贵州冷热洞、白龙洞和龙井洞环境质量及生态风险初步评价

张 俊，黎道洪，徐承香，李代琴

（1.贵州省遵义市正安县畜牧产业发展办公室，贵州 遵义563400；2.贵州师范大学生命科学学院，贵州 贵阳 550025；3.遵义市正安县第二中学，贵州 遵义 563400）

贵州冷热洞、白龙洞和龙井洞环境质量及生态风险初步评价

张 俊1，黎道洪2，徐承香2，李代琴3

（1.贵州省遵义市正安县畜牧产业发展办公室，贵州 遵义563400；2.贵州师范大学生命科学学院，贵州 贵阳 550025；3.遵义市正安县第二中学，贵州 遵义 563400）

为了解贵州喀斯特洞穴环境的污染状况，对贵州省3个洞穴冷热洞、白龙洞和龙井洞部分环境因子——土壤和水中重金属（Cu 、Cr、Ni、Zn 、Hg 和As）含量进行测定，并对3洞穴土壤中重金属的污染指数及生态风险进行评价。结果表明：Zn在土样和水样中含量均最高，最低的是Hg；冷热洞土样的重金属含量均超过中国土壤背景值，白龙洞和龙井洞土样中的重金属含量除Cr外，均超过中国土壤背景值。洞穴土壤重金属综合潜在危害程度，龙井洞处于较高生态危害水平，冷热洞处于中等生态危害水平，白龙洞处于高生态危害水平；Hg是3洞穴最主要的生态风险因子。

重金属；生态风险；冷热洞；龙井洞；白龙洞；贵州

喀斯特地区由于地下水的溶蚀作用而孕育出了大量独特的喀斯特洞穴景观。较封闭的洞穴环境孕育出了一些体形怪异的洞穴动物，故对洞穴动物的研究是洞穴生物学研究的重要组成部分。但随着工业、交通业等的快速发展，一些洞穴环境遭到人为破坏，尤其是重金属离子通过地表水的渗透作用等方式进入洞穴生境，对洞穴动物的生命健康构成严重危害，严重破坏了洞穴动物的丰富度。因此，评价研究洞穴环境重金属的污染情况，可以为监测和保护洞穴环境提供科学依据。

国外对洞穴环境评价的研究有相关报道，如洞穴环境研究［1］、洞穴气候环境评价研究［2］、洞穴成矿环境评价研究等［3］。国内对洞穴环境评价的研究也有相关报道，如洞穴岩溶地貌及洞穴环境特征研究［4-5］、洞穴CO2气体浓度监测及其对洞穴环境的影响［6-7］、旅游活动对洞穴环境的影响研究［8-9］、洞穴土壤及水体中重金属含量与洞穴环境因子的关系研究［10-14］等。笔者对白龙洞和龙井洞虽也做过一些初步研究［10］，但有关冷热洞、白龙洞和龙井洞洞穴环境评价比较的研究未见报道。因此，选取贵州龙井洞、白龙洞和冷热洞为研究对象，应用潜在生态危害指数法、SPSS10单因素方差分析来研究洞穴土壤受重金属综合污染的程度及单项重金属在3洞穴中污染的程度是否存在差异，旨在了解洞穴环境受重金属污染的状况及其差别，从而为环保部门更好地保护或开发利用洞穴资源提供参考数据。

1 研究区域概况

1.1 环境概况

冷热洞位于贵州省遵义市凤冈县境内，地理坐标27°50′55″N，107°51′55.4″E，海拔722 m，为盲洞。洞口朝向为东偏南249°，洞口呈弧形，高15 m，最宽处17 m。洞口前分布有蕨类植物、藤本植物、灌木丛及草本植物等。有光带长18 m，最宽处16 m，最高处14 m。此带分布有蕨类、地衣、苔藓及藻类植物等，该带温度17℃，湿度93%，pH值为6.5；弱光带长18 m，最宽处4.5 m，最高处7 m，该带温度为15℃，湿度97%，pH值为6.5；黑暗带长350 m，最宽处9 m，最高处7 m.，此段温度15℃，湿度99%，pH值为6.5。

