天祝不同退化梯度高寒草甸土壤重金属污染及风险评价

周会程，姚玉娇，梁婷，张玉琪，张德罡*，孙斌，陈建纲

1. 甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续研究中心，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃省草原技术推广总站，甘肃 兰州 730070

土壤是人类生存的基础条件，同时在自然界中占据重要的地位（陈江军等，2018）。土壤重金属污染是指由于土壤微生物不能分解重金属导致重金属累积，致使植物生长不良，通过食物链影响人类健康（Wang et al.，2019；Cheng et al.，2019）。土壤重金属污染，因其隐蔽性、滞后性等特点，对环境造成破坏后不易修复，引起人们关注和研究（宋波等，2018）。近年来，国内外学者对土壤重金属污染方面做了诸多研究，如Zhong et al.（2020）对在华东地区多个个金属矿山的土壤样品，进行测定土壤重金属和有效重金属浓度、土壤理化性质和风险评估等，结果表明不同类型矿井的污染程度不同，但总体上不同地区矿井的污染特征相似，土壤 pH值是影响金属有效性的最主要因素，土壤理化性质对金属有效性影响较大。王德高等（2019）对采煤塌陷区周边土壤样品进行重金属Cu、Zn、Ni等含量测定和土壤污染指数评价，结果表明土壤中重金属来源相似，土壤重金属含量二级超标，单因子Cd污染指数属重度污染。陈为峰等（2019）对山东中部多个城市功能区绿地土壤重金属含量测定，并评价土壤污染特征和生态风险，结果表明各个功能区土壤绿地表层土壤重金属含量高于当地自然背景值，Cd元素严重超标，该市绿地土壤处于轻微生态污染。张英英等（2019）对民勤绿洲耕层土壤理化性状及重金属含量的研究表明，免耕会增加重金属含量，深松会降低重金属Cd含量。目前我国大多数学者对矿区城区和农田土壤的重金属元素进行了大量研究，但涉及高寒草甸土壤重金属的研究较少，尤其是对不同退化程度的高寒草甸土壤重金属含量特征及重金属污染状况的研究结果甚少。

本文以东祁连山天祝县不同退化梯度高寒草甸土壤为研究对象，分析不同退化梯度下不同土层土壤重金属含量及土壤理化性质的变化，利用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法以及潜在生态风险指数法对土壤中 6种重金属铜（Cu）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）、镍（Ni）、铬（Cr）的污染状况及其生态风险进行分析和评价，以期为不同退化梯度高寒草甸土壤退化的治理和恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区甘肃省武威市天祝县（36°31′—37°55′N，102°07′—103°46′E）处河西走廊东端，属青藏高原东北边缘，海拔在2040—3700 m之间。年均降水 416 mm，年均气温-8—4 ℃，雨季集中在7—9月，多为地形雨。土壤pH值7.0—8.2，年均气温-0.1 ℃，全年≥0 ℃积温为 1380 ℃，无绝对霜期。以高山草甸土和亚高山草甸土为主要土壤类型，属高寒草甸，植被类型复杂。

1.2 样地设置及土样采集

依据草地退化程度划分相关评价标准（苏大学等，2003），在2019年8月对天祝县抓喜秀龙乡草地植被进行调查，选择4种退化草地（图1），分别为：未退化草地（Non-degraded grassland，ND），轻度退化草地（Light degraded grassland，LD），中度退化草地（Moderate degraded grassland，MD）以及重度退化草地（Heavy degraded grassland，HD），在不同退化样地分别选择典型样地 4个，样地间距＞200 m，采用随机布点法，每个样地选取6个点，在0—10、10—20、20—30 cm土层用土钻采样，每个点采集3—4钻混合为1个土样，共采取48个土样，将样品带回实验室避光风干、粉碎，过60目筛（孔径0.250 mm）筛，以备土壤理化性质、土壤重金属含量测定用。

