夏爾希里地區土壤重金屬含量特征及空間變異分析

鐘 巧, 王勇輝, 焦 黎

(新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊830054)

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夏爾希里地區土壤重金屬含量特征及空間變異分析

鐘 巧, 王勇輝, 焦 黎

(新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊830054)

以夏爾希里地區為研究區，對土壤樣品中Co，Cr，Cu，Mn，Ni共5種重金屬的含量特征和空間分異規律進行了研究，采用單因子和內羅梅法分析土壤重金屬的污染程度，并利用地統計學方法分析研究區土壤重金屬的空間分異特征等。結果表明：研究區5種土壤重金屬含量為：Mn>Cr>Cu>Ni>Co，5種重金屬和有機質均屬于中等變異強度；相關性分析結果顯示：Co與Cu，Mn呈現顯著相關；Cr與Cu，Ni有顯著正相關；有機質與Cr，Mn，Cu，Ni均呈現正相關；重金屬含量空間分異特征整體表現為綠洲區>荒漠區>山地森林區；重金屬污染評價結果為：Co和Mn屬于輕污染，Cr和Ni處于警戒線，屬于尚清潔狀態。

夏爾希里地區; 土壤重金屬; 相關分析; 污染評價; 空間分異

土壤是人類賴以生存的自然環境和農業生產的重要資源,土壤的生態安全是保障環境的重要基礎。隨著工業化和城市化進程的加快，全球土壤中重金屬含量呈現急劇增加趨勢[1]。近年來土壤重金屬的污染問題越來越受到國內外學者的廣泛關注。國外學者Nahmani對法國北部沖擊平原地區土壤中蚯蚓生物群落與受到重金屬污染的土壤環境之間的關系，研究結果表明受到污染的土壤中蚯蚓的數量會明顯下降[2]。劉毅章等對中國西南地區Cd背景含量高的地區存在的潛在健康風險進行研究，結果表明中國西南地區Cd含量較高，多葉的蔬菜Cd含量相對較高，而且人體中Cd的含量隨年齡增大積累的越多[3]。國外學者研究多集中在土壤重金屬的潛在風險評價方面。而國內學者主要集中在兩個方面，一方面是對土壤重金屬進行污染評價和修復[4]，如陳濤等以西安市某典型污灌區農田土壤為研究背景，分析長期污水灌溉對表層土壤重金屬含量及富集狀況的影響，并采用內羅梅和潛在生態危害指數法對其現狀和風險進行了評價[5]；李艷利等利用污染指數法對土壤表層重金屬的污染程度進行評價，采用地統計學方法對表層土壤重金屬的空間變異結構和分布格局進行了分析[6]。另一方面是對重金屬的污染分布及來源進行分析[7]，鐘曉蘭等以江蘇太倉市為研究區，運用地統計學方法對8種重金屬元素的空間分布特征進行了分析，同時運用模糊綜合數學法對太倉市的重金屬污染進行評價[8]。穆葉賽爾·吐地等對天山北坡巴里坤—伊吾，新源—巴音布魯克和昭蘇—特克斯3個區段的重金屬用單因子和內梅羅進行評價，同時運用多元統計對其分布特征及污染來源進行了分析[9]。

本文研究的夏爾希里地區包含山地、荒漠、綠洲三種地貌類型，人為干擾相對較少,相關的研究也很有限。本研究通過對夏爾希里地區土壤重金屬的特征研究，分析土壤重金屬空間分異特征及污染狀況，研究結果可為其他地區的生態系統修復提供樣板指標,同時可以清楚地探究人類活動對環境中重金屬的影響以及對其的防治。

1　材料與方法

1.1研究區概況

夏爾希里自然保護區位于天山支脈阿拉套山山地南坡，新疆博爾塔拉蒙古自治州境內，北以阿拉套山山脊為界與哈薩克斯坦共和國接壤，地理位置為東經81°43′09″—82°33′18″，北緯45°07′43″—45°23′15″，東西長66 km，南北寬25 km,面積314 km2，最高峰海拔3 670 km，最低處310 km。由西部的保爾德河區(西段)、東部的江巴斯區(東段)和聯接兩個區域的邊境廊道(中段)三個部分組成。其中西部為中高山帶，面積22 000 hm2；中部為中低山區，面積3 600 hm2，是連接東西兩部分的天然廊道，從而保持地區自然環境的完整性；東部為低山和荒漠平原戈壁地帶，總面積為5 800 hm2。夏爾希里屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為5～6℃,位于亞歐大陸腹地，遠離海洋，水汽來源較少，而阿拉山口是準格爾盆地的主要風口，有利于西風氣流進入，并抬云致雨，其年平均降水量為183 mm[10]。