白龙洞位于贵州省贵阳市，地理坐标26°32′33″N，106°40′37″E，海拔1 108 m。前洞口朝向为东偏南245°，为穿洞。洞口周围乔木分布有枇杷（Eriobotrya japonica）、女桢（Ligustrum lucidum）和法国梧桐（Platanus acerifolia）等。洞口最宽2.8 m，最高为3.8 m。有光带长20 m，最宽3 m，湿度88%，温度18℃，pH值为6.4；弱光带长83 m，最宽9 m，最高14 m，湿度90%，温度17℃，pH值为6.2；黑暗带长400 m，最高11 m，最宽13 m，湿度92%，温度16℃，pH值为6.2。白龙洞后洞口地理坐标26°32′27″N，106°40′22″E，海拔1 113 m，最宽2 m，最高2 m，洞口朝向为北偏西65°，洞口周围乔木有香樟（Cinnamomum camphora）和法国梧桐（Platanus acerifolia）等。后洞口有光带长41 m，最高5 m，最宽4 m，湿度85%，温度18℃，pH值为6.4；弱光带长38 m，最宽9 m，最高4 m，湿度90%，温度17℃。

龙井洞位于贵州省贞丰县境内，地理坐标25°22′27″N，105°39′4″E，海拔1 049 m，为盲洞。洞口呈倒U形，最宽7.4 m，最高9.8 m，朝向为东偏南180°。洞口周围分布有乌桕（Sapium sebiferum）、椿树（Ailanthus altissima）等乔木。龙井洞全长154.3 m，有光带长40.4 m，湿度91%，温度24℃，pH值为5.8；弱光带长14.7 m，湿度93%，温度22℃，pH值为6.7；黑暗带长99.2 m，湿度95%，温度20℃，pH值为6.4。

2 研究方法

2.1 野外调查取样

对洞穴的光照度、各洞段的温湿度、洞穴水域pH值、洞口朝向、地理坐标和海拔高度进行调查，所使用的工具有上海嘉定学联仪器厂生产的JD-3型数字式光照度计、北京亚光仪器有限责任公司生产的JWSA2-2型温湿度计、精密pH试纸、上海嘉定学联仪器厂生产的指北针和美国生产的奇遇（eTrex Venture）GPS定位仪；在有光带、弱光带和黑暗带干燥地表采用梅花型方式分别取混合土样1 kg；洞穴滴水样品在各光带有滴水的地方用水样瓶取500 mL混合水样。

2.2 室内检测分析

2.2.1 样品检测 对土样及水样中重金属元素锌（Zn）、铜（Cu）、砷（As）、镍（Ni）、铬（Cr）和汞（Hg）含量的检测所使用的工具有AA800原子吸收光谱仪和6300原子荧光光谱仪。

2.2.2 单因素方差分析 单因素方差分析的控制变量只有一个。在单因素方差分析中，观察变量随着某一个控制变量的不同水平造成了显著差异和变动。其统计方法为计算F统计量，并进行F检验。SST为总的变异平方和，由两部分组成，即SSA（组间Between Groups离差平方和）和SSE（组内W ithin Groups离差平方和）。SSA是由控制变量引起的离差，SSE是由随机变量引起的离差。

式中，k为水平数，n为个案数，ni为第i个水平下的样本容量，xi为第i个水平下的样本容量。F统计值是在（k-1，n-k）个自由度下的F分布，相应的相伴概率值由SPSS依据F分布表给出。如果显著性水平大于相伴概率值，则认为各总体均值有显著差异是在控制变量不同水平下完成的，反之，则没有显著性差异。

