泊江海子流域土壤重金屬分布與生態(tài)風(fēng)險探討

辛展　婁華君　張征等

摘要：以泊江海子流域的土壤為對象，采集表層土樣54份，對7種重金屬（Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Hg、As）含量進(jìn)行了分析，利用ArcGIS 10.1獲取各重金屬在該流域空間分布特征，運(yùn)用單因子法、綜合污染指數(shù)法及Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對研究區(qū)的土壤質(zhì)量及重金屬潛在生態(tài)危害程度進(jìn)行評價。結(jié)果表明，土樣中7種重金屬含量平均值從高到低依次為Zn（79.60 mg/kg）、Cr（56.40 mg/kg）、Ni（12.89 mg/kg）、As（12.48 mg/kg）、 Cu（8.34 mg/kg）、Pb（6.60 mg/kg）、Hg（0.03 mg/kg），均達(dá)到了國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-1995）一級標(biāo)準(zhǔn)，其中Zn、Cr、Pb含量均值高于內(nèi)蒙古土壤背景值，Ni、As、Cu含量低于內(nèi)蒙古土壤背景值；7種重金屬空間變異系數(shù)均達(dá)到中等變異程度；土壤各重金屬元素的單因子指數(shù)均值從大到小依次為As、Zn、Cr、Ni、Cu、Hg、Pb，綜合污染指數(shù)平均值為0.95，說明整個研究區(qū)土壤為尚清潔狀態(tài)；相對于標(biāo)準(zhǔn)，約1/3土壤存在輕微以上污染，Zn含量的高低是影響土壤環(huán)境質(zhì)量的主導(dǎo)因素；Hg、As為綜合潛在生態(tài)風(fēng)險主要貢獻(xiàn)元素，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI均值為85.98，該流域處于輕微生態(tài)危害等級。

關(guān)鍵詞：鄂爾多斯國家級遺鷗自然保護(hù)區(qū)；泊江海子流域；土壤重金屬；分布特征；生態(tài)風(fēng)險

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）05-1081-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.05.013

Abstract： 54 soil samples were taken from the Bojianghaizi Basin to analyze the concentration of As， Cd， Cr， Hg， Ni， Pb and Zn， and to obtain the spatial distribution characteristics， soil quality and potential ecological risk assessment by ArcGIS 10.1， single factor pollution index， comprehensive pollution index and Hakanson potential ecological risk indices. The results showed that the average metal concentrations were in the order of Zn（79.60 mg/kg）， Cr（56.40 mg/kg， Ni（12.89 mg/kg）， As（12.48 mg/kg）， Cu（8.34 mg/kg）， Pb（6.60 mg/kg）， Hg（0.03 mg/kg）. All of them reached the national soil environmental quality standards （GB 15618-1995）. The average concentration of Zn， Cr and Pb were higher than background value of Inner Mongolia area. Their variation coefficients were comparatively high. The single factor index was in decreasing order of As， Zn，Cr，Ni，Cu，Hg，Pb，Hg.The average Nemerow index of soil was 0.95， indicating that the soil was clean. Compared with the national standard， about one-third of the soil suffered from different levels of heavy metal contamination. Zn was the key factor， and closely related with the soil quality. The average potential ecological risk was 85.98， indicating that this soil was under slightly ecological hazard. Hg and As were the main contributors of the ecological risk.

Key words： Ordos Larus Relictus National Nature Reserve； Bojianghaizi Basin； soil heavy metal； distribution characteristic； ecological risk

土壤中的重金屬具有難降解、易積累、不可逆的特性[1-3]，其過量富集會對生態(tài)環(huán)境造成威脅，其中，對生態(tài)環(huán)境安全影響最大的重金屬包括Cu、Zn、Pb、Cd、Co、Cr、Ni以及As等[4，5]。重金屬作為土壤一個必要參數(shù)、生態(tài)安全的基本指標(biāo)，已經(jīng)成為環(huán)境領(lǐng)域的一個重要的研究方向。土壤重金屬含量和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量息息相關(guān)，分析一個地區(qū)土壤重金屬狀態(tài)是判斷該地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量安全的最直接、有效的方法[6]。

