天山森林地表水污染及其與土壤重金屬含量的關(guān)系

王文棟，王 鑫，白志強(qiáng)，阿里木·買買提，劉 端，郭仲軍

(1.新疆林業(yè)科學(xué)院森林生態(tài)研究所，新疆烏魯木齊830063；2.新疆維吾爾自治區(qū)阿爾泰山國(guó)有林管理局富蘊(yùn)分局，新疆富蘊(yùn)836100)

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有涵養(yǎng)水源、保持水土和防風(fēng)固沙等多種生態(tài)效益[1-2]。隨著工業(yè)化、城市化的快速發(fā)展，大面積的森林受到不合理開(kāi)發(fā)，森林生態(tài)環(huán)境破壞日趨嚴(yán)重，加之受全球氣候異常的影響，造成森林資源污染嚴(yán)重[3-5]。水是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的載體，與森林生態(tài)系統(tǒng)相互作用[6]。污染物通過(guò)大氣降水沉降部分匯入溪流，劇烈人類活動(dòng)，產(chǎn)生大量土壤重金屬污染物，隨著污染物的遷移和轉(zhuǎn)換，流入水體，水資源污染愈發(fā)嚴(yán)重[7-8]。因此，探究土壤重金屬污染對(duì)水資源污染的作用機(jī)理，有助于控制水資源的污染范圍，促進(jìn)森林資源的可持續(xù)發(fā)展。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于水資源污染多關(guān)注于地下水、湖泊、城市水源水質(zhì)及污染物來(lái)源等研究[9-10]，而對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)溪流地表水污染的綜合研究較少。新疆天山北麓天然氣、煤、有色金屬等礦產(chǎn)資源豐富[11]，礦產(chǎn)的開(kāi)采和運(yùn)輸容易引起林區(qū)土壤重金屬污染，而森林土壤重金屬遷移率較高，其浸出進(jìn)入地表水的風(fēng)險(xiǎn)加劇[12]。溪流地表水污染會(huì)直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，并由地下水、食物鏈等方式危害生物的生存與健康[13]。除此之外，林區(qū)內(nèi)水系縱橫，具有獨(dú)特的自然景觀，旅游活動(dòng)頻繁，水環(huán)境生態(tài)安全壓力增加，水質(zhì)惡化等現(xiàn)象嚴(yán)重[14]，但天山北麓森林的土壤-水體環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題研究較為匱乏。因此，本研究為評(píng)估天山森林溪流地表水污染狀況，選取樺樹(shù)溝、小渠子和甘溝3個(gè)區(qū)域進(jìn)行溪流地表水和土壤樣品的采集，分別對(duì)地表水7項(xiàng)污染指標(biāo)和土壤8種重金屬元素進(jìn)行了檢測(cè)，分析地表水指標(biāo)的含量特征、污染程度及其來(lái)源，并探究其與天山北麓中段雪嶺云杉林土壤重金屬元素的關(guān)系，從而評(píng)價(jià)采礦和旅游活動(dòng)對(duì)溪流地表水的影響，為天山森林的健康維護(hù)、山區(qū)采礦活動(dòng)、旅游活動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展提供相應(yīng)的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆天山北麓中段(86°30′～87°15′E、 43°14′～43°43′N)， 屬烏魯木齊縣境內(nèi)， 東西長(zhǎng)約6.3 km，南北寬約6.6 km，地勢(shì)南高北低。該區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，氣溫日變化較大，年平均氣溫2℃，極端低溫-30.2℃，極端高溫30.5℃，年平均積溫1 170℃，無(wú)霜期120～130 d，年平均降水量500 mm以上。林區(qū)內(nèi)水系縱橫，主要有烏魯木齊河、頭屯河和三屯河三大河流，以高山冰雪融化和降水為水源補(bǔ)給，5—8月水位最高，9月后進(jìn)入枯水季。區(qū)內(nèi)含兩座采礦廠(和諧礦業(yè)和4號(hào)礦業(yè)小渠子，目前均在營(yíng)業(yè)，主要開(kāi)采鐵礦和煤礦)以及多個(gè)旅游景點(diǎn)(樺樹(shù)溝、菊花臺(tái)、甘溝等)，烏魯木齊縣2018年接待人次達(dá)1 000.93萬(wàn)，旅游收入達(dá)9.5億元。林區(qū)內(nèi)土壤以灰褐土為主，腐殖質(zhì)層較厚，養(yǎng)分含量高，天山雪嶺云杉(Picea schrenkiana Fischet Mey)為林區(qū)優(yōu)勢(shì)種，林下灌木主要有忍冬(Lonicera japonica Thunb)、薔薇(Rosa sp)、小蘗(Berberis kawakamii Hayata)等，草本主要有早熟禾(Poa annua L)、莎草(Cyperus rotundus L)、苔草(Carex spp)等。