3 结果与分析

3.1 洞穴土壤重金属的含量及分析

将在3个不同洞穴采集的土样带回实验室进行重金属含量测定，测定值如表1（以GB15618—1995《土壤环境质量标准》作为参考值）。

表1 白龙洞、冷热洞和龙井洞土样重金属含量（mg/kg）

从表1看出，（1）3个洞穴中，冷热洞土样的重金属含量均超过中国土壤背景值，白龙洞和龙井洞土样中的重金属含量除Cr外，均超过中国土壤背景值。其中Zn的平均含量最高，Hg的平均含量最低。（2）各洞穴土样中6种重金属的平均含量存在差异。如按重金属平均含量的高低顺序排列，龙井洞为Zn＞Cr＞Cu＞Ni＞As＞Hg，白龙洞为Zn＞Cu＞Ni＞Cr＞As＞Hg，冷热洞为Zn＞Cr＞As＞Cu＞Ni＞Hg。其原因可能与重金属的存在形态及理化性质有关。（3）不同洞穴土样中同种重金属的平均含量存在差异。如重金属Cu、Ni、Zn和Hg的平均含量大小关系均为白龙洞＞龙井洞＞冷热洞。其原因也许是由于白龙洞属于旅游洞穴，受人为污染较严重；或可能与其本身的矿物含量以及成土母质和岩石种类有关，也与同种重金属在不同洞穴环境中的溶解度不同有关［11］。

3.2 不同洞穴土壤重金属平均含量的差异分析

通过SPSS 10单因素方差分析同种重金属在龙井洞、白龙洞和冷热洞土壤中平均含量的差异，结果见表2。

表2 不同洞穴土壤重金属平均含量的差异分析（mg/kg）

从表2看出，Cr、Cu、Zn和Hg在3个洞穴土壤中的平均含量差异不显著；Ni在白龙洞和冷热洞土壤中的平均含量差异显著，而龙井洞土壤中Ni的平均含量与其余两洞差异不显著；As在龙井洞和白龙洞土壤中的平均含量差异不显著，而冷热洞土壤中As的平均含量与其余两洞差异显著。这可能与重金属的理化性质和环境中含量有关，也可能在于同种重金属在不同洞穴中伴随空气沉降或水源渗透的量不等所致［12］。

3.3 洞穴水样重金属的含量及分析

白龙洞、龙井洞和冷热洞内各光带水样6种重金属含量见表3（以GB/T14848-1993《地下水质量标准》作为评价参考值）。

从表3看出，（1）在3个洞穴的水样中，各光带Zn的平均含量最高，Hg的平均含量最低。（2）在同一洞穴，水样中6种重金属的平均含量存在差异。如按重金属平均含量的高低顺序排列，龙井洞为Zn＞Cr＞Cu＞As＞Ni＞Hg，白龙洞为Zn＞Cr＞Cu＞As＞Ni＞Hg，而冷热洞为Zn＞Cr＞As＞Ni＞Cu＞Hg。其原因可能与重金属的存在形态及理化性质有关。（3）在不同洞穴，水样中同种重金属的平均含量存在差异。如重金属Cr、Cu和Zn在3个洞穴水样中的平均含量大小关系均为白龙洞＞龙井洞＞冷热洞。其原因在于白龙洞属于旅游洞穴，受人为污染较严重；或可能与重金属在不同洞穴环境中的氧化还原能力不同有关；也可能与同种重金属在不同洞穴水源中的溶解度不同有关［13］。

3.4 不同洞穴水样重金属平均含量的差异分析

通过SPSS 10单因素方差分析，分析同种重金属在龙井洞、白龙洞和冷热洞水样中平均含量的差异，分析结果见表4。

从表4中可以看出，Cr在龙井洞和冷热洞水样中的平均含量差异不显著，而白龙洞水样中Cr的平均含量与其余两洞差异显著；Cu在白龙洞和冷热洞水样中的平均含量差异显著，而龙井洞水样中Cu的平均含量与其余两洞差异不显著；Ni、Hg在龙井洞和白龙洞水样中的平均含量差异不显著，而冷热洞水样中Ni、Hg的平均含量与其余两洞差异显著；Zn在三个洞穴水样中的平均含量差异不显著；As在龙井洞和冷热洞水样中的平均含量差异显著，而白龙洞水样中As的平均含量与其余两洞差异不显著。其原因在于同种重金属在不同洞穴中伴随空气沉降或水源渗透的量不等所致，或与洞穴的环境因子有关，也可能与重金属相结合的活性物质数量的多寡有关［14］。