1.2土壤樣品采集及分析

1.2.1樣品采集根據夏爾希里地區的地貌特征，將其分為山地森林區、荒漠區、綠洲區三種不同地貌類型。采樣原則盡可能均勻分布便于比較。分別于2013年8月和2014年10月在夏爾希里地區三種地貌類型共采集土壤樣品71個，其中荒漠區31個、綠洲區24個、山地森林區16個(圖1)。利用GPS定位，每個土壤樣點根據地貌類型采集不同土層及層數，綠洲區采集層次為表層，20 cm，40 cm，60 cm，80 cm，100 cm，山地森林區采集五層，而荒漠區為表層，10 cm，20 cm，30 cm，每層采集1 kg。

圖1夏爾希里地區土壤樣點分布示意圖

1.2.2樣品分析土壤樣品中重金屬Co，Cr，Cu，Mn，Ni采用鹽酸—硝酸—氫氟酸微波消解體系，消解后趕酸，電感耦合等離子體光譜(ICP)測定[11]，有機質采用重鉻酸鉀法測試[12]。

1.3數據分析

采用SPSS 17.0軟件進行傳統的描述性統計方法，分析土壤重金屬元素數據的平均含量、偏度系數、峰度系數、變異系數、相關性等，然后利用地統計學方法分析重金屬的空間變異特征和分布規律。同時利用ArcGIS 10.0軟件進行空間克里格插值成圖。

1.4土壤污染評價方法

土壤污染評價標準以國家土壤環境質量二級標準為參照值，土壤污染評價的方法采用目前國內外較為普遍的單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法。單因子指數法適合對單一因子污染的評價，內梅羅綜合污染指數法，能更全面、綜合地反映土壤的污染程度。

1.4.1單因子污染指數法采用公式：

Pi=Ci/Si

(1)

式中：Pi——土壤中污染物i的環境質量指數；Ci——污染物i的實測濃度(mg/kg)；Si——污染物i的評價標準(mg/kg)，采用國家土壤環境質量二級標準，下同。

1.4.2內梅羅綜合指數法采用公式:

(2)

式中：P——土壤中重金屬元素的綜合污染指數，根據P值的變幅，將土壤環境質量劃分為五級：P≤0.7為安全，0.7≤P≤1為警戒線，13為重度污染。

2　結果與分析

2.1土壤重金屬及有機質含量統計分析

夏爾希里地區土壤重金屬Co，Cr，Cu，Mn，Ni含量的描述性統計分析表明(表1)：Co含量變化區間為2.5 ～22.88 mg/kg，Cr含量為28.75～95.00 mg/kg，Cu的含量為17.55～153.75 mg/kg，Mn含量為326.25～1 148.75 mg/kg，Ni的含量為7.50～55.00 mg/kg，有機質的含量為0.03%～8.87%。均值分析結果顯示：Mn>Cr>Cu>Ni>Co。變異系數反映采樣總體中各樣點之間的平均變異程度。當變異系數小于0.1為弱變異性，在0.1～1為中等變異，大于1為強變異性[13]。夏爾希里地區的5種重金屬據上述標準均表現為中等變異性，其中有機質變異系數最大為0.78，其次是Cu，Co，變異系數分別為0.44，0.32，Cr變異系數最小為0.19。有機質也屬于中等變異，離散程度較大空間分布較重金屬元素更為明顯。有機質含量較高，與夏爾希里地區特殊的氣候、水文密切相關。由于夏爾希里地區內含自然保護區，保護區在高山地帶，地勢由東南向西北逐漸抬升，有利于北冰洋、大西洋較濕的氣流進入，形成豐富的降水，使得其發育高山植物群落，有利于土壤養分的積累，促使有機質的含量比其他地區高[14]。Cr，Mn，Ni三種重金屬變異程度相似，均為0.20左右，說明這三種元素在該地區受外界的影響比較一致，空間分異不明顯，同時，反映這3種元素在該地區的來源可能具有一定的同源性。此外，經分析除Mn元素呈現正態分布外，其余四種元素都是非正態分布，Cu，Cr，Co峰度均小于3，說明數據分布的集中程度低于正態分布。