泊江海子流域的中心部分為鄂爾多斯國家級遺鷗自然保護(hù)區(qū)，是迄今為止全球僅有的以保護(hù)遺鷗及其棲息地濕地生境為目的的國際重要濕地[7]。隨著泊江海子流域內(nèi)油房壕煤礦和泊江海子煤礦的發(fā)現(xiàn)，最容易受煤礦業(yè)影響的土壤重金屬將逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題。目前，針對該地區(qū)的研究主要集中在生態(tài)學(xué)、動物學(xué)、水文學(xué)方面，對土壤的研究十分缺乏[7-13]。本研究以泊江海子流域?yàn)檠芯繉ο?，在煤礦未正式開采、土壤重金屬含量尚未受到影響時，在野外充分地開展了土壤背景值調(diào)查，對土壤重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Hg、As含量進(jìn)行測定，并系統(tǒng)分析了各種重金屬的分布特征，按照國家標(biāo)準(zhǔn)對土壤環(huán)境質(zhì)量狀況及潛在的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價。本研究彌補(bǔ)了泊江海子流域在土壤方面的資料匱乏，不僅分析了該地區(qū)土壤的重金屬背景值狀況，評價了保護(hù)區(qū)濕地的生態(tài)環(huán)境安全狀態(tài)，而且為以后分析煤礦的開采對當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境的影響及對土壤重金屬的修復(fù)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

泊江海子流域地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝市西約45 km處，地理坐標(biāo)為109°10′-109°58′E，39°65′-39°95′N，流域面積約為744.6 km2（圖1）。研究區(qū)屬于鄂爾多斯波狀高原，為典型的閉流盆地，四周高且中間低，最高點(diǎn)位于流域西側(cè)巴彥敖包山，海拔約為1 590 m，最低點(diǎn)位于研究區(qū)中心的桃阿海子湖，海拔約為1 360 m，整個流域80%以上的海拔高度在1 365～1 420 m。流域?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍渲?、9月份降雨量約占全年的65%，1961～2006年，泊江海子流域年均降雨量約344.7 mm，年均蒸發(fā)量約2 523.75 mm。流域內(nèi)的植被以草地、沙柳為主，存在少量紅柳、白刺等。該地區(qū)主要以栗鈣土為主。

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集與預(yù)處理

在充分考慮地形特點(diǎn)及空間分布均勻性等因素的基礎(chǔ)上，2013年在研究區(qū)內(nèi)共確定采樣點(diǎn)54個。采樣點(diǎn)采用GPS定位坐標(biāo)，采樣布局如圖2所示。采用混合采樣法選取表面（0～20 cm）土樣，除去碎石、動植物殘?bào)w等雜物，用四分法取500 g樣品，將樣品帶回室內(nèi)風(fēng)干后，用木棒碾碎，過2 mm篩，裝袋備用。

2.2 重金屬含量測定

土壤中As、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn利用HF-HClO4-HNO3三酸消煮法消化[14]，處理后Cr、Cu、Pb、Ni、Zn用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）測定，As利用原子熒光法檢測。土壤中Hg用原子熒光法檢測[14]。在樣品進(jìn)行消化、測定過程中，均有2～3個空白樣品、平行樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GSS-2、GSS-10）同步分析，控制分析結(jié)果質(zhì)量。

2.3 評價方法

本研究主要使用的評價方法包括單因子法及綜合污染指數(shù)法[14，15]、生態(tài)危害指數(shù)法[16]、ArcGIS 10.1克里格插值法。

2.3.1 單因子法及綜合污染指數(shù)法 單因子法常用于評價土壤被某一重金屬的污染程度，是中國較為通用的方法。當(dāng)評價某區(qū)域土壤受到多種重金屬綜合影響程度時，通常采用綜合污染指數(shù)法，該方法更加突出超標(biāo)最嚴(yán)重的重金屬元素對土壤環(huán)境的影響[15]。本研究采用單因子法和綜合指數(shù)法兩種方法相結(jié)合，來評價土壤重金屬相對于國家一級標(biāo)準(zhǔn)濃度的超標(biāo)程度，評價結(jié)果相對單一方法更加直觀，能較精確、完整地反映出土壤質(zhì)量的優(yōu)劣。

單因子指數(shù)計(jì)算用公式如下：

式中，Pi為i金屬的污染指數(shù)；Ci為i金屬的實(shí)測值；Si為i金屬的評價標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)Pi≤1時，表示土壤重金屬含量未超過標(biāo)準(zhǔn)；Pi>1時，表示土壤重金屬含量超過標(biāo)準(zhǔn)。

綜合污染指數(shù)PN法公式如下：

式中，Piave為平均單項(xiàng)重金屬指數(shù)；Piamx為最大單項(xiàng)重金屬指數(shù)。

綜合指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.3.2 生態(tài)危害指數(shù)法 本研究采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對泊江海子流域土壤重金屬存在的潛在生態(tài)危害進(jìn)行評價。該方法從各個重金屬具有的生物毒性角度考慮，不僅利用Eir定量的方法反映某種污染物的潛在生態(tài)危害的程度，同時利用RI反映了多種污染物的綜合生態(tài)影響[17]。

