贵州草海流域不同土地利用方式土壤重金属潜在生态风险评价

郑杰，王志杰，王磊,3，喻理飞,2,3,*，严令斌，柳书俊

1. 贵州大学生命科学学院，贵阳 550025 2. 山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室，贵阳 550025 3. 山地生态与农业生物工程协同创新中心，贵阳 550025 4. 贵州大学茶学院，贵阳 550025

土壤重金属污染已成为世界性的环境问题。受人类活动影响，例如采矿、废水排放、垃圾堆放和大气沉降，土壤重金属不断积累[1-3]。土壤重金属具有高毒性、不可降解性、弱移动性和生物富集性等污染特点[4]，土壤重金属积累将会危害土壤生态系统的结构与功能，并间接对人体健康和其他生物造成危害[5-7]。

目前，土壤重金属污染研究主要集中于重金属的来源解析、空间分布特征、污染评价和风险评价等方面[8-10]。以往的研究主要集中在单一的农业类型或城郊农业土地利用方式上，以集合了多种土地利用类型的流域生态系统为研究区域的研究较少。相关研究表明，不同利用方式下湿地土壤重金属含量差异显著[11]，土地利用方式在转换过程中会引起Pb、Cr、Zn和Cd的浓度变化[12]，自然土地利用方式通过影响土壤有机质等因素，间接影响着土壤重金属负荷水平及分布[13]。因此，在流域尺度上研究土壤重金属污染状况，有利于流域农业结构调整和重金属污染管控，对改善区域生态环境和提高生态系统服务价值具有重要意义。

贵州草海流域是喀斯特高原生态脆弱区典型的小流域，近年来流域土法炼锌活动引起的土壤重金属污染问题越来越受到关注。然而，当前草海流域土壤重金属污染研究，主要集中于耕地和沉积物[14-15]，难以为流域尺度的重金属污染识别和防治提供决策支持。鉴于此，本研究以草海流域不同土地利用方式为研究对象，分析表层土壤重金属Hg、Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr和Zn含量，利用潜在生态风险指数法(RI)和反距离权插值法(IDW)研究草海流域土壤重金属的潜在生态风险及空间分布，旨在揭示草海流域不同土地利用方式下土壤重金属的污染特征及分布规律，以期为流域土壤重金属污染防治提供参考依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省毕节市，东经04°10’16’’～104°20’40’’，北纬26°47’32’’～26°52’52’’。研究区是我国特有的黑颈鹤等珍稀鸟类的栖息地，是一个完整的、典型的喀斯特高原小流域。研究区地势东部最高、西南部较高，中部为湖区，流域出水口在西北部，平均海拔为2 171.7 m，流域面积为96 km2，土壤类型以黄壤、黄棕壤为主，土地利用类型主要耕地、林地、灌草地、城镇用地和水域。研究区历史上有著名的“土法炼锌”工业，至今仍见大量的炼锌废弃炉、废弃渣，对区域土壤环境造成严重污染。近年来，研究区管理者开展了3种生态保护模式，即流域西南部黑颈鹤栖息地保护(Ⅰ)、北部面山退耕还林及绿化(Ⅱ)和流域东部自然植被恢复区(Ⅲ)(图1)，以改善草海湖水质和保护黑颈鹤的栖息地与觅食地。

1.2 样品采集与测定

以上述3种生态保护模式为基本单元，根据单元内不同土地利用类型面积权重确定土壤采样点数量，同时保证各单元不同土地利用类型至少具有3个采样点。在实际采样过程中，对于落在道路、建筑等不适合采样的点，调整到临近样地进行取样，利用GPS确定采样点的实际坐标位置，实际共采集75个土壤样点，包含耕地36个，林地14个，灌草地11个，城镇用地14个(图1)。各采样点采用梅花取样法采集5个分点，各分点取表层(0～20 cm)土壤1 kg，采用四分法从中选取1 kg多点混合样品一份，编号、装入聚乙烯塑料袋，作为代表该采样点的混合样品。将土壤样品带回实验室剔除石头和植物残体，自然风干，经磨碎、过100目尼龙网筛、混匀等处理之后保存待测。土壤样品采用HNO3-HCl-HF-HClO4法电热板加热消解并处理后，As和Hg含量用PERSEE原子荧光光机(PF-7)测定，Cd、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni的含量用火焰原子吸收光谱仪(Agilent200AA)测定。每批土壤做3次空白样和平行样，取平均值作为样品重金属元素的最终含量。测试过程中加入国家标准土壤参比物质(GSS-12)进行质量控制，各重金属的回收率均在国家标准参比物质的允许范围内。

