西北内陆盐湖盆地土壤重金属Cr、Hg、As空间分布特征及潜在生态风险评价

高瑞忠,张阿龙,张 生,,贾德彬,,杜丹丹,,秦子元,王喜喜

1 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特 010018 2 内蒙古水资源保护与利用重点实验室,呼和浩特 010018 3 美国欧道明大学,诺福克 23529

土壤既是各种化学离子的归宿,又是这些离子向水体、大气和生物传播的媒介,其中重金属离子在土壤中具有隐蔽、累积、滞后和不可逆等性质[1],并会抑制植物与微生物的生长和活动,通过食物链不断累积和传输而进入人体,威胁人类健康[2],且重金属污染极难治理,因此,关于重金属的形成、运动和污染防治成为近年来国内外研究的热点。大部分学者[3- 10]对土壤重金属空间分布和生态风险评价的研究集中在工业发达区,侧重于利用传统的统计方法进行数值计算与评价,而对于经济相对不发达的西北内陆旱区盐湖盆地的土壤重金属富集特征、空间分布和潜在生态风险评价等方面的研究却鲜有报道。鉴于西北旱区的土壤质量与地下水为主的供水水源安全密切相关,本文以吉兰泰盐湖盆地为研究对象,揭示西北旱区盐湖盆地土壤中Cr、Hg、As的富集特征与空间分布规律,采用单因子评价法、内梅罗综合指数评价法和潜在生态风险评价法进行盐湖盆地主要重金属成分的评价,并利用统计相关和主成分分析辨析土壤中重金属的来源及与其他离子成分的同源性,旨在为西北旱区盐湖盆地流域社会经济发展中土壤环境保护、土壤污染治理、土壤环境风险预警、土壤资源合理利用和地下水水源安全开采利用等提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 研究区地理位置及土壤采样点图 Fig.1 Geographic location and soil sampling points of the study area

吉兰泰盐湖盆地位于内蒙古阿拉善盟中东部,东南邻贺兰山北麓,西北以巴音乌拉山为界,东北与乌兰布和沙漠相接,西南以腾格里沙漠的东北缘为界,总面积20025 km2,地面高程变化1013—3159 m(图1)。地貌以基岩山地、山前倾斜平原、台地、沙地和盆地为主[11]。

吉兰泰盐湖盆地地处欧亚大陆腹地,属典型的大陆性干旱气候,干旱少雨,蒸发强烈,冬寒夏热,日照强烈,多年平均降水量108.8 mm,蒸发量2983.3 mm,气温8.6℃,相对湿度39.9%,风力4—5级,风速3.03 m/s,日照时数3300 h[12]。植被稀少,属于荒漠化草原,主要植物为琵琶柴、梭梭、蛇麻黄等旱生植物,生态环境极其敏感和脆弱。

吉兰泰盐湖盆地主要行政区划为吉兰泰镇,该区以吉兰泰盐湖盐业及副产品工业为主,包括少量农业、畜牧业和商业等共存的多元化经济结构。吉兰泰盐湖是我国最大的内陆湖盐生产基地,在全国盐业生产工业中具有举足轻重的地位。

1.2 数据来源与处理

1.2.1采样点布设

按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166- 1995) 的布点要求,结合盆地的地貌特征和土壤类型,考虑盆地地下水的主要汇流方向,以吉兰泰盐湖为中心向四周呈放射状均匀布设土壤采样点,共40个(图1)。

1.2.2样品采集与测定

对于每个采样点采用手持GPS定位,分3层采样,共采集120个代表性样品。每个采样点的分层采集深度为表层、50 cm和100 cm,每个样品重量约为1.0 kg,装入聚乙烯塑料袋。所有样品在内蒙古自治区“水资源保护与利用”重点实验室进行测定,土壤重金属样品的分析采用王水-高氯酸(HNO3-HCl-HClO4) 开放式消煮法,空白和标准样品(GBW08303,国家标准物质研究中心) 同时消解,以确保消解及分析测定的准确度和用于回收率的计算。分析过程中所用试剂均为优级纯,Hg和As通过北京普析通用PF6- 2型双道全自动原子荧光光度计测定,检出限分别为Hg<10-5mg/kg、As<10-5mg/kg,精密度<1.0%,测试线性范围>103；Cr通过日立Z- 2700型石墨炉原子吸收分光光度计测定,检出限为0.004 mg/kg,精密度≤1.0%,样品残留≤10-5。为保证分析的准确性,重金属含量测定全程做空白样,每个样品均采用3组平行实验,取均值作为样品测定最终量。