1.3 指标测定及方法

土壤全氮（Total Nitrogen，TN）采用凯氏蒸馏法测定其含量，土壤全碳（Total Carbon，TC）含量测定采用全自动碳分析仪测定。土壤全磷（Total Phosphorus，TP）含量测定采用钼锑抗比色法。全钾（Total Potassium，TK）采用火焰光度计测定，土壤pH采用水土比5∶1浸提电位法测定（鲍施旦，2000）。土壤重金属采用微波消解（HNO3-HFHClO4）后，（Cu、Zn、Pb、Cr）采用火焰原子吸收法（FL-AAS）；（Cd、Ni）石墨炉原子吸收法（GFAAS）。

1.4 重金属污染评价

1.4.1 内梅罗综合指数法（徐争启，2008）

（1）单项污染指数计算见式（1）：

式中：Pi为土壤污染物i的单项污染指数；Ci为重金属i的实测浓度，Di为重金属i的评价标准，本实验采用中国土壤元素背景值中的甘肃土壤均值为评价标准（夏家淇，1996）。

（2）综合指数计算见式（2）：

式中：PN为内罗梅综合污染指数；(Ci/Di)max样品中所有污染物中污染指数最大值；(Ci/Di)ave为各污染物污染指数平均值，其综合反映各污染物对土壤污染程度。

单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法将土壤重金属污染划分成5个等级，详情见表1。

图1 样地示意图Fig. 1 Schematic diagram of sample plot

表1 内梅罗综合指数评价标准Table 1 Evaluation criteria of Nemero composite index

1.4.2 潜在危害生态指数法

潜在生态危害指数RI计算见式（3）（徐争启，2008）：

式中：RI为潜在生态危害指数；为单一重金属的潜在生态危害系数；为单个重金属毒性相应系数；为单个重金属的污染系数；为土壤重金属的实测值；为土壤重金属浓度的参比值，＜40，RI＜150，轻 微 生态 危害 ；40≤＜80 ，150≤RI＜300 ， 中 等 生 态 危 害 ； 80≤＜160 ，300≤RI＜600强生态危害；160≤＜320，RI≥600 很强生态危害；≥320，极强生态危害（徐争启，2008）。本文采用《国家土壤环境质量标准二级标准》为参比值（夏家淇，1996），详情见表2。

2 结果分析

2.1 不同退化梯度土壤理化性质

本试验土壤理化性质的统计结果如表3所示。在同土层（0—10 cm）不同退化程度下，HD样地同ND样地相比，全氮、全磷、全钾和全碳含量分别下降16.88%、21.88%、6.36%、24.50%；在同土层（20—30 cm）不同退化程度下，HD样地同ND样地相比，全氮、全磷、全钾和全碳含量分别下降6.40%、33.33%、17.23%、40.54%；同退化程度（ND）下20—30 cm与0—10 cm相比，同一退化随土层加深，全氮、全磷和全碳含量分别下降 22.72%、1.56%和31.70%，全钾含量上升了8.67%。同退化程度（HD）下20—30 cm与0—10 cm相比，同一退化随土层加深，全氮、全磷和全碳含量分别下降12.98%、16.00%和46.21%，全钾含量上升了4.10%。

全氮、全磷、全钾和全碳含量在同土层随着退化梯度加剧而减少，各退化梯度间，全氮含量差异不显著（P＞0.05），全磷和全钾在10—20 cm和20—30 cm差异显著（P＜0.05），全碳在所有土层，含量差异显著（P＜0.05）；pH、电导率随着退化梯度加剧而增加，不同退化梯度间pH差异显著（P＜0.05），电导率在 0—10 cm和 10—20 cm差异不显著（P＞0.05）。全氮、全磷、全钾、全碳和电导率在同一退化梯度随着土层深度增大而减小，全氮在 ND样地、LD样地、HD样地；TC在ND样地、MD样地、HD样地；电导率在所有退化梯度；差异显著（P＜0.05），TP在HD样地差异显著（P＜0.05），TK差异不显著（P＞0.05）；pH随着土层深度增大而增大，在LD样地差异不显著（P＞0.05）。

表2 高寒草甸土壤重金属含量特征Table 2 Characteristics of heavy metal content in soil

表3 不同退化梯度高寒草甸土壤理化性状Table 3 Physical and chemical properties of alpine meadow soil with different degradation gradients