1.2 野外采樣

2018年8月，在樺樹(shù)溝、小渠子和甘溝進(jìn)行采樣，該區(qū)域采礦活動(dòng)頻繁(樺樹(shù)溝區(qū)域)和旅游人員聚集(小渠子和甘溝區(qū)域)，均為雪嶺云杉針葉林林區(qū)。選擇幾乎無(wú)采礦活動(dòng)和無(wú)旅游活動(dòng)影響的區(qū)域作為背景區(qū)，分別在各區(qū)域溪流水系的上、中、下游布設(shè)樣點(diǎn)，上游距離中游約3 km，中游距離下游約4 km，樺樹(shù)溝上、中、下游距離采礦區(qū)約200 m，其他區(qū)域距離旅游區(qū)約500 m(表1)。溪流地表水為烏魯木齊河、頭屯河和三屯河三大河流的支系和小溪匯入，主要支系有東南溝、薩爾達(dá)坂溝、孔薩拉、小昌吉河等溝系。采樣瓶用當(dāng)?shù)厮疂?rùn)洗3次后，將地表水裝滿于100 mL的棕色玻璃瓶和聚乙烯塑料瓶?jī)?nèi)，即每個(gè)采樣點(diǎn)采集2瓶水樣，并將水樣放置3～4℃條件下保存，及時(shí)送往新疆中檢聯(lián)檢測(cè)有限公司進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)在樺樹(shù)溝、小渠子和甘溝上、中、下游距離水源地3 m內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)典型樣方，按照 “S”型布設(shè)5個(gè)樣點(diǎn)后，清除表層土壤腐殖質(zhì)，采集0～10 cm表層土壤，挑揀去除石塊及植物根系，混勻充分，并用四分法取2 kg土樣，裝入袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后研磨過(guò)0.149 mm篩，以供實(shí)驗(yàn)分析使用。

表1 采樣點(diǎn)基本情況Table 1 Basic information concerning the sample collection point

1.3 實(shí)驗(yàn)室分析

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[15]，依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)，按功能高低依次劃分為5類:Ⅰ類(主要適用于源頭水、國(guó)家自然保護(hù)區(qū))；Ⅱ類(主要適用于集中式生活飲用水地表水源地1級(jí)保護(hù)區(qū)、珍稀水生生物棲息地、魚(yú)蝦類產(chǎn)卵場(chǎng)、仔稚幼魚(yú)的索餌場(chǎng)等)；Ⅲ類(主要適用于集中式生活飲用水地表水源地2級(jí)保護(hù)區(qū)、魚(yú)蝦類越冬場(chǎng)、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)等)；Ⅳ類(主要適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂(lè)用水區(qū))；Ⅴ類(主要適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域)。對(duì)研究區(qū)地表水水樣的pH值、總磷(total phosphorus，TP)含量、總氮(total nitrogen，TN)含量、氨氮(ammonia nitrogen，NH3-N)含量、硝酸鹽氮(nitrate nitrogen，NO3-N)含量、高錳酸鹽指數(shù)(permanganate index，CODMn)、化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)。測(cè)試方法分別為:玻璃電極法、鉬酸銨分光光度法、堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法、納氏試劑比色法、酚二磺酸分光光度法、高錳酸鹽法、重鉻酸鹽法[15]。

