卡拉麥里南部工業(yè)區(qū)梭梭和琵琶柴重金屬空間分布及污染評價

夏 楠,塔西甫拉提·特依拜,*,依力亞斯江·努爾麥麥提,張 東,李 云

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046

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卡拉麥里南部工業(yè)區(qū)梭梭和琵琶柴重金屬空間分布及污染評價

夏 楠1,2,塔西甫拉提·特依拜1,2,*,依力亞斯江·努爾麥麥提1,2,張 東1,2,李 云1,2

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046

對五彩灣工業(yè)區(qū)周邊21個采樣點的梭梭(Hadoxylon)和琵琶柴(Reaummuriasoongorica)的Zn、Cu、Cr、Pb、As、Hg 6種重金屬元素含量測定,運用統(tǒng)計學方法和地統(tǒng)計插值法分析其莖葉和根部重金屬含量變化情況和空間分布特征,并綜合評價其污染程度和潛在生態(tài)危害性。結(jié)果表明：梭梭和琵琶柴植株Hg含量的最大值和均值都超出新疆土壤背景值0.017 mg/kg,除梭梭根部的均值0.060 mg/kg未超出國家土壤背景值0.065 mg/kg,在二者其他部位的最大值和均值都已超出；琵琶柴整株中Cr最大值72.62 mg/kg和Zn最大值97.61 mg/kg均超出新疆土壤背景值49.3 mg/kg和國家土壤背景值61 mg/kg,Pb元素未被檢出。插值精度方面,Hg、As的RMSE較小,分別為0.263和0.443,預(yù)測模型中Hg的R2為0.72,Cu的R2為0.67,能較好地估計預(yù)測樣點的重金屬含量,Zn的R2為0.31,精度較低；插值結(jié)果,琵琶柴中的Zn、Cr、As、Hg含量較高的區(qū)域均在工業(yè)園區(qū)內(nèi)部及周圍,受人為擾動程度較大。梭梭和琵琶柴中Hg元素分別為中度污染和重度污染；Hg元素為中等潛在危害程度高于其他4種元素。

荒漠礦區(qū)；梭梭；琵琶柴；重金屬；評價

卡拉麥里山有蹄類野生動物自然保護區(qū)是蒙古野驢和普氏野馬等國家重點保護動物的棲息地,這些珍貴的瀕危物種正受到人類的嚴重威脅,包括棲息地的人為限制,偷獵,交通意外碰撞以及工業(yè)生產(chǎn)造成的環(huán)境污染問題,其中環(huán)境問題尤為嚴峻[1]?？ɡ溊镏胁坑锌δ舅固毓I(yè)園,南部有五彩灣工業(yè)園,污染由內(nèi)向外產(chǎn)生,已經(jīng)影響野生食草動物的主要食物梭梭、紅柳等小喬木和琵琶柴、駱駝刺等小、半灌木的生長。礦區(qū)植物中某些重金屬含量過高會毒害植物的健康和抑制其生長[2- 5],此外,重金屬會隨食物鏈富集到保護動物甚至人類體內(nèi)[6- 10]。因此對卡拉麥里保護區(qū)植物中的重金屬元素進行監(jiān)測和污染預(yù)警尤為重要。

近年來,許多學者對植物重金屬污染監(jiān)測和評價進行了大量研究。簡敏菲等[11]監(jiān)測鄱陽湖周邊水生植物重金屬含量,發(fā)現(xiàn)多種水生植物的根部Cu、Cd、Zn、Hg和As等重金屬含量高于莖葉,這可能和湖泊的水位變化有關(guān)；周耀渝等[12]對湘西鉛鋅礦區(qū)的優(yōu)勢植物重金屬含量進行測定,得出油茶屬于富集型植物,毛萼莓、芒屬于根部囤積型植物,對礦區(qū)的生物修復(fù)提供了參考；秦麗等[13]對云南會澤鉛鋅冶礦廠廢渣堆周圍芨芨草、莎草、土荊芥等植物進行了Cd的監(jiān)測,這些植物表現(xiàn)出對Cd有很強的富集能力；王耀平[14]監(jiān)測黃河口鹽地堿蓬的Cu、Cr、Zn、Hg和As的含量,發(fā)現(xiàn)鹽地堿蓬在淹水區(qū)對Cu、Zn富集能力較強,非淹水區(qū)只對Cu富集,且地上部分重金屬含量高于根部。由以上研究發(fā)現(xiàn)Cd、Cu、Cr、Zn、Pb、Hg和As等元素對植物影響較大,可被認為是礦區(qū)的主要污染元素；這些研究多在濕潤地區(qū),而在干旱區(qū)對優(yōu)勢植物的監(jiān)測和選取工作較少,梭梭和琵琶柴作為卡拉麥里保護區(qū)喬木和灌木的代表植物,監(jiān)測其重金屬污染狀況更具有代表性。