2.2 土壤重金属总体分布特征

通过对不同退化程度高寒草甸的土壤重金属含量分析可以看出（表2），土壤重金属元素 Cu、Cd、Pb、Zn、Ni和 Cr的平均值分别是 38.68、0.11、47.53、87.19、38.33、130.35 mg·kg-1。除Cd小于甘肃省土壤背景值外，其余均为土壤背景值的 1—2倍，Pb、Zn、Cd、Cr含量小于国标一级标准，Cu、Ni含量均大于自然背景，而小于一级标准。变异系数是反映土壤重金属含量变异程度的一个标量，变异系数越大，表明受外界条件影响越大。所有重金属的变异系数均小于0.5，属于较低差别变异，重金属来源受外界影响小。

2.3 不同退化梯度下土壤重金属含量

不同退化梯度高寒草甸土壤重金属含量变化特征如表4所示。在同一土层（0—10 cm）不同退化程度下，HD样地同ND样地相比，Cu、Zn和Ni

降低26.13%，30.59%和53.57%，Cd、Pb和Cr上升了 50.00%，13.58%和 61.09%；在同一土层（20—30 cm）不同退化程度下，HD样地同ND样地相比，Cu、Zn和Ni降低19.53%，9.41%和47.27%，Cd、Pb和Cr上升了33.33%，9.04%和45.71%；在同一退化（ND样地）中20—30 cm与0—10 cm相比，Cu，Zn和Cr含量下降9.60%，30.79%和11.65%；Cd、Pb和Ni上升12.50%，11.61%和9.76%，在同一退化（HD样地）中20—30 cm与0—10 cm相比，Cu，Zn和Cr含量下降1.79%，9.68%和20.08%；Pb和Ni上升7.15%和24.65%，重金属元素Cu、Zn、Ni含量同土层随着退化梯度加剧而减少，各退化梯度之间重金属含量差异显著（P＜0.05）；Cu、Zn、Ni含量在同退化梯度随着土层深度增大，含量减小，其中，Cu含量差异不显著（P＞0.05），Zn和Ni在MD、HD样地含量差异显著（P＜0.05）。重金属Cd、Pb、Cr含量随退化梯度的加剧而增大，差异显著（P＜0.05）；Cd含量在同退化梯度随着土层深度增大而增大，在ND、MD和HD样地差异不显著（P＞0.05），Pb随着土层深度增大而增大，在ND、LD和HD样地差异显著（P＜0.05），Cr随着土层深度增大而减小，在 ND、LD和 HD样地差异显著（P＜0.05）。详见表 4。

2.4 土壤重金属和土壤理化的关系

通过对6种土壤重金属与土壤理化的相关分析结果来看（图2），土壤重金属Cu与全磷、全钾、Zn、Cr具极显著正相关（P＜0.01），与pH、Cd具极显著负相关（P＜0.01），与全氮具正相关（P＜0.05）。Cd与pH、Pb、Ni具极显著正相关（P＜0.01），与全磷、全钾、土壤电导率、Zn、Cr具极显著负相关（P＜0.01），与全碳呈正相关（P＜0.05）。Pb与全氮、全碳呈极显著负相关（P＜0.01），与Zn呈显著负相关（P＜0.05）。Zn与全氮、全磷、电导率、全碳呈极显著正相关（P＜0.01），与 pH 具负相关（P＜0.05）。Ni与电导率具正相关（P＜0.05）。Cr与全磷具正相关（P＜0.05）。

2.5 土壤重金属污染评价

对高寒草甸不同退化梯度土壤进行污染评价，结果如表5所示。0—10 cm土层LD样地、10—20、20—30 cm土层 ND样地的内梅罗综合指数为1＜PN＜2，表明其土壤受重金属污染为轻度污染，其主要污染物为 Pb；其他样地内梅罗指数均属于2＜PN＜3，土壤受重金属污染为中度污染，其主要污染物为 Pb、Cr、Cu、Zn和Ni污染指数Pi同一土层随着退化梯度加剧呈下降趋势；Cd、Pb、Cr污染指数Pi随着退化梯度加剧呈上升趋势。内梅罗综合指数PN随着退化梯度加剧呈上升趋势。

表4 不同退化梯度高寒草甸土壤重金属含量变化Table 4 Changes of heavy metal content in alpine meadow soil with different degradation gradients