土壤六价铬离子的测定分析采用分光光度法先将土壤通过碱性消解技术消解,土壤pH、电导率与离子分析采用标定好的PH计、电导率仪与离子色谱仪,土壤六价铬离子的测定分析先将土壤通过碱性消解技术消解,采用分光光度法进行检测,检出限0.001 mg/kg。

1.2.3数据处理

常规数理统计分析采用Excel@2010软件完成,主成分分析和统计相关检验分析采用DPS@15.1数据处理系统[13]完成,空间分布图通过ArcGIS@10.1软件制作。

1.3 研究方法

1.3.1单因子污染指数法

单因子污染指数法是对土壤中的某一种污染物的污染程度进行评价,是国内外普遍选用的评价方法之一,计算公式为[14]:

(1)

式中,Pi是第i种土壤污染物的环境质量指数；Ci是第i种土壤污染物的实测值,mg/kg；Si是第i种土壤污染物的评价标准值,mg/kg,这里选用内蒙古地区土壤重金属元素的平均背景值[15]和国家二级土壤标准值[16]。Pi值越大,表示土壤污染越严重,以Pi将土壤污染分为未污染(Pi≤1)、轻微污染(1

1.3.2内梅罗综合指数法

内梅罗(Nemerow)综合指数法不仅可以反映土壤中各种污染物的平均污染水平,还可以反映最严重污染物的平均污染水平,突出了最严重污染物给环境造成的危害,计算公式为[17]:

(2)

式中,PN为综合污染指数；(Ci/Si)max为各污染物中污染指数最大值；(Ci/Si)ave为各污染物中污染指数的算术平均值。依据内梅罗综合指数可将土壤重金属污染划分为安全(PN≤0.7,清洁)、警戒限(0.73.0,土壤受污染已相当严重)5个等级。

1.3.3潜在生态风险指数法

采用Hakanson潜在生态风险指数法对重金属污染进行生态风险评价,该方法以土壤/沉积物中重金属的元素背景值[15]为基准,结合重金属的生物毒性(毒性响应因子)、环境效应(污染指数)计算其潜在生态风险系数,评价公式如下[18]:

(3)

1.3.4数理统计分析法

利用土壤重金属之间、以及与土壤中其他主要离子成分的统计相关性来判断它们是否具有同样的来源[21- 24]。当重金属成分与某离子成分相关系数r<|r0|min时,可接受重金属成分与该离子成分为独立的这一假设,排除该离子成分与重金属成分具有同源性；而r>|r0|min当时,表明重金属成分与该离子成分为相关序列的假设,它们具有相同或相似的来源,其中：

(4)

式中,|r0|min为重金属成分与某离子成分之间显著相关系数的最低值,p为显著性水平,tp为分布双侧检验的临界值,n为数据个数。

主成分分析是将原来变量重新组合成一组新的互相独立的几个综合变量,这些变量可以尽可能多地反映原来变量的信息,以实现高维数据到低维数据的转化,进而简化数据分析的过程[25]。这里通过主成分分析来探究解释不同土壤层不同重金属元素的同源性。

2 结果与分析

2.1 土壤中Cr、Hg、As含量统计特征

盐湖盆地各层土壤重金属Cr、Hg、As的统计参数结果如表1所示。土壤中的Cr、As在各层均具有较大的标准差,最大值与最小值之间差异悬殊,而均值和中位数近似一致,表明各层测点数据变化较大,但各层之间含量具有相似的分布特征；Hg的各层含量均值和标准差近似一致,而中位数相差较大,表明各层之间数据变化存在一定的差异。变异系数可以表征数据的离散程度[26],变异系数小于16%为弱变异性,变异系数在16%—36%为中等变异性,变异系数大于36%为强变异性[27],土壤中各层的Cr与As属于中等变异性：而Hg属于强变异性。由偏度和峰度可大致了解数据偏离正态分布的程度[28],各层土壤Cr、Hg和As的偏度和峰度绝对值均大于0,说明各层的数据分布均为非标准正态分布。各层Cr、Hg、As的最大值均大于内蒙古地区背景值[15],最小值均小于内蒙古地区背景值,表明盐湖盆地存在Cr、Hg、As的局部超标点或超标区域,而对比国家二级土壤标准值[16],盐湖盆地的Cr、Hg、As含量均属于国家标准范围以内。

