夏爾希里地區(qū)兩種典型植物群落土壤重金屬污染現(xiàn)狀研究

鐘　巧，王勇輝，焦　黎

(新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830054)

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夏爾希里地區(qū)兩種典型植物群落土壤重金屬污染現(xiàn)狀研究

鐘巧，王勇輝，焦黎

(新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830054)

為探明干旱區(qū)敏感性較強(qiáng)的荒漠—綠洲過(guò)渡帶上土壤重金屬的空間分布及污染現(xiàn)狀，對(duì)夏爾希里地區(qū)兩種典型植被群落下各重金屬的水平分布、垂直分布、相關(guān)性和綜合污染指數(shù)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：土壤重金屬具有表聚現(xiàn)象，其含量在0～30 cmcm處相對(duì)較高，在50～60 cm處較低；土壤重金屬各特征值的分布表現(xiàn)為：芨芨草群落>羊草群落；土壤重金屬空間分布中，Cr，Cu，Pb在研究區(qū)西部分布相對(duì)較高，Zn規(guī)律性分布較強(qiáng)整體呈東高西低的趨勢(shì)；相關(guān)性分析中，芨芨草群落下土壤重金屬較有機(jī)質(zhì)間的相關(guān)性明顯大于羊草群落(P<0.05)；重金屬污染評(píng)價(jià)中，羊草群落下各重金屬污染指數(shù)均小于芨芨草群落。

夏爾希里地區(qū)；芨芨草；羊草；空間分異；污染指數(shù)

土壤是人類(lèi)賴以生存的自然資源和農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，對(duì)保障糧食安全和整個(gè)生態(tài)環(huán)境具有重要作用。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加速，人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生的重金屬物質(zhì)通過(guò)大氣沉降、污水灌溉及垃圾填埋等途徑進(jìn)入土壤[1]，致使土壤中重金屬含量明顯高于其背景值，進(jìn)而造成現(xiàn)存的或潛在的土壤質(zhì)量退化、生態(tài)與環(huán)境惡化的現(xiàn)象加劇[2]。土壤重金屬還進(jìn)一步影響植物生理性狀，對(duì)植物的生長(zhǎng)造成抑制作用[3]。

芨芨草(Achnatherumsplendens) 和羊草(Leymuschinensis)均屬禾本科(Gramineae)[4]，具有耐寒、耐旱、耐鹽、適應(yīng)性廣的特性[5]，在防風(fēng)固沙、保持水土方面起著重要作用[6]。夏爾希里地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，內(nèi)含山地、荒漠、綠洲三種地貌類(lèi)型，主要建群種為芨芨草和羊草，主要分布于區(qū)域內(nèi)的荒漠—綠洲過(guò)渡帶上。目前，針對(duì)土壤重金屬污染的相關(guān)研究主要集中在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[7-10],城市生態(tài)系統(tǒng)[11-13]和濕地生態(tài)系統(tǒng)[14-16]，對(duì)于以干旱荒漠土為生境的耐旱性植被的相關(guān)研究還較少。為此本文以生態(tài)敏感性較強(qiáng)的夏爾希里荒漠—綠洲過(guò)渡帶兩種典型植物群落為研究對(duì)象，分析、評(píng)價(jià)了兩種植物群落下土壤重金屬的污染現(xiàn)狀，從而為夏爾希里地區(qū)植被修復(fù)和土地資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

夏爾希里自然保護(hù)區(qū)(45°07′43″～45°23′15″N，81°43′09″～82°33′18″E)位于天山支脈阿拉套山山地南坡，北以阿拉套山山脊為界與哈薩克斯坦共和國(guó)接壤，東西長(zhǎng)66 km，南北寬25 km，總面積為314 km2。保護(hù)區(qū)由西部的保爾德河區(qū)(西段)、東部的江巴斯區(qū)(東段)和聯(lián)接兩個(gè)區(qū)域的邊境廊道(中段)等三個(gè)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(qū)，面積3 600 hm2，是連接?xùn)|西兩部分的天然廊道；東部為低山和荒漠平原戈壁地帶，總面積為5 800 hm2。

