夏爾西里自然保護區(qū)土壤重金屬相關(guān)性分析及污染風險評價

許興斌, 焦 黎, 王勇輝

(1.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室, 烏魯木齊 830054;2.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054; 3.蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州 730000)

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夏爾西里自然保護區(qū)土壤重金屬相關(guān)性分析及污染風險評價

許興斌1,2,3, 焦 黎1,2, 王勇輝1,2

(1.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室, 烏魯木齊 830054;2.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054; 3.蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州 730000)

為了探明夏爾西里自然保護區(qū)土壤重金屬污染狀況及相關(guān)性，沿山路蛇形布點采樣，根據(jù)實地采樣數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，通過單因子污染指數(shù)分析法和潛在生態(tài)危害評價法，分別對夏爾西里自然保護區(qū)土壤重金屬污染狀況進行評價分析。結(jié)果表明：夏爾西里自然保護區(qū)重金屬含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618—1995)》中一級土壤評價標準，Ni，Cr處于清潔狀態(tài)；土壤中Pb，Zn，Co，Cu超標率分別為65%，50%，60%，85%；土壤中Hg，As超標率分別為90%，100%；8種重金屬元素潛在生態(tài)危害系數(shù)順序為：Hg>As>Cu>Pb>Co>Ni>Cr>Zn；Zn與Ni、Cu與Pb、Co與Cu的相關(guān)性達到顯著性水平；Zn與Pb、Cr與Ni、Co與Pb、Co與Zn的相關(guān)性達到極顯著性水平，元素有較高的同源性，重金屬元素含量主要與成土母質(zhì)有關(guān)，人為干擾對重金屬元素含量影響較小，Hg，As元素與其他重金屬元素相關(guān)性低或無相關(guān)性。

夏爾西里自然保護區(qū); 重金屬; 污染評價; 相關(guān)性分析

土壤是地球陸地表面的覆蓋層，是大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈的交界地帶，生命體和非生命體相互依存，共同組成了人類與動植物生命活動的環(huán)境條件[1]。土壤為植物提供生長環(huán)境、協(xié)調(diào)營養(yǎng)條件，是其區(qū)別于成土母質(zhì)和其他自然體的最基本特征。土壤污染指污染物進入土壤，并形成積累，破壞土壤的自然生態(tài)平衡并導致土壤的自然功能失調(diào)，使土壤質(zhì)量惡化的現(xiàn)象[2]。在土壤環(huán)境污染中，以隱蔽性、復雜性、難降解、移動性差和易被富集為特點的重金屬污染表現(xiàn)突出，土壤一旦遭受到重金屬污染就難以清除，威脅人類健康生活和發(fā)展，影響植物生長、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[3-4]。隨著城鎮(zhèn)化進程加速，給生態(tài)環(huán)境帶來嚴重的破壞，土壤重金屬分異特征[5-7]、污染評價[8-10]、來源分析[11-12]等方面的研究愈來愈多，與土壤重金屬污染相關(guān)的研究日益成為研究熱點。

目前，學者對新疆烏魯木齊市、奎屯市、伊犁河谷等地區(qū)的土壤重金屬污染開展了調(diào)查研究。易治伍等[13]對烏魯木齊農(nóng)田中Cd，Hg，As，Cr，Pb共5種重金屬含量進行了分析評價，得出烏魯木齊農(nóng)田重金屬變異系數(shù)較大，各元素的污染指數(shù)Cd>Cr>Pb>As>Hg；李國莉[14]通過土壤單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法對奎屯市北郊蔬菜污灌區(qū)土壤中Pb，Zn，Cd，As，Hg，Cu共5種重金屬元素進行調(diào)查分析，結(jié)果顯示土壤中Cu含量超標，屬輕度污染；陳洪等[15]以新疆伊犁河流域地區(qū)作為研究區(qū)域，在對研究區(qū)域典型土壤樣品中重金屬元素Cu，Pb，As，Hg的含量分析基礎(chǔ)上，運用GIS地統(tǒng)計學知識分析研究區(qū)域土壤Cu，Pb，As，Hg含量的空間分布特征，結(jié)果顯示土壤中砷屬于重度污染，Cu，Pb屬于中度污染。

