标准物质：购自国家标准物质中心，标准曲线：采用0、0.5、1 mg·L^-13 个浓度梯度。

灌溉水、农药、肥料、枸杞干果As 含量采用同样方法测定。 1.3 模拟灌溉淋漓试验 1.3.1 试验材料

选择原生地土壤做As淋漓试验。

土壤准备：原生地土壤22 个取样点每点取样500 g，混合均匀，作为试验土壤。

淋漓试验装置：准备圆形PVC塑料管，内径19cm，长50 cm，一端用双层棉纱封口，PVC 管树起，棉纱端置下方。 1.3.2 试验设计

测试管下沿至上方0~20 cm 填入试验土壤，从管上面用工具压实土壤至田间密度状态，制成土层厚20 cm，上部留空管30 cm的土层管。将土层管带到柴达木生产田悬空固定，底部接玻璃容器。模拟田间灌溉水量及灌溉次数，按每年7次，每次约4 500 m³·hm^-2灌水量换算，结果是每次需浇水12.76 kg。用蒸馏水进行淋漓浇灌，单次淋漓水在2 h内连续浇完。收集每次土层淋漓出的水，磨口瓶保存，总共7次淋漓水汇成1个水样，称量总量，实验室检测As含量。同一种处理方法，试验设计生产田3个点进行平行试验，每点3个重复。 1.3.3 灌溉水淋漓携带As总量计算方法及换算常数

计算方法：

Q=（W₂-W₁）×S×Z

Z=S₂/S₁ 式中：Q为As 随灌溉水输出总量，W₁为模拟浇水的 初始As 含量，W₂为模拟淋漓出水含As 量，S为灌溉 水总量，S₁为模拟浇水总量，S₂为模拟淋漓出水总量， Z为淋漓的出水比例。

换算常数：以蒸馏水淋漓，蒸馏水As初始携带量 计为0 mg·kg^-1。诺木洪农场枸杞田每年平均灌溉7次， 每次4 500m³·hm^-2，每年农田灌水量为31500m³·hm^-2。 土壤容重按1.3 g·cm^-3计算，1 hm²农田20 cm 表层土 壤总计质量为2.6×106 kg。 1.4 统计、分析、制图方法

本研究采用excel进行数据统计及制图。 1.5 评价标准与方法 1.5.1 评价标准

评价标准分别按农业部公布行业标准《无公害食 品枸杞生产技术规程》（NY/T 5249—2004）要求下的 《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995），pH 值>7.5， 含量限值25 mg·kg^-1；《绿色食品枸杞》（NY/T 1051— 2006）产地环境标准要求下的《绿色食品产地环境技 术条件》（NY/T 391—2000），pH 值>7.5，含量限值20 mg·kg^-1为依据。 1.5.2 单项污染指数法^{[14, 15]}及超标率评价

以单项污染指数法评价土壤As质量，评价模式为：P_i=C_i/S_i（P_i为污染物As的单项污染指数，C_i/ 为污染物As 的实测数据平均值，S_i/ 为污染物的评价标准）。如果P_i/>1，说明土壤质量达不到标准，如果P_i/<1，说明土壤质量达到标准，P_i/=1 为临界点，指数越小，污染程度越低，P_i/<0.7 的土壤样点定义为清洁无污染，0.7<P_i/<1 定义为尚清洁（警戒线）^[6]以每一个样点实测数据与标准比较，比较值大于1 的个数计为超标数，超标总数与样本数比值，为超标率。 2 结果与分析 2.1 土壤As含量统计、空间分布分析及质量评价 2.1.1 土壤As含量统计、空间分布分析

统计分析所研究50 年地25 个样点、20 年地26个样点、原生地22个样点，结果如表 1 所示。

表 1 土壤重金属As全量描述性统计结果 Table 1 Statistical results and the pollution index by different standard of As in soil

表选项

原生地As 分布在0耀26.40 mg·kg^-1 之间，分布区间很宽，最高点是土壤全省背景值的226%^[16]，变异系数45.92%，说明原生地土壤As 分布离散度很高，不均匀；20 年地As 分布在12.53~17.10 mg·kg^-1 之间，分布区间很窄，变异系数7.85%，离散度小；50年地As 分布在11.53~18.34 mg·kg^-1之间，分布区间很窄，变异系数11.18%，离散度小，说明2 块地经过多年耕种，土壤As 分布已经趋于均匀。3 块地As 含量均高于全省背景值。将2 块多年种植地与原生地比较，土壤As不仅没有呈现积累，反而随着耕种有下降趋势；2 块多年种植地之间比较，土壤As 含量基本没有变化，处于一种平衡状态（见图 1）。