1.3 潜在生态风险指数法

采用潜在生态风险指数(potential ecological risk index, RI)进行评价[16]，计算公式为:

1.4 反距离权重插值法

在ArcGIS10.2中对4种土地利用类型分别进行反距离权插值法(IDW)制图，采用土地利用矢量图融合得到研究区土壤重金属含量和风险指数空间分布图。IDW基本原理是空间异质性和空间自相关性为前提和基础，以插值点与样本点的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。

图1 研究区生态保护模式与和采样点Fig. 1 Ecological protection model and sampling points in the study area

表1 富集指数与污染程度和潜在生态程度Table 1 Enrichment index and pollution degree and potential ecological level

2 结果和讨论(Results and discussion)

2.1 草海流域土壤重金属含量统计分析

由表2可知，Hg、Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr和Zn含量的平均值分别是0.13、2.71、19.39、39.87、62.71、45.16、91.67和169.23 mg·kg-1，分别为贵州省背景值的1.17、4.11、0.97、1.25、1.78、1.15、0.96和1.70倍，变异系数分别为188.42%、51.47%、41.62%、33.41%、117.61%、33.09%、26.92%和60.89%。其中Hg(188.42%)、Pb(117.61%)、Zn(60.89%)和Cd(51.47%)的变异系数超过了50%，变异比较明显，表明它们受到外界影响比较强烈，空间异质性较大，受人为因素影响的可能性较大，可能由研究区工业、农业和交通等[18-19]人为活动所导致。

进一步分析表明(ANOVA，P=0.05，SPSS22)，研究区不同土地利用方式仅对Cd和Zn含量有显著影响(P<0.05)，而对Hg、As、Cu、Pb、Ni和Cr含量无显著影响(P>0.05)。其中，城镇用地Cd显著高于耕地、林地和灌草地(P<0.05)，Cd在耕地、林地和灌草地中无显著差异(P>0.05)，城镇用地Zn显著高于耕地和灌草地(P<0.05)，Zn在耕地、林地和灌草地中无显著差异(P>0.05)，表明城镇用地对Cd和Zn负荷影响有显著作用。吕建树和何华春[20]研究认为，Cd和Zn在城镇建设用地的平均含量显著高于其他地类，其原因是受成土母质和人类活动(工业、交通和农业)共同影响。本研究中城镇用地包含工矿用地、居民住地和交通运输用地，由于研究区电焊厂、化肥和钢铁加工厂相对较发达，它们通常是Cd和Zn的污染源[21]，交通运输、汽车轮胎磨损和尾气排放都是Cd和Zn的重要来源[22]，因此，导致城镇用地中Cd和Zn含量显著提升。此外，由于研究区历史土法炼锌和研究区属于Cd高背景区[23]，致使Cd和Zn明显高于区域背景值。

表2 土壤重金属含量描述性统计Table 2 Descriptive statistics of soil heavy metal

注：不同小写字母表示同列差异显著(P<0.05)，下同。
Note: The different lowercase letters indicate significant differences within the same columns (P<0.05), the same below.

2.2 土壤重金属的空间分布特征

由图2可知，Pb、Ni、Cr和Zn的高值主要出现在西南角，该区域主要的土地利用类型为林地和耕地，Cd的高值主要出现在东南部，该区域也出现了Pb和Zn的高值，该区域主要的土地利用类型为林地和城镇用地，这表明，Pb-Ni-Cr-Zn、Cd-Pb-Zn之间具有一定的空间关联性，表明它们可能有共同的来源。研究认为，农业用地中添加的磷肥、含量复合肥和有机肥，以及城镇垃圾中均含有Pb、Ni、Cr、Zn和Cd等重金属[24]。相关资料[15]结合现场调查发现，草海流域东部集雨区范围内曾有大量的土法炼锌遗留废弃炉117 000 t，分布面积约0.32 km2，流域西南部曾经也有土法炼锌活动，至今仍见大量的土法炼锌遗留废弃炉、废弃渣。在本研究中这些元素的高值与土法炼锌遗址分布比较吻合(图1和图2)。当年炼锌产生的大量黑色烟尘，含有Cd、Pb、Zn、Cr和Ni等重金属元素，沉降于土壤中，对周围土壤造成严重污染，因此，推测土法炼锌活动是导致这些重金属含量提升的主要原因。

