海米提 · 依米提 ,祖皮艷木 · 買買提,李建濤 ,李新國 (1.新疆師范大學,新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830054;.新疆大學資源與環(huán)境科學學院,新疆 烏魯木齊 830046;3.新疆師范大學地理科學與旅游學院,新疆 烏魯木齊 830054)
工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展導致土壤中重金屬污染已成為影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的一個重要因素[1-3].目前有關(guān)土壤中重金屬的賦存特征以及污染評價的研究已經(jīng)成為地理學、土壤科學和環(huán)境科學研究的熱點[4-7], 也是區(qū)域環(huán)境質(zhì)量評估的重要方向之一[8-9],土壤環(huán)境中重金屬含量的高低不僅直接影響到自然水環(huán)境的理化性質(zhì),阻礙水環(huán)境中的微生物對營養(yǎng)元素的吸收,抑制其活動,同時也會造成農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的降低,環(huán)境質(zhì)量的惡化,直接或間接危害人類健康[10-12].自然地質(zhì)背景和人類活動的強度是影響土壤中重金屬含量的主要因素.在城鎮(zhèn)附近以及工礦企業(yè)園區(qū)附近人為因素正成為土壤以及水環(huán)境中重金屬的主要來源[13-15].由于重金屬難以很快遷移和擴散到其他區(qū)域,因此土壤環(huán)境一旦遭受重金屬的污染就很難恢復.
目前,有關(guān)土壤中重金屬污染以及生態(tài)風險的研究已廣泛開展[16-17].通過采用污染指數(shù)法以及生態(tài)風險指數(shù)法評價土壤中的重金屬污染狀況以及潛在生態(tài)風險,同時結(jié)合多元統(tǒng)計分析方法和 GIS技術(shù),揭示重金屬的空間分布特征及其規(guī)律性[18-21],從而為區(qū)域土壤資源的合理利用與保護提供支持.然而,以往的研究大多集中在東部經(jīng)濟快速發(fā)展的工業(yè)園區(qū),高科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)等區(qū)域,研究目的大多在于評估人類活動影響下土壤資源的合理利用以及土壤環(huán)境質(zhì)量的保持.在生態(tài)環(huán)境極為脆弱的西北干旱區(qū),隨著人類活動日益增多,區(qū)域經(jīng)濟開發(fā)強度的不斷增大,對于土壤中重金屬的來源、污染狀況以及生態(tài)風險的研究目前均相對缺乏.
基于此,本文以干旱區(qū)典型綠洲盆地--焉耆盆地為研究區(qū),以土壤中重金屬元素的來源、污染狀況和潛在生態(tài)風險為研究對象,通過采集盆地內(nèi)土壤樣品,測取其中重金屬元素含量,運用多元統(tǒng)計分析方法、污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法,并結(jié)合新疆土壤背景值以及土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準來評價西部大開發(fā)進程不斷深入、區(qū)域人類活動強度不斷增大的情況下,干旱區(qū)綠洲盆地土壤中重金屬含量及污染狀況,從而為該區(qū)域環(huán)境保護和資源的有效利用提供科學依據(jù).
圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布Fig.1 Map showing study area and sampling sites
焉耆盆地位于新疆巴音郭勒蒙古自治州境內(nèi)(圖 1)(85°50′ ~ 87°50′ E,41°40′ ~ 42°20′ N),在行政區(qū)劃上包括巴音郭勒蒙古自治州的焉耆、和靜、和碩與博湖4個縣,總面積723100hm2, 海拔1050~2000m, 地勢西高東低、北高南低,屬于南北疆過渡的大陸荒漠性氣候,干旱少雨,年降水量僅為 50~80mm,年蒸發(fā)量 2000~2450mm,光熱資源豐富,多年平均氣溫 8.6℃,是一個典型的綠洲–荒漠交錯地區(qū).土壤類型主要為棕漠土、草甸土、沼澤土、灌耕土、潮土、鹽土、風化土等. 天然植被以紅柳(Tamarixramosissima)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)、羅布麻(Apocynumvenetum)、甘草(Glycyrrhizauralensis)和麻黃(Ephedrap rzewalskii Stapf)為主.近年來在國家政策調(diào)整和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展政策傾斜以及東、中部地區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移等綜合因素的驅(qū)動下,焉耆盆地經(jīng)濟發(fā)展水平不斷提高,經(jīng)濟開發(fā)活動不斷增加.
