焉耆盆地土壤重金属的污染及潜在生态风险评价

海米提 · 依米提 ,祖皮艳木 · 买买提,李建涛 ,李新国 (1.新疆师范大学,新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830054；.新疆大学资源与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆师范大学地理科学与旅游学院,新疆 乌鲁木齐 830054)

工业和农业的快速发展导致土壤中重金属污染已成为影响区域生态系统健康的一个重要因素[1-3].目前有关土壤中重金属的赋存特征以及污染评价的研究已经成为地理学、土壤科学和环境科学研究的热点[4-7], 也是区域环境质量评估的重要方向之一[8-9],土壤环境中重金属含量的高低不仅直接影响到自然水环境的理化性质,阻碍水环境中的微生物对营养元素的吸收,抑制其活动,同时也会造成农产品质量的降低,环境质量的恶化,直接或间接危害人类健康[10-12].自然地质背景和人类活动的强度是影响土壤中重金属含量的主要因素.在城镇附近以及工矿企业园区附近人为因素正成为土壤以及水环境中重金属的主要来源[13-15].由于重金属难以很快迁移和扩散到其他区域,因此土壤环境一旦遭受重金属的污染就很难恢复.

目前,有关土壤中重金属污染以及生态风险的研究已广泛开展[16-17].通过采用污染指数法以及生态风险指数法评价土壤中的重金属污染状况以及潜在生态风险,同时结合多元统计分析方法和 GIS技术,揭示重金属的空间分布特征及其规律性[18-21],从而为区域土壤资源的合理利用与保护提供支持.然而,以往的研究大多集中在东部经济快速发展的工业园区,高科技产业园区等区域,研究目的大多在于评估人类活动影响下土壤资源的合理利用以及土壤环境质量的保持.在生态环境极为脆弱的西北干旱区,随着人类活动日益增多,区域经济开发强度的不断增大,对于土壤中重金属的来源、污染状况以及生态风险的研究目前均相对缺乏.

基于此,本文以干旱区典型绿洲盆地--焉耆盆地为研究区,以土壤中重金属元素的来源、污染状况和潜在生态风险为研究对象,通过采集盆地内土壤样品,测取其中重金属元素含量,运用多元统计分析方法、污染指数法和潜在生态风险指数法,并结合新疆土壤背景值以及土壤环境质量二级标准来评价西部大开发进程不断深入、区域人类活动强度不断增大的情况下,干旱区绿洲盆地土壤中重金属含量及污染状况,从而为该区域环境保护和资源的有效利用提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 研究区位置及采样点分布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内(图 1)(85°50′ ～ 87°50′ E,41°40′ ～ 42°20′ N),在行政区划上包括巴音郭勒蒙古自治州的焉耆、和静、和硕与博湖4个县,总面积723100hm2, 海拔1050～2000m, 地势西高东低、北高南低,属于南北疆过渡的大陆荒漠性气候,干旱少雨,年降水量仅为 50～80mm,年蒸发量 2000～2450mm,光热资源丰富,多年平均气温 8.6℃,是一个典型的绿洲–荒漠交错地区.土壤类型主要为棕漠土、草甸土、沼泽土、灌耕土、潮土、盐土、风化土等. 天然植被以红柳(Tamarixramosissima)、骆驼刺(Alhagisparsifolia)、罗布麻(Apocynumvenetum)、甘草(Glycyrrhizauralensis)和麻黄(Ephedrap rzewalskii Stapf)为主.近年来在国家政策调整和区域经济发展政策倾斜以及东、中部地区产业转移等综合因素的驱动下,焉耆盆地经济发展水平不断提高,经济开发活动不断增加.