學者對新疆博爾塔拉蒙古自治州土壤重金屬污染調(diào)查研究相對薄弱，對夏爾西里自然保護土壤重金屬污染的研究仍然是一片空白，對自然保護區(qū)的研究主要集中在生態(tài)系統(tǒng)評價、野生近緣植物研究等方面[16-17]。因此，加強對新疆夏爾西里自然保護區(qū)土壤重金屬污染的調(diào)查研究很有必要。

夏爾西里自然保護區(qū)長期處于中國與哈薩克斯坦兩國邊界爭議區(qū)，歷史上雙方均施行嚴格的軍事管制，2004年正式劃歸中國，被稱為“中國最后一片凈土”。自然保護區(qū)位于新疆博樂市西北部，由于當?shù)毓I(yè)化進程加速、城鎮(zhèn)化的發(fā)展以及氣候的異常變化的影響，通過大氣循環(huán)將重金屬元素帶入土壤中，給夏爾西里自然保護區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)帶來了威脅。及時掌握自然保護區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況，對于充分發(fā)揮功能效應(yīng)，提升管理水平，促進自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本研究選取夏爾西里自然保護區(qū)土壤重金屬元素中的Ni，Pb，Zn，Hg，As，Co，Cr，Cu共8種元素作為參評因子，分別測定其含量，在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，通過重金屬單因子污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害系數(shù)法分析評價自然保護區(qū)污染現(xiàn)狀，并探討Ni，Pb，Zn，Hg，As，Co，Cr，Cu共8種重金屬元素的相關(guān)性，為自然保護區(qū)土壤重金屬污染防治提供理論和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

夏爾希里自治區(qū)級自然保護區(qū)位于新疆博爾塔拉蒙古自治州境內(nèi)，地處天山支脈阿拉套山山地南坡，北與哈薩克斯坦共和國接壤，東鄰阿拉山口，西部、南部與哈日圖熱格森林公園相連，地理位置為81°43′09″—82°33′18″E，45°07′43″—45°23′15″N，東西長66 km，南北寬25 km，面積314 km2。山脈呈北東東走向，地形北高南低，由西北向東南傾斜。最高峰海拔3 670 m，最低處310 m。山地垂直分異顯著，自下而上呈階梯狀隆起[18]。

保護區(qū)東部為溫帶荒漠氣候，以低山丘陵、平原為主；西段由于海拔較高，為溫帶山地濕潤氣候。盛行西風帶來的北大西洋暖濕氣流對北坡植被影響較大，以森林和高山草甸為主；南坡受干旱氣候的影響，植被以草原和荒漠為主。從最高處到最低處依次分布著高山積雪、高山草甸、山地森林、荒漠草原和荒漠化草原，構(gòu)成了干旱區(qū)典型而完整的自然地理垂直帶譜，各種自然景觀，復雜多樣的環(huán)境。

保護區(qū)土壤成土條件與其所在地質(zhì)、氣候、植被狀況和景觀垂直結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，成土母質(zhì)以殘積物或坡積—殘積物分布最廣，主要土壤類型有高山草甸土、山地灰褐色森林土壤、山地草原土壤、山地栗鈣土、山地沼澤土、荒漠土等，各種土壤類型在保護區(qū)表現(xiàn)出明顯的垂直地帶性。

2 樣品采集與研究方法

2.1 土壤樣品的采集

受夏爾西里自然保護區(qū)可進入性較差及軍事管制等因素制約，本研究采用蛇形沿邊防巡邏山路兩側(cè)進行布點采樣，每個點采集1 kg，采樣深度80 cm，以表層土壤為主，于2013年8月共采集到土壤樣品20個。