夏爾希里地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，水汽來(lái)源較少，主要降水多以西風(fēng)氣流在東側(cè)的阿拉山口風(fēng)口區(qū)匯入，抬云致雨，進(jìn)而對(duì)該區(qū)域產(chǎn)生部分降水。夏爾希里保護(hù)區(qū)屬軍事管轄區(qū)，人為干擾較少。 轄區(qū)內(nèi)植物種類(lèi)豐富，以羊草(Leymuschinensis)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、梭梭(Haloxylonammodendron)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、鹽角草(Salicomiaeuropaea)等為優(yōu)勢(shì)物種，除此之外，還有雪蓮、紫草、小葉斑蘭等國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)植物。

圖1夏爾西里地區(qū)土壤樣點(diǎn)分布示意圖

Fig.1Distribution of sampling sites for soil in the Xiaerxili area

2　研究方法

2.1采樣方法

樣品采集時(shí)間為2013年8月和2014年8月，樣點(diǎn)主要設(shè)置在夏爾希里地區(qū)荒漠—綠洲過(guò)渡帶上，選取長(zhǎng)勢(shì)均一的羊草群落和芨芨草群落，分別采集17個(gè)土壤樣點(diǎn)，共34個(gè)樣點(diǎn)(圖1)。預(yù)先設(shè)點(diǎn)時(shí)盡量保證均勻分布，每一個(gè)樣點(diǎn)均用GPS進(jìn)行定位，并記錄采樣點(diǎn)周?chē)沫h(huán)境信息。在每個(gè)樣點(diǎn)建立一個(gè)深60 cm的剖面，分別取0～10,10～20,20～30,30～40，40～50，50～60 cm的土層樣品。每層土采集1 kg,所有土壤樣品均裝入聚乙烯密封塑料袋中做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除雜草，風(fēng)干，進(jìn)行研磨過(guò)篩處理，進(jìn)行室內(nèi)分析。

2.2樣品分析

土壤樣品中重金屬Zn和Pb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(cè)定；重金屬Hg采用硝酸-鹽酸消解體系，原子熒光法(AFS)測(cè)定；重金屬Cu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(cè)定[17]；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外熱法測(cè)定[18]。在重金屬元素分析全過(guò)程中均進(jìn)行質(zhì)量控制，元素樣品用電子天平各稱取0.2 g；有機(jī)質(zhì)分析中也進(jìn)行質(zhì)量控制，各樣品稱取0.3 g。

2.3數(shù)據(jù)分析處理

采用SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，分析不同群落下各土層重金屬的含量特征，并探究有機(jī)質(zhì)和各重金屬之間的相關(guān)性。利用Excel和Arcgis10.0軟件進(jìn)行空間克里格插值成圖。

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分析法對(duì)其污染程度進(jìn)行全面的、綜合的評(píng)價(jià)。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的表達(dá)式為：

其中，Pi為綜合污染指數(shù)，Ci為污染物i的實(shí)測(cè)濃度(mg·kg-1)，Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mg·kg-1)，采用國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。(Ci/Si)max為各重金屬元素污染指數(shù)中的最大值，(Ci/Si)av為各重金屬元素污染指數(shù)的算術(shù)平均值。綜合污染評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[19]見(jiàn)表1。

3　結(jié)果與分析

3.1兩種典型植物群落下的描述統(tǒng)計(jì)特征分析

通過(guò)對(duì)夏爾希里地區(qū)荒漠—綠洲帶兩種典型植物群落下土壤重金屬的含量特征的比較分析(圖2)可以看出，兩種典型植物群落土壤重金屬(Cr，Pb，Zn，Cu)含量隨著深度增加均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。羊草群落下各重金屬元素含量均表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)。除芨芨草群落重金屬元素Cu以外，其余三種重金屬含量也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。同時(shí)，由圖可知，除芨芨草群落下Cu元素外，其含量的最高值位于表層(0～10 cm),其它重金屬元素在兩種群落下的最高值均位于10～30 cm處。四種重金屬元素的最低值均出現(xiàn)在深處(50～60 cm)。相對(duì)而言，重金屬Cr元素的含量變化較大，重金屬Cu元素的含量變化較小，起伏相對(duì)較平穩(wěn)。同時(shí)，由圖可知，除重金屬Pb在30～60 cm處，其羊草群落下的重金屬含量高于芨芨草群落下的含量外，其它三種重金屬元素均呈現(xiàn)出芨芨草群落下的含量明顯高于羊草群落下的含量，尤其是重金屬Zn表現(xiàn)最為明顯。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)不同群落下重金屬的含量均呈現(xiàn)Zn>Cr>Pb>Cu,除重金屬Cu以外，重金屬Zn、Cr、Pb在兩種群落下的變化趨勢(shì)基本保持一致。其中在30～60 cm處重金屬Pb在芨芨草群落下下降趨勢(shì)更為顯著且低于羊草群落的含量。