1.2 试验方法

1.2.1 样本采集 样品采集时间在2012年7月,采集区域为焉耆盆地的焉耆、和硕、和静以及博湖4个行政县(图1),样品采集范围包括焉耆盆地的6大类土壤类型(林地、草地、耕地、建设用地(城镇居民点附近)、荒漠、湿地).研究中土壤样品的采集深度为 0～40cm 剖面层,共采集样品160个,为避免采样过程中重金属元素的污染,使用硬质塑料铲垂直挖取 40cm×40cm 土壤剖面,然后从四周开始均匀采集土壤样品,每个样点取样 400g,样品采集后记录编号,然后封存,放入样品箱,在取样同时记录样点的位置、取样日期、土壤剖面质地、样点植被类型、土壤的颜色以及周围的环境状况以备分析.

1.2.2 样品测试 土壤样品带回实验室后,风干并剔除植物残体和石块后磨碎过100目筛,保存于塑料瓶中备用.样品前处理过程如下:首先称取0.5g试样于Anton PVC消解罐,加入2mL HCl和10mL HNO3,封严并置于消解仪中,升温至170℃后维持 30min,然后冷却取出并收集试样、过滤定容到50mL待测,为了避免污染,所有玻璃器皿、消解罐使用之前均用5% HNO3浸泡24h、冲洗干净后烘干.样品处理后采用原子荧光光谱法(atomic fluorescence spectrometry, AFS)测定As、Hg含量;采用等离子体质谱法(inductively coupled plasmamass spectrometry, ICP-MS)测定Mn、Cu、Zn、Ni、Pb、Cr、Cd、Co含量.其中重金属的检出限采用选取的测定的空白溶液的标准偏差的 3倍时所对应的分析物浓度,采用的重金属元素标准溶液为国家一级标准物质(Gss系列).所有土壤样品测试后再抽取总样品数的 30%进行重金属含量的重复性检验,检验结果表明本次测试合格率为100%.

1.3 评价方法

1.3.1 污染指数法 评估公式如下[22]:

式中:Pz是土壤环境中重金属的污染指数;Cmax是土壤环境中重金属的最大浓度值;i是重金属的类别;Ci是重金属的测试浓度;Si是土壤环境中重金属的背景值;n是重金属评估的种类总数;Pi是单因素污染指数.

1.3.2 潜在生态危害指数法 潜在生态危害指数法可以反应单个污染物的污染水平,也可以反映各种污染物的联合效应,根据瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态风险指数法来评价焉耆盆地土壤中重金属的生态风险[23],然后定量评估潜在的生态危害. 评估公式如下:

式中:RI土壤环境中重金属的潜在生态风险指数;是潜在的生态风险;是单一污染物的毒性系数,可以综合的反映重金属的毒性、污染水平和污染的敏感程度;Ci是土壤中重金属的测试浓度;是某一重金属的污染参数;在本研究中 10种重金属Pb,Ni,Cd,Co,Hg,As,Cu,Mn,Zn和Cr的毒性系数分别为5,5,30,5,40,10,5,1,1和2[24].其潜在的生态风险水平见表1.

1.3.3 数据处理与统计分析 根据测定的重金属元素数据,运用相关分析和主成分分析分析土壤中10种重金属的赋存特征和来源.运用单因子污染指数法,内梅罗污染指数法和汉克森潜在生态风险指数法评价焉耆盆地土壤中的重金属污染状况,采用新疆土壤环境背景值和国家土壤环境质量标准中的二级标准(GB15618—1995)[25]评价焉耆盆地土壤种重金属的超标状况.研究中描述性统计分析和相关分析、主成分分析均在SPSS19.0软件中进行,污染指数和生态风险的计算在Matlab 7.0软件中进行,图表采用CorelDraw 12.0软件进行处理、输出.