其計(jì)算公式為：

式中，Pi為i金屬的污染指數(shù)；Eir為i金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；Tir為重金屬的毒性系數(shù)；RI為多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。

根據(jù)Hakanson的研究，7種重金屬的毒性系數(shù)分別為：THg=40，TAs=10，TNi=TPb=TCu=5，TCr=2，TZn=1[16]。土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示：

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤重金屬統(tǒng)計(jì)

3.1.1 重金屬含量分析 經(jīng)過對泊江海子流域54個土壤樣品的分析，7種重金屬含量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表3。土壤中各種重金屬的含量均值從大到小依次為：Zn（79.60 mg/kg）、Cr（56.40 mg/kg）、Ni（12.89 mg/kg）、As（12.48 mg/kg）、 Cu（8.34 mg/kg）、Pb（6.60 mg/kg）、Hg（0.03 mg/kg）。As、Zn的含量平均值均超過了內(nèi)蒙古地區(qū)、全國和世界土壤背景值[18]，As的含量均值約為內(nèi)蒙古土壤背景值的2倍， Zn的含量均值約為內(nèi)蒙古地區(qū)和世界土壤環(huán)境背景值的1.5倍，與全國的土壤背景值含量相近；研究區(qū)Hg的平均含量與內(nèi)蒙古地區(qū)土壤背景值基本相同；僅為全國和世界土壤Hg含量的1/2左右；Cr含量高于內(nèi)蒙古地區(qū)土壤背景值，比全國均值略低； Cu、Ni、Pb含量均值遠(yuǎn)低于內(nèi)蒙古地區(qū)、全國、世界土壤的背景值，3種重金屬的4個背景值含量從低到高均依次為泊江海子流域、內(nèi)蒙古地區(qū)、全國、世界。與國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995）一級標(biāo)準(zhǔn)相比，各重金屬均值均未超標(biāo)，但個別采樣點(diǎn)重金屬含量超標(biāo)，其中Zn的超標(biāo)率最高為15.1%。

變異系數(shù)反映一個數(shù)據(jù)集變異性程度，變異系數(shù)≤0.1為弱變異性，0.1<變異系數(shù)<1為中等變異性，變異系數(shù)≥1為強(qiáng)變異性[19]。7種重金屬元素的變異系數(shù)均相對較大（0.39～1.75），均在中等變異以上，Zn達(dá)到強(qiáng)變異性，表明研究區(qū)內(nèi)土壤各重金屬，尤其是Zn濃度波動程度較大。

利用皮爾遜相關(guān)性檢驗(yàn)對7種重金屬之間的線性關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。在7種重金屬之間，Cr和Pb、Zn存在0.01水平上的顯著負(fù)相關(guān)，Pb、Zn之間存在顯著正相關(guān)；Cr和Ni之間存在顯著正相關(guān)性，Cu和Ni之間存在極顯著正相關(guān)，As、Hg與其他重金屬元素之間沒有顯著的相關(guān)性。

3.1.2 重金屬分布特征 為了更加清晰表述各重金屬在整個流域的濃度分布狀況，研究利用ArcGIS10.1克里格插值法繪制出各重金屬在研究區(qū)內(nèi)的含量分布圖（圖3-圖9）。

根據(jù)濃度分布圖發(fā)現(xiàn)重金屬含量分布規(guī)律如下：Ni在雞溝河和烏爾圖河兩條主要河流的中上游地區(qū)濃度較低，在泊江海子周圍不斷增大，說明河流對Ni的富集作用比較明顯，順著河水的流向，造成Ni濃度在地表水匯集地泊江海子變大；Cu在整個流域分布規(guī)律整體為從流域四周到桃阿海子附近逐漸升高，Cu的分布主要和海拔高度有關(guān)，即隨著高度的降低，Cu濃度逐漸增加；從區(qū)域的東北部向西南部，Cr含量總體呈現(xiàn)上升趨勢；As分布規(guī)律與Cr基本相反，從北部到南部含量逐漸下降；Hg在整個流域內(nèi)含量較小，分布狀況基本沒有變化；Pb濃度從西北和東南方向向流域中心先減小再增大；Zn濃度從西北向東南方向逐漸升高，同時在研究區(qū)正北部地區(qū)濃度存在較大處。