根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)[16]對(duì)研究區(qū)土壤樣品的砷(As)、汞(Hg)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鋁(Al)8種重金屬元素含量進(jìn)行了檢測(cè)。Pb、Cd含量測(cè)定采用石墨爐原子吸收分光光度法；Zn和Cu含量測(cè)定采用火焰原子吸收光度法；As含量測(cè)定采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法；Hg含量測(cè)定采用冷原子吸收分光光度法；Cr含量采用火焰原子分光光度法進(jìn)行測(cè)量；Al含量采用高效液相色譜法測(cè)定。3次空白樣和平行樣，取平均值作為最終金屬元素含量。在土壤重金屬元素含量測(cè)定過(guò)程中加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤參比物質(zhì)(GSS-12)進(jìn)行質(zhì)量控制，8種土壤重金屬回收率均未超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)的允許范圍研究區(qū)背景值及土壤重金屬評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 19.0軟件對(duì)天山森林溪流地表水污染指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，運(yùn)用方差同質(zhì)性檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)方差是否齊性，當(dāng)方差齊性時(shí)，多重比較使用最小顯著差異方法(least significant difference，LSD)，反之，使用非參數(shù)檢驗(yàn)方法(Tamhane′s test，T2)。結(jié)合相關(guān)性分析和主成分分析進(jìn)一步進(jìn)行土壤水污染的來(lái)源解析；運(yùn)用Canoco 4.5軟件進(jìn)行冗余分析，探究水污染指標(biāo)與土壤重金屬含量的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 天山森林地表水污染特征與評(píng)價(jià)

圖1為天山森林地表水各指標(biāo)特征圖，單因素方差分析表明，不同區(qū)域地表水各指標(biāo)無(wú)顯著差異(P＞0.05)。研究區(qū)地表水pH值在7.93～8.10之間[圖1(a)]，符合國(guó)家規(guī)定的限值(表2)，整體偏堿性。COD反映了水體受到還原性物質(zhì)污染的程度[18]，研究區(qū)地表水COD在9.00～14.33 mg·L-1之間，均小于15.00 mg·L-1[圖1(b)]，符合國(guó)家Ⅰ、Ⅱ類水域標(biāo)準(zhǔn)限值(表2)，說(shuō)明研究區(qū)受還原性物質(zhì)污染程度較低。由[圖1(c)]可知，CODMn僅樺樹(shù)溝為2.33 mg·L-1，介于2.00～4.00 mg·L-1之間，符合Ⅱ類水域標(biāo)準(zhǔn)限值(表2)，小渠子和甘溝均小于2.00 mg·L-1，符合Ⅰ類水域標(biāo)準(zhǔn)(表2)。CODMn是地表水受有機(jī)物和還原性無(wú)機(jī)物污染程度的綜合指標(biāo)，說(shuō)明小渠子和甘溝地表水有機(jī)物和還原性無(wú)機(jī)物較少。TN含量表示了水體受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染的程度，研究區(qū)3個(gè)采樣點(diǎn)地表水的TN含量嚴(yán)重超標(biāo)，均大于2.00 mg·L-1[圖1(d)]，為劣V類水域(表2)，水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重。NO3-N作為補(bǔ)充項(xiàng)目指標(biāo)，其含量介于0.66～1.16 mg·L-1之間，小于10.00 mg·L-1[圖1(e)]，3個(gè)采樣點(diǎn)水體均符合地表水水源地的限值要求(表2)。NH3-N是水體中主要耗氧污染物，對(duì)水體生物有危害，研究區(qū)地表水NH3-N含量均小于0.15 mg·L-1[圖1(f)]，達(dá)到Ⅰ類水域標(biāo)準(zhǔn)(表2)。由[圖1(g)]可知，研究區(qū)地表水TP含量介于0.02～0.10 mg·L-1之間，均達(dá)到Ⅱ類水域標(biāo)準(zhǔn)限值(表2)，小渠子中游TP含量為0.18 mg·L-1，達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(表2)，出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)差極大，水質(zhì)受到污染的現(xiàn)象。由以上分析可知，研究區(qū)地表水整體水質(zhì)為劣V類，受TN和TP的綜合影響，標(biāo)準(zhǔn)差過(guò)大，水體存在富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。

圖1 不同區(qū)域地表水各指標(biāo)特征Figure 1 Characteristics of the surface water indexes in different regions

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值Table 2 Limit values for the environmental quality standards of surface water