1.2.1 樣本采集 樣品采集時間在2012年7月,采集區(qū)域為焉耆盆地的焉耆、和碩、和靜以及博湖4個行政縣(圖1),樣品采集范圍包括焉耆盆地的6大類土壤類型(林地、草地、耕地、建設(shè)用地(城鎮(zhèn)居民點附近)、荒漠、濕地).研究中土壤樣品的采集深度為 0~40cm 剖面層,共采集樣品160個,為避免采樣過程中重金屬元素的污染,使用硬質(zhì)塑料鏟垂直挖取 40cm×40cm 土壤剖面,然后從四周開始均勻采集土壤樣品,每個樣點取樣 400g,樣品采集后記錄編號,然后封存,放入樣品箱,在取樣同時記錄樣點的位置、取樣日期、土壤剖面質(zhì)地、樣點植被類型、土壤的顏色以及周圍的環(huán)境狀況以備分析.
1.2.2 樣品測試 土壤樣品帶回實驗室后,風干并剔除植物殘體和石塊后磨碎過100目篩,保存于塑料瓶中備用.樣品前處理過程如下:首先稱取0.5g試樣于Anton PVC消解罐,加入2mL HCl和10mL HNO3,封嚴并置于消解儀中,升溫至170℃后維持 30min,然后冷卻取出并收集試樣、過濾定容到50mL待測,為了避免污染,所有玻璃器皿、消解罐使用之前均用5% HNO3浸泡24h、沖洗干凈后烘干.樣品處理后采用原子熒光光譜法(atomic fluorescence spectrometry, AFS)測定As、Hg含量;采用等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasmamass spectrometry, ICP-MS)測定Mn、Cu、Zn、Ni、Pb、Cr、Cd、Co含量.其中重金屬的檢出限采用選取的測定的空白溶液的標準偏差的 3倍時所對應(yīng)的分析物濃度,采用的重金屬元素標準溶液為國家一級標準物質(zhì)(Gss系列).所有土壤樣品測試后再抽取總樣品數(shù)的 30%進行重金屬含量的重復性檢驗,檢驗結(jié)果表明本次測試合格率為100%.
1.3.1 污染指數(shù)法 評估公式如下[22]:
式中:Pz是土壤環(huán)境中重金屬的污染指數(shù);Cmax是土壤環(huán)境中重金屬的最大濃度值;i是重金屬的類別;Ci是重金屬的測試濃度;Si是土壤環(huán)境中重金屬的背景值;n是重金屬評估的種類總數(shù);Pi是單因素污染指數(shù).
1.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法可以反應(yīng)單個污染物的污染水平,也可以反映各種污染物的聯(lián)合效應(yīng),根據(jù)瑞典科學家Hakanson提出的潛在生態(tài)風險指數(shù)法來評價焉耆盆地土壤中重金屬的生態(tài)風險[23],然后定量評估潛在的生態(tài)危害. 評估公式如下:
式中:RI土壤環(huán)境中重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù);是潛在的生態(tài)風險;是單一污染物的毒性系數(shù),可以綜合的反映重金屬的毒性、污染水平和污染的敏感程度;Ci是土壤中重金屬的測試濃度;是某一重金屬的污染參數(shù);在本研究中 10種重金屬Pb,Ni,Cd,Co,Hg,As,Cu,Mn,Zn和Cr的毒性系數(shù)分別為5,5,30,5,40,10,5,1,1和2[24].其潛在的生態(tài)風險水平見表1.