為探索工業(yè)生產(chǎn)對保護區(qū)南部植物造成的污染狀況,本文以五彩灣工業(yè)園區(qū)周邊生長的典型荒漠植物梭梭和琵琶柴為研究對象,將其分為莖葉和根兩部分,測得其重金屬元素Cu、Cr、Zn、Pb、Hg和As含量,運用常規(guī)統(tǒng)計學方法和地統(tǒng)計方法分析其莖葉和根部重金屬含量變化情況及其空間分布特征,并綜合評價其污染程度和潛在生態(tài)危險性,為在該地區(qū)的環(huán)境保護和污染防治提供科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置和采樣點分布圖 Fig.1 Geographical position map of study area and distribution of sampling points

五彩灣工業(yè)園位于準噶爾盆地東部,卡拉麥里保護區(qū)南緣,盛產(chǎn)煤電能源。地貌為戈壁灘平原,地形平坦開闊,其工業(yè)基地范圍內(nèi)平均海拔500—700 m,總體地勢北高南低,如圖1。該地區(qū)屬于大陸暖溫帶干旱氣候,年均蒸發(fā)量2070.3 mm,年均降水量183.5 mm,無常年地表水流。主要以荒漠堿土、石膏棕漠土和荒漠風沙土為主的土壤類型[15]。植被類型主要是梭梭、琵琶柴、蛇麻黃、假木賊、白刺、駱駝刺等耐旱植被[16]。

2 材料與方法

2.1 試驗過程

采樣點按照放射性布點法,以五彩灣工業(yè)園區(qū)為中心每隔45°設(shè)定方向以5 km為單位間距布設(shè)。由于植被單一且分布不均,因此按照實際樣點的植被覆蓋及道路狀況選取21處采樣點,每個采樣點采集琵琶柴3株和梭梭3株,共計126個植物樣本并用GPS記錄實際采樣點的坐標。將樣本帶入室內(nèi)用去離子水清洗,自然晾干后將其分為莖葉和根兩部分,放入電熱風干箱調(diào)節(jié)溫度至105℃殺青1 h,再調(diào)至80℃烘干24 h,用不銹鋼粉碎機將植物磨碎,過70目篩。用濕灰化法對植物樣品進行消解[17],經(jīng)過稀釋后定容,取上層清液用日立Z- 8000型原子吸收分光光度計測定Pb、Zn、Cr、Cu、Hg和As[18]。在本次試驗中,大量植株未被檢出Pb元素,因此不做分析,對每個采樣點3株植物的莖葉和根部重金屬含量分別計算平均值。

2.2 普通克里格插值方法

普通克里格法可利用研究區(qū)植物重金屬的原始數(shù)據(jù),以變異函數(shù)為工具,對該區(qū)域內(nèi)植物重金屬變量的預(yù)測值進行線性無偏最優(yōu)估計。其公式為：

(1)

式中,Z(x0)為估算點的植物重金屬含量；Z(xi)為已知樣點植物重金屬含量實測值；λi為已知樣本估計預(yù)測樣本時的影響系數(shù),其和為1[19]。

2.3 污染評價方法

2.3.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[20]不僅兼顧了單因子污染指數(shù)平均值和最高值,還可以突出污染較重的污染物的作用,可用來評價每一個測試點的樣品重金屬綜合污染水平。綜合污染指數(shù)計算公式為：

(2)

2.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法綜合考慮了重金屬的毒性、遷移變化規(guī)律、背景值差異和評價區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?而且能綜合反映重金屬對生態(tài)環(huán)境影響的潛力指標。其計算公式為：

(3)

