貴州冷熱洞、白龍洞和龍井洞環(huán)境質(zhì)量及生態(tài)風險初步評價

張 俊，黎道洪，徐承香，李代琴

（1.貴州省遵義市正安縣畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展辦公室，貴州 遵義563400；2.貴州師范大學生命科學學院，貴州 貴陽 550025；3.遵義市正安縣第二中學，貴州 遵義 563400）

貴州冷熱洞、白龍洞和龍井洞環(huán)境質(zhì)量及生態(tài)風險初步評價

張 俊1，黎道洪2，徐承香2，李代琴3

（1.貴州省遵義市正安縣畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展辦公室，貴州 遵義563400；2.貴州師范大學生命科學學院，貴州 貴陽 550025；3.遵義市正安縣第二中學，貴州 遵義 563400）

為了解貴州喀斯特洞穴環(huán)境的污染狀況，對貴州省3個洞穴冷熱洞、白龍洞和龍井洞部分環(huán)境因子——土壤和水中重金屬（Cu 、Cr、Ni、Zn 、Hg 和As）含量進行測定，并對3洞穴土壤中重金屬的污染指數(shù)及生態(tài)風險進行評價。結(jié)果表明：Zn在土樣和水樣中含量均最高，最低的是Hg；冷熱洞土樣的重金屬含量均超過中國土壤背景值，白龍洞和龍井洞土樣中的重金屬含量除Cr外，均超過中國土壤背景值。洞穴土壤重金屬綜合潛在危害程度，龍井洞處于較高生態(tài)危害水平，冷熱洞處于中等生態(tài)危害水平，白龍洞處于高生態(tài)危害水平；Hg是3洞穴最主要的生態(tài)風險因子。

重金屬；生態(tài)風險；冷熱洞；龍井洞；白龍洞；貴州

喀斯特地區(qū)由于地下水的溶蝕作用而孕育出了大量獨特的喀斯特洞穴景觀。較封閉的洞穴環(huán)境孕育出了一些體形怪異的洞穴動物，故對洞穴動物的研究是洞穴生物學研究的重要組成部分。但隨著工業(yè)、交通業(yè)等的快速發(fā)展，一些洞穴環(huán)境遭到人為破壞，尤其是重金屬離子通過地表水的滲透作用等方式進入洞穴生境，對洞穴動物的生命健康構(gòu)成嚴重危害，嚴重破壞了洞穴動物的豐富度。因此，評價研究洞穴環(huán)境重金屬的污染情況，可以為監(jiān)測和保護洞穴環(huán)境提供科學依據(jù)。

國外對洞穴環(huán)境評價的研究有相關(guān)報道，如洞穴環(huán)境研究［1］、洞穴氣候環(huán)境評價研究［2］、洞穴成礦環(huán)境評價研究等［3］。國內(nèi)對洞穴環(huán)境評價的研究也有相關(guān)報道，如洞穴巖溶地貌及洞穴環(huán)境特征研究［4-5］、洞穴CO2氣體濃度監(jiān)測及其對洞穴環(huán)境的影響［6-7］、旅游活動對洞穴環(huán)境的影響研究［8-9］、洞穴土壤及水體中重金屬含量與洞穴環(huán)境因子的關(guān)系研究［10-14］等。筆者對白龍洞和龍井洞雖也做過一些初步研究［10］，但有關(guān)冷熱洞、白龍洞和龍井洞洞穴環(huán)境評價比較的研究未見報道。因此，選取貴州龍井洞、白龍洞和冷熱洞為研究對象，應(yīng)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法、SPSS10單因素方差分析來研究洞穴土壤受重金屬綜合污染的程度及單項重金屬在3洞穴中污染的程度是否存在差異，旨在了解洞穴環(huán)境受重金屬污染的狀況及其差別，從而為環(huán)保部門更好地保護或開發(fā)利用洞穴資源提供參考數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