1.3.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析 根據(jù)測定的重金屬元素數(shù)據(jù),運用相關(guān)分析和主成分分析分析土壤中10種重金屬的賦存特征和來源.運用單因子污染指數(shù)法,內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和漢克森潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價焉耆盆地土壤中的重金屬污染狀況,采用新疆土壤環(huán)境背景值和國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準中的二級標準(GB15618—1995)[25]評價焉耆盆地土壤種重金屬的超標狀況.研究中描述性統(tǒng)計分析和相關(guān)分析、主成分分析均在SPSS19.0軟件中進行,污染指數(shù)和生態(tài)風險的計算在Matlab 7.0軟件中進行,圖表采用CorelDraw 12.0軟件進行處理、輸出.
表1 重金屬元素的生態(tài)風險評價和污染水平評估Table 1 Relationship between potential ecological risk coefficient () risk indices (RI) of heavy metals and pollution level
表1 重金屬元素的生態(tài)風險評價和污染水平評估Table 1 Relationship between potential ecological risk coefficient () risk indices (RI) of heavy metals and pollution level
潛在生態(tài)風險系數(shù)(Eir)單因子污染的生態(tài)風險潛在生態(tài)風險指數(shù)(RI)潛在生態(tài)危害程度Eri<40 低 RI<150 低40≤Eri<80 中 150≤RI<30 中80≤Eri<160 高 300≤RI<600 高160≤Eri<320 較重 RI≤600 重Eri≥320 重 / /
2.1 土壤重金屬的統(tǒng)計特征 樣點背景以及土壤重金屬元素描述性統(tǒng)計分析(表 2)表明焉耆盆地土壤中 10種重金屬的平均含量順序為: Mn>Zn>Cr>Ni>Cu>Co>Pb>As>Cd>Hg.重金屬 Zn、Pb、Cu、Hg、Mn的最大值分別為242.1mg/kg、16.18mg/kg、70.41mg/kg、0.016mg/kg、918.7mg/kg;變異系數(shù)分別為 11.48%、8.89%、15.87%、11.46%、15.21%;平均值為 138.38mg/kg、12.46mg/kg、41.84mg/kg、0.014mg/kg、817mg/kg;重金屬 Ni、As、Cr、Co、Cd的最大值分別為59.87mg/kg、15.58mg/kg、247.74mg/kg、32.81mg/kg、0.11mg/kg; 變異系數(shù)分別為21.256%、24.512%、20.156%、29.541%、11.321%;平均值為57.84mg/kg、12.97mg/kg、0.11mg/kg、101.4mg/kg和32.78mg/kg.分析表明焉耆盆地土壤中重金屬Zn、Pb、Cu、Ni、As和Cr的最大值均超過新疆土壤背景值,而未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GBl5618—1995)[25]二級標準,超標率分別為8%、7%、11%、9.2%、12%和8.1%.
表2 焉耆盆地各縣0~20cm土壤重金屬含量的統(tǒng)計特征Table 2 Statistical characteristic of heavy metals contents in 0~20cm soil profiles in Yanqi basin