图 1 农田土壤As含量分布图 Figure 1 As content distribution of farmland soil

图选项

分别以无公害标准、绿色食品标准为依据，计算单项污染指数，3 块地单项污染指数都小于1，所以就As而言，3 块地产地环境质量达到无公害标准、绿色食品标准。依据标准分析土壤As超标率，可以看出原生地As 在2 种标准下均存在超标，2 块多年种植地均不存在As超标现象（见表 2）。

表 2 土壤As单项污染指数、超标率统计 Table 2 As single pollution index and excessive rate of soil

表选项

调查诺木洪枸杞田现行农艺措施，检测统计肥料 As携带量及施入总量，测算肥料对土壤As 的影响。 检测灌溉水As携带量，统计出一年生产季中灌溉水 量并计算出灌溉水对农田带来的As影响；统计现行 农艺措施中15 种农药、7 种肥料As 携带量及全年使 用量，计算出农药、肥料对农田带来的As 输入影响， 并计算各自的贡献率。 2.2.1 灌溉水带入量

诺木洪河水中在ng·L^-1量级没有检测到As，其 含量影响忽略不计，所以研究区的灌溉水不是As 的 污染路径（见表 3）。

表 3 水中As含量检测值（mg·kg^-1） Table 3 Arsenic levels in water（mg·kg^-1）

表选项

分析表 4，所有22种农药、肥料中，都携带有As， 携带率达到100%。携带浓度较高的有磷酸二铵、四季 叶面肥、复合肥、草甘膦等，携带浓度超过25 mg·kg^-1 （无公害标准）的有13种。

表 4 生产田农药、肥料As含量统计及使用记录 Table 4 Arsenic contents in pesticides,fertilizer and using records

表选项

统计所有农药、肥料携带As 的总和，一年有 262 528.8 mg·hm^-2 As 施入到农田中。其中磷酸二铵 的贡献率达到了50%，其次是复合肥、鸡粪、有机肥， 其余所有农药、肥料携带量只占2%（图 2）。

图 2 一年中农药、肥料对农田土壤As的贡献率 Figure 2 Arsenic contribution rate by pesticides and fertilizers to farmland soil in one year

图选项

测定诺木洪枸杞干果As含量平均0.73 mg·kg^-1，2块多年种植地均为丰产田，每年干果产量按6 000 kg·hm^-2 计算，0.73 mg·kg^-1×6000 kg·hm^-2=4 380 mg·hm^-2，每年随作物吸收，最后由果实带出农田As 4 380 mg·hm^-2。 2.3.2 灌溉水输出量估算

灌溉水输出量估算 模拟田间灌溉水量及灌溉次数，按每年7 次，每 次约4 500 m³·hm^-2灌水量换算，每次土层管上浇蒸 馏水12.76 kg。分别收集3 个3 重复淋漓水样，称量、 检测，原生地土壤每点平均淋洗出水53.04、52.48、 58.76 kg，平均54.76 kg，淋漓出水比例为61.3%。3个淋 漓液As 检测值分别为0.0109、0.0128、0.0145mg·kg^-1， 平均0.012 7 mg·kg^-1。

按照1.3.3中介绍的方法，估算出每年灌溉水输 出As总量。以蒸馏水淋漓，蒸馏水As初始携带量考 虑为0 mg·kg^-1，即W₁=0；W₂=0.0127 mg·kg^-1；每年农 田灌水总量S=31500×103 kg·hm^-2；S₁=12.76 kg×7= 89.32 kg，淋漓出水S₂=54.76 kg，Z=61.3%。Q=（0.012 7 mg·kg^-1-0）×31 500 ×10³ kg·hm^-2×61.3%=245 230.65 mg·hm^-2 2.4 土壤20 cm表层每年输入、输出量差

