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。因此，本研究选择新疆北疆玛纳斯河流域不同连作年限棉田为研究对象，分析连作棉田土壤剖面重金属的分布特征和来源，以期为该流域棉田土壤重金属污染防治和土壤环境质量健康发展提供理论参考。

研究区域位于新疆玛河流域莫索湾灌区，地处准葛尔盆地南缘，降雨稀少，蒸发强烈，光照充足，热量丰富，无霜期较短，昼夜温差大。地势为东南向西北倾斜，坡降在1/1000~2/1000之间。地形比较平坦，海拔为291~370 m。各年平均降雨量120.4 mm，且多集中在春夏季，占全年的65%~78%。多年平均蒸发量2 248.8 mm，是降雨量的18.7倍。灌区内土壤多为灰漠土、潮土、草甸土，土质多为砾质土、沙质土、壤质土。研究区自50年代开始植棉，为新疆北疆主要植棉区，棉花种植占灌区耕地面积85%~90%，长年连作现象普遍，栽培技术和产量水平位居新疆前列，农民的文化素质较高，对于化肥、农药、农膜和有机肥的投入意愿较为强烈，随着膜下滴灌技术的推广应用，化肥、农药的投入对产量的增加效益越发显著。研究区普遍施肥：化肥氮肥为尿素（含N 46%），磷肥为重过磷酸钙（含P₂O₅ 46%）和磷酸二铵（含P₂O₅ 46%、N 18%）、钾肥为硫酸钾（K₂O 50%），化肥每年均施用，其用量每年增加且增加幅度较大^[20]；有机肥多为猪粪、牛粪和鸡粪，有机肥施用量人为主观性较大，新疆北疆地区用量较少，一般为30~40 m³·hm^-2[21]，主要施入时间为新垦农田的2~3 a。

新疆玛纳斯河流域莫索湾灌区农田均为荒地开垦而来，该灌区农业的发展主要依靠灌溉，由于受到灌溉水资源短缺和水质差的限制，部分农田周边仍有未开垦、无人工扰动的荒地存在。为了能够更好地比较棉花长期连作对土壤重金属含量和分布的影响，本研究依据灌区的土地利用方式、土壤类型及分布特点，有针对性地进行野外踩点调查，确保所选样点土壤类型和质地一致，最终选择出土壤类型为灰漠土，质地为中壤土的连作棉花5、10、20 a和30 a以上，当前棉花栽培品种一致的4块棉田，周边对应的未开垦荒地（面积＞200 m²）样地4块。对每个棉田和荒地各取5个剖面，样地剖面随机采样，取样层为0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm，共采集200个土壤样品。采样时间为棉花生长结束、灌水和施肥停止的秋季，分别在2015年秋季10—11月和2016年秋季10—11月。采样、样品保存和样品处理过程中采用非金属容器，避免样品污染。样品经自然风干后，去除砂砾、石块等杂物，用木棒擀碎使之全部过18目尼龙筛，再进一步擀碎，过100目尼龙筛。

采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量，氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定土壤全磷含量，火焰光度法测定土壤全钾含量，pH计测定土壤pH（土水比1：5）。土样经过HClO₄、HNO₃和HF消解后，利用电感耦合等离子体光谱仪测定As、Cd、Cr、Ni、Cu和Pb元素含量。土样测定质量控制和保证通过平行样和标准样品（GBW07401）来评价，样品回收率为95%~110%。

数据的统计分析采用SPSS和Excel软件完成，制图采用SigmaPlot完成。

表 1为研究区土壤pH和养分含量统计值，从表中可以看出，荒地的pH值为7.88，略高于棉田，全氮、全磷和有机质的含量低于棉田，分别为0.19、0.53 g·kg^-1和10.25 g·kg^-1，全钾含量为24.33 g·kg^-1，低于连作5 a棉田，却高于连作10、20、30 a棉田土壤。随着棉花连作年限的增加，棉田土壤全氮、全磷和有机质含量呈现增加的趋势，全钾含量则呈现降低的趋势，土壤pH值略有降低。

表 1 研究区土壤理化属性描述性统计 Table 1 Descriptive statistics analysis of soil physical and chemical characteristics

