夏爾西里自然保護區土壤重金屬空間分布特征及其評價

宿莉娜,毋兆鵬

新疆師范大學 地理科學與旅游學院,新疆 烏魯木齊 830054

土壤污染大多是由重金屬元素引起的，這是一種典型的污染源，隱蔽性極強，而且容易富集，很難進行降解，一般會在土壤里積累很長時間，所以土壤的重金屬分布可以看出一個地區的環境污染情況[1]。當前的土壤保護研究大量涉及到重金屬污染問題，包括重金屬在土壤中的空間分布研究、土壤的修復研究、植物保護研究等[2,3]。在諸多的研究中，一般以污染源富集、植物修復等內容為主，而研究區域大多是城郊或者礦地的灌區，對自然保護區研究依然較少。新疆夏爾希里自然保護區建立于2000年6月，地處亞歐大陸腹地，屬中亞、蒙古、西伯利亞生物區系的交匯地帶，基本無人類活動，保護區的生態環境較為原始[4]。本研究在地統計學方法和GIS技術支持下，選擇包含夏爾西里自然保護區、綠洲、半荒漠、荒漠梯度差異的樣帶做為研究區域，以保護區結合部為重點，分析該樣帶中土壤Hg、As、Cd、Cr、Pb、Mn、Cu、Zn、Ni這9種重金屬空間分布特征并進行污染狀況評價，旨在為自然保護區的生態發展提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2014年7 月和2015年7月，綜合考慮自然保護區的地形、地貌、土壤、植被等條件后，分別在夏爾希里自然保護區和保護區外的綠洲、半荒漠、荒漠布設采樣帶，在采樣帶依土壤類型選擇具有代表性的樣點，設置70個土壤采樣點（保護區：35個采樣點，非保護區：35個采樣點），每個樣點分層取樣，取樣深度根據土壤發生層實際情況設置0（表層）、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、80 cm、100 cm采樣層，共317個樣品（非保護區：170個樣品，保護區：147），用GPS記錄各個樣點的地理坐標。

1.2 樣品處理

土壤樣品采回之后進行自然風干，將一些植物根系以及有機殘渣等剔除，通過木器碾碎處理，過孔徑為100目篩，根據土壤環境質量評價標準，取出0.1 kg樣品作為測定對象。將樣品放入Anton PVC消解罐，用HNO3-HF-HCl-HClO4硝化，然后嚴密封口，放入消解儀中進行升溫，達到170℃之后，保持30 min冷卻期，取出并進行試樣，最后再一次過濾殘渣。當這些工序進行完畢，采用原子熒光光譜法對As與Hg含量進行測定，采用等離子體質譜法對Mn，Cu，Zn，Ni，Pb，Cr，Cd，Co含量進行測定[5]。

1.3 數據處理

運用 Excel2013對數據進行處理和統計分析，采用 Origin 8.0對數據進行正態分布Kolmogorov-Smirnov檢驗和單因素方差分析，并進行繪圖。然后用Arc GIS 9.2確定相關參數，變異函數擬合以及克里格插值。

采用內梅羅綜合污染指數法與單因子污染指數法進行土壤污染評價，采用漢克森潛在生態風險指數法進行土壤生態風險評價。由以下公式進行計算：

在以上各式中：Pi表示污染物i的污染指數；Ci表示污染物i的實測濃度；Cni表示污染物i的評價標準，選用新疆土壤中重金屬元素的平均背景值；PN表示內梅羅綜合污染指數，(Pi)ave表示不同污染指數的算數平均值，(Pi)Max表示最大單項污染指數；Eri表示單污染物潛在生態風險指數；Tri表示單污染物的毒性響應參數；RI表示潛在生態風險指數。按照內梅羅綜合污染指數法以及單因子指數法，將重金屬污染程度定成五個等級，具體見表1。重金屬潛在生態風險的評價分析見表2。

表1 土壤里的重金屬污染程度Table 1 Levels of heavy metal pollution in soil

表2 土壤里的重金屬污染潛在生態風險Table 2 Potential ecological risk of heavy metal pollution in soil