表1 重金属元素的生态风险评价和污染水平评估Table 1 Relationship between potential ecological risk coefficient () risk indices (RI) of heavy metals and pollution level

表1 重金属元素的生态风险评价和污染水平评估Table 1 Relationship between potential ecological risk coefficient () risk indices (RI) of heavy metals and pollution level

潜在生态风险系数(Eir)单因子污染的生态风险潜在生态风险指数(RI)潜在生态危害程度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 较重 RI≤600 重Eri≥320 重 / /

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属的统计特征 样点背景以及土壤重金属元素描述性统计分析(表 2)表明焉耆盆地土壤中 10种重金属的平均含量顺序为: Mn＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Co＞Pb＞As＞Cd＞Hg.重金属 Zn、Pb、Cu、Hg、Mn的最大值分别为242.1mg/kg、16.18mg/kg、70.41mg/kg、0.016mg/kg、918.7mg/kg;变异系数分别为 11.48%、8.89%、15.87%、11.46%、15.21%;平均值为 138.38mg/kg、12.46mg/kg、41.84mg/kg、0.014mg/kg、817mg/kg;重金属 Ni、As、Cr、Co、Cd的最大值分别为59.87mg/kg、15.58mg/kg、247.74mg/kg、32.81mg/kg、0.11mg/kg; 变异系数分别为21.256%、24.512%、20.156%、29.541%、11.321%;平均值为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属Zn、Pb、Cu、Ni、As和Cr的最大值均超过新疆土壤背景值,而未超过《土壤环境质量标准》(GBl5618—1995)[25]二级标准,超标率分别为8%、7%、11%、9.2%、12%和8.1%.

表2 焉耆盆地各县0～20cm土壤重金属含量的统计特征Table 2 Statistical characteristic of heavy metals contents in 0～20cm soil profiles in Yanqi basin

2.2 重金属元素的相关性分析

相关分析表明(表3),焉耆盆地土壤重金属之间的相关关系较复杂,其中 Cu、Pb、Hg、Zn等重金属之间相关性较强.Cu、Ni、Cd、As和Co在P＜0.01水平上相关系数分别为0.691、0.581、0.435、0.562;Cu、Zn和 Cr在 P＜0.05水平上相关系数为0.446和0.524是正相关.结合样点分析,几种重金属含量较高的样点均位于居民点以及耕地,表明这种相关关系可能与人类活动有关.重金属Mn、Hg、Zn、Pb、Cd和As在 P＜0.01水平上相关系数分别为0.475、0.478、0.515、0.477和 0.421.相关重金属含量较高的样点大多位于县城居民点附近以及农田,表明土壤中这些重金属含量共同受人类活动的影响.重金属Hg和Zn、Pb在 P＜0.01水平上相关系数分别为 0.586和0.714,是显著正相关,但与Ni和Cd相关系数分别为-0.512和-0.412是负相关,表明Hg与Ni和Cd的来源不同.从取样位置来看,Hg含量较高的土壤样点均取自城镇附近,受人类生产、生活的影响较大.重金属Ni和Cd含量较高的样点大多取自荒漠以及草地,表明其来源不同导致这种负相关关系.重金属Zn和Pb在P＜0.01水平上相关系数为0.614.在焉耆县周边样点中Zn、Pb的含量较高,说明其受共同来源因素的影响,相关关系密切.重金属Ni、Cr和Cd在P＜0.01水平上相关系数分别为0.584和0.521,相关重金属含量较高的样点大多位于荒漠和草地等人类活动较少的区域,其来源受自然环境的影响比较大.重金属 Cr和Co在P＜0.01水平上显著正相关,含量较高的样点大多取自草地及林地,表明 2种重金属共同受自然环境的影响较大.重金属Ni和Cr、Mn和As在 P＜0.01水平上显著正相关,其含量较高的样点大多位于林地以及荒漠,表明其受主要受自然环境的影响.

表3 焉耆盆地土壤重金属元素相关关系矩阵Table 3 Correlation matrix of heavy metals in soil of Yanqi basin

2.3 土壤重金属元素主成分分析

主成分分析的 3个主成分分别占总因子的35.46%、38.25%和 22.1%,累计贡献率达到95.81%,其解释了影响焉耆盆地土壤重金属含量的3个可能来源.在第1主成分上Cu、Hg、Zn、Pb都具有较大的正载荷,相关样点大多取于耕地、居民点、工业园区附近以及城镇道路旁,结合相关文献分析,高含量的 Mn、Hg、Zn和 Pb等重金属主要来源于城镇生活和工业企业的废弃物排放以及道路运输中汽车尾气含铅污染物的排放[6-7,17,19].在第 2主成分上 Mn、Ni、Cr、Cd、Co和Cr等重金属具有较高的正载荷,相关样点大多取自荒漠、草地以及山间林地,这些区域人类活动较少,自然环境状况保存良好,结合相关文献分析,相关重金属应主要来源于山间自然风化的岩石碎屑矿物以及母岩矿物[14,20].在第 3主成分中,重金属元素Mn和As在以上两个主成分上均具有显著性,结合相关文献分析其来源受人为因素和自然因素的共同影响.

