近年来，随着人口的快速增长、工业的迅速发展^[1-4]以及农药与化肥的广泛施用^[5-6]，大量的重金属污染物通过污水灌溉^[7-10]、大气干湿沉降^{[6, 11]}和污泥农用^[12-13]等途径进入土壤环境，导致土壤污染日益严重，对农产品质量安全与人类健康产生了影响^[14-16]。过量的重金属危害极大，毒性极强，对环境、生态系统和人类都有较大的威胁，例如Cd在土壤中过量存在会导致植物生长缓慢，并可以通过生物富集和食物链进入人体，对人体健康产生威胁^[17]。基于此，土壤重金属的累积日益受到国内外学者和政府部门的关注，并进行了大量的调查和研究评价工作。

据环保部和国土部公报显示，我国土壤污染点位超标率为16.1%，南方土壤污染重于北方，长三角、珠三角和东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出^[18]。宁夏位于我国西北部的黄河上游地区，随着近些年矿业开采、污水灌溉的发展，土壤中也出现了重金属累积的现象。樊新刚等^[19]分析了宁夏石嘴山河滨工业园区表层土壤的重金属含量，发现土壤中Cu、Cd污染较重，Cr、Zn和Pb污染较轻。王美娥等^[15]以宁夏某枸杞种植地为研究对象的调查评价发现，土壤中Zn、Cd、Cu、Mn、Pb元素累积明显。罗成科等^[20]对宁东基地不同工业园区周边土壤重金属污染特征进行了分析，发现元素Cd、Cr、Pb、Hg受工业园区影响呈现明显的累积趋势。潘佳颖等^[21]对贺兰山东麓葡萄主产区土壤中重金属含量的分析发现，元素Cu、Cr含量超过宁夏土壤背景值，Cu、Cr、Ni达到轻度污染水平。贺兰县是宁夏北部引黄灌区的核心区，农业基础雄厚，素有“塞上江南”之美誉，是全国粮食生产先进县、中国果菜无公害十强县、中国西部四季鲜菜之乡，2010年被农业部确定为全国首批51个国家级现代农业示范区之一^[22]，因此有必要系统掌握贺兰县土壤环境质量状况，但近几年有关贺兰县土壤重金属情况的报道较少^[23-26]。鉴于此，本研究通过大量实测数据，对宁夏贺兰县农田土壤重金属含量状况进行评价，旨在为农业生产的合理开发和规划提供科学依据，同时为生态环境的保护、水土资源的合理利用与管理提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

贺兰县位于我国西北内陆，宁夏回族自治区北部，105°53′ ~106°38′ E，38°26′ ~38°54′ N之间，属于青铜峡引黄灌区，东临黄河，西倚贺兰山，南与银川市郊为邻，北与平罗县接壤。土地总面积约占宁夏总面积的2.33%。贺兰县地势西高东低，总趋势由西南向东北倾斜，全县地貌自西向东大致分为贺兰山地、山前洪积平原、黄河近代冲积平原及其他风沙地和黄河水面，属温带大陆性气候，降水少而蒸发强烈，多年平均降水量138.8 mm。

贺兰县主要灌溉方式为黄河水漫灌，而宁夏段的黄河水质污染逐年加重，且部分乡镇由于灌溉水资源不足和高阶地引水困难，选择抽取排水沟的水进行灌溉，而农田排水沟接纳了大量农田使用的化肥和农药以及生活和工业污水^[27]，其水质已不符合农田灌溉水标准^[28]。贺兰县的新平污灌区位于县城东北方向，距离县城约3 km，包括习岗镇2个村，立岗镇4个村和金贵镇2个村，耕地面积约1100 hm²，主要种植春小麦、玉米和水稻。该污灌区以汉延渠为引水渠，每年初春，因渠水不足，当地村民抽取银新干沟污水补入汉延渠^[29]，为间歇性清污混灌区，混合水污清比约为0.1~0.2，混合后水质良好^[28]，但农作物有不同程度的减产。如今，贺兰县农田的污灌历史已长达30多年，为了进一步了解当地农田土壤的环境质量状况，特进行了取样调查研究。