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬元素的統計特征

統計分析表明：夏爾西里土壤中9種重金屬的平均含量順序為：Mn＞Zn＞As＞Cr＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Hg。重金屬Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg、As變化范圍分別為2.50～22.88、28.75～95.00、17.55～153.75、326.25～1148.75、7.50～55.00、21.35～150.00、53.75～521.25、0.00～4.47、18.05～183.71 mg/kg；變異系數分別為0.32、0.19、0.44、0.20、0.22、0.37、0.35、1.52、0.43，除Hg外各項指標均屬于中等變異，Hg為強變異性，主要是由于Hg元素在土壤中不易遷移；正態分布檢驗表明除Mn外均符合正態分布。分析表明夏爾西里土壤中重金屬Co、Ni平均含量未超過新疆土壤背景值，Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Hg和As的平均含量均超過新疆土壤背景值，超標分別為1.33、1.67、1.04、2.67、1.67、24.97、6.79。以《土壤環境質量標準（GB15618-1995）》為依據，評價標準為其中的一級指標，除Cr、Ni未超標，Cu、Pb、Zn、Hg和As分別超標1.31、1.45、1.12、2.58、5.21倍。

將采樣點劃分為半荒漠、荒漠、綠洲和保護區，然后對4個區域的9種重金屬元素含量進行統計分析，半荒漠、荒漠、綠洲和保護區與夏爾西里土壤中9種重金屬的平均含量順序相同，說明重金屬元素分布規律較為一致。Co的平均含量順序為：半荒漠＞綠洲＞荒漠＞保護區，Cr的平均含量順序為：保護區＞荒漠＞半荒漠＞綠洲，Cu的平均含量順序為：保護區＞綠洲＞荒漠＞半荒漠，Mn的平均含量順序為：綠洲＞半荒漠＞荒漠＞保護區，Ni的平均含量順序為：保護區＞半荒漠＞綠洲＞荒漠，Pb的平均含量順序為：保護區＞綠洲＞荒漠＞半荒漠，Zn的平均含量順序為：保護區＞綠洲＞荒漠＞半荒漠，Hg的平均含量順序為：保護區＞荒漠＞綠洲＞半荒漠，As的平均含量順序為：綠洲＞荒漠＞半荒漠＞保護區。半荒漠區、荒漠、綠洲內土壤的各項指標均屬于中等變異，保護區除Hg為強變異性外其他各項指標均屬于中等變異。

2.2 土壤中重金屬的多元統計分析

夏爾西里地區土壤里的9種重金屬相關性呈現出不同的特點：Cu與Pb，Cr與Ni的相關系數最高，達到了0.69、0.68，在0.01水平上呈顯著正相關。Co與Mn、Ni、As，Cr與Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg、Cr、Cd，Cu與Ni、Pb、Zn、Hg，Mn與Ni、Zn、As，Ni與Zn、Hg，Pb與Zn、Hg，Zn與Hg存在極顯著的正相關性，說明這幾種元素之間在夏爾西里土壤中具有共生性，結合采樣點很少有人活動，土壤的擾動程度較低，說明重金屬關系顯著有可能受到地質本身的影響。Co與Cu、Pb、Hg存在極顯著的負相關性，Co與Cr存在顯著的負相關性相關性，As與Cr、Cu、Ni、Pb、Hg存在極顯著的負相關性，說明這些元素之間呈現出相反的變化規律。Co與Zn，Mn與Pb、Hg，Zn與As相關性不顯著，說明具有不同的來源。根據重金屬變量空間相關性程度的分級標準，Co、Cu、Pb、Zn、As塊金Co/(C+Co)比值均在25%～75%之間，均屬中度污染，這是空間隨機變異與結構性因素一起作用產生的結果，說明該地區土壤的重金屬同時受到隨機因素和結構性因素的影響，但原來的空間格局還沒有遭受到嚴重的破壞。Cr、Mn、Ni、Hg塊金Co/(C+Co)比值＞75%，說明隨機性變異主導了變量，降低了空間相關性。