2.4 重金属的单因子污染指数法评价

图2 焉耆盆地土壤重金属元素主成分分析Fig. 2 Principal component analysis of soil heavy metal in Yanqi basin

运用单因素污染指数法和综合污染物指数法,评价焉耆盆地4个县(焉耆县、和硕县、和静县与博湖县)土壤中重金属的污染状况(表 4).单一重金属的污染分级表明,重金属 Cu、Hg、Zn在焉耆县污染指数相对较大;而在和静县与博湖县污染指数均较小.重金属 Pb在焉耆县污染指数相对较大,在和硕县、和静县与博湖县污染指数均相对较小.重金属Ni和As在博湖县污染指数相对较大,在焉耆县、和硕县与和静县污染指数均相对较小.重金属 Co在和静县污染指数相对较大,在焉耆县、和硕县和博湖县污染指数均相对较小.重金属Cd、Mn、Cr在焉耆盆地的焉耆县、和硕县、和静县与博湖县4县污染指数均较小.

综合污染指数(Cd)评价表明,总体上,焉耆盆地的焉耆、和硕、和静与博湖4个县的土壤中重金属均属于低污染水平,未出现明显的污染状况.从数值计算角度看,焉耆盆地 4个行政县土壤中重金属的综合污染指数顺序为(Cd):焉耆县＞和硕县＞和静县＞博湖县.

表4 单因子污染指数法和综合污染指数评价Table 4 Single factor index () and Synthetic pollution index (Cd) of heavy metals in soil of Yanqi basin

表4 单因子污染指数法和综合污染指数评价Table 4 Single factor index () and Synthetic pollution index (Cd) of heavy metals in soil of Yanqi basin

区域 Pb Ni Cd Co Hg As Cu Mn Zn Cr 综合污染指数(Cd) 污染程度单因子污染指数(Cif)和硕县 0.14 1.15 0.41 0.28 0.18 1.82 0.34 0.51 0.49 0.65 5.97 低博湖县 0.56 0.41 0.24 1.41 0.25 0.48 0.68 0.41 0.34 0.25 5.03 低和静县 1.25 0.78 1.21 0.04 0.09 0.84 0.25 0.41 0.56 0.48 5.91 低焉耆县 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 潜在的生态风险指数评估

基于潜在的生态风险指数的评估[28],焉耆盆地土壤中10种重金属的潜在生态风险因子()和风险指数(RI)(表5)评估表明,在焉耆盆地的焉耆、和硕、和静与博湖4县土壤中10种重金属的单因子潜在生态风险指数均低于3,表明这4个县土壤中重金属的潜在生态危害程度都较低,处于低水平的生态风险.从数值计算角度看,焉耆盆地4个行政县土壤中重金属的潜在生态危害指数顺序依次为:焉耆县＞和硕县＞和静县＞博湖县.

表5 潜在生态风险()和风险指数评价(RI)Table 5 Potential ecological risk coefficients () and risk indices (RI) of heavy metals in soil of Yanqi basin

表5 潜在生态风险()和风险指数评价(RI)Table 5 Potential ecological risk coefficients () and risk indices (RI) of heavy metals in soil of Yanqi basin