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 植物重金屬元素分析

3.1.1 梭梭

運用SPSS 20.0對梭梭莖葉和根的5中重金屬含量進行分析得到表1：梭梭莖葉和根部重金屬含量均值最高為Zn元素,最低為Hg元素,排序依次為Zn> Cr > Cu > As >Hg；其莖葉中Cu、Cr、Hg、Zn含量的均值大于根部,As小于根部,其富集差異不顯著。梭梭莖葉中的Hg和根部的As變異系數(shù)均較大,屬強變異；其整株(莖葉和根的加和)中Cr、Cu、Zn和莖葉中As變異系數(shù)在0.27—0.55之間,屬中等變異。莖葉和根中Hg含量最大值0.224 mg/kg和均值0.069 mg/kg都超出新疆土壤背景值0.017 mg/kg和國家土壤背景值0.065 mg/kg[23]。

表1 梭梭重金屬含量統(tǒng)計分析

3.1.2 琵琶柴

表2中琵琶柴莖葉和根部重金屬均值最高為Zn元素,最低為Hg元素,排序依次為Zn> Cr > Cu > As >Hg；其莖葉中Cu、Cr、Hg、As含量的均值小于根部,Zn大于根部,其富集差異不顯著。相比梭梭,其整株中Hg元素的變異系數(shù)較大,屬強變異；其余重金屬元素變異系數(shù)在0.44—0.92,屬中等變異。莖葉和根部Hg含量最大值0.92 mg/kg、0.637 mg/kg和均值0.066 mg/kg、0.072 mg/kg都超出新疆和國家土壤背景值。整株中Cr最大值(72.62 mg/kg)和Zn最大值(97.61 mg/kg)均超出新疆土壤背景值49.3 mg/kg和國家土壤背景值61 mg/kg。

表2 琵琶柴重金屬含量統(tǒng)計分析

3.2 植物重金屬空間分布特征

3.2.1 特異值檢驗和插值精度驗證

運用ArcGIS 10.1軟件的Explore Data工具分析重金屬數(shù)據(jù)的正態(tài)分布特征并選出特異值,其中未通過正態(tài)分布檢驗的重金屬含量值需經(jīng)過對數(shù)(Log)變換使其服從正態(tài)分布。表3所示17號點和21號點出現(xiàn)特異值,剔除插值過程中該點號在對應(yīng)元素的重金屬含量值。Cr的MAE最大,為1.578,其余元素MAE較小,Hg、As的RMSE較小,分別為0.263和0.443,Cu和Hg的R2最大,預(yù)測值與實測值的線性擬合度較高,As和Cr次之,Zn最低。Hg和Cu的插值效果較好,Zn的預(yù)測精度較低但對于其空間分布仍具有參考價值。

表3 空間插值中預(yù)測精度驗證

MAE: Mean absolute error,RMSE: Root mean square error

3.2.2 植物重金屬含量空間分布圖

在WGS_1984坐標系中,通過克里格插值得到5種重金屬元素在琵琶柴中富集的空間分布特征(圖2)。圖中Zn、Cr、As、Hg含量較高的區(qū)域均在工業(yè)園區(qū)內(nèi)部及周圍,說明琵琶柴中的這些重金屬元素受人為擾動程度較大。Cu元素表現(xiàn)出由西向東遞增的自然分布,受到人為擾動較少。

圖2 琵琶柴重金屬空間分布圖Fig.2 The distribution map of heavy metal in Reaummuria soongorica

3.3 污染評價

3.3.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價

植物重金屬污染評價參照新疆土壤背景值分別計算梭梭和琵琶柴的莖葉和根部5種重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù),并取均值,結(jié)果如表4所示：梭梭莖葉和根部中Hg元素為中度污染,其余元素污染都表現(xiàn)為安全；琵琶柴莖葉和根部中Hg元素為重度污染,莖葉中Zn元素污染表現(xiàn)為警戒。2種植物中As、Cr、Cu、Zn元素現(xiàn)階段污染不嚴重。

表4 植物重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價

3.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價

植物重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評價結(jié)果見表5。其中梭梭莖葉Hg元素為中等潛在危害,其他4種元素為輕微潛在危害,梭梭根部5種元素均為輕微潛在危害；琵琶柴的莖葉和根部Hg元素為中等潛在危害,其他4種元素為輕微潛在危害。這兩種植物潛在生態(tài)危害指數(shù)均小于150,為輕微潛在生態(tài)危險。