1.2 样品的采集与处理

土壤样品采集覆盖整个贺兰县，面积大约为1599 km²，包括4镇1乡3农场。具体采样点以2 km×2 km的网格为基础布点，然后根据地形、土地利用类型并结合卫星影像和行政区划进行调整，遇到明显污灌处采样进行加密处理。由于本研究区域为贺兰县农业用地范围，主要采集农田及其周边土壤，而西北地区以山地林地为主，农业用地少，所以洪广镇西北部采样点稀疏。最终采样点设置为习岗镇13个、金贵镇19个、立岗镇25个、洪广镇34个、常信乡30个、3个独立农场19个，共140个采样点，采样点具体分布见图 1。

采集0~20 cm的表层土壤，每个样品采用5点混合法，用四分法取约1 kg的样品，保存在密封袋内带回实验室。自然风干后取100 g，用木质工具碾碎并用玛瑙研钵研磨、混匀过筛后保存，用于土壤理化性质及重金属含量分析。

1.3 样品的分析与测试

土壤各项理化指标的测定均采用常规方法^[30]：土壤pH值采用电位法（水:土=2.5:1），有机质采用重铬酸钾容量法，速效磷采用碳酸氢钠法，速效氮采用扩散吸收法，速效钾采用四苯硼钠比浊法，全磷采用HClO₄-H₂SO₄法，全氮用开氏法，全钾用火焰光度法。测得的土壤基本理化性质：pH 7.9~8.5，有机质10.84~20.49 g·kg^-1，全氮0.88~1.13 g·kg^-1，全磷0.38~0.65 g·kg^-1，全钾15.8~24.99 g·kg^-1，速效磷12.92~21.24 mg·kg^-1，速效氮49.64~90.15 mg·kg^-1，速效钾104.54~163.27 mg·kg^-1。

土壤中重金属元素Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb采用微波消解和电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，安捷伦7500）测定，As元素采用微波消解和火焰原子吸收分光光度法测定。测定时土壤标样选用国家标准土壤样品（GBW07408）进行参比。

1.4 数理统计方法

数据正态分布检验采用SPSS 16.0软件，空间插值分析采用ArcGIS 10.2软件。

1.5 评价方法 1.5.1 土壤重金属评价

单因子污染指数法是对土壤中单一污染元素的指数进行测算和评价的方法，其公式为：

(1)

式中：P_i为污染物i的污染指数；x_i为污染物i的实测值，mg·kg^-1；s_i为污染物i的评价标准，mg·kg^-1。

P_i≤1时，未受污染，P_i>1时，受到污染，P_i越大，污染越重。

内梅罗综合污染指数法综合考虑了单因子污染指数的平均值和最高值，能较全面地反映环境质量，其公式为：

(2)

式中：P_综为综合污染指数；P_imax为参与评价的重金属元素中的单因子污染指数最大值；P_iave为重金属元素的单因子污染指数平均值。土壤重金属污染评价分级具体见表 1。

1.5.2 生态风险评价

采用Håkanson潜在生态风险指数法^[31]评价贺兰县土壤重金属风险程度，计算公式为：

(3)

(4)

(5)

式中：C_fⁱ为单项污染系数；Cⁱ为样品中污染物i的实测值，mg·kg^-1；C_nⁱ为污染物i的参比值（采用宁夏土壤背景值^[32]），mg·kg^-1；E_rⁱ为污染物i的单项潜在生态风险指数；T_rⁱ为污染物i的毒性系数，Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb的毒性系数分别为5、30、2、10、5、5、1^[33]；RI为综合潜在生态风险指数。

E_rⁱ和RI可分别评价某种污染物和多种污染物的潜在生态风险程度，等级划分标准^[33]：E_rⁱ≤30或RI≤135为轻微生态风险，30 < E_rⁱ≤60或135 < RI≤265为中等生态风险，E_rⁱ>60或RI>265为强烈生态风险；C_fⁱ≤1为轻微污染，1 < C_fⁱ≤3为中等污染，3 < C_fⁱ≤6为强烈污染，C_fⁱ> 6为极强污染。