区域 Pb Ni Cd Co Hg As Cu Mn Zn Cr 潜在生态风险指数(RI) 风险分级单因子潜在生态风险系数(Eri)和硕县 1.1 1.4 1.2 0.8 1.6 1.7 0.7 1.6 1.8 1.3 11.2 低和静县 0.3 2.3 0.9 1.4 1.1 2.4 1.5 1.4 0.17 1.2 10.97焉耆县 1.2 1.8 1.2 1.3 1.7 1.4 0.8 1.1 1.6 1.4 11.5 低博湖县 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属 Pb、Hg、Cu、Zn在焉耆县出现较高值,重金属Ni、As、Cr在博湖县和和静县出现较高值.焉耆县的工业和农业经济的发展水平均高于和硕、和静与博湖 3个县.经济发展过程中不合理的人类活动,包括煤化工企业固体废弃物的排放以及农业生产中农药化肥的过量使用,再加上道路运输大量含铅尾气的排放造成土壤中重金属Pb、Hg、Cu和Zn的含量较高.结合样点记录,在博湖县与和静县2个行政县的土壤样点大多取自草地、荒漠以及林地等人类活动较少,自然环境保持良好的区域,土壤中重金属Ni、As、Cr应主要来源于山地岩石风化以及干涸河床流水冲刷,这也与前人的研究结果一致[14,20].土壤环境二级质量标准(GB15618—1995)[26]评价表明焉耆盆地土壤中 10种重金属的含量均较低,焉耆盆地的土壤环境质量良好.

从重金属的单因素危害水平来看,在焉耆、和硕、和静与博湖4个县的土壤中重金属的生态风险系数均低于3,综合生态风险均低于15,表明4个县土壤中的重金属含量均处于低污染水平;生态风险评价表明焉耆盆地 4个县土壤中重金属的潜在生态风险指数均较低,总体看污染指数法和生态风险评价法具有一致的评价结果,可以客观的反映焉耆盆地土壤中重金属的污染状况和潜在生态风险.

研究表明在西部大开发以及区域经济开发不断深入的背景下,焉耆盆地的经济发展已经对土壤中的重金属的含量产生了负面的影响,造成一些区域重金属含量的较高,应引起重视,加强该区域人类活动的自觉性,控制污染物质的排放.未来对焉耆盆地环境中重金属污染的评价中应该结合地表水以及地下水中重金属的浓度.分析其与土壤中重金属含量的相关性及共同来源,并结合GIS技术来综合分析重金属元素的空间分布特征,从而为良好的绿洲环境的保持提供依据.

3 结论

3.1 焉耆盆地土壤中 10种重金属的平均含量大 小 顺 序 为 :Mn＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Co＞Pb＞As＞Cd＞Hg.土壤环境二级质量标准(GB15618—1995)评价表明焉耆盆地土壤中10种重金属元素的含量均较低.但重金属Zn、Pb、Cu、Ni、As和Cr的最大值超过新疆土壤背景值,超标率分别为8%、7%、11%、9.2%、12%和8.1%.

3.2 多元统计分析表明焉耆盆地土壤中重金属Zn、Pb、Hg和Cu之间具有较高的相关性,其主要来源于人为污染;重金属 Mn、Co、Cd、Cr、Ni和 As之间具有较高的相关性,其主要来源于自然地质背景.从分布来看,重金属 Pb、Hg、Cu和 Zn在焉耆县土壤中出现较高值,其来源主要受人类活动因素的影响.重金属Ni、As和Cr在博湖县与和静县土壤中出现较高值,其主要受自然地质背景的影响.

3.3 污染指数和潜在生态风险评价表明,焉耆盆地 4个县土壤中重金属的综合污染指数顺序依次为:焉耆县＞和硕县＞和静县＞博湖县.潜在生态风险指数顺序依次为:焉耆县＞和硕县＞和静县＞博湖县.总体上焉耆盆地土壤中重金属的生态风险均较低,没有造成污染.但Pb、Zn、Hg等含量在一些区域相对较高.

3.4 近年来焉耆盆地的经济发展已经对土壤中重金属的含量产生了负面影响.从生态环境保护和可持续发展的角度,应对焉耆盆地日趋增加的经济活动进行合理和有效的规划,走新型工业化发展道路,以实现绿洲经济发展与生态环境保护的和谐.

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