表1　土壤綜合評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

圖2兩種群落下重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)分析

Fig.2Descriptive statistics of soil heavy metal concentrations under two typical vegetation communities

3.2夏爾希里地區(qū)土壤重金屬空間分異特征

空間變異性導(dǎo)致重金屬在空間分布上存在一定的規(guī)律性，從而形成有規(guī)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(xiàn)。根據(jù)地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的克里格插值法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插，可以更加直觀，準(zhǔn)確地反映土壤重金屬在空間上的分布情況。重金屬Cr、Pb在研究區(qū)的西南部和東南部分布均偏高，重金屬Cu主要分布于研究區(qū)的西部,Zn主要分布于研究區(qū)的東部。雖然4種重金屬在分布上有一定的相似性，但也有各自的分布特點(diǎn)：重金屬Cr含量在45.76～87.47 mg·kg-1之間，在研究區(qū)內(nèi)整體多呈島狀和條帶狀分布。高值區(qū)出現(xiàn)在81°20′00″～81°25′00″E，含量在80.52～87.47 mg·kg-1之間，此處主要分布著芨芨草群落，重金屬含量呈現(xiàn)自高值中心向四周遞減的趨勢(shì)。在81°30′00″～81°40′00″E呈現(xiàn)低值區(qū)，含量大致在45.76～52.71 mg·kg-1之間，分布著部分芨芨草群落和羊草群落，其含量呈現(xiàn)自低值中心向四周增加的趨勢(shì)。在研究區(qū)東部重金屬含量較高，野外采集發(fā)現(xiàn)此處主要分布著羊草群落和部分芨芨草群落。

重金屬Cu含量最少，范圍大致在24.34～59.56 mg·kg-1之間,其整體多呈條帶狀分布。如圖3所示，在研究區(qū)西部重金屬Cu的含量較高，其含量呈現(xiàn)自西向東遞減的趨勢(shì)，此處主要分布著芨芨草群落。在81°35′00″～82°05′00″E之間出現(xiàn)低值區(qū)，分布范圍較廣，且其含量呈現(xiàn)出向東西方向遞增的趨勢(shì)，此處主要分布著羊草群落和部分芨芨草群落。

圖3夏爾希里地區(qū)各重金屬空間分異格局

Fig.3Spatial distribution of heavy metals concentration in Xiaerxili

重金屬Pb整體分布呈現(xiàn)片狀和斑塊狀，其含量范圍在32.76～53.56 mg·kg-1之間，整體含量稍高于重金屬Cu。如圖所示，高值區(qū)分布于研究區(qū)的西南部和81°50′00″～81°55′00″E處，含量大致在50.10～53.56 mg·kg-1范圍內(nèi)，其呈現(xiàn)自高值中心向四周遞減的趨勢(shì)，野外采集此處主要分布為芨芨草群落。重金屬含量較少的斑塊處主要分布著羊草群落。在整個(gè)研究區(qū)范圍內(nèi)重金屬Pb含量主要集中在39.70～43.16 mg·kg-1之間。

重金屬Zn整體分布呈現(xiàn)片狀，大致的含量范圍在84.75～94.87 mg·kg-1之間，其含量為四種元素中最高。在81°57′00″～82°07′00″E處出現(xiàn)高值區(qū)，含量范圍達(dá)到91.51～94.87 mg·kg-1，此處主要分布著芨芨草群落。在81°35′00″～81°47′00″E處出現(xiàn)低值區(qū)，其含量為84.75～85.44 mg·kg-1,呈現(xiàn)自低值中心向四周增加的趨勢(shì)，此處主要分布著羊草群落。研究區(qū)整體分布呈現(xiàn)自東部向西部遞減的趨勢(shì)。