2 结果与讨论 2.1 贺兰县土壤重金属含量总体状况

贺兰县农田土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb元素的平均含量分别为40.18、28.86、21.14、58.74、11.82、0.35 mg·kg^-1和16.66 mg·kg^-1（表 2），分别为宁夏土壤背景值^[32]的0.64、1.33、0.96、1、0.97、3.21倍和0.81倍，其中Cd、Ni元素超出背景值的点位率分别为100%和85%，Pb、Cr元素超出背景值的点位率分别为12.14%和2.86%，其他元素超出背景值的点位率为37.14%~42.86%。与国家土壤环境质量二级标准（GB 15618 —1995）^[34]相比，Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb 6种元素均未超标，Cd元素有2个点位超标，其最大值为1.33 mg·kg^-1，是土壤环境质量标准的2.2倍。与19年前在贺兰县污灌区测得的土壤重金属结果^[29]相比，Pb含量增长了0.81倍，Cd含量增长了3.86倍。上述结果表明，贺兰县土壤中7种重金属元素具有较明显的累积趋势，Cd元素尤为明显。变异系数可以对不同量纲的指标进行比较^[35]，根据Wilding^[36]对变异程度的分类，元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb的变异系数介于17%~34%之间，属于中等变异，表明贺兰县农田土壤中以上重金属元素在空间上具有一定的离散程度，其含量变化受成土母质和人类活动的双重影响。

由表 2可以看出，宁夏土壤背景值含量远远低于国家土壤环境质量二级标准，表明调查区土壤重金属的累积主要来自于人为活动。首先是灌溉水源的影响，贺兰县农田主要引黄河水灌溉和排水沟污灌，黄河水的水质污染逐年加重^[27]，排水沟接纳了大量的城市生活污水、工业废水和农田退水^[37]，当地主要排水沟银新干沟的水质为劣Ⅴ类^[28]，已不符合农田灌溉标准，排水沟的水最终排入黄河，进一步加剧了黄河水的污染。当地农民长期引污水灌溉农田，造成土壤中重金属的累积。其次，农田化肥和畜禽粪尿的施用也对土壤中重金属累积有一定影响^[38]，Luo等^[39]对我国农业土壤重金属来源的研究表明，我国畜禽粪便中的Cd含量为1.3~3.8 mg·kg^-1，各种类型化肥中的Cd含量为0.05~3 mg·kg^-1，而当地村民进行畜禽养殖，除了向农田施用化肥，还会施用畜禽粪便腐熟的农家肥，长此以往加剧了农田土壤重金属的累积。所以污水灌溉、农田化肥和畜禽粪便的长期施用可能是影响当地农田土壤重金属累积的主要因素。

2.2 贺兰县土壤重金属的空间分布特征

为了更好地分析重金属含量的空间分布特征，采用地统计学的方法并结合ArcGIS软件中的地统计分析模块对调查区土壤中各重金属含量进行插值分析。此分析要求数据符合正态分布或近似正态分布，故而采用SPSS 16.0对数据进行K-S正态分布检验，检验结果（表 3）表明，Cu、Zn、As和Pb呈正态分布，Ni和Cd呈对数正态分布，而Cr既不呈正态分布也不呈对数正态分布。考虑Cr元素中可能存在异常值，因此将异常值剔除后再进行正态检验，结果显示Sig=0.01，仍然不服从正态分布。

利用ArcGIS软件中的地统计分析模块，选取各重金属含量数据进行普通克里金插值，通过选用不同模型进行交叉验证，选取标准平均值最接近于0、标准均方根预测误差最接近于1、平均标准误差最接近均方根预测误差、均方根预测误差最小的模型为最优模型^[40]，最终确定球面函数模型作为各元素的插值模型生成预测表面，其中Ni、Cd元素在插值前进行了对数转换处理。最终绘制出贺兰县土壤重金属元素（Cr元素除外）的空间分布图（图 2）。

整体来看，贺兰县各重金属含量分布比较均匀，各重金属含量高值区主要分布在贺兰县中部和东部，东部位于黄河近代冲积平原上，地形平坦，耕地多，居民多，交通发达，工厂集中，人类活动频繁，因此贺兰县中东部重金属含量相对较高。具体到每个元素：土壤中Cu、Ni元素浓度较高的地区主要分布在贺兰县的中部和东南部，包括洪广镇东部、常信乡中部、金贵镇中东部及新平污灌区；As元素浓度较高的地区位于贺兰县中部，包括洪广镇东部、常信乡中东部、立岗镇西部、金贵镇西北部和习岗镇，浓度最高的地区出现在新平污灌区；Pb、Zn元素分布相似，整体比较均匀，高浓度区域集中于常信乡东北部，常信乡东北部有两条主要交通干道穿过，交通活动频繁，汽油和燃油添加剂在汽车运行中产生的颗粒物会通过大气进入土壤，导致土壤中Pb、Zn含量升高；Cd元素高浓度区域位于立岗镇与金贵镇交界处，中部和西部呈斑块分布，立岗镇与金贵镇交界处行政村分布集中，家家户户都有畜禽养殖，畜禽粪便腐熟的农家肥是村民向农田施用的主要肥料，长此以往造成土壤中Cd元素的累积；由于Cr元素数据及其转换数据均不满足正态分布，未进行空间插值处理，只对其进行了分级符号显示（图 3），由图 3可以看出，Cr元素分布比较均匀，中部和东南部浓度较高。