2.2 樣品測定

根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量評價標準，取0.1 kg土壤樣品進行測定，土壤重金屬元素Hg，As采用熒光光度法測定，Ni，Pb，Zn，Cr，Cu采用火焰原子吸收分光光度法測定樣品含量[2]。

2.3 土壤重金屬污染評價方法

2.3.1 單因子污染指數(shù)分析法 采用單因子污染指數(shù)分析法[2]對研究區(qū)土壤重金屬污染進行評價：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi——土壤中i污染物的污染指數(shù)；Ci——i種污染物的實測含量(mg/kg)；Si——土壤的i污染物的標準值(mg/kg)。單因子污染指數(shù)分級標準如表1所示，其中Pi值越大，污染越嚴重。

表1 單因子污染指數(shù)分級標準

分級污染指數(shù)污染等級ⅠPi<1清潔Ⅱ1≤Pi<2輕度污染Ⅲ2≤Pi<3中度污染ⅣPi≥3重度污染

2.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 為了更加深入地研究夏爾西里自然保護區(qū)土壤重金屬可能存在的危害效應(yīng)，本文采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法(RI)。該方法是由瑞典著名地球化學家Hakanson提出的一種土壤重金屬評價方法，也是目前最為常用的評價重金屬污染程度的方法之一，該方法的重點是確定重金屬的毒性系數(shù)[19]。根據(jù)這一方法，區(qū)域土壤中單一重金屬第i種元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)為：

(2)

表2 土壤中重金屬的毒性系數(shù)

(3)

根據(jù)單一潛在危害系數(shù)，將土壤重金屬污染狀況劃分為5個等級；根據(jù)多種土壤重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)，將土壤重金屬污染狀況劃分為5個等級[19]，等級劃分見表3。

表3 潛在生態(tài)危害指數(shù)與污染狀況的關(guān)系

2.4 評價標準

夏爾西里自然保護區(qū)屬于生態(tài)保護區(qū)，符合《土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618—1995)》中一級土壤評價標準。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因子污染指數(shù)分析

通過對20個采樣點表層土壤樣品中Ni，Pb，Zn，Hg，As，Co，Cr，Cu共8種重金屬元素含量進行測定，參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618—1995)》中一級土壤重金屬污染評價標準，繪制重金屬元素實測值與標準值的對比圖(圖1)。將重金屬元素實測值帶入公式(1)中，計算出單個重金屬元素的污染指數(shù)，即獲得單個重金屬元素的富集指數(shù)(表4)。

夏爾西里自然保護區(qū)土壤重金屬元素中，Ni，Cr元素采樣點重金屬含量低于土壤一級標準，Pi≤1，處于清潔狀態(tài)，Pb，Hg，As，Cu元素采樣點重金屬含量高于標準值，其余元素重金屬含量分布于標準值兩側(cè)。

土壤中Pb，Zn，Co，Cu的含量超標率分別為90%，55%，60%，100%，Pi評價范圍分別為0.01～3.79，0.01～2.15，0.54～1.48，1.04～2.61，采樣點13中Pb，Zn的含量分別為132.5，214 mg/kg，分別高于土壤標準值3.8，2.14倍。其中Pb為1～2的樣點數(shù)占65%，Pi為2～3的樣點數(shù)占20%，屬輕度污染；Zn，Co為1～2的樣點數(shù)分別占50%，60%，屬輕度污染；Cu元素雖然超標率為100%，但評價指數(shù)Pi為1～2的采樣點占85%，屬輕度污染(表4)。

土壤中Hg，As的含量分別為0.12～1.80，21.24～105.57 mg/kg。Hg元素中除采樣點1，2外，其余點均處于最大標準值的上方(圖1)，超標率達到90%(表4)，Pi評價范圍為0.80～12.02，35%的采樣點大于3，屬重度污染；As的污染評價指數(shù)為1.42～7.04，超標率為100%，Pi>3的采樣點占了75%，屬重度污染。