3.3兩種群落下土壤重金屬的相關(guān)分析

相關(guān)分析可以用來(lái)檢驗(yàn)成對(duì)數(shù)據(jù)間的近似性和元素來(lái)源差異。相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，相關(guān)性越強(qiáng)；即相關(guān)系數(shù)越接近于0，相關(guān)程度越弱，相關(guān)系數(shù)越接近1或-1，相關(guān)程度越強(qiáng)[20]。通過(guò)對(duì)夏爾希里地區(qū)兩種典型群落下各重金屬及有機(jī)質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析(表2)，結(jié)果表明：在羊草群落下Pb和有機(jī)質(zhì)的相關(guān)系數(shù)最大為0.347，其次是Cu和Cr相關(guān)系數(shù)為-0.284，Cr和有機(jī)質(zhì)相關(guān)系數(shù)最小為-0.084。從表2可以看出羊草群落下各種金屬及有機(jī)質(zhì)之間均表現(xiàn)為弱相關(guān)性。在芨芨草群落下Pb和Cr相關(guān)系數(shù)最大為0.582，表現(xiàn)為顯著的中度相關(guān)。其次是Cu與有機(jī)質(zhì)和Cr相關(guān)系數(shù)分別為0.526、0.555，Pb和Zn也表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.500。Cr和有機(jī)質(zhì)的相關(guān)系數(shù)最小為0.038，表現(xiàn)為正的弱相關(guān)。比較表2、表3可以發(fā)現(xiàn)芨芨草群落下各種金屬及有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)性較強(qiáng)。

表2　兩種典型植被群落下各重金屬及有機(jī)質(zhì)相關(guān)性分析

注：*在0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

Note: * Significant correlation at the 0.05 level(two-sided).

3.4兩種典型植被群落下各重金屬的污染評(píng)價(jià)

對(duì)夏爾希里地區(qū)兩種典型植被群落下的各土壤重金屬進(jìn)行內(nèi)羅梅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)(表3)，計(jì)算結(jié)果表明：芨芨草群落下各重金屬的內(nèi)羅梅綜合污染指數(shù)均大于羊草群落。根據(jù)土壤綜合評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，兩種植被群落下重金屬Cu污染指數(shù)介于0.7～1，處于警戒線；Cr元素的污染指數(shù)介于1～2之間，其污染情況處于輕度污染；Pb的污染指數(shù)也介于1～2之間，污染情況處于輕度污染；羊草群落下的Zn元素污染指數(shù)介于0.7～1之間，污染情況處于警戒線，而芨芨草群落下的Zn元素污染指數(shù)介于1～2之間，污染情況處于輕度污染。

表3　兩種典型群落下內(nèi)羅梅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

4　結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)夏爾希里地區(qū)兩種典型植被群落下土壤重金屬的特征分析及污染評(píng)價(jià)，兩種典型植物群落土壤重金屬含量整體呈現(xiàn)出隨著深度增加遞減的趨勢(shì)。這與李儀等[21]對(duì)杭州西郊茶園土壤重金屬的剖面分析結(jié)論一致，均表明重金屬具有表聚現(xiàn)象。重金屬含量在0～30 cm處較高，在50～60 cm處含量較低(圖2)。表聚現(xiàn)象與土壤重金屬不易降解、不易遷移的特性相關(guān)[22]。但本研究還發(fā)現(xiàn)，在夏爾希里荒漠—綠洲過(guò)渡帶上兩種典型植被群落的重金屬含量均有顯著的積累，且呈現(xiàn)芨芨草群落下重金屬的含量分布普遍高于羊草群落下重金屬的含量。相關(guān)研究顯示，在自然條件下，重金屬含量在正常范圍以內(nèi)應(yīng)處于清潔狀態(tài)，主要來(lái)源于母質(zhì)，重金屬含量較高可能來(lái)源于人為排放的污染。同時(shí)，Cu、Pb等又是人類(lèi)活動(dòng)引起污染的重要指示元素[23]。由于研究區(qū)羊草群落集中分布于山前地區(qū)，芨芨草群落主要分布于荒漠地區(qū)，山前地區(qū)土壤含水量、土壤養(yǎng)分均大于荒漠地區(qū)且受人為干擾也較小，因此，重金屬含量羊草群落低于芨芨草群落。重金屬Pb含量明顯低于其它三種重金屬，造成這種原因是由于Pb的含量變化與強(qiáng)烈的人為活動(dòng)有關(guān)，夏爾希里地區(qū)相對(duì)人為干擾較少。