表1　夏爾希里地區土壤重金屬的描述性統計

2.2夏爾希里地區土壤重金屬及有機質相關性分析

相關分析可以用來檢驗成對數據間的近似性和元素來源差異。相關系數的絕對值越大，相關性越強；即相關系數越接近于0，相關程度越弱，相關系數越接近1或-1，相關程度越強[15]。通過對夏爾希里地區土壤重金屬與有機質相關性分析，結果表明(表2)：Co與Cu，Mn有顯著地相關性，相關系數為-0.624，0.494；Cr與Cu，Ni有顯著正相關，相關系數為0.541，0.684；有機質與Cr，Mn，Cu，Ni呈現正相關，但相關系數較小。夏爾希里地區不同地貌類型受人類干擾的強度不同，重金屬來源存在差異性，即自然因素(地質條件、流水的遷移及大氣降水等)和人類活動(耕地、施肥等)的影響。這對當地重金屬的積累會產生一定的效果。

表2　夏爾西里地區土壤重金屬相關性分析

注：*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關;**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

2.3夏爾希里地區土壤重金屬變異函數擬合分析

通過對5種重金屬變異函數擬合模型分析，得到夏爾希里地區重金屬變異函數模型參數。塊金值反映最小間距內的重金屬變異性和測量分析過程中引起的誤差，基臺值是變異函數隨著間距增到一定程度后出現的平穩值，通常用來表示系統內部總的變異。塊金值與基臺值的比值為空間異質性程度。若該比值高，則說明隨機性因素引起的空間變異性程度起主要的作用，反之，則說明結構性因素引起的空間變異性程度起主要的作用。因此，塊金值與基臺值的比值可以用來表明系統變量的空間自相關程度。若比值<25%，說明系統具有強烈的空間自相關性，若比值為25%～75%，表明系統具有中等的空間相關性，若比值>75%說明系統的空間自相關性較弱[16]。夏爾希里土壤重金屬的塊金值和基臺值之比在7.64%～49.83%范圍內變化(表3)。其中Mn，Ni具有強烈的空間自相關性，表明影響這些重金屬在空間分布的結構性因素很強，它們的變化主要受結構因素控制如：地形、母質、母巖、土壤礦物質等的影響較大，而受到隨機因素土地利用、耕作措施及施肥等的影響較小；Co，Cr，Cu具有中等強度的空間自相關性，即土壤的內在屬性和人為因素影響程度相近。變程反映了某種觀測尺度下空間相關性的作用范圍，它的大小不僅受到觀測尺度的限制，還與在取樣尺度上影響土壤元素的各種生態過程相互作用有關[17]。當觀測點之間的距離大于該值時，說明該元素的均一性強，其分布主要受較大尺度因子的影響，即它們之間是相互獨立的；如果小于該值，說明土壤中該元素的均一性較弱，影響因子的空間尺度較小，在小的范圍內的變異加強，整體的分布情況也更加復雜，即說明觀測點之間存在一定的相關關系。研究區5種重金屬的空間自相關范圍差異明顯，其中Mn的變程最大，其次是Ni，再次是Co,說明這幾種元素的空間分布相互獨立，Cr，Cu較短，說明兩種元素的空間分布整體上相對比較復雜。