相關(guān)分析表明(表3),焉耆盆地土壤重金屬之間的相關(guān)關(guān)系較復雜,其中 Cu、Pb、Hg、Zn等重金屬之間相關(guān)性較強.Cu、Ni、Cd、As和Co在P<0.01水平上相關(guān)系數(shù)分別為0.691、0.581、0.435、0.562;Cu、Zn和 Cr在 P<0.05水平上相關(guān)系數(shù)為0.446和0.524是正相關(guān).結(jié)合樣點分析,幾種重金屬含量較高的樣點均位于居民點以及耕地,表明這種相關(guān)關(guān)系可能與人類活動有關(guān).重金屬Mn、Hg、Zn、Pb、Cd和As在 P<0.01水平上相關(guān)系數(shù)分別為0.475、0.478、0.515、0.477和 0.421.相關(guān)重金屬含量較高的樣點大多位于縣城居民點附近以及農(nóng)田,表明土壤中這些重金屬含量共同受人類活動的影響.重金屬Hg和Zn、Pb在 P<0.01水平上相關(guān)系數(shù)分別為 0.586和0.714,是顯著正相關(guān),但與Ni和Cd相關(guān)系數(shù)分別為-0.512和-0.412是負相關(guān),表明Hg與Ni和Cd的來源不同.從取樣位置來看,Hg含量較高的土壤樣點均取自城鎮(zhèn)附近,受人類生產(chǎn)、生活的影響較大.重金屬Ni和Cd含量較高的樣點大多取自荒漠以及草地,表明其來源不同導致這種負相關(guān)關(guān)系.重金屬Zn和Pb在P<0.01水平上相關(guān)系數(shù)為0.614.在焉耆縣周邊樣點中Zn、Pb的含量較高,說明其受共同來源因素的影響,相關(guān)關(guān)系密切.重金屬Ni、Cr和Cd在P<0.01水平上相關(guān)系數(shù)分別為0.584和0.521,相關(guān)重金屬含量較高的樣點大多位于荒漠和草地等人類活動較少的區(qū)域,其來源受自然環(huán)境的影響比較大.重金屬 Cr和Co在P<0.01水平上顯著正相關(guān),含量較高的樣點大多取自草地及林地,表明 2種重金屬共同受自然環(huán)境的影響較大.重金屬Ni和Cr、Mn和As在 P<0.01水平上顯著正相關(guān),其含量較高的樣點大多位于林地以及荒漠,表明其受主要受自然環(huán)境的影響.
表3 焉耆盆地土壤重金屬元素相關(guān)關(guān)系矩陣Table 3 Correlation matrix of heavy metals in soil of Yanqi basin
2.3 土壤重金屬元素主成分分析
主成分分析的 3個主成分分別占總因子的35.46%、38.25%和 22.1%,累計貢獻率達到95.81%,其解釋了影響焉耆盆地土壤重金屬含量的3個可能來源.在第1主成分上Cu、Hg、Zn、Pb都具有較大的正載荷,相關(guān)樣點大多取于耕地、居民點、工業(yè)園區(qū)附近以及城鎮(zhèn)道路旁,結(jié)合相關(guān)文獻分析,高含量的 Mn、Hg、Zn和 Pb等重金屬主要來源于城鎮(zhèn)生活和工業(yè)企業(yè)的廢棄物排放以及道路運輸中汽車尾氣含鉛污染物的排放[6-7,17,19].在第 2主成分上 Mn、Ni、Cr、Cd、Co和Cr等重金屬具有較高的正載荷,相關(guān)樣點大多取自荒漠、草地以及山間林地,這些區(qū)域人類活動較少,自然環(huán)境狀況保存良好,結(jié)合相關(guān)文獻分析,相關(guān)重金屬應(yīng)主要來源于山間自然風化的巖石碎屑礦物以及母巖礦物[14,20].在第 3主成分中,重金屬元素Mn和As在以上兩個主成分上均具有顯著性,結(jié)合相關(guān)文獻分析其來源受人為因素和自然因素的共同影響.
2.4 重金屬的單因子污染指數(shù)法評價
圖2 焉耆盆地土壤重金屬元素主成分分析Fig. 2 Principal component analysis of soil heavy metal in Yanqi basin
運用單因素污染指數(shù)法和綜合污染物指數(shù)法,評價焉耆盆地4個縣(焉耆縣、和碩縣、和靜縣與博湖縣)土壤中重金屬的污染狀況(表 4).單一重金屬的污染分級表明,重金屬 Cu、Hg、Zn在焉耆縣污染指數(shù)相對較大;而在和靜縣與博湖縣污染指數(shù)均較小.重金屬 Pb在焉耆縣污染指數(shù)相對較大,在和碩縣、和靜縣與博湖縣污染指數(shù)均相對較小.重金屬Ni和As在博湖縣污染指數(shù)相對較大,在焉耆縣、和碩縣與和靜縣污染指數(shù)均相對較小.重金屬 Co在和靜縣污染指數(shù)相對較大,在焉耆縣、和碩縣和博湖縣污染指數(shù)均相對較小.重金屬Cd、Mn、Cr在焉耆盆地的焉耆縣、和碩縣、和靜縣與博湖縣4縣污染指數(shù)均較小.