表5 植物重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)評價

4 結(jié)論與討論

(1)統(tǒng)計特征 梭梭與琵琶柴植株中Hg元素均值皆超出新疆土壤背景值和國家土壤背景值。5種元素在兩種植物莖葉和根部的含量表現(xiàn)出輕微差異性,但不顯著,相比濕潤區(qū)植物受水分影響所表現(xiàn)的強烈差異性[11,14],梭梭和琵琶柴的富集能力可能更多與土壤、大氣及植物自身吸收特性有關(guān)。

(2)地統(tǒng)計分析 除Zn驗證結(jié)果較差外其余元素均滿足插值精度需要；琵琶柴中Zn、Cr、As、Hg含量較高的區(qū)域均在工業(yè)園區(qū)內(nèi)部及周圍,受人為擾動影響明顯。

(3)污染評價 Hg元素在梭梭和琵琶柴中均出現(xiàn)較嚴重的污染現(xiàn)象,其他元素除琵琶柴莖葉的Zn處于警戒狀態(tài)外尚屬安全；Hg元素在梭梭整株和琵琶柴莖葉中呈中等潛在危害,其他4種元素危害性較輕。Hg污染表現(xiàn)強烈,可能與煤炭開采引起的表層土壤屬性變化有關(guān),為此將對這些樣點的土壤剖面中Hg元素做進一步研究。

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Heavy metal spatial distribution and contamination assessment ofHadoxylonandReaummuriasoongoricain an industrial area south of Kalamali

XIA Nan1,2, TIYIP·Tashpolat1,2,*, NURMEMET·Ilyas1,2, ZHANG Dong1,2, LI Yun1,2

1CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China2KeyLaboratoryofOasisEcology(XinjiangUniversity)MinistryofEducation,Urumqi830046,China

HadoxylonandReaummuriasoongorica, two species of desert vegetation that occur near Juggar coal, were studied. Six kinds of heavy metals were detected in them, including Zn, Cu, Cr, Pb, As, and Hg. Conventional statistics and geostatistical analysis methods were used to determine the spatial distribution characteristics of heavy metals. The heavy metals in plants were assessed by the Nemerow integrated index to understand the current pollution status and potential ecological risk. The results suggested that maximum Hg (0.224 mg/kg), mean Hg (0.069 mg/kg) in stems and leaves, and mean Hg (0.215 mg/kg) in roots ofHadoxylonwere all higher than the national baseline value in soil (0.065 mg/kg). Its maximum (0.92 mg/kg) and mean (0.066 mg/kg) in stems and leaves, and maximum (0.637 mg/kg) and mean (0.072 mg/kg) in roots ofReaummuriasoongoricaindicated similar results. In the whole body ofReaummuriasoongorica, maximum Cr (72.62 mg/kg) and that of Zn (97.61 mg/kg) were higher than the soil baseline in Xinjiang (49.3 mg/kg) and nationally (61 mg/kg). Pb was not found. Interpolated precision was better for Hg and Cu, but worse for Zn. Spatial analysis ofReaummuriasoongoricarevealed that Zn, Cr, As, and Hg exhibited large artificial disturbances. Hg moderately contaminatedHadoxylonand mildly contaminatedReaummuriasoongorica. Zn in stems and leaves ofReaummuriasoongoricawas a potential risk, whereas the others were in the safe range. It is worth mentioning that Hg was at a moderately hazardous level, higher than the other four elements. Over time, research into metal pollution in plants will be intensified.

desert mining area;Hadoxylon;Reaummuriasoongorica; heavy metals; assessment

國家科技支撐計劃項目(2014BAC15B01)；國家自然科學基金資助項目(41561089)

2016- 04- 13; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 22

10.5846/stxb201604130678

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tash@xju.edu.cn

夏楠,塔西甫拉提·特依拜,依力亞斯江·努爾麥麥提,張東,李云.卡拉麥里南部工業(yè)區(qū)梭梭和琵琶柴重金屬空間分布及污染評價.生態(tài)學報,2017,37(11):3912- 3918.

Xia N, Tiyip·Tashpolat, Nurmemet·Ilyas, Zhang D, Li Y.Heavy metal spatial distribution and contamination assessment ofHadoxylonandReaummuriasoongoricain an industrial area south of Kalamali.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3912- 3918.