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棉田（不同连作年限棉田1 m土体均值）和荒地土壤6种重金属含量描述性统计见表 2。与国家《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）二级标准比较，研究区（荒地和棉田）土壤6种重金属Cr、Ni、Cu、As、Pb和Cd的平均含量都低于该标准，但与新疆土壤背景值比较，4种重金属Cr、Ni、Cu和As的平均含量要高于其背景值，Pb的平均含量低于新疆土壤背景值；棉田土壤Cr、Ni、Cu、As和Cd的平均含量分别为90.65、32.22、52.64、10.90 mg·kg^-1和0.21 mg·kg^-1，分别高出背景值的90.45%、46.46%、160.58%、23.89%和108.68%，棉田土壤Cr、Cu、As和Cd的平均含量均明显高于荒地，Pb的平均含量荒地略高于棉田，两者相差0.05 mg·kg^-1。变异系数在一定程度上可用于表示各元素的累积状况，变异程度可分为：弱变异性，CV＜0.1；中等变异性，0.1＜CV＜1；强变异性，CV＞1。如表 2所示，棉田土壤Cr、Ni、Cu、Pb、Cd的变异系数均大于荒地，属于中等变异，其中Cd的变异系数最大为0.46，Pb的变异系数最小为0.12；荒地中As的变异系数最大为0.15，高于棉田，属于中等变异，其他土壤重金属的变异系数均小于0.1，属于弱变异。

表 2 研究区土壤重金属描述性统计分析 Table 2 Statistical analysis descriptive of soil heavy metals content in the study area

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表 3是棉田（不同连作年限棉田各层均值）和荒地的土壤剖面（1 m土层）重金属含量垂直分布，棉田土壤中Cr含量由表层向底层逐渐减小，最大含量为0~20 cm，为101.86 mg·kg^-1，最低值出现在80~100 cm，含量为79.62 mg·kg^-1，土层0~20、20~40、40~60 cm间差异不显著，但显著高于80~100 cm土层，荒地0~20 cm Cr含量显著低于其他土层，20~100 cm 4个土层间差异均不显著；棉田Ni的含量最大值出现在0~20 cm，为36.55 mg·kg^-1，最低值出现在60~80 cm，Ni含量在0~20、20~40、80~100 cm土层间差异不显著，0~20 cm或20~40 cm显著高于40~60 cm和60~80 cm土层，荒地Ni含量在各个土层间差异不显著；棉田Cu的含量最大值出现在0~20 cm，其值为55.16 mg·kg^-1，与20~40、40~60、80~100 cm土层间差异不显著，最小值在60~80 cm土层，其含量为49.77 mg·kg^-1，荒地0~20 cm土层Cu的含量显著高于其他土层，其他各土层间差异不显著；棉田中Pb的含量最大值在0~20 cm土层，为14.73 mg·kg^-1，棉田和荒地各土层Pb的含量差异均不显著；棉田和荒地As的含量最大值均出现在0~20 cm土层，最小值均出现在60~80 cm土层，棉田0~20、20~40、40~60、80~100 cm土层间含量差异不显著，0~20、20~40 cm显著高于60~80 cm，荒地0~20、20~40、40~60 cm土层间差异不显著，但0~20、40~60 cm显著高于60~80、80~100 cm土层；棉田和荒地中Cd的含量最大值也均出现在0~20 cm土层，其值分别为0.251 1 mg·kg^-1和0.112 5 mg·kg^-1，棉田0~80 cm深度的4个土层间差异不显著，但0~60 cm显著高于80~100 cm，荒地0~20、20~40、60~80 cm土层间差异不显著，但显著高于最低值40~60 cm土层。

表 3 棉田和荒地土壤剖面重金属含量（mg·kg^-1） Table 3 Heavy metals content in soil profiles of cotton fields and wastelands (mg·kg^-1)

表选项

综合来看，棉田各土层重金属含量的最大值都出现在表层0~20 cm，随着深度的增加重金属含量降低，其中Cr和Cd最小值出现在80~100 cm的底层，Ni、Cu、Pb和As的最小值则出现在60~80 cm土层，荒地重金属含量在垂直分布上没有表现出较好的规律性；棉田和荒地土壤重金属含量在1 m土层垂直剖面上均表现出较小的差异性，尤其是人为耕作的棉田，与荒地相比在1 m耕层均表现出不同程度的富集。