1.1 環(huán)境概況

冷熱洞位于貴州省遵義市鳳岡縣境內(nèi)，地理坐標27°50′55″N，107°51′55.4″E，海拔722 m，為盲洞。洞口朝向為東偏南249°，洞口呈弧形，高15 m，最寬處17 m。洞口前分布有蕨類植物、藤本植物、灌木叢及草本植物等。有光帶長18 m，最寬處16 m，最高處14 m。此帶分布有蕨類、地衣、苔蘚及藻類植物等，該帶溫度17℃，濕度93%，pH值為6.5；弱光帶長18 m，最寬處4.5 m，最高處7 m，該帶溫度為15℃，濕度97%，pH值為6.5；黑暗帶長350 m，最寬處9 m，最高處7 m.，此段溫度15℃，濕度99%，pH值為6.5。

白龍洞位于貴州省貴陽市，地理坐標26°32′33″N，106°40′37″E，海拔1 108 m。前洞口朝向為東偏南245°，為穿洞。洞口周圍喬木分布有枇杷（Eriobotrya japonica）、女楨（Ligustrum lucidum）和法國梧桐（Platanus acerifolia）等。洞口最寬2.8 m，最高為3.8 m。有光帶長20 m，最寬3 m，濕度88%，溫度18℃，pH值為6.4；弱光帶長83 m，最寬9 m，最高14 m，濕度90%，溫度17℃，pH值為6.2；黑暗帶長400 m，最高11 m，最寬13 m，濕度92%，溫度16℃，pH值為6.2。白龍洞后洞口地理坐標26°32′27″N，106°40′22″E，海拔1 113 m，最寬2 m，最高2 m，洞口朝向為北偏西65°，洞口周圍喬木有香樟（Cinnamomum camphora）和法國梧桐（Platanus acerifolia）等。后洞口有光帶長41 m，最高5 m，最寬4 m，濕度85%，溫度18℃，pH值為6.4；弱光帶長38 m，最寬9 m，最高4 m，濕度90%，溫度17℃。

龍井洞位于貴州省貞豐縣境內(nèi)，地理坐標25°22′27″N，105°39′4″E，海拔1 049 m，為盲洞。洞口呈倒U形，最寬7.4 m，最高9.8 m，朝向為東偏南180°。洞口周圍分布有烏桕（Sapium sebiferum）、椿樹（Ailanthus altissima）等喬木。龍井洞全長154.3 m，有光帶長40.4 m，濕度91%，溫度24℃，pH值為5.8；弱光帶長14.7 m，濕度93%，溫度22℃，pH值為6.7；黑暗帶長99.2 m，濕度95%，溫度20℃，pH值為6.4。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查取樣

對洞穴的光照度、各洞段的溫濕度、洞穴水域pH值、洞口朝向、地理坐標和海拔高度進行調(diào)查，所使用的工具有上海嘉定學聯(lián)儀器廠生產(chǎn)的JD-3型數(shù)字式光照度計、北京亞光儀器有限責任公司生產(chǎn)的JWSA2-2型溫濕度計、精密pH試紙、上海嘉定學聯(lián)儀器廠生產(chǎn)的指北針和美國生產(chǎn)的奇遇（eTrex Venture）GPS定位儀；在有光帶、弱光帶和黑暗帶干燥地表采用梅花型方式分別取混合土樣1 kg；洞穴滴水樣品在各光帶有滴水的地方用水樣瓶取500 mL混合水樣。

2.2 室內(nèi)檢測分析

2.2.1 樣品檢測 對土樣及水樣中重金屬元素鋅（Zn）、銅（Cu）、砷（As）、鎳（Ni）、鉻（Cr）和汞（Hg）含量的檢測所使用的工具有AA800原子吸收光譜儀和6300原子熒光光譜儀。

2.2.2 單因素方差分析 單因素方差分析的控制變量只有一個。在單因素方差分析中，觀察變量隨著某一個控制變量的不同水平造成了顯著差異和變動。其統(tǒng)計方法為計算F統(tǒng)計量，并進行F檢驗。SST為總的變異平方和，由兩部分組成，即SSA（組間Between Groups離差平方和）和SSE（組內(nèi)W ithin Groups離差平方和）。SSA是由控制變量引起的離差，SSE是由隨機變量引起的離差。