土壤中Hg，As的污染評價指數(shù)范圍為0.80～12.02，1.42～7.04，污染指數(shù)較大，超標率分別為90%，100%(表4)，屬重度污染，是夏爾西里自然保護區(qū)土壤重金屬污染的重要貢獻者。

本區(qū)域長期處于中哈兩國邊界爭議區(qū)，2004年正式劃歸中國，當前仍然屬于軍事管轄區(qū)，采樣點沿途只有一條邊防巡邏山路，汽車輪胎磨損、老化，汽車車體的磨損以及產(chǎn)生的灰塵經(jīng)大氣沉降在周圍土壤中，導致土壤中Pb，Zn，Cu等元素的含量升高[20]。博樂市冬季以煤炭供暖為主，是大氣顆粒物污染較嚴重的城市之一，大氣顆粒中含有大量重金屬元素，通過大氣沉降的方式進入周邊區(qū)域，可能成為保護區(qū)土壤的污染源之一。但人為干擾總體很小，保護區(qū)土壤重金屬含量超標與土壤背景值高有一定關(guān)系。

圖1 重金屬元素含量實測值與標準值的比較

表4 土壤重金屬單因子評價結(jié)果

3.2 潛在生態(tài)危害評價

將土壤中重金屬的毒性系數(shù)(表2)和重金屬元素的富集指數(shù)(表4)代入公式(2)中，計算出夏爾西里自然保護區(qū)單一重金屬元素潛在生態(tài)危害系數(shù)(表5)，將結(jié)果代入公式(3)計算出多種重金屬元素潛在生態(tài)危害系數(shù)RI(表5)。

表5 土壤重金屬潛在生態(tài)危害評價結(jié)果

從單一重金屬元素潛在生態(tài)危害評價分析結(jié)果可知，夏爾西里自然保護區(qū)采樣點土壤中重金屬元素Hg的潛在生態(tài)危害系數(shù)均值為144.08，高于320，屬于極強生態(tài)危害；其余各土壤重金屬元素潛在生態(tài)危害系數(shù)均小于40，屬輕度生態(tài)危害。8種重金屬元素潛在生態(tài)危害系數(shù)順序為：Hg>As>Cu>Pb>Co>Ni>Cr>Zn。多種重金屬元素潛在生態(tài)危害系數(shù)RI的均值為210.13，介于50～300之間，屬于中等生態(tài)危害。

比較單因子污染指數(shù)分析法和潛在生態(tài)危害評價法，發(fā)現(xiàn)通過單因子污染指數(shù)分析土壤中重金屬元素As的含量時，15個采樣點的Pi均超過3，屬重度污染。但在潛在生態(tài)危害評價法中，單一重金屬元素As的潛在生態(tài)危害系數(shù)為37.87，小于40，為輕度生態(tài)危害。其原因可能是有些重金屬元素雖然富積程度較高，但其具有親顆粒性，容易被其他顆粒物遷移進入土壤中礦化埋藏，使它們對生物的毒性降低[21]。因此，只有結(jié)合土壤中重金屬元素單因子污染指數(shù)分析法與潛在生態(tài)危害評價法，才能系統(tǒng)、全面了解土壤重金屬污染。

3.3 土壤中各重金屬元素相關(guān)性分析

土壤重金屬元素來源主要有自然來源和人為干擾兩種，土壤重金屬來源于成土母質(zhì)和人類活動，同來源的重金屬存在著相關(guān)性[22]。

Zn與Ni、Cu與Pb、Co與Cu的相關(guān)性通過0.05的顯著性水平檢驗；Zn與Pb、Cr與Ni、Co與Pb、Co與Zn的相關(guān)性通過0.01的顯著性水平檢驗(表6)，表明以上元素有較高的同源性。重金屬元素含量主要與成土母質(zhì)有關(guān)，人為干擾對重金屬元素含量影響較小，Hg，As元素與其他重金屬元素相關(guān)性低或無相關(guān)性。