2.2 天山森林地表水污染指標(biāo)的來(lái)源分析

由表3可知，TN和NO3-N的相關(guān)系數(shù)最高，為0.91，達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。CODMn與COD、TN具有顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，系數(shù)分別為0.74、0.62，地表水受到復(fù)合污染的可能性較大，其余各指標(biāo)之間相關(guān)關(guān)系并不顯著。對(duì)地表水污染指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，可獲得3個(gè)主成分(principal component，PC)因子，PC1的貢獻(xiàn)率為38.44%，TN和NO3-N具有較大載荷，均為0.94，TN平均含量為3.50 mg·L-1[圖1(d])，超過(guò)國(guó)家V類水域標(biāo)準(zhǔn)限值，而NO3-N平均含量為0.94 mg·L-1，小于10 mg·L-1，符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明PC1來(lái)自于人為活動(dòng)和自然因子的共同作用，研究表明，生物糞便中含有大量N元素[19]。PC2貢獻(xiàn)率為27.77%，COD和CODMn的載荷分別為0.86、0.90，二者平均含量分別為11.56、1.56 mg·L-1[圖1(b)，圖1(c)]，小于國(guó)家Ⅰ類水域標(biāo)準(zhǔn)限值，說(shuō)明PC2來(lái)自于當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境，如大氣降水或雪水融化，水質(zhì)不受二者指標(biāo)污染。PC3的貢獻(xiàn)率為15.11%，TP的載荷數(shù)為0.97，其平均含量為0.07 mg·L-1[圖1(g)]，大于國(guó)家Ⅰ類水域標(biāo)準(zhǔn)限值，研究區(qū)水質(zhì)P污染較嚴(yán)重。

表3 地表水各指標(biāo)的相關(guān)性與主成分因子分析Table 3 Correlation and principal component analyses of the forest surface water indexes

2.3 天山森林水質(zhì)狀況與土壤重金屬含量的相關(guān)性

由圖2可知，水質(zhì)特征因子在第1軸的解釋量為63.4%，第2軸的解釋量為92.5%，累計(jì)解釋土壤水資源特征信息量為99.5%，累計(jì)解釋量高達(dá)100%，由此可知，前兩軸能夠很好地反映森林水-土資源狀況的關(guān)系，且主要是由第2軸決定。圖2中，水資源特征用實(shí)線實(shí)心箭頭表示，土壤重金屬含量特征用虛線空心箭頭表示；箭頭的長(zhǎng)短表示解釋量的大小，連線越短解釋量越小，反之越大；排序軸與箭頭的夾角為相關(guān)性的大小，夾角越大，相關(guān)性越小，反之越大。在所有的土壤重金屬因子中，Cu和Hg箭頭連線最長(zhǎng)，其對(duì)森林水質(zhì)資源的特征變異起到很好的解釋作用。NO3-N與土壤Pb、Cu、Hg和Cd呈顯著相關(guān)關(guān)系；TN與土壤Pb、Cu、Hg和Cd呈顯著相關(guān)關(guān)系；CODMn與土壤Pb、Cu、Hg、Cd、Al和Zn呈顯著相關(guān)關(guān)系；COD與土壤Pb、Cu、Hg、Cd、Al和Zn呈顯著相關(guān)關(guān)系；pH值與土壤Cr、Zn顯著相關(guān)；NH3-N與土壤As顯著相關(guān)；TP與土壤As顯著相關(guān)。

圖2 水質(zhì)-土壤重金屬元素的冗余分析Figure 2 RDA analyses of the forest surface water concerning the soil heavy metals

表4為土壤重金屬因子影響重要性排序， 其重要性排序?yàn)镃u＞Hg＞Cd＞Al＞As＞Zn＞Pb＞Cr。 其中 Cu、Hg、Cd和Al四種重金屬元素對(duì)森林水質(zhì)的影響極顯著(P＜0.01)，解釋量分別為63.6%、55.0%、54.4%和47.7%，是森林水質(zhì)資源的重要影響因子，其中Cu對(duì)水資源指標(biāo)的影響最大。

表4 重要性排序及顯著性檢驗(yàn)Table 4 Importance sequencing and Duncan′s test of the environmental factors

3 討論與結(jié)論

天山森林水資源污染狀況較為嚴(yán)重，整體為劣V類，主要有以下原因:研究區(qū)水源主要為高山冰雪補(bǔ)給，降雨量的減少，加之地處干旱區(qū)，地表溪流水量銳減，水體自凈能力下降，難以有效稀釋污染物[17-18]；上游水量的日趨減少，甚至部分溪流出現(xiàn)斷流，也是天山森林水體污染的重要因素[19]；研究區(qū)地表水pH值呈弱堿性，堿性環(huán)境不利用微生物生長(zhǎng)，有機(jī)物難以分解，降低水體的自凈能力。