3.2 土壤質(zhì)量評價結(jié)果

由表5可知，7種重金屬的單因子指數(shù)平均值從大到小依次為As（0.83）、Zn（0.80）、Cr（0.63）、Ni（0.32）、Cu（0.24）、Hg（0.22）、Pb（0.19），按照單因子指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)所屬等級均為安全。從各重金屬的指數(shù)分布來看，Ni、Pb、Cu、Hg除極少采樣點(diǎn)為尚清潔，其余均為安全狀態(tài)；Cr、As指數(shù)主要分布在安全和尚清潔區(qū)域，只有少部分為輕污染；Zn大部分處于安全水平，有7個采樣點(diǎn)濃度超過標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到2倍以上。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，泊江海子流域目前除受到生活、農(nóng)業(yè)等人為影響之外，附近無可導(dǎo)致各重金屬污染的工廠、產(chǎn)業(yè)。本次研究各重金屬濃度接近該地區(qū)本底值，部分重金屬濃度偏高除了與該地區(qū)土質(zhì)等自然原因有密切聯(lián)系，還可能與生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)例如農(nóng)藥的使用和農(nóng)田的灌溉等有關(guān)。

研究區(qū)綜合污染指數(shù)的范圍是0.31～3.73，反映各采樣相對于標(biāo)準(zhǔn)的污染水平各不相同，且差異明顯，綜合指數(shù)平均值為0.95，尚為清潔水平。通過圖10綜合指數(shù)分布圖可得，相對于國家一級標(biāo)準(zhǔn)，在整個流域北部、西北部、中部土壤較清潔，從北至南土壤質(zhì)量逐漸下降，東南角地區(qū)的土壤綜合指數(shù)均大于1，處于輕微以上污染水平，面積約為整個流域1/3以上。同各重金屬濃度分布圖相比較，綜合指數(shù)的分布狀況與Zn空間濃度分布規(guī)律相似，說明Zn含量高低對研究區(qū)的綜合污染指數(shù)空間的分布影響較大，為影響土壤質(zhì)量的主導(dǎo)因素。

3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

由圖11可知，泊江海子流域各重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險由大到小為Hg、As、Cu、Cr、Pb、Zn、Ni，其中，Hg的部分采樣點(diǎn)的風(fēng)險等級為中等生態(tài)危害級別，是研究區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險的主要來源，屬于重金屬污染的優(yōu)先修復(fù)對象，對綜合潛在風(fēng)險貢獻(xiàn)率為59.17%；As僅30號采樣點(diǎn)為中等生態(tài)風(fēng)險，對綜合潛在風(fēng)險貢獻(xiàn)率為27.72%；其余5種重金屬的值很低，主要集中在0～7，基本不存在潛在生態(tài)風(fēng)險。泊江海子流域綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）在56.36～188.26，平均為85.98，結(jié)果表明整個泊江海子流域土壤中重金屬基本不存在綜合潛在生態(tài)風(fēng)險。根據(jù)RI風(fēng)險等級劃分，11%的樣點(diǎn)呈現(xiàn)中等潛在生態(tài)風(fēng)險，89%的樣點(diǎn)存在輕微潛在生態(tài)風(fēng)險。

單因子污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)、綜合污染指數(shù)和RI之間存在根本上的差異，主要是受到重金屬毒性系數(shù)影響，在研究區(qū)內(nèi)Hg雖然濃度較低，但毒性系數(shù)最高（THg=40），因此潛在生態(tài)風(fēng)險最大，反之，雖然Zn濃度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值，由于Zn的生物毒性系數(shù)最低（TZn=1），所以其生態(tài)風(fēng)險降至最低。Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法在考慮重金屬濃度基礎(chǔ)上，更結(jié)合了不同重金屬的生物毒性因素，相比較而言其結(jié)果更準(zhǔn)確[20]。

4 結(jié)論

1）對泊江海子流域的土壤7種重金屬進(jìn)行分析，其均值均低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995）一級標(biāo)準(zhǔn)；除Zn、Pb、Cr含量較大外，其余元素含量基本小于內(nèi)蒙古土壤背景值；在研究區(qū)內(nèi)各重金屬的含量變異系數(shù)均為中等以上變異。

2）土壤各重金屬元素的單因子指數(shù)均值從大到小依次為As、Zn、Cr、Ni、Cu、Hg、Pb，均小于1；綜合指數(shù)平均值為0.95，說明整個研究區(qū)土壤為尚清潔狀態(tài)；該流域從西北向東南土壤環(huán)境質(zhì)量逐漸下降，約1/3以上面積土壤未達(dá)到尚清潔標(biāo)準(zhǔn)，Zn含量是影響整個流域土壤質(zhì)量的主導(dǎo)因素。

3）生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分析表明，除部分土樣Hg存在中等、強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險，其他元素潛在生態(tài)風(fēng)險輕微；Hg、As為綜合潛在生態(tài)風(fēng)險主要貢獻(xiàn)元素，貢獻(xiàn)率分別為59.17%、27.72%；綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）均值為85.98，該流域處于輕微生態(tài)危害等級。

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