表6 土壤重金屬元素的相關(guān)性分析

注：*表示通過顯著性水平為0.05的相關(guān)性檢驗，**表示通過顯著性水平為0.01的相關(guān)性檢驗。

4 結(jié) 論

通過單因子污染指數(shù)評價分析，夏爾西里自然保護區(qū)土壤重金屬含量與《土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618—1995)》中Ⅰ級土壤評價標準對比看出，Ni，Cr的污染評價指數(shù)均小于1，在土壤中屬于清潔狀態(tài)；土壤中Pb，Zn，Co，Cu超標率分別為65%，50%，60%，85%，Pi評價范圍分別為0.01～3.79，0.01～2.15，0.54～1.48，1.04～2.61，屬輕度污染；土壤中Hg，As的污染評價指數(shù)范圍為0.80～12.02，1.42～7.04，污染指數(shù)較大，超標率分別為90%，100%，屬重度污染，是夏爾西里自然保護區(qū)土壤重金屬污染的重要貢獻者。土壤中污染嚴重與土壤本身背景值高有關(guān)，因此，不能被嚴格界定為嚴重污染。

8種重金屬元素潛在生態(tài)危害系數(shù)順序為：Hg>As>Cu>Pb>Co>Ni>Cr>Zn。多種重金屬元素潛在生態(tài)危害系數(shù)RI的均值為210.13，介于50～300，屬于中等生態(tài)危害。除Hg，As元素以外，其他元素相關(guān)性較高，表明以上元素有較高的同源性，重金屬元素含量主要與成土母質(zhì)有關(guān)。

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Risk Evaluation and Correlation Analysis of Soil Heavy Metal Contamination in Xiaerxili Nature Reserve

XU Xingbin1,2,3, JIAO Li1,2, WANG Yonghui1,2

(1.XinjiangLaboratoryofLakeEnvironmentandResourcesinAridZone,Urumqi830054,China;2.CollegeofGeographyandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China;3.CollegeofResourcesandEnvironment,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

To explore the status and correlation of soil heavy metal contamination in Xiaerxili nature reserve, the stationing and sampling were carried out in this research following an S-line along the mountain road. Based on field sample data and experimental data, the heavy metal contamination of soil in Xiaerxili nature reserve was evaluated and analyzed through single factor contamination index method and potential ecological risk index method. The result showed that extractable metal contents in Xiaerxili nature reserve exceeded the first-level evaluation standard according to soil environment quality standard (GB15618—1995). The exceeding standard ratios of Ni, Cr were zero; the exceeding standard ratios of Pb, Zn, Co, Cu were 65%, 50%, 60% and 85%, respectively; the exceeding ratios of Hg and As were 90% and 100%, respectively. The order of potential ecological risk index of the above 8 heavy metal elements is Hg>As>Cu>Pb>Co>Ni>Cr>Zn，among which the following pairs of elements were positively correlated: Zn—Ni, Cu—Pb, Co—Cu (tested at the 0.05 significant level)；Zn—Pb, Cr—Ni, Co—Pb, Co—Zn (tested at 0.05 significant level). These elements shared high homology. Extractable metal contents were mainly connected with the parent material with relatively small human disturbance. There was low or no correlation between Hg and As for any other elements.

Xiaerxili nature reserve; heavy metal; contamination evaluation; correlation analysis

2014-09-15

2014-10-29

國家自然科學基金“夏爾西里地區(qū)土壤背景值及特征研究”(41261055)

許興斌(1987—),男,甘肅隴西人,博士研究生,研究方向為干旱區(qū)資源利用與環(huán)境演變。E-mail:xuxingbin0214@126.com

焦黎(1963—),男,新疆烏魯木齊人,教授,主要從事區(qū)域資源環(huán)境評價研究。E-mail:jiaolixjsd@sina.com

X53

1005-3409(2015)05-0336-06