表3　土壤重金屬半方差函數的擬合模型及其相關參數

2.4夏爾希里地區土壤重金屬空間分布特征

空間變異性導致重金屬在空間分布上存在一定的規律性，從而形成有規律的空間分布格局，空間分布格局是空間變異性的具體表現。根據上述重金屬元素的半方差函數模型，使用地統計學中的克里格插值法，對數據進行最優內插，可以更加直觀、準確地反映土壤重金屬在空間上的分布情況。從圖2中可以看出，重金屬Co元素的分布整體呈現斑塊和條帶狀，其含量較Cr，Cu，Mn，Ni四種元素低，最高區含量范圍為16.96～18.82 mg/kg。從圖2A觀察可知在綠洲區和荒漠區含量較高，最高值出現在荒漠區，整體呈現出自荒漠區向綠洲區遞減的趨勢。荒漠區離綠洲近，且植被稀疏，故生態環境脆弱易受人類活動的影響。低值區出現在山地森林區，大致含量為7.55～9.43 mg/kg，與其復雜的生態系統和遠離人類干擾息息相關。

重金屬Cr呈現島狀和條帶狀分布，在81°30′00″—81°40′00″E范圍內出現低值區，野外采集此處為山地森林區和荒漠區，其含量為46.17～58.34 mg/kg。經實地采樣發現此范圍的荒漠上長有稀疏植被，屬于半荒漠，且周圍人居活動較少。由圖2B可以發現元素的含量整體呈現自荒漠向兩側含量呈現遞增的趨勢。高值區出現在荒漠區，大致在81°10′00″—81°20′00″E內，其含量達到76.59～82.66 mg/kg，向東西方向為綠洲地帶，其含量變化又呈現遞減的趨勢，但是含量仍大于山地，大致范圍在64.43～70.50 mg/kg。夏爾希里地區Cr含量整體呈現綠洲區最高，山地森林區最低。

由圖2C發現重金屬Cu與Cr的變化趨勢大致相同，最低值出現在山地森林區和荒漠區，含量28.75～42.38 mg/kg，然后向東西方向出現遞增的趨勢。最高值也出現在荒漠區，其范圍達到65.85～75.43 mg/kg。

重金屬Mn呈條帶狀分布，在山地森林區出現低值，含量520.12～651.24 mg/kg，圖2D發現其含量向東逐漸表現出增大的趨勢。綠洲地區含量介于荒漠和山地之間，大致為651.25～842.37 mg/kg。而在荒漠區出現高值區，其含量超過900 mg/kg。

重金屬Ni呈島狀分布，分布規律較為復雜，在山地森林區含量最低，圖2E顯示其含量由山地向荒漠綠洲方向呈現遞增的趨勢，在荒漠區出現最高值達到29.41～30.83 mg/kg。整體呈現出荒漠區最高，山地森林區最低。

2.5夏爾希里地區土壤重金屬垂直分布特征分析

各重金屬在垂直方向上依舊呈現出一定的分布規律。由圖3可知，Mn的含量相對較高。在山地、荒漠地區均表現出遞減的趨勢，綠洲地區在20 cm處急劇下降，隨深度增加其含量也表現為遞增的趨勢，當深度達到80 cm 時重金屬又顯著下降。Cr相對于其他重金屬元素含量較高僅次于Mn，在山地區和荒漠區其含量隨深度的變化相對穩定，變幅不大，而在綠洲地區表現為明顯的降低趨勢。Cu元素含量在山地表現為拋物線形式，在40 cm處含量較高，荒漠地區表層至20 cm處變化不大，越往下呈現遞減的趨勢。綠洲地區其變化更為明顯，顯著降低。Co元素相對比較穩定，隨深度的增加變幅并不明顯。Ni元素在山地和荒漠地區相對比較穩定，而在綠洲地區呈現下降的趨勢。

2.6土壤重金屬的污染狀況分析

對研究區內所有的樣品重金屬分析數據通過單因子污染指數進行評價(表4)。山地類型除Mn的污染指數大于1外，其余4種重金屬的指數均小于1，分別為0.98，0.80，0.83，0.66，受污染的程度相對較低。綠洲地區除Cr，Ni污染指數小于1外，其余的Co，Cu，Mn污染指數均大于1，受污染程度較高，說明人類活動對這三種重金屬的含量影響較大。荒漠地區，除Co，Mn污染指數大于1外，其余三種均小于1，表明其受污染程度低。由表4可知，元素Mn在夏爾希里地區三種不同類型的土地上其污染指數均大于1，表明受污染相對嚴重。Cr，Ni兩種重金屬在研究區內污染均較小。采用內羅梅污染指數法對研究區內的分析數據進行分析得出Co，Mn屬于輕污染，Cr，Ni處于警戒線，屬于尚清潔狀態。

