夏尔西里自然保护区土壤重金属空间分布特征及其评价

宿莉娜,毋兆鹏

新疆师范大学 地理科学与旅游学院,新疆 乌鲁木齐 830054

土壤污染大多是由重金属元素引起的，这是一种典型的污染源，隐蔽性极强，而且容易富集，很难进行降解，一般会在土壤里积累很长时间，所以土壤的重金属分布可以看出一个地区的环境污染情况[1]。当前的土壤保护研究大量涉及到重金属污染问题，包括重金属在土壤中的空间分布研究、土壤的修复研究、植物保护研究等[2,3]。在诸多的研究中，一般以污染源富集、植物修复等内容为主，而研究区域大多是城郊或者矿地的灌区，对自然保护区研究依然较少。新疆夏尔希里自然保护区建立于2000年6月，地处亚欧大陆腹地，属中亚、蒙古、西伯利亚生物区系的交汇地带，基本无人类活动，保护区的生态环境较为原始[4]。本研究在地统计学方法和GIS技术支持下，选择包含夏尔西里自然保护区、绿洲、半荒漠、荒漠梯度差异的样带做为研究区域，以保护区结合部为重点，分析该样带中土壤Hg、As、Cd、Cr、Pb、Mn、Cu、Zn、Ni这9种重金属空间分布特征并进行污染状况评价，旨在为自然保护区的生态发展提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2014年7 月和2015年7月，综合考虑自然保护区的地形、地貌、土壤、植被等条件后，分别在夏尔希里自然保护区和保护区外的绿洲、半荒漠、荒漠布设采样带，在采样带依土壤类型选择具有代表性的样点，设置70个土壤采样点（保护区：35个采样点，非保护区：35个采样点），每个样点分层取样，取样深度根据土壤发生层实际情况设置0（表层）、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、80 cm、100 cm采样层，共317个样品（非保护区：170个样品，保护区：147），用GPS记录各个样点的地理坐标。

1.2 样品处理

土壤样品采回之后进行自然风干，将一些植物根系以及有机残渣等剔除，通过木器碾碎处理，过孔径为100目筛，根据土壤环境质量评价标准，取出0.1 kg样品作为测定对象。将样品放入Anton PVC消解罐，用HNO3-HF-HCl-HClO4硝化，然后严密封口，放入消解仪中进行升温，达到170℃之后，保持30 min冷却期，取出并进行试样，最后再一次过滤残渣。当这些工序进行完毕，采用原子荧光光谱法对As与Hg含量进行测定，采用等离子体质谱法对Mn，Cu，Zn，Ni，Pb，Cr，Cd，Co含量进行测定[5]。

1.3 数据处理

运用 Excel2013对数据进行处理和统计分析，采用 Origin 8.0对数据进行正态分布Kolmogorov-Smirnov检验和单因素方差分析，并进行绘图。然后用Arc GIS 9.2确定相关参数，变异函数拟合以及克里格插值。

采用内梅罗综合污染指数法与单因子污染指数法进行土壤污染评价，采用汉克森潜在生态风险指数法进行土壤生态风险评价。由以下公式进行计算：

在以上各式中：Pi表示污染物i的污染指数；Ci表示污染物i的实测浓度；Cni表示污染物i的评价标准，选用新疆土壤中重金属元素的平均背景值；PN表示内梅罗综合污染指数，(Pi)ave表示不同污染指数的算数平均值，(Pi)Max表示最大单项污染指数；Eri表示单污染物潜在生态风险指数；Tri表示单污染物的毒性响应参数；RI表示潜在生态风险指数。按照内梅罗综合污染指数法以及单因子指数法，将重金属污染程度定成五个等级，具体见表1。重金属潜在生态风险的评价分析见表2。

表1 土壤里的重金属污染程度Table 1 Levels of heavy metal pollution in soil

表2 土壤里的重金属污染潜在生态风险Table 2 Potential ecological risk of heavy metal pollution in soil