不同年限土壤重金属在各土层垂直剖面的分布特征见图 1。研究区不同年限棉田和荒地各层土壤Cr、As、Cu的含量都超过新疆土壤背景值。荒地的Cd含量在0~20 cm土层为0.11 mg·kg^-1，略高于新疆土壤背景值，在20~100 cm土层略低于新疆土壤背景值。连作5 a棉田土壤在0~20 cm土层Cd含量为0.108 4 mg·kg^-1，略高于新疆土壤背景值，20~40、40~60、60~80、80~100 cm土层Cd含量分别为0.098 1、0.092 1、0.086 2、0.081 1 mg·kg^-1，均低于新疆土壤背景值，随着连作年限的增加，连作10、20、30 a的棉田土壤在各层土壤中Cd含量均明显高于背景值。荒地和连作5、10、20、30 a的棉田Pb含量在各土层中均明显低于新疆土壤背景值，荒地各层含量高于连作5 a棉田土壤，低于连作20、30 a棉田土壤，随着连作年限的增加，Pb含量有微弱增加的趋势。Ni含量在连作5 a棉田0~20 cm和20~40 cm土层中分别为22.35 mg·kg^-1和23.74 mg·kg^-1，略高于土壤背景值，在40~100 cm土层均低于背景值。

图 1 土壤剖面重金属含量分布 Figure 1 Distribution of heavy metals in soil profiles

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分析各重金属含量在棉田土壤的垂直分布特征发现：棉田土壤重金属在各层中均表现出一定的积累趋势，连作棉田表层略高于底层，随着棉花种植年限的增加，土壤各层的重金属含量均明显增加，其中Cr、Cd和Ni表聚趋势也更为明显。对比荒地和连作30 a的各层土壤，Cr和Cu含量的增加幅度为43.30%~102.81%，Ni含量的增加幅度为21.85%~64.95%，Pb含量的增加幅度为2.12%~18.94%，As含量的增加幅度为23.03%~45.68%，Cd含量的增幅最大，达到167.50%~269.19%。对比不同连作棉田和荒地土壤重金属含量发现，连作5 a的Cr、Cd、Cu、Pb和Ni含量均低于荒地各层土壤，连作20 a和30 a的均大于荒地，表现出较为一致的规律性。荒地的重金属分布在各土层的含量差异不大，垂直分布特征也不一致，Cu、As和Cd的上层含量略大于底层，Cr含量中间层含量最高，呈现先增加而后降低的趋势，Ni和Pb含量在中间层出现最小值，上层和下层土壤含量较高。

元素地球化学理论认为，来源相似的元素之间具有较好的相关性^[22]，因此，在统计分析中重金属含量相关性高，意味着元素之间具有一致性。荒地和棉田养分、重金属含量间的相关性见表 4和表 5。棉田土壤重金属元素As与Cr、Ni，Cd与Cr、Ni，Cr与Cu、Ni，Cu与Ni之间具有较好的相关性，其中Cr与As、Cu、Ni之间达到极显著相关（P＜0.01），表明这几种重金属元素有共同的源，与Pb之间没有很好的相关性。重金属元素与土壤养分元素N、P和K之间的相关性表明，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，说明棉田磷肥的投入对土壤中As、Cd、Cr、Cu和Ni含量的积累有着明显的作用，而土壤中N、K元素与重金属含量间没有很好的相关性，这也从另一个层面说明研究区棉田土壤重金属含量的增加与磷肥长期的投入量有直接关系。pH值是影响土壤重金属形态和迁移特性的主要限制因子^[23]，由于本研究区土壤pH值较高（7.36＜pH＜8.14），与土壤重金属元素相关性并不显著，仅与Ni含量呈现显著的负相关关系（P＜0.05）。

表 4 棉田土壤不同元素间的相关性分析 Table 4 Correlation coefficient matrix between contents of soil heavy metals and other properties in cotton field

表选项

表 5 荒地土壤不同元素间的相关性分析 Table 5 Correlation coefficient matrix between contents of soil heavy metals and other properties in wasteland

表选项

荒地土壤重金属元素相关性分析结果与棉田土壤有较大的差异（表 5）。As与Cr、Ni、Pb，Cr与Pb元素间具有较好的相关性，其中Pb与As、Ni之间的相关系数分别为0.679和0.677，均达到极显著的相关性，说明这4种元素有较为一致的来源，与Cd和Cu元素间不具有显著相关性。重金属含量与土壤养分和pH值间的相关分析表明，两者间不存在相关关系，说明在荒地土壤中，重金属含量与未经人为施肥的土壤养分含量、pH值没有很好的因果关系，这进一步说明了棉田土壤化肥的施用对土壤重金属含量有显著的影响。