土壤重金屬的空間異質(zhì)性是形成有規(guī)律空間格局的原因。在本研究中，夏爾希里地區(qū)土壤重金屬具有一定的空間分布規(guī)律。重金屬Cr，Cu，Pb在研究區(qū)的西部分布普遍偏高，此處受人為干擾影響較大，Zn則表現(xiàn)出明顯的連續(xù)性，在整個(gè)研究區(qū)呈現(xiàn)東高西低的趨勢(shì)(圖3)。本研究還發(fā)現(xiàn)，夏爾希里地區(qū)羊草群落下各重金屬的含量整體上低于芨芨草群落下重金屬的含量。重金屬Zn含量普遍高于其余3種土壤重金屬，這與當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件(地質(zhì)、地貌)和人類(lèi)活動(dòng)尤其是農(nóng)業(yè)活動(dòng)(耕地、施肥等)密切相關(guān)。

土壤重金屬的相關(guān)性分析可以驗(yàn)證重金屬之間的相似性和來(lái)源，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)芨芨草群落下的重金屬及有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)性強(qiáng)度大于羊草群落。芨芨草群落下Pb與Cr，Zn呈現(xiàn)顯著的中度相關(guān)，Cu和有機(jī)質(zhì)也呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.526，均明顯高于羊草群落的相關(guān)系數(shù)。造成這種原因可能是芨芨草群落主要分布于荒漠帶上，由于荒漠地區(qū)植被覆蓋率低，生態(tài)環(huán)境較脆弱且人為干擾較大，人為因素導(dǎo)致重金屬的來(lái)源相似且復(fù)合程度更高。羊草群落主要分布于荒漠-綠洲帶的邊緣帶靠近山前平原的位置，此處自然環(huán)境較好，土壤養(yǎng)分及肥力較高，遠(yuǎn)離人類(lèi)活動(dòng)，故重金屬的來(lái)源只與自然因素有關(guān)(母質(zhì)、地貌等)，所以元素間的相關(guān)性較弱。

運(yùn)用內(nèi)羅梅綜合污染指數(shù)法對(duì)兩種典型植被群落下的重金屬進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，表明羊草群落下的Cu和Zn處于警戒線，芨芨草群落下的Cu也處于警戒線，而Cr和Pb在兩種群落下均處于中度污染。通過(guò)表3可以看出羊草群落下各種金屬元素的污染指數(shù)均小于芨芨草群落。表明羊草群落受到的污染較少，人為影響較弱，其重金屬的主要來(lái)源為自然因素。同時(shí)說(shuō)明在夏爾希里地區(qū)的荒漠-綠洲帶，芨芨草群落重金屬的含量較羊草群落高，且受人為影響較大。

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Pollution status of soil heavy metals within two typical plant communities in Xiaerxili area

ZHONG Qiao, WANG Yong-hui, JIAO Li

(College of Geography and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi, Xinjiang 830054, China)

In order to explore the spatial distribution and pollution status of heavy metal elements in soil of arid area on Desert-oasis Ecotone that has high sensitivity, the level of heavy metals distribution, vertical distribution, correlation studies and integrated pollution index under two kinds of typical plant communities were carried out in Xiaerxili region. Results showed that heavy metal had surface aggregation phenomenon in soil, and its content was relatively high in the 0～30 cm layer, whereas remained low in the 50～60 cm layer. Various characteristic values distribution of soil heavy metals forAchnatherumsplendenscommunity was higher than those forLeymuschinensiscommunity. For spatial distribution of heavy metals, Cr, Cu and Pb in the western area of the study area was relatively high. Zn had a strong distribution pattern that Zn tended to be high in east and low in west. Correlation analysis showed that correlations among organic matters of heavy metals forAchnatherumsplendenscommunity were stronger than those forLeymus(P<0.05). In conclusion, the evaluation indicates that heavy metal pollution in theLeymuschinensiscommunity under heavy metal pollution index was less than that inAchnatherumsplendenscommunity.

Xiaerxili area;Achnatherumsplendens;Leymuschinensis; spatial variability; analysis of pollution index

1000-7601(2016)05-0249-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.38

2015-08-05

國(guó)家自然科學(xué)基金(41261055)；新疆師范大學(xué)地理學(xué)博士點(diǎn)支撐學(xué)科開(kāi)放課題基金項(xiàng)目(XJNU-DL-201504)

鐘巧(1991—)，女，新疆克拉瑪依人，碩士研究生，主要從事干旱區(qū)環(huán)境退化與治理研究。 E-mail：869740826@qq.com。

焦黎，E-mail：jiaolixjsd@sina.com。

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