2 结果与分析

2.1 土壤重金属元素的统计特征

统计分析表明：夏尔西里土壤中9种重金属的平均含量顺序为：Mn＞Zn＞As＞Cr＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Hg。重金属Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg、As变化范围分别为2.50～22.88、28.75～95.00、17.55～153.75、326.25～1148.75、7.50～55.00、21.35～150.00、53.75～521.25、0.00～4.47、18.05～183.71 mg/kg；变异系数分别为0.32、0.19、0.44、0.20、0.22、0.37、0.35、1.52、0.43，除Hg外各项指标均属于中等变异，Hg为强变异性，主要是由于Hg元素在土壤中不易迁移；正态分布检验表明除Mn外均符合正态分布。分析表明夏尔西里土壤中重金属Co、Ni平均含量未超过新疆土壤背景值，Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Hg和As的平均含量均超过新疆土壤背景值，超标分别为1.33、1.67、1.04、2.67、1.67、24.97、6.79。以《土壤环境质量标准（GB15618-1995）》为依据，评价标准为其中的一级指标，除Cr、Ni未超标，Cu、Pb、Zn、Hg和As分别超标1.31、1.45、1.12、2.58、5.21倍。

将采样点划分为半荒漠、荒漠、绿洲和保护区，然后对4个区域的9种重金属元素含量进行统计分析，半荒漠、荒漠、绿洲和保护区与夏尔西里土壤中9种重金属的平均含量顺序相同，说明重金属元素分布规律较为一致。Co的平均含量顺序为：半荒漠＞绿洲＞荒漠＞保护区，Cr的平均含量顺序为：保护区＞荒漠＞半荒漠＞绿洲，Cu的平均含量顺序为：保护区＞绿洲＞荒漠＞半荒漠，Mn的平均含量顺序为：绿洲＞半荒漠＞荒漠＞保护区，Ni的平均含量顺序为：保护区＞半荒漠＞绿洲＞荒漠，Pb的平均含量顺序为：保护区＞绿洲＞荒漠＞半荒漠，Zn的平均含量顺序为：保护区＞绿洲＞荒漠＞半荒漠，Hg的平均含量顺序为：保护区＞荒漠＞绿洲＞半荒漠，As的平均含量顺序为：绿洲＞荒漠＞半荒漠＞保护区。半荒漠区、荒漠、绿洲内土壤的各项指标均属于中等变异，保护区除Hg为强变异性外其他各项指标均属于中等变异。

2.2 土壤中重金属的多元统计分析

夏尔西里地区土壤里的9种重金属相关性呈现出不同的特点：Cu与Pb，Cr与Ni的相关系数最高，达到了0.69、0.68，在0.01水平上呈显著正相关。Co与Mn、Ni、As，Cr与Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg、Cr、Cd，Cu与Ni、Pb、Zn、Hg，Mn与Ni、Zn、As，Ni与Zn、Hg，Pb与Zn、Hg，Zn与Hg存在极显著的正相关性，说明这几种元素之间在夏尔西里土壤中具有共生性，结合采样点很少有人活动，土壤的扰动程度较低，说明重金属关系显著有可能受到地质本身的影响。Co与Cu、Pb、Hg存在极显著的负相关性，Co与Cr存在显著的负相关性相关性，As与Cr、Cu、Ni、Pb、Hg存在极显著的负相关性，说明这些元素之间呈现出相反的变化规律。Co与Zn，Mn与Pb、Hg，Zn与As相关性不显著，说明具有不同的来源。根据重金属变量空间相关性程度的分级标准，Co、Cu、Pb、Zn、As块金Co/(C+Co)比值均在25%～75%之间，均属中度污染，这是空间随机变异与结构性因素一起作用产生的结果，说明该地区土壤的重金属同时受到随机因素和结构性因素的影响，但原来的空间格局还没有遭受到严重的破坏。Cr、Mn、Ni、Hg块金Co/(C+Co)比值＞75%，说明随机性变异主导了变量，降低了空间相关性。