圖2土壤重金屬含量的空間分布

圖3　不同地貌類型土壤重金屬垂直分布

3　結 論

(1) 夏爾希里地區土壤重金屬平均值表明：Mn>Cu>Cr>Ni>Co。荒漠區土壤Mn的含量較高，這與荒漠區的母巖，地形有關，同時其脆弱的生態環境極易受到人為干擾，故其含量相對于山地較高。重金屬的變異程度表現為Cu>Co>Ni>Mn>Cr，Cu的變異最大，說明其受外界的干擾最強，Ni，Mn，Cr三種元素的變異系數相似，說明其受外界的干擾相近，很可能具有同源性。

(2) 重金屬及有機質相關性表明：Co與Cu，Mn均在0.01水平上呈現顯著的相關性；Cr與Cu，Ni在0.01水平上也呈現顯著的相關性；有機質與Cr，Mn，Cu，Ni均呈現正相關。相關性結果進一步說明元素之間可能具有同源性，可通過控制污染源減少重金屬污染。

(3) 半方差函數表明：Mn和Ni存在極強的空間自相關性，表明其主要受內在因素影響；Co，Cr，Cu存在中等強度的空間自相關性，表明其濃度受內在因素和外在因素綜合影響。Cu和Cr變程較Mn，Ni，Co小，說明前2種元素可能主要受到較小尺度因子的影響。

(4) 各重金屬在水平方向上分布存在特點仍呈現較好的規律：Co，Mn，Ni在空間分布上均呈現出荒漠區>綠洲區>山地森林區；Cu和Cr在空間分布上呈現綠洲區>荒漠區>山地森林區。此外，垂直方向上Mn，Cu在山地森林區、荒漠區、綠洲區表聚現象明顯，即總體上是上層含量高于下層；Cr在山地森林區、荒漠區隨深度變化不明顯，在綠洲區呈現表聚現象；Ni隨深度變化不明顯。

(5) 三種地貌類型受污染情況表現出：荒漠區>綠洲區>山地森林區，說明人類活動對重金屬的含量影響較大；內羅梅綜合指數分析表明Co，Mn屬于輕污染，Cr，Ni處于警戒線，屬于尚清潔狀態。

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Characteristics and Spatial Variability of the Soil Heavy Metals Contents in Xiaerxili Area

ZHONG Qiao, WANG Yonghui, JIAO Li

(CollegeofGeographyandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China)

Taking Xiaerxili area as the study area, we analyzed content characteristics and spatial distributions of five heavy metals (Co, Cr, Cu, Mn and Ni) of the soil samples. The single pollution index and the composite pollution index were used to assess the soil heavy metal pollution, and geostatistics method was applied to evaluate the spatial distributions characteristics of soil heavy metals in the study area. Results showed that contents of 5 kinds of heavy metals decreased in the order: Mn>Cr>Cu>Ni>Co in the research area, the heavy metals and organic matter belonged to the medium variability; the results of correlation analysis showed that the significant correlations were found between Co and Cu, Mn; the significant positive correlations were observed between Cr and Cu, Ni; organic matter and Cr, Mn, Cu, Ni had the positive correlation; spatial distribution characteristics of heavy metal contents as a whole showed the sequence: oasis area>desert area>mountain area; heavy metal pollution assessment results inicated that Co and Mn pollution was slight, Cr and Ni pollution was still clean but at the warning level.

Xiaerxili area; soil heavy metal; correlation analysis; analysis of pollution index; spatial variability

2015-06-29

2015-07-30

新疆師范大學地理學博士點支撐學科開放課題資助項目(XJNU-DL-201504);國家自然科學基金(41261055)

鐘巧(1991—),女,新疆克拉瑪依人,碩士研究生,主要從事干旱區景觀生態方面的研究。E-mail:869740826@qq.com

焦黎(1963—),男,新疆烏魯木齊人,教授,主要從事區域資源環境評價方向的研究。E-mail:jiaolixjsd@sina.com

X53

A

1005-3409(2016)03-0360-06