綜合污染指數(shù)(Cd)評價表明,總體上,焉耆盆地的焉耆、和碩、和靜與博湖4個縣的土壤中重金屬均屬于低污染水平,未出現(xiàn)明顯的污染狀況.從數(shù)值計算角度看,焉耆盆地 4個行政縣土壤中重金屬的綜合污染指數(shù)順序為(Cd):焉耆縣>和碩縣>和靜縣>博湖縣.
表4 單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)評價Table 4 Single factor index () and Synthetic pollution index (Cd) of heavy metals in soil of Yanqi basin
表4 單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)評價Table 4 Single factor index () and Synthetic pollution index (Cd) of heavy metals in soil of Yanqi basin
區(qū)域 Pb Ni Cd Co Hg As Cu Mn Zn Cr 綜合污染指數(shù)(Cd) 污染程度單因子污染指數(shù)(Cif)和碩縣 0.14 1.15 0.41 0.28 0.18 1.82 0.34 0.51 0.49 0.65 5.97 低博湖縣 0.56 0.41 0.24 1.41 0.25 0.48 0.68 0.41 0.34 0.25 5.03 低和靜縣 1.25 0.78 1.21 0.04 0.09 0.84 0.25 0.41 0.56 0.48 5.91 低焉耆縣 1.01 0.54 1.24 1.08 1.04 0.47 1.01 0.44 1.21 0.14 8.18 低
2.5 潛在的生態(tài)風險指數(shù)評估
基于潛在的生態(tài)風險指數(shù)的評估[28],焉耆盆地土壤中10種重金屬的潛在生態(tài)風險因子()和風險指數(shù)(RI)(表5)評估表明,在焉耆盆地的焉耆、和碩、和靜與博湖4縣土壤中10種重金屬的單因子潛在生態(tài)風險指數(shù)均低于3,表明這4個縣土壤中重金屬的潛在生態(tài)危害程度都較低,處于低水平的生態(tài)風險.從數(shù)值計算角度看,焉耆盆地4個行政縣土壤中重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)順序依次為:焉耆縣>和碩縣>和靜縣>博湖縣.
表5 潛在生態(tài)風險()和風險指數(shù)評價(RI)Table 5 Potential ecological risk coefficients () and risk indices (RI) of heavy metals in soil of Yanqi basin
表5 潛在生態(tài)風險()和風險指數(shù)評價(RI)Table 5 Potential ecological risk coefficients () and risk indices (RI) of heavy metals in soil of Yanqi basin
區(qū)域 Pb Ni Cd Co Hg As Cu Mn Zn Cr 潛在生態(tài)風險指數(shù)(RI) 風險分級單因子潛在生態(tài)風險系數(shù)(Eri)和碩縣 1.1 1.4 1.2 0.8 1.6 1.7 0.7 1.6 1.8 1.3 11.2 低和靜縣 0.3 2.3 0.9 1.4 1.1 2.4 1.5 1.4 0.17 1.2 10.97焉耆縣 1.2 1.8 1.2 1.3 1.7 1.4 0.8 1.1 1.6 1.4 11.5 低博湖縣 0.3 1.3 0.8 0.3 0.4 1.2 1.6 1.2 1.5 2.1 8.7 低
焉耆盆地土壤中重金屬 Pb、Hg、Cu、Zn在焉耆縣出現(xiàn)較高值,重金屬Ni、As、Cr在博湖縣和和靜縣出現(xiàn)較高值.焉耆縣的工業(yè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展水平均高于和碩、和靜與博湖 3個縣.經(jīng)濟發(fā)展過程中不合理的人類活動,包括煤化工企業(yè)固體廢棄物的排放以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥化肥的過量使用,再加上道路運輸大量含鉛尾氣的排放造成土壤中重金屬Pb、Hg、Cu和Zn的含量較高.結(jié)合樣點記錄,在博湖縣與和靜縣2個行政縣的土壤樣點大多取自草地、荒漠以及林地等人類活動較少,自然環(huán)境保持良好的區(qū)域,土壤中重金屬Ni、As、Cr應(yīng)主要來源于山地巖石風化以及干涸河床流水沖刷,這也與前人的研究結(jié)果一致[14,20].土壤環(huán)境二級質(zhì)量標準(GB15618—1995)[26]評價表明焉耆盆地土壤中 10種重金屬的含量均較低,焉耆盆地的土壤環(huán)境質(zhì)量良好.