式中，k為水平數(shù)，n為個案數(shù)，ni為第i個水平下的樣本容量，xi為第i個水平下的樣本容量。F統(tǒng)計值是在（k-1，n-k）個自由度下的F分布，相應(yīng)的相伴概率值由SPSS依據(jù)F分布表給出。如果顯著性水平大于相伴概率值，則認為各總體均值有顯著差異是在控制變量不同水平下完成的，反之，則沒有顯著性差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 洞穴土壤重金屬的含量及分析

將在3個不同洞穴采集的土樣帶回實驗室進行重金屬含量測定，測定值如表1（以GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》作為參考值）。

表1 白龍洞、冷熱洞和龍井洞土樣重金屬含量（mg/kg）

從表1看出，（1）3個洞穴中，冷熱洞土樣的重金屬含量均超過中國土壤背景值，白龍洞和龍井洞土樣中的重金屬含量除Cr外，均超過中國土壤背景值。其中Zn的平均含量最高，Hg的平均含量最低。（2）各洞穴土樣中6種重金屬的平均含量存在差異。如按重金屬平均含量的高低順序排列，龍井洞為Zn＞Cr＞Cu＞Ni＞As＞Hg，白龍洞為Zn＞Cu＞Ni＞Cr＞As＞Hg，冷熱洞為Zn＞Cr＞As＞Cu＞Ni＞Hg。其原因可能與重金屬的存在形態(tài)及理化性質(zhì)有關(guān)。（3）不同洞穴土樣中同種重金屬的平均含量存在差異。如重金屬Cu、Ni、Zn和Hg的平均含量大小關(guān)系均為白龍洞＞龍井洞＞冷熱洞。其原因也許是由于白龍洞屬于旅游洞穴，受人為污染較嚴重；或可能與其本身的礦物含量以及成土母質(zhì)和巖石種類有關(guān)，也與同種重金屬在不同洞穴環(huán)境中的溶解度不同有關(guān)［11］。

3.2 不同洞穴土壤重金屬平均含量的差異分析

通過SPSS 10單因素方差分析同種重金屬在龍井洞、白龍洞和冷熱洞土壤中平均含量的差異，結(jié)果見表2。

表2 不同洞穴土壤重金屬平均含量的差異分析（mg/kg）

從表2看出，Cr、Cu、Zn和Hg在3個洞穴土壤中的平均含量差異不顯著；Ni在白龍洞和冷熱洞土壤中的平均含量差異顯著，而龍井洞土壤中Ni的平均含量與其余兩洞差異不顯著；As在龍井洞和白龍洞土壤中的平均含量差異不顯著，而冷熱洞土壤中As的平均含量與其余兩洞差異顯著。這可能與重金屬的理化性質(zhì)和環(huán)境中含量有關(guān)，也可能在于同種重金屬在不同洞穴中伴隨空氣沉降或水源滲透的量不等所致［12］。

3.3 洞穴水樣重金屬的含量及分析

白龍洞、龍井洞和冷熱洞內(nèi)各光帶水樣6種重金屬含量見表3（以GB/T14848-1993《地下水質(zhì)量標準》作為評價參考值）。

從表3看出，（1）在3個洞穴的水樣中，各光帶Zn的平均含量最高，Hg的平均含量最低。（2）在同一洞穴，水樣中6種重金屬的平均含量存在差異。如按重金屬平均含量的高低順序排列，龍井洞為Zn＞Cr＞Cu＞As＞Ni＞Hg，白龍洞為Zn＞Cr＞Cu＞As＞Ni＞Hg，而冷熱洞為Zn＞Cr＞As＞Ni＞Cu＞Hg。其原因可能與重金屬的存在形態(tài)及理化性質(zhì)有關(guān)。（3）在不同洞穴，水樣中同種重金屬的平均含量存在差異。如重金屬Cr、Cu和Zn在3個洞穴水樣中的平均含量大小關(guān)系均為白龍洞＞龍井洞＞冷熱洞。其原因在于白龍洞屬于旅游洞穴，受人為污染較嚴重；或可能與重金屬在不同洞穴環(huán)境中的氧化還原能力不同有關(guān)；也可能與同種重金屬在不同洞穴水源中的溶解度不同有關(guān)［13］。