表 6是对数据集棉田和荒地主成分分析的结果，可以看出，荒地和棉田的主成分因子数差异较大。荒地有4个主成分因子，其累计贡献率达到81.16%，棉田有1个主成分因子，累计贡献率达到85.46%。荒地的第一主成分As、Cr、Ni和Pb具有较大的载荷，分别为0.738、0.717、0.771和0.738，贡献率为36.25%，表明4种重金属元素具有相同的源，主要受自然成土母质影响；第二主成分Cu和Cd具有较大的载荷，分别为0.688和0.614，贡献率为19.47%，表明Cu和Cd具有相同的来源，第三主成分N和P具有较大的载荷，分别为0.551和0.567，贡献率为14.22%，第四主成分K和pH具有较大的载荷，分别为0.435和0.502，贡献率为11.22%，表明同一主成分土壤元素或许是由类似的母岩发育而来。棉田土壤的因子载荷矩阵仅有1个主成分，其中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%，载荷数值大的元素具有相同的来源^[24]，说明棉田重金属跟人为因素化学磷肥的大量投入有密切关系。

表 6 荒地和棉田土壤元素的因子载荷矩阵分析 Table 6 Factor loading matrix of soil elements in the wasteland and cotton field

表选项

对比国家土壤环境质量标准、新疆土壤背景值、研究区荒地重金属含量和连作棉田重金属含量表明，新疆棉田土壤重金属含量本底值并不高，远低于国家土壤环境质量标准，但与荒地土壤比较，肥料、农药、地膜大量投入的长期连作棉田，土壤重金属含量积累趋势明显，表 2中Cr、Cu、As和Cd含量都高于荒地土壤，其中Cd的含量（1 m土层）增幅最为明显，棉田土壤均值为0.214 6 mg·kg^-1，荒地土壤和新疆背景值都为0.1 mg·kg^-1，其均值增幅超过了100%。这与很多学者认为新疆天山北坡经济带地区棉田土壤重金属富集严重，其中Cd最为显著，呈现出累积趋势，已经超出国家土壤环境质量二级标准，其他各元素平均含量值均超过新疆土壤背景值的结论一致^[9-11]。

陈志凡等^[25]研究表明Cu和Zn具有明显的表聚现象，Pb含量在表层土壤略高于底层，表聚作用不明显，Cd在土壤剖面的分布具有较大的变异性；刘再冬等^[26]研究认为在流域的下游平原区，As、Cu和Ni在30 cm土层以下随着深度的增加而升高，Pb和Cd随着土壤深度的变化呈现逐渐降低的趋势；郑国璋^[27]指出，土壤环境中重金属元素迁移能力较差，且主要在土壤0~20 cm表层积累。本研究中，棉田重金属Cr、Ni、Cu、As、Pb和Cd在土壤剖面分布上也表现出不同程度的表聚特征，其中As、Cu和Pb表聚趋势微弱，上下层含量差异不大，Cr、Cd和Ni表聚趋势较为明显，并且随着连作年限的增加表聚特征更为显著，不同连作年限棉田在耕层土壤（1 m）深度均表现出积累趋势，这或许由土壤重金属的自身性质、耕作特征与当地农业种植管理措施共同决定^[28]。研究区的滴灌方式、施肥和耕作措施影响着土壤重金属的分布，新疆棉田秋季收获后普遍存在着深耕、深施肥现象，深耕深度一般＞60 cm，再加上化肥用量大，磷肥利用率低导致棉田土壤中磷含量丰富^[29]，而磷肥中重金属含量较高^[30]，其共同作用造成棉花1 m耕层土壤重金属含量表现出累积趋势。膜下滴灌方式主要湿润峰在1 m土体内且深层淋洗微弱^[31]，随着地表水分的强烈蒸发，土壤中各元素均有着随水向上运移的外在环境，这或许是表层土壤重金属含量高于底层的主要原因。本试验中连作5 a的土壤各重金属含量普遍存在着低于荒地的趋势，这或许是因为该地区新开垦农田为了更好地减少耕层土体盐分含量，2~3 a内每年采用的大水洗盐措施的原因。