3.5 洞穴土壤重金属的生态危害评价

表4 不同洞穴水样重金属平均含量的差异分析 （mg/L）

对龙井洞、冷热洞和白龙洞内土壤进行污染评价所使用的方法为潜在生态危害指数法，该方法由瑞典科学家Hakanson提出［15］。首先引入中国土壤背景值［16］，用洞穴土壤重金属的实测值比上中国土壤背景值得到单项污染系数，然后将重金属毒性响应系数引入，得到潜在生态危害单项系数，洞穴土壤中多种重金属的潜在生态危害指数（RI）最终通过加权得到。其计算公式如下：

式中，Cin为重金属i的评价参比值，Cif为某一重金属的污染系数，RI为多种重金属潜在生态危害综合指数，Ci为重金属i的实测浓度，Eir为单一重金属的潜在生态危害系数，生物对重金属的毒性水平以及重金属的敏感程度，用Tir毒性响应系数来反映，Ni、Cu、Hg、Zn、Cr和As 的毒性响应系数分别为 5、5、40、1、2和10［17］。

通过公式（2），算出白龙洞、冷热洞和龙井洞土壤中各重金属的污染指数及潜在生态危害系数。先计算洞穴中有光带、弱光带和黑暗带土壤中各重金属的平均含量，然后将各重金属含量平均值与重金属污染潜在生态危害系数分级标准（见表5）进行比对［18］，得出3个洞穴土壤中重金属的污染程度及潜在生态危害程度（表6）。

表5 污染程度与潜在生态危害程度和评价指标的关系

由表6可以看出，在龙井洞和白龙洞6种重金属中，Hg的污染系数均最大，分别是7.08和54.15，均处于高污染；Cr在两洞穴中的污染系数均最小，分别是0.91和0.58，均处于低污染。在冷热洞，As（5.33）的污染系数最大，处于较高污染；最小的是Cr（1.06），处于中污染。Hg的单项潜在生态危害系数在冷热洞、白龙洞和龙井洞中均最大，分别是166.00、2 166.00和283.20，分别处于高生态危害、极高生态危害和高生态危害。从洞穴土壤中6种重金属的综合潜在生态危害指数（RI）可看出，3个洞穴土壤中6种重金属的综合危害程度，白龙洞土壤处于高生态危害水平，龙井洞土壤处于较高生态危害水平，而冷热洞处于中等生态危害水平。

表6 龙井洞、冷热洞和白龙洞土壤重金属的潜在生态危害评价结果

综上可知，龙井洞、白龙洞和冷热洞都受到不同程度的污染。在6种重金属中，Hg是3个洞穴最主要的生态风险因子。另外，综合潜在生态危害指数在3个洞穴中白龙洞最高，处于高生态危害水平。因此，应加大对白龙洞生态环境的保护力度。如颁布实施地方保护法规、禁止游客在洞内乱扔垃圾、开展定期污染监测、对洞穴内含汞的荧光灯进行脱汞处理等。

4 结论和讨论

通过对贵州冷热洞、白龙洞和龙井洞环境的比较研究得出，冷热洞、白龙洞和龙井洞都受到不同程度的污染，其中白龙洞受重金属污染最严重，处于高生态危害水平。Hg是3个洞穴最主要的生态风险因子。究其原因：一是土壤Hg污染主要由人为活动导致，如人类对煤矿资源的开采以及燃烧可排放大量的Hg，白龙洞内荧光灯管等设施的使用也会造成Hg污染。二是贵州省Hg的土壤背景值高于全国Hg土壤背景值［19］。三是Hg的毒性响应系数在6种重金属中最大，导致其潜在生态危害系数也最大。白龙洞是旅游洞穴，人为干扰严重，游客的频繁进出将大量重金属带入洞内，对洞穴生境造成严重污染，而冷热洞和龙井洞属于非旅游洞穴，几乎无人为干扰，洞穴生境保护良好，污染较轻。因此，环保部门今后应采取措施加强对白龙洞的保护。

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（责任编辑：肖彦资）

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

国家自然科学基金资助项目（31060287；31160097）

张 俊（1985-），男，仡佬族，贵州正安县人，畜牧师，主要从事喀斯特洞穴动物研究及畜牧水产技术推广工作。

黎道洪