表1 研究区域土壤重金属统计特征分析

2.2 土壤中Cr、Hg、As的空间分布特征

利用ArcGIS 10.1绘制吉兰泰盐湖盆地区3层3种土壤重金属空间分布图(图2—4),可以看出,同种元素的不同层对比,总体具有相似的空间分布特征。

不同深度土壤中Cr含量的高值分布区主要位于吉兰泰盐湖盆地西北部的巴音乌拉山和乌兰布和沙漠地区,而且对于土壤100 cm深处,在盐湖盆地的西南地区也出现Cr含量的高值区；吉兰泰盐湖附近含量较高(图2)。这种分布特征的原因为上游巴音乌拉山丘区有含Cr矿物,季节性河流经过多年雨季溶解且顺流而下,形成该区Cr含量的较高分布。

图2 不同深度Cr的空间分布图Fig.2 Spatial distribution of Cr in different depth

不同深度土壤中Hg含量变化近乎一致,高值区主要分布在吉兰泰盐湖盆地的西南低山台地地区,在盐湖盆地的东北地区出现局部高值点；吉兰泰盐湖附近土壤中Hg分布含量较低(图3)。Hg主要分布在图格力高勒沟和沙尔布尔的沟附近区域,原因是地势较高的上游低山台地地区存在含Hg矿物,经过雨水冲刷被带到沟中,顺流而下形成水走盐流的累积,造成研究区西南部Hg含量较高。还有,该区域被省道218穿过,车流量较大,尾气中重金属Hg污染较为严重[29],Hg排放到空气中,最后沉降到该区附近,被雨水冲刷到沟中,导致该区Hg浓度较高[30-33]。

图3 不同深度Hg的空间分布图Fig.3 Spatial distribution of Hg in different depth

对于不同深度土壤中的As,土壤深度50 cm以上在吉兰泰盐湖附近含量较高,在盐湖西南地区含量及东北乌兰布和沙漠地区含量较低,在东南贺兰山和巴音乌拉山西北部含量较高；在土壤深度100 cm深度处盐湖处As的含量较低,乌兰布和沙漠地区含量较高(图4)。由于该区土壤As元素浓度较高区域主要分布在盐湖周边及南北部区域,这是多年蒸发浓缩导致。

图4 不同深度As的空间分布图Fig.4 Spatial distribution of As in different depth

总体上,3种重金属元素在吉兰泰盐湖盆地区呈现了明显的斑块分布特征,这也说明研究区土壤可能由于局部受到工业排放、交通运输、大气沉降和生活垃圾排放等的影响。

2.3 土壤中Cr、Hg、As的污染评价

以内蒙古土壤背景值、国家二级标准中的Cr、Hg、As的含量为基准值,采样单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法对吉兰泰盐湖盆地土壤表层、-50 cm层和-100 cm层处的Cr、Hg、As的污染状况进行定量评价。

2.3.1单因子污染指数法

基于内蒙古土壤Cr、Hg、As背景值,以单因子污染指数法进行评价(图5),可以看出,研究区表层土壤中3种重金属监测点污染比重依次为As>Hg>Cr,Hg和As中度污染以上分别占55%和50%,而Cr仅有7.5%的轻微污染；50 cm层重金属污染次序与表层相同,但Hg的受污染监测点少于表层,As的略多于表层,而Cr与表层一致,Hg和As中度以上污染分别占45%和42.5%；100 cm层相对表层和50 cm层,重金属污染比重次序相同,Cr和As的污染比重大于表层和50 cm层,Hg和As中度以上污染分别占40%和37.5%；以各点不同层含量取均值代表0—100 cm内的平均污染状况,土壤污染比重次序与各层一致(As>Hg>Cr),Hg和As中度以上均为45%,而Cr仅有7.5%的轻微污染。

以国家二级土壤标准进行单因子污染指数法评价,各层各元素100%均未超标,均处于未污染状态。

图5 基于内蒙古背景值的单因子污染指数评价比重图Fig.5 Pollution percent from the method of single-factor pollution index based on the background of Inner Mongolia

2.3.2内梅罗综合污染指数法

基于内蒙古土壤Cr、Hg、As背景值,以内梅罗综合污染指数法进行评价(图6),结果表明,研究区表层土壤监测点95%受到污染,其中62.5%受到中度及严重污染；类似于表层土壤,50 cm层处土壤也达到95%的监测点受到污染,但中度及严重污染比重小于表层,为50%；在100 cm层处土壤的污染比重最大,达到97.5%,其中土壤开始受到污染比重较大(45%),中度及严重污染比重与表层和50 cm层处土壤相当(52.5%)；以各点不同层含量取均值代表0—100 cm内的平均污染状况,研究区不存在清洁土壤,尚清洁比重仅占2.5%,开始受到污染的土壤比重为50%,中度污染以上比重为42.5%,少于各层分别的评价结果数量。

图6 基于内蒙古背景值的内梅罗综合污染指数评价污染比重Fig.6 Pollution percent from the method of Nemerow pollution index based on the background of Inner Mongolia