2.3 重金屬的污染指數評價

采用內梅羅綜合污染物指數法與單因子污染指數法對該自然保護區土壤重金屬污染情況進行評價。從各元素的污染指數平均值比較看，各元素單因子污染指數排序為：Hg＞As＞Pb＞Cu＞Zn＞ Cr＞Mn＞Ni＞Co，Ni、Co單因子污染指數均小于1，表明其污染指數值均較低，Cu、Zn、Cr、Mn單因子污染指數屬于輕度污染水平，Pb屬于中度污染水平，Hg、As屬于重度污染水平。從研究區不同區域來看，不同區域間污染程度也有一定的差異，Co在保護區屬于安全級別，在其他區域屬于輕度污染水平；Cu在保護區屬于中度污染水平，在其他區域屬于輕度污染水平；Ni在保護區屬于輕度污染水平，在其他區域屬于警戒線水平；Pb在保護區屬于重度污染水平，在其他區域屬于中度污染水平；Cr、Mn、Zn在不同區均屬于輕度污染水平；Hg、As在不同區均屬于重度污染水平。根據綜合污染指數的評價，該自然保護區有四個采樣區的綜合污染指數＞3，說明已經達到重度污染標準。所以這些采樣區土壤的Pz順序為：保護區＞荒漠＞綠洲＞半荒漠。

基于潛在生態風險指數，評估了夏爾西里4個區域土壤中9種重金屬的Eri和RI。潛在生態風險系數排序為：Hg＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Cr＞Zn＞Mn，Hg的單因子Eri大于320，潛在生態危害程度最高，處于嚴重水平的生態風險，As潛在生態危害程度較高，處于中水平的生態風險，其他7種重金屬的單因子Eri＜40，說明當前的生態保護較好，生態風險較低。根據綜合潛在生態風險指數，半荒漠、綠洲區綜合潛在生態風險的指數最低，但300≤RI＜600，說明這些微量金屬的綜合生態風險較高，而荒漠、保護區的綜合潛在生態風險指數＞600，說明綜合生態風險同樣較高。這些微量金屬的綜合潛在生態風險指數排序為：保護區＞荒漠＞綠洲＞半荒漠。

70個土壤樣點中Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn等7種金屬元素的潛在生態危害較低，污染級別也低。但是Hg和As危害最為嚴重，Hg有6個樣品達到了重度生態危害水平和64個樣品達到了嚴重生態危害水平，As有18個樣品處于低污染級別、23個樣品達到了中度生態危害水平和29個樣品達到了較高生態危害水平。

3 結論

（1）夏爾西里土壤中9種重金屬的平均含量順序為：Mn＞Zn＞As＞Cr＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Hg。除Hg外各項指標均屬于中等變異，Hg為強變異性，分析表明夏爾西里土壤中重金屬Co、Ni平均含量未超過新疆土壤背景值，Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Hg和As的平均含量均超過新疆土壤背景值，超標分別為1.33、1.67、1.04、2.67、1.67、24.97、6.79。

（2）夏爾西里土壤9種重金屬的相關性呈現出不同的相關特點：Cu與Pb，Cr與Ni的相關系數最高，達到了0.69、0.68，在0.01水平上呈顯著正相關。Co與Cu、Pb、Hg存在極顯著的負相關性，Co與Cr存在顯著的負相關性相關性，As與Cr、Cu、Ni、Pb、Hg存在極顯著的負相關性，說明這些元素之間呈現出相反的變化規律。Co與Zn，Mn與Pb、Hg，Zn與As相關性不顯著，說明具有不同的來源。

（3）單因子污染指數排序為：Hg＞As＞Pb＞Cu＞Zn＞Cr＞Mn＞Ni＞Co，根據綜合污染指數評價，該地區土壤的各重金屬綜合污染指數＞3，說明重金屬污染程度較高。該自然保護區以上重金屬的Pz順序為：保護區＞荒漠＞綠洲＞半荒漠。潛在生態風險系數排序為：Hg＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Cr＞Zn＞Mn，根據綜合潛在生態風險指數，這些重金屬的綜合生態風險較為嚴重。9種微量金屬的綜合潛在生態風險指數排序為：保護區＞荒漠＞綠洲＞半荒漠。Hg和As是危害最嚴重的2種金屬，對夏爾西里整個區域的土壤重金屬潛在生態危害污染貢獻較為突出。

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