农业生产环境中的重金属主要来自人为源和自然源。自然源主要来自于天然地球化学过程，是成土母质决定的，而人为源则主要来自于工业活动的排放和农事活动等^[32]。新疆棉花产量占我国棉花产量的67.3%，化肥施用对提高作物产量起到非常重要的作用，随着氮肥和磷肥的大量施用，新疆棉田土壤碱解氮含量升高，速效磷含量大幅增加，速效钾的含量有所降低^[33-34]。本研究采用了棉田与周边荒地进行对比，从土壤各元素的相关性分析发现，棉田和荒地差异明显。荒地分析中As、Cr、Ni和Pb元素间具有较好的相关性，Cd和Cu元素间不具有显著相关性，土壤重金属与土壤中N、P、K均不具有显著相关性；棉田中As、Cr、Cd、Ni和Cu之间均具有较好的相关性，且As、Cr、Cd、Cu、Ni与土壤P的含量达到极显著和显著相关，其差异主要是由人为的耕作施肥和种植管理措施造成。肥料中含有多种重金属元素，主要原因就是生产肥料的原料工艺，尤其是磷肥，重金属的种类和含量远高于氮肥和钾肥^[35]。有机肥料是以畜禽粪便、动植物残体等富有有机质的副产品资源为主要原料，而很多饲料厂和养殖场普遍使用含有Cd、Pb、Cu、As等重金属元素的饲料添加剂，由于生物的重金属富集作用，畜禽粪便中的重金属含量要比饲料中高^[36]。

王美等^[28]连续施肥25 a后测定土壤中Cd、Cu、Zn和Pb的含量，不同施肥处理土壤重金属都有不同程度的富集，有机肥处理下Cu的富集程度高于化肥处理，化学磷肥处理中Cd、Zn和Pb富集高于有机肥，其中Cd富集程度最高；刘树堂等^[19]在潮土上25 a连续施用磷肥（过磷酸钙）的研究表明，土壤Cd和Pb分别比施用前增加近40倍和6倍，而有机肥处理与初始接近，证明土壤Cd、Pb积累主要来自磷肥；赵芸晨等^[16]研究发现，长期施用肥料能够改变土壤的理化性质，化学磷肥的施入能够造成农田Cd的严重污染；徐明岗等^[17]在灰漠土上连续施肥17 a，认为3种磷肥施用都没有造成重金属明显的积累，有机肥的长期施用是Cd和Cu含量增加的主要原因；苏姝等^[37]、李双异等^[38]利用20多年的连续施肥和耕作证实，化肥不会引起土壤重金属积累，有机肥（猪粪、牛粪）是造成土壤重金属积累的主要原因。以上相关研究的土壤类型、区域、肥料种类、施肥方式以及用量等都存在差异，所得出的结论也并不一致，农田土壤长期施肥造成重金属积累得到广泛认可，但重金属富集是由于化学肥料还是有机肥存在分歧，本研究中有机肥用量较少，多种土壤重金属元素与P素含量显著相关，说明长期连作棉田化肥施用对土壤重金属的富集起到关键作用，而在特定的土壤类型、气候条件和人为耕作措施下，本研究区有机肥施用对土壤重金属累积的作用机制如何？在新疆土壤环境背景下，化肥的长期大量施用如何影响重金属的有效态和活化度？这些问题还需要进一步深入研究。

（1）研究区棉田土壤重金属Cr、Ni、Cu、As、Pb和Cd的平均含量都低于国家二级标准，Cr、Ni、Cu、As和Cd的平均含量（1 m土层）要明显高于新疆灰漠土背景值。

（2）棉田土壤6种重金属在1 m土层垂直分布的变幅均较小，各土层间重金属含量差异不大，其中Cd垂直分布变异系数最大为0.17；棉田土壤重金属含量均表现出表层大于底层，随着连作年限的增加耕层土壤中重金属含量明显升高，在1 m土层均有不同程度的累积趋势。

（3）荒地As、Pb、Cr和Ni元素间表现出显著或极显著的相关性，意味其有相似来源途径；棉田土壤As、Cd、Cr、Cu、Ni与土壤P素含量均呈现显著或极显著相关关系，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，累积贡献率达到了85.46%，进一步证明了研究区棉田土壤中的重金属含量与化学磷肥的大量施用有紧密的关系。