3.4 不同洞穴水樣重金屬平均含量的差異分析

通過SPSS 10單因素方差分析，分析同種重金屬在龍井洞、白龍洞和冷熱洞水樣中平均含量的差異，分析結(jié)果見表4。

從表4中可以看出，Cr在龍井洞和冷熱洞水樣中的平均含量差異不顯著，而白龍洞水樣中Cr的平均含量與其余兩洞差異顯著；Cu在白龍洞和冷熱洞水樣中的平均含量差異顯著，而龍井洞水樣中Cu的平均含量與其余兩洞差異不顯著；Ni、Hg在龍井洞和白龍洞水樣中的平均含量差異不顯著，而冷熱洞水樣中Ni、Hg的平均含量與其余兩洞差異顯著；Zn在三個洞穴水樣中的平均含量差異不顯著；As在龍井洞和冷熱洞水樣中的平均含量差異顯著，而白龍洞水樣中As的平均含量與其余兩洞差異不顯著。其原因在于同種重金屬在不同洞穴中伴隨空氣沉降或水源滲透的量不等所致，或與洞穴的環(huán)境因子有關(guān)，也可能與重金屬相結(jié)合的活性物質(zhì)數(shù)量的多寡有關(guān)［14］。

3.5 洞穴土壤重金屬的生態(tài)危害評價

表4 不同洞穴水樣重金屬平均含量的差異分析 （mg/L）

對龍井洞、冷熱洞和白龍洞內(nèi)土壤進行污染評價所使用的方法為潛在生態(tài)危害指數(shù)法，該方法由瑞典科學家Hakanson提出［15］。首先引入中國土壤背景值［16］，用洞穴土壤重金屬的實測值比上中國土壤背景值得到單項污染系數(shù)，然后將重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)引入，得到潛在生態(tài)危害單項系數(shù)，洞穴土壤中多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）最終通過加權(quán)得到。其計算公式如下：

式中，Cin為重金屬i的評價參比值，Cif為某一重金屬的污染系數(shù)，RI為多種重金屬潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)，Ci為重金屬i的實測濃度，Eir為單一重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)，生物對重金屬的毒性水平以及重金屬的敏感程度，用Tir毒性響應(yīng)系數(shù)來反映，Ni、Cu、Hg、Zn、Cr和As 的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為 5、5、40、1、2和10［17］。

通過公式（2），算出白龍洞、冷熱洞和龍井洞土壤中各重金屬的污染指數(shù)及潛在生態(tài)危害系數(shù)。先計算洞穴中有光帶、弱光帶和黑暗帶土壤中各重金屬的平均含量，然后將各重金屬含量平均值與重金屬污染潛在生態(tài)危害系數(shù)分級標準（見表5）進行比對［18］，得出3個洞穴土壤中重金屬的污染程度及潛在生態(tài)危害程度（表6）。

表5 污染程度與潛在生態(tài)危害程度和評價指標的關(guān)系

由表6可以看出，在龍井洞和白龍洞6種重金屬中，Hg的污染系數(shù)均最大，分別是7.08和54.15，均處于高污染；Cr在兩洞穴中的污染系數(shù)均最小，分別是0.91和0.58，均處于低污染。在冷熱洞，As（5.33）的污染系數(shù)最大，處于較高污染；最小的是Cr（1.06），處于中污染。Hg的單項潛在生態(tài)危害系數(shù)在冷熱洞、白龍洞和龍井洞中均最大，分別是166.00、2 166.00和283.20，分別處于高生態(tài)危害、極高生態(tài)危害和高生態(tài)危害。從洞穴土壤中6種重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）可看出，3個洞穴土壤中6種重金屬的綜合危害程度，白龍洞土壤處于高生態(tài)危害水平，龍井洞土壤處于較高生態(tài)危害水平，而冷熱洞處于中等生態(tài)危害水平。