2.3 土壤重金属评价

根据国家土壤环境质量标准（GB 15618—1995）^[34]对贺兰县土壤中的重金属进行污染指数评价，其结果见表 4、表 5。

由单因子污染指数法得出，各元素总体处于清洁水平，其中Cr、Cu、Zn、Pb全部清洁，没有造成污染；Ni、As、Cd分别有92.86%、95.00%和83.57%的点位处于清洁水平，有7.14%、5.00%和15.00%的点位处于尚清洁水平；Cd有0.71%的点位为轻污染，0.71%的点位为中度污染。采用内梅罗综合污染指数法，得出研究区土壤质量属于Ⅲ级轻微污染水平。

2.4 生态风险评价

以宁夏土壤背景值^[32]作为参比值，按照Håkanson潜在生态风险评价相关公式计算得到贺兰县土壤中各重金属元素的C_fⁱ、E_rⁱ和RI值（表 6）。

从重金属单项污染系数（C_fⁱ）来看（表 6、表 7），贺兰县农田土壤中Cd元素有56.43%的点位为强烈污染，42.14%的点位为中等污染；Ni元素和Zn元素分别有85.00%和42.86%的点位为中等污染；Cu元素和As元素分别有37.14%和36.43%的点位为中等污染。各个重金属的潜在污染程度为Cd>Ni>Zn>As>Cu>Pb>Cr。

从重金属单项潜在生态风险指数（E_rⁱ）来看（表 6、表 7），宁夏贺兰县土壤中的Cd元素有98.57%的样点存在强烈风险，它对重金属综合潜在生态风险的贡献率达到78.07%，是最主要的生态风险重金属，其余重金属都属于轻微的潜在生态风险，各重金属潜在生态风险的次序为Cd>As>Ni>Cu>Pb>Cr>Zn。各重金属的综合潜在生态风险指数（表 6）表明，7种重金属潜在生态风险指数RI为46.47~392.06，平均值为125.12，由此推知，贺兰县农田土壤重金属有轻微的潜在生态风险。

根据计算得到的综合潜在生态风险指数（RI）绘制了贺兰县土壤重金属综合潜在生态风险分布图（图 4），从图 4中可以看出，贺兰县大部分地区有轻微的潜在生态风险，呈强烈潜在生态风险的地区集中于Cd元素浓度的高值区，呈中等潜在生态风险的地区分布在高值区周围，以及洪广镇中部，常信乡西部、东北部和立岗镇北部的小部分地区，呈不规则斑块状分布，对比Cd元素空间分布图可知，其分布与Cd元素的空间分布极其相似，表明贺兰县土壤的潜在生态风险主要受Cd元素影响，进一步证实Cd元素是贺兰县最主要的生态风险元素。

3 结论

（1）贺兰县农田土壤Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb元素含量均低于国家土壤环境质量二级标准，仅有1.42%的样点Cd元素出现超标。与宁夏土壤背景值相比，7种重金属元素都有不同程度的累积，其中Cd元素累积最明显。

（2）贺兰县农田土壤Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb含量整体分布比较均匀，高值区分布在贺兰县中部和东部，主要受污水灌溉等人类活动影响。单因子污染指数表明，Cr、Cu、Zn、Pb元素没有造成污染，土壤属清洁水平，Cd元素累积明显，已对土壤构成一定威胁。整体土壤质量属于Ⅲ级轻微污染。

（3）对照宁夏土壤背景值以及潜在生态风险评价结果可知，Cd元素潜在风险最大，其他元素存在轻微的潜在风险。由RI值推知，贺兰县土壤有轻微的重金属潜在生态危害。

研究表明，目前贺兰县的土壤环境质量良好，未产生明显污染。尽管如此，长期的污水灌溉、农田化肥和畜禽粪便的施用加剧了土壤中重金属元素的累积，今后应加强对污水灌溉等方面的监测，防止土壤环境质量下降。