同样,以国家二级土壤标准进行评价,内梅罗综合污染指数法评价表明各层土壤均为100%未受到污染,处于清洁状态。

2.3.3潜在生态风险指数法

基于内蒙古土壤背景值计算3种重金属生态风险系数(图7),可以看出研究区土壤中3种重金属元素的潜在风险系数大小依次为Hg>As>Cr,Hg作为吉兰泰盐湖盆地区土壤重金属风险指数的主要贡献率因子,As次之,由此可见,研究区Hg元素相对于内蒙古土壤背景值而言,存在较大的生态风险隐患,因加以重视。相对于国家二级标准评价结果(图7)而言,Hg和As的风险系数比重同样较大,As的重金属风险指数贡献要比内蒙古土壤背景值评价结果的贡献更加明显,而且这3种重金属尚未对生态环境造成危害。

图7 土壤中重金属Cr、Hg、As的生态风险系数Fig.7 Ecological risk index of heavy metal in the soil

基于内蒙古土壤背景值,计算所有监测点生态风险因子系数的平均值、最大值和最小值(表2),以实现不同土壤层和不同重金属元素污染状况的对比,可以看出生态风险次序依次为表层Hg>50 cm层Hg>100 cm层Hg>表层As>100 cm层As>50 cm层As>100 cm层Cr>50 cm层Cr>表层Cr,Hg整体处于很强生态风险水平,平均生态风险系数达到133.94,最大值达到496.41,Cr和As均处于轻微生态风险水平,均值仅为1.41和17.11,但是依据国家二级土壤标准评价,所有土壤层的Cr、Hg和As生态风险因子平均值均小于40,均处于轻微生态风险水平。

基于内蒙古土壤背景值,对研究区土壤各层潜在生态风险系数进行污染比重统计分析(图8),可以看出,各层土壤为轻微生态风险的监测点数比重在30%—40%之间,土壤为中度生态风险的监测点数占10%—20%之间,强度到极强状况达到40%—60%之间,但从潜在生态风险系数平均水平来看,轻微生态风险占到40%,由中度、强度到极强在20%以内,仅很强生态风险程度略超20%,从而说明研究区大部地区处于轻微生态风险状况,局部地区出现高值生态风险区。而对于国家二级土壤标准,所有测点均没有出现生态风险系数超标值。

绘制基于内蒙古土壤背景值的综合生态指数分布图(图9)进行潜在生态风险的空间变化分析,可以看出吉兰泰盐湖盆地区土壤生态风险系数强度由西南向东北部成扇形递减,西南部图格力高勒沟谷、沙尔布尔德沟谷和低山台地地区潜在生态风险系数达到强度水平(生态风险系数大于300),在贺兰山北部和乌兰布和沙漠地区(生态风险系数小于75)、巴音乌拉山南部山前(生态风险系数在75—150之间)为轻微污染水平,分析原因综合生态指数与主要污染金属Hg含量空间分布特征基本相同,研究区部分点位Hg含量较高,最大值为内蒙古背景值的14.25倍,且Hg导致研究区整体处于很强生态风险水平,Hg是研究区生态风险系数的主导者,在综合潜在生态风险指数贡献率中起主导作用。对于吉兰泰盐湖地区,潜在生态风险指数在在75—150之间,为轻微生态风险状况。

表2 研究重金属Cr、Hg、As生态风险系数最大值、最小值和平均值

图8 基于内蒙古背景值的潜在生态风险指数评价污染比重Fig.8 The pollution percent from the method of Potential Ecological Risk Index based on the background of Inner Mongolia

图9 研究区重金属潜在生态风险指数分区图 Fig.9 Distribution zone of Potential ecological risk index for the heavy metal

2.4 土壤中离子成分的同源性分析

2.4.1土壤离子成分的相关分析

土壤离子成分的来源受土壤天然母质和人类活动的影响,来源的相似性会导致土壤中某些离子成分间表现出一定的相关特点[33],因此,土壤离子成分之间的相关性可以提供或推测土壤重金属污染来源和途径等重要信息,若元素间相关性显著或极显著,则表明元素间一般具有同源关系或呈现复合污染[34-37]。

表3 研究区土壤重金属同种各层之间的相关系数

0.05水平显著相关,样本数为40

2.4.2土壤Cr、Hg、As的污染主成分分析

土壤重金属主要来源于成土母质与人类活动,通过主成分分析可以有效判别重金属元素的污染来源[38,41],前5个主成分累计贡献率达87.112%(表4),可以解释重金属Cr、Hg、As数据所包含的信息。