表6 龍井洞、冷熱洞和白龍洞土壤重金屬的潛在生態(tài)危害評價結(jié)果

綜上可知，龍井洞、白龍洞和冷熱洞都受到不同程度的污染。在6種重金屬中，Hg是3個洞穴最主要的生態(tài)風險因子。另外，綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)在3個洞穴中白龍洞最高，處于高生態(tài)危害水平。因此，應(yīng)加大對白龍洞生態(tài)環(huán)境的保護力度。如頒布實施地方保護法規(guī)、禁止游客在洞內(nèi)亂扔垃圾、開展定期污染監(jiān)測、對洞穴內(nèi)含汞的熒光燈進行脫汞處理等。

4 結(jié)論和討論

通過對貴州冷熱洞、白龍洞和龍井洞環(huán)境的比較研究得出，冷熱洞、白龍洞和龍井洞都受到不同程度的污染，其中白龍洞受重金屬污染最嚴重，處于高生態(tài)危害水平。Hg是3個洞穴最主要的生態(tài)風險因子。究其原因：一是土壤Hg污染主要由人為活動導致，如人類對煤礦資源的開采以及燃燒可排放大量的Hg，白龍洞內(nèi)熒光燈管等設(shè)施的使用也會造成Hg污染。二是貴州省Hg的土壤背景值高于全國Hg土壤背景值［19］。三是Hg的毒性響應(yīng)系數(shù)在6種重金屬中最大，導致其潛在生態(tài)危害系數(shù)也最大。白龍洞是旅游洞穴，人為干擾嚴重，游客的頻繁進出將大量重金屬帶入洞內(nèi)，對洞穴生境造成嚴重污染，而冷熱洞和龍井洞屬于非旅游洞穴，幾乎無人為干擾，洞穴生境保護良好，污染較輕。因此，環(huán)保部門今后應(yīng)采取措施加強對白龍洞的保護。

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（責任編輯：肖彥資）

Study on Prelim inary Evaluation of Ecological Risk and Environmental Quality from Lengre Cave， Longjing Cave and Bailong Cave in Guizhou

ZHANG Jun1，LI Dao-hong2，XUCheng-xiang2，LI Dai-qin3
（1. The Animal Husbandry Development Office of Zhengan County， Guizhou 563400，PRC；2.College of Life Sciences， Guizhou Normal University， Guiyang 550025， PRC； 3. The NO. 2 Middle School of Zhengan County，Guizhou 563400， PRC）

The study aims to understand the polluted condition of Karst Cave environment in Guizhou， part of environmental factors from Lengre cave， Bailong cave and Longjing cave were investigated and studied.The contents of heavy metals（Cu， Cr， Ni， Zn， Hg and As） in soil and water from three caves were measured，the pollution index and the ecological risk of heavy metals in soil from three caves were assessed.The results showed that the highest content of six heavy metals in soil sample， water sample and animal sample is Zn.The lowest content of six heavy metals in soil sam ple， water sam ple and animal sample is Hg. In addition to average content of Cr in soil from Bailong cave and Longjing cave does not exceed the background value of soil in China， the rest exceed the background value of soil in China.The potential ecological risk of six heavy metals reachs a higher level in soil from Longjing cave.The potential ecological risk of six heavy metals reachs a highest level in soil from Bailong cave.The potential ecological risk of six heavy metals reachs a M edium level in soil from Lengre cave. Hg is the most important ecological risk factor in three caves.

heavy metals； ecological risk；Lengre Cave；Longjing Cave；Bailong Cave；Guizhou

10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.09.015

X141

A

1006-060X（2016）09-0048-05

2016-06-23

國家自然科學基金資助項目（31060287；31160097）

張 ?。?985-），男，仡佬族，貴州正安縣人，畜牧師，主要從事喀斯特洞穴動物研究及畜牧水產(chǎn)技術(shù)推廣工作。

黎道洪