從重金屬的單因素危害水平來看,在焉耆、和碩、和靜與博湖4個縣的土壤中重金屬的生態(tài)風險系數(shù)均低于3,綜合生態(tài)風險均低于15,表明4個縣土壤中的重金屬含量均處于低污染水平;生態(tài)風險評價表明焉耆盆地 4個縣土壤中重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)均較低,總體看污染指數(shù)法和生態(tài)風險評價法具有一致的評價結(jié)果,可以客觀的反映焉耆盆地土壤中重金屬的污染狀況和潛在生態(tài)風險.
研究表明在西部大開發(fā)以及區(qū)域經(jīng)濟開發(fā)不斷深入的背景下,焉耆盆地的經(jīng)濟發(fā)展已經(jīng)對土壤中的重金屬的含量產(chǎn)生了負面的影響,造成一些區(qū)域重金屬含量的較高,應(yīng)引起重視,加強該區(qū)域人類活動的自覺性,控制污染物質(zhì)的排放.未來對焉耆盆地環(huán)境中重金屬污染的評價中應(yīng)該結(jié)合地表水以及地下水中重金屬的濃度.分析其與土壤中重金屬含量的相關(guān)性及共同來源,并結(jié)合GIS技術(shù)來綜合分析重金屬元素的空間分布特征,從而為良好的綠洲環(huán)境的保持提供依據(jù).
3.1 焉耆盆地土壤中 10種重金屬的平均含量大 小 順 序 為 :Mn>Zn>Cr>Ni>Cu>Co>Pb>As>Cd>Hg.土壤環(huán)境二級質(zhì)量標準(GB15618—1995)評價表明焉耆盆地土壤中10種重金屬元素的含量均較低.但重金屬Zn、Pb、Cu、Ni、As和Cr的最大值超過新疆土壤背景值,超標率分別為8%、7%、11%、9.2%、12%和8.1%.
3.2 多元統(tǒng)計分析表明焉耆盆地土壤中重金屬Zn、Pb、Hg和Cu之間具有較高的相關(guān)性,其主要來源于人為污染;重金屬 Mn、Co、Cd、Cr、Ni和 As之間具有較高的相關(guān)性,其主要來源于自然地質(zhì)背景.從分布來看,重金屬 Pb、Hg、Cu和 Zn在焉耆縣土壤中出現(xiàn)較高值,其來源主要受人類活動因素的影響.重金屬Ni、As和Cr在博湖縣與和靜縣土壤中出現(xiàn)較高值,其主要受自然地質(zhì)背景的影響.
3.3 污染指數(shù)和潛在生態(tài)風險評價表明,焉耆盆地 4個縣土壤中重金屬的綜合污染指數(shù)順序依次為:焉耆縣>和碩縣>和靜縣>博湖縣.潛在生態(tài)風險指數(shù)順序依次為:焉耆縣>和碩縣>和靜縣>博湖縣.總體上焉耆盆地土壤中重金屬的生態(tài)風險均較低,沒有造成污染.但Pb、Zn、Hg等含量在一些區(qū)域相對較高.
3.4 近年來焉耆盆地的經(jīng)濟發(fā)展已經(jīng)對土壤中重金屬的含量產(chǎn)生了負面影響.從生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的角度,應(yīng)對焉耆盆地日趨增加的經(jīng)濟活動進行合理和有效的規(guī)劃,走新型工業(yè)化發(fā)展道路,以實現(xiàn)綠洲經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護的和諧.
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