表4 研究区土壤重金属元素因子载荷

第一主成分(PC1)的特征值为3.597,表层Hg和50 cm层Hg的因子载荷达到了0.456和0.399,并且平均值明显超过了内蒙古土壤背景值,最大值达到了内蒙古土壤背景值的3.75和3.25倍,因此Hg元素主要来源于工业排放、交通污染源等人类活动；第二主成分(PC2)的特征值为1.622,100 cm层Cr和100 cm层Hg载荷较高,分别为0.483和0.540,100 cm层Cr的变异系数低,且与代表土壤性质的MgO和CaO等呈明显的正相关关系,可认为Cr为自然来源[13],研究区Cr的含量较低,均值未超过内蒙古土壤背景值,一般来说,Cr是我国土壤污染程度最低的重金属,较多研究[38- 39,41]均发现土壤中Cr未受到明显的人类活动影响,来源于成土母质；第三主成分(PC3)的特征值为1.172,As和Hg的因子载荷分别为0.515和0.482,表层As的平均值均高于背景值,最大值为内蒙古土壤背景值的2.99倍,并且表层As与、MgO和CaO的相关性较低,说明As为人为来源的元素。

3 讨论

吉兰泰盐湖盆地中土壤普遍含有Cr、Hg、As,它们含量时空分布变化基本符合旱区盆地物理化学特征天然形成规律,但受到人类活动影响而产生局部髙值区域,天然特征与气候或水文地球化学演化规律相关,如从24000—18000 cala BP时期到5.5 calka BP后时期,吉兰泰盐湖盆地各种化学成分不断沉积,盐度不断升高和富集[12,42- 43],Cr、Hg、As也因此含量增高,又如盐湖盆地常年干旱少雨,蒸发强烈,在地下水埋深较浅区域,地下水通过毛细作用不断向地表运移,在地表高温蒸发条件下,各种化学成分开始富积在土壤中,进而导致盐湖盆地土壤中Cr、Hg、As含量局部偏高,因此,盐湖盆地的化学特征与该区域天然环境条件如岩石矿物、水文地质条件、水文地球化学条件、气候条件和人类活动等综合作用的相关。

研究区采样点相对较少,在某种程度上对结果造成一定程度的影响,因此想要细致的掌握旱区盐湖盆地土壤重金属精确污染分布状态,以及详细的污染来源,还需在后续研究中,提高采样密度,提升评价精度,需要进行小尺度的详细研究来揭示该区土壤重金属空间变异性和垂向分布规律,以及沙地土壤重金属评价与污染源查找的研究。

4 结论

(1)吉兰泰盐湖盆地土壤中Cr、Hg、As总体具有相似的空间分布特征。Cr在盐湖盆地西北部的巴音乌拉山、乌兰布和沙漠地区和西南地山台地地区的含量较高；Hg仅在盐湖盆地的西南低山台地地区、以及东北局部区域的含量较高；土壤深度50 cm以上As在吉兰泰盐湖附近、东南贺兰山和巴音乌拉山西北部含量较高,在土壤深度100 cm深度处As在乌兰布和沙漠地区含量较高。

(2)基于内蒙古土壤Cr、Hg、As背景值,研究区土壤单因子评价污染分布比重次序依次为As>Hg>Cr,其中Hg和As中度污染及以上的累计比重分别为55%和50%；；研究区土壤内梅罗污染指数法对均值评价显示,不存在清洁土壤,仅有尚清洁土壤占2.5%,开始受到污染的土壤比重达到50%,中度污染以上比重达到42.5%；研究区土壤潜在风险次序依次为Hg>As>Cr,不同土层生态风险次序依次为表层Hg> 50 cm层Hg>100 cm层Hg>表层As>100 cm层As>50 cm层As>100 cm层Cr >50 cm层Cr>表层Cr,Hg整体处于很强生态风险水平。研究区土壤综合潜在生态污染评价中,轻微生态风险占到40%,且中度、强度和极强均在20%以内,仅很强生态风险程度略超20%,说明研究区大部地区处于轻微生态风险状况,仅在西南低山台地局部地区出现高值生态风险区。

(3)基于国家土壤环境质量二级标准值进行评价,研究区土壤中Cr、Hg、As无论是单因子污染属性、综合污染属性,还是潜在生态风险指数均未出现超标区域,土壤不存在Cr、Hg、As污染或潜在生态风险,但对比内蒙古整个地区来说,研究区区域土壤Cr、Hg、As含量较高。

(4)研究区土壤中Cr主要来源于土壤母质形成过程中的自然来源,Hg和As主要来源于工业排放、交通污染源等人类活动,三者均受到人类活动和自然环境变化的综合影响。