许多研究指出，工业、交通运输、污水和农业是Cu的主要来源[25-26]。本研究中Cu的高值主要出现在东北部(图2)，其土地利用类型主要为城镇用地和灌草地。该区域靠近威宁县城，电焊厂、化肥和钢铁加工厂相对发达，县城排水排污系统不够完善，大量的生活垃圾和污水被随意排放，致使这些区域Cu含量提高。本研究中Hg分布均匀，其高值呈零星分布模式，Hg的平均值比背景值偏高，变异系数较大(图2和表2)，人为来源(工业、交通、污水和大气沉降)和自然(土壤地质)来源对土壤中的Hg均有贡献，本研究结果与相关研究结果一致[23]。本研究中As的高值呈零星分布，变异系数较小，同时没有超过贵州省背景值，并且在流域内分布比较均匀(图2、表2)，因此，推测As主要受地质背景控制，本研究结果与余葱葱等[27]的研究结果一致。

2.3 不同土地利用类型土壤重金属潜在风险评价

显著性分析(ANOVA，P=0.05，SPSS22)表明，不同土地利用方式仅对Cd和Zn的富集水平和单因子潜在生态风险有显著影响(P<0.05)，对其余重金属的富集水平和单因子潜在生态风险无显著影响(P>0.05)(表3)。草海流域土壤重金属RI的平均值为204.59，为中度风险水平(150≤RI<300)(表4)。4种不同土地利用类型土壤重金属的RI平均值有所差异，由大到小依次为城镇用地(243.66)、耕地(209.71)、林地(192.50)和灌草地(153.53)，但均为中度风险水平(表4)。

图2 不同土地利用类型下土壤重金属含量的空间分布Fig. 2 Spatial distribution of soil heavy metal content under different land use types

图3 土壤重金属的潜在生态风险空间分布Fig. 3 Spatial distribution of potential ecological risks of heavy metals of soil

表4 不同土地利用方式下土壤重金属的潜在生态风险Table 4 Potential ecological risks of soil heavy metals under different land use patterns

2.4 土壤重金属潜在生态风险的空间分布

根据RI计算公式得到75个采样点的RI值，即草海流域土壤RI变化范围处在68.60～985.29之间，采用IDW法，按照Hakanson分级标准划分综合潜在生态风险等级，结果如图3所示。

由图3可知，草海流域土壤重金属综合潜在生态风险空间分布差异较小。中度潜在生态风险是流域主要的风险类型，4种土地利用类型均有分布，其面积很大且连续性高。很强潜在生态风险主要分布在东北部，其土地利用类型主要是城镇用地和灌草地。较强潜在生态风险主要分布在2个区域：一是流域东部中段，其土地利用类型主要以灌草地为主；二是流域西南部，其土地利用类型主要是耕地和林地；此外在流域南部和北部有小面积分布，以耕地类型为主。轻度潜在生态风险面积相对较少，在西北部、北部呈聚集分布模式，其土地利用类型主要为耕地和建设用地；在东部呈斑块分布模式，其土地利用类型主要为林地。

据图3可看出，Ⅰ区和Ⅱ区主要以轻度和中度潜在生态风险为主，较强潜在生态风险较少，无很强潜在生态风险；Ⅲ区轻度潜在生态风险较少，以中度潜在生态风险为主，存在一定面积的较强潜在生态风险和很强潜在生态风险。这表明，潜在生态风险在Ⅲ区最高，Ⅰ区次之，Ⅱ区最低，分析原因，可能是由土法炼锌活动不均匀性和土地利用方式的不同导致。本研究清晰地反映了不同土地利用方式下土壤重金属的含量及潜在生态风险(图2和图3)与“土法炼锌”遗址(图1)的空间关系，推测“土法炼锌”和城镇土地利用方式是导致研究区土壤重金属综合潜在生态风险为中度风险水平的主要原因。因此，为了防止土壤重金属对草海湖水质和黑颈鹤栖息地造成污染，相关管理部门应当在清除土法炼锌残渣和完善排水排污系统的前提下，减少流域内的城镇用地，控制工业数量，采取有效的管控措施，避免土壤重金属进一步扩大污染范围。