土壤容重按1.3 g·cm^-3计算，农田20 cm表层土壤 总质量为2.6×10⁶kg·hm^-2。

农药、肥料每年输入农田土壤As262 528.8mg·hm^-2， 通过作物产出输出4 380 mg·hm^-2，通过灌溉水淋漓 输出245 230.65 mg·hm^-2，输入、输出变量计算如下：

262 528.8 mg·hm^-2-（4 380 mg·hm^-2+245 230.65 mg·hm^-2）=12 918.15 mg·hm^-2

农田土壤As变量影响程度计算：

12918.15mg·hm^-2（/ 2.6×106 kg·hm^-2）=0.005mg·kg^-1

0.005 mg·kg^-1 只占到土壤As 含量14.09~16.29mg·kg^-1的0.03%左右，可以认为20 cm 表层土壤As 含量处在一个动态平衡的状态，没有积累。 3 讨论

柴达木盆地诺木洪农场原生地表层土壤As 含量 平均值低于无公害标准和绿色标准限值，说明柴达木 盆地诺木洪农场原生土壤As质量清洁，含量达到安 全的水平。20 年耕种地和50 年耕种地表层土壤As 含量平均值同样低于无公害标准和绿色标准限值，质 量清洁，含量达到安全的水平。原生地表层土壤As含 量分布在土壤背景值的0~225.6%之间，处在一个比 较宽且不均匀的分布状态，而且有一定数量的超标样 点；20 年地和50 年地表层土壤As 含量分布分别处 在土壤背景值的107.1%~146.2%、98.5%~156.8%之 间，分布明显比原生地变窄，趋于均匀，没有超标样 点。将2 块多年种植地与原生地比较，土壤As分布趋 于均匀，同时并没有呈现积累，说明经过多年耕种，土 壤As含量在变化，但这种变化处在一种输出、输入相 对平衡的状态。

该地区主要灌溉水源诺木洪河水没有检测到 As，说明灌溉不是农田土壤As 的输入路径。在枸杞 种植业中，每年有大约263 g·hm^-2重金属As 随肥料、 农药输入到农田土壤中，其中所有农药携带量不到 1%，99%是由肥料携带的，所以可以看出农艺措施中 施肥是农田As的主要输入途径，这与前人研究的城区 土壤污染途径有很大不同，与城郊污染途径相一致^[6]。 由于荒漠盆地气候和沙壤土质地，诺木洪农场农田灌 溉水量很大，导致土壤As随水淋溶量很大，经模拟估 算，每年有约245 g·hm^-2 As 随水输出土壤，再加上随 作物产出的输出部分，每年有约250 g·hm^-2 As从表层 土壤中输出，与肥料输入量相当。农田表层土壤As含 量处在一个输入、输出相对稳定的动态平衡状态，从 而可以解释诺木洪农场农田经过20 年、50 年大肥大 水耕作后，土壤As没有增加，反而由原来的不均匀分 布趋于均匀分布状态，甚至有所减少。

现阶段，虽然农事活动并没有造成诺木洪农场农 田表层土壤的As积累，但整个地区生态系统As的输 入是绝对的。由于由作物产品带出的As量非常小，不 足以与输入量相平衡，所以整个地区生态系统仍然处 在一个As的输入远大于输出的不平衡状态，表层土 壤的As含量动态平衡只是局部的、阶段性平衡。

诺木洪农场随肥料输入到土壤的As，其相当数量 最终进入到水系统中。值得注意的是，这几年随着地区枸杞种植业的发展，该地区又有大面积荒漠土地被 开垦为农田，依靠诺木洪河灌溉用水已经不足。打机 井利用地下水已经成为该地区另一种灌溉水源，那么 由地下水中固有的As含量以及农业造成的水系统As 积累问题，将最终威胁到该地区农业的可持续发展。 4 结论

柴达木盆地诺木洪农场原生土壤As平均含量处 在一个清洁水平，生产的枸杞As质量安全。在枸杞种 植农艺措施中灌溉、肥料、农药影响下，农田土壤As 含量处在一个输入-输出量相对一致的动态平衡状 态，农田土壤没有As 积累，生产的枸杞As 质量安 全。现阶段，虽然农事活动并没有造成诺木洪农场农 田表层土壤的As 积累，但整个地区生态系统As 的 输入是绝对的，其相当数量最终进入到水系统中，造 成水系统As积累。水系统的As积累问题，将最终威 胁到该地区农业的可持续发展。