2.3 重金属的污染指数评价

采用内梅罗综合污染物指数法与单因子污染指数法对该自然保护区土壤重金属污染情况进行评价。从各元素的污染指数平均值比较看，各元素单因子污染指数排序为：Hg＞As＞Pb＞Cu＞Zn＞ Cr＞Mn＞Ni＞Co，Ni、Co单因子污染指数均小于1，表明其污染指数值均较低，Cu、Zn、Cr、Mn单因子污染指数属于轻度污染水平，Pb属于中度污染水平，Hg、As属于重度污染水平。从研究区不同区域来看，不同区域间污染程度也有一定的差异，Co在保护区属于安全级别，在其他区域属于轻度污染水平；Cu在保护区属于中度污染水平，在其他区域属于轻度污染水平；Ni在保护区属于轻度污染水平，在其他区域属于警戒线水平；Pb在保护区属于重度污染水平，在其他区域属于中度污染水平；Cr、Mn、Zn在不同区均属于轻度污染水平；Hg、As在不同区均属于重度污染水平。根据综合污染指数的评价，该自然保护区有四个采样区的综合污染指数＞3，说明已经达到重度污染标准。所以这些采样区土壤的Pz顺序为：保护区＞荒漠＞绿洲＞半荒漠。

基于潜在生态风险指数，评估了夏尔西里4个区域土壤中9种重金属的Eri和RI。潜在生态风险系数排序为：Hg＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Cr＞Zn＞Mn，Hg的单因子Eri大于320，潜在生态危害程度最高，处于严重水平的生态风险，As潜在生态危害程度较高，处于中水平的生态风险，其他7种重金属的单因子Eri＜40，说明当前的生态保护较好，生态风险较低。根据综合潜在生态风险指数，半荒漠、绿洲区综合潜在生态风险的指数最低，但300≤RI＜600，说明这些微量金属的综合生态风险较高，而荒漠、保护区的综合潜在生态风险指数＞600，说明综合生态风险同样较高。这些微量金属的综合潜在生态风险指数排序为：保护区＞荒漠＞绿洲＞半荒漠。

70个土壤样点中Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn等7种金属元素的潜在生态危害较低，污染级别也低。但是Hg和As危害最为严重，Hg有6个样品达到了重度生态危害水平和64个样品达到了严重生态危害水平，As有18个样品处于低污染级别、23个样品达到了中度生态危害水平和29个样品达到了较高生态危害水平。

3 结论

（1）夏尔西里土壤中9种重金属的平均含量顺序为：Mn＞Zn＞As＞Cr＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Hg。除Hg外各项指标均属于中等变异，Hg为强变异性，分析表明夏尔西里土壤中重金属Co、Ni平均含量未超过新疆土壤背景值，Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Hg和As的平均含量均超过新疆土壤背景值，超标分别为1.33、1.67、1.04、2.67、1.67、24.97、6.79。

（2）夏尔西里土壤9种重金属的相关性呈现出不同的相关特点：Cu与Pb，Cr与Ni的相关系数最高，达到了0.69、0.68，在0.01水平上呈显著正相关。Co与Cu、Pb、Hg存在极显著的负相关性，Co与Cr存在显著的负相关性相关性，As与Cr、Cu、Ni、Pb、Hg存在极显著的负相关性，说明这些元素之间呈现出相反的变化规律。Co与Zn，Mn与Pb、Hg，Zn与As相关性不显著，说明具有不同的来源。

（3）单因子污染指数排序为：Hg＞As＞Pb＞Cu＞Zn＞Cr＞Mn＞Ni＞Co，根据综合污染指数评价，该地区土壤的各重金属综合污染指数＞3，说明重金属污染程度较高。该自然保护区以上重金属的Pz顺序为：保护区＞荒漠＞绿洲＞半荒漠。潜在生态风险系数排序为：Hg＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Cr＞Zn＞Mn，根据综合潜在生态风险指数，这些重金属的综合生态风险较为严重。9种微量金属的综合潜在生态风险指数排序为：保护区＞荒漠＞绿洲＞半荒漠。Hg和As是危害最严重的2种金属，对夏尔西里整个区域的土壤重金属潜在生态危害污染贡献较为突出。

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[4]于学峰,刘晓清,王亚萍.红碱淖湖泊表层沉积物重金属生态风险评价[J].地球环境学报,2016,7(2)：173-182

[5]张卫坤,甘华阳,闭向阳,等.海南东北部滨海湿地沉积物微量元素分布特征、来源及污染评价[J].环境科学,2016,37(4)：1295-1305