研究區(qū)地表水總體的TN、TP含量嚴(yán)重超出Ⅰ類水域標(biāo)準(zhǔn)限值，可能是由于該區(qū)以旅游業(yè)和礦業(yè)的發(fā)展為支柱經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)業(yè)。此次采樣為新疆旅游旺季(8月)，游客眾多，大多旅游廁所位于河流附近，而人體排出的尿液和糞便中含有較高的N[19]，人為活動(dòng)產(chǎn)生的大量N，流入水體后經(jīng)雨水沖刷進(jìn)入溪流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)林區(qū)內(nèi)地表水的自凈閾值，最終導(dǎo)致天山林區(qū)水質(zhì)大幅下降；另一方面，大量的生活垃圾不能及時(shí)得到有效地處理，也是N和P在水體中大量富集的重要原因[20]。旅游旺季，垃圾存儲(chǔ)設(shè)施堆滿了廚余垃圾、塑料垃圾等固體廢棄物，這些生活垃圾含有高含量的N、P[21]，處理不及時(shí)或不恰當(dāng)，生活垃圾的滲出液直接排入水體進(jìn)入溪流，從而導(dǎo)致地表水水質(zhì)受到污染[22]。除此之外，采礦活動(dòng)過(guò)程中，排出大量污染物，隨雨水沖刷進(jìn)入溪流，導(dǎo)致水體N和P污染[23]。

污染物在土壤及地表水中遷移轉(zhuǎn)化在一定程度上易導(dǎo)致土壤與地下水雙重污染，隨著礦山排水和降雨等，將土壤中的重金屬元素帶入水環(huán)境，導(dǎo)致水體污染[24]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬元素Cu對(duì)天山森林水資源狀況影響極為顯著，研究區(qū)位于南山旅游景區(qū)內(nèi)，四周均為村落，地理位置較為特殊，大氣干濕沉降加劇，大量旅游活動(dòng)進(jìn)一步增大土壤中Cu、Hg等污染。除此之外，游客數(shù)量的增加也必然使部分重金屬元素的含量增加，如游客在旅游活動(dòng)中產(chǎn)生的各類垃圾廢棄物、鞋底的磨損以及食物擦渣等，含有較高的有機(jī)物散落于土壤中，腐爛后使土壤酸化，與金屬制品接觸，產(chǎn)生大量的重金屬污染，重金屬隨雨水沖刷，進(jìn)入河道，污染河流水資源[25-26]。研究區(qū)隨著采礦產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展壯大，土壤中重金屬元素超標(biāo)。Cu雖是人體和植物不可或缺的微量元素之一，但若過(guò)度的攝入必將成為人類健康的一大威脅[27]。當(dāng)Cu含量過(guò)高時(shí)，土壤微生物的生長(zhǎng)就會(huì)受到限制，主要表現(xiàn)在數(shù)量、種群結(jié)構(gòu)的改變[28]。受雨水沖刷作用，水流物理性運(yùn)輸遷移，森林土壤中的過(guò)量Cu持續(xù)不斷的進(jìn)入河道下游，影響下游水質(zhì)[29]。Cu與COD呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明森林土壤重金屬元素Cu含量越多，COD則越大，水體相應(yīng)受到的有機(jī)物污染則越嚴(yán)重[30]。

新疆天山森林溪流地表水整體水質(zhì)為劣V類，水體呈富營(yíng)養(yǎng)化，TN和TP污染為水質(zhì)惡化的主要污染源。土壤重金屬元素因子影響重要性排序?yàn)镃u＞Hg＞Cd＞Al＞As＞Zn＞Pb＞Cr。其中Cu、Hg、Cd和Al四種重金屬元素對(duì)森林水質(zhì)影響達(dá)極顯著(P＜0.01)，森林土壤污染嚴(yán)重影響森林地表水質(zhì)狀況。采礦和旅游活動(dòng)是造成森林資源污染的主要原因。為減小旅游和采礦活動(dòng)對(duì)天山森林生溪流地表水資源生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)旅游活動(dòng)和采礦活動(dòng)產(chǎn)生環(huán)境污染問(wèn)題的監(jiān)督管理，制定相應(yīng)的生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制。