图2 不同退化下高寒草甸土壤理化性质和重金属含量相关分析Fig. 2 Correlation analysis of physicochemical properties and heavy metal content in alpine meadow soil under different degradation conditions

2.6 土壤重金属潜在生态风险评估

本研究对高寒草甸不同退化梯度土壤进行生态风险评估（表6），可知：不同退化梯度下高寒草甸土壤中的 6种重金属元素的潜在危害生态系数均＜40，潜在生态危害指数RI均＜150，其中Cd元素的潜在危害生态系数最高为12.54—18.65，Cu元素次之。Cu、Cd、Zn、Ni金属元素同一土层随着退化梯度加剧，呈下降趋势；Pb、Cr元素随着退化梯度加剧，呈上升趋势。潜在危害生态指数RI随着退化梯度加剧，呈上升趋势，重金属富集现象明显。

表6 高寒草甸不同退化下土壤重金属的 和RI值Table 6 and RI values of heavy metals in soil under different degradation conditions in alpine meadow

表6 高寒草甸不同退化下土壤重金属的 和RI值Table 6 and RI values of heavy metals in soil under different degradation conditions in alpine meadow

深度Depth/cm退化梯度Degraded E i r RI Cu Cd Pb Zn Ni Cr ND 2.38 12.54 0.9 0.49 2 1.04 19.35 0-10LD 1.76 15.38 0.86 0.38 1.68 0.92 20.98 MD 1.84 16.33 0.89 0.37 1.12 1.07 21.62 HD 1.88 18.38 0.98 0.34 0.93 1.48 23.99 ND 2.19 12.89 0.94 0.37 2.06 0.96 19.41 10-20LD 1.78 16.07 0.93 0.34 1.73 0.88 21.73 MD 1.81 17.19 0.92 0.32 1.24 0.97 22.45 HD 1.93 18.62 1 0.32 1.07 1.38 24.32 ND 2.15 12.76 0.96 0.34 2.19 0.9 19.3 20-30LD 1.73 16.59 0.96 0.31 1.94 0.81 22.34 MD 1.85 17.22 1.01 0.31 1.3 0.91 22.6 HD 1.93 18.65 1.05 0.31 1.15 1.18 24.27

3 讨论

碳、氮、磷、钾等元素是植被生长不可缺少的元素（刘志鹏，2013；赛牙热木，2018）。王玉琴等（2019）对不同退化程度高寒草甸土壤养分研究，其结果表明同土层随着退化梯度的加剧，全碳、有机质含量呈下降趋势，这与本研究结果不同，本试验发现同土层不同退化梯度全氮、全磷、全钾、全碳都呈下降趋势，这可能是当地的土壤养分不足导致的退化，建议在退化草地进行施肥。本试验发现在同退化梯度随着土层的加深，TN、TC含量呈下降趋势，这与李海云等（2018）对高寒草地退化养分研究结果一致，全钾含量在同一退化随土层的加深量呈递增趋势，这能是由于当地钾含量丰富，土壤表层全钾含量以满足植物需求；全磷含量在退化梯度和土层变化过程具有波动性。张建贵等0对东祁连山不同退化草地土壤养分研究，其结果发现随着退化的加剧电导率和pH呈增加趋势，这与本试验结果一致，这可能是由于随着退化的加剧，导致土壤盐类离子浸出增多，土壤酸化、次生盐渍化，草地产草量下降。

表5 高寒草甸不同退化土壤重金属污染评价指数Table 5 Evaluation indexes of heavy metal pollution in different degraded soils in alpine meadow

由于重金属的毒性、迁移在不同的环境中会产生不同的效应（Ayangbenro et al.，2019；Chaoua et al.，2019；Sulaiman et al.，2019；Wu et al.，2019；Mao et al.，2019）。如城市化进程加快、现代畜禽养殖方式向集约化发展，有机肥料中重金属的残留的增加，在土壤中会累积形成不同的污染情况，导致植被污染或不能正常生长（陆泗进等，2014；宋姿蓉等，2019）。本研究中，Cu、Zn、Ni、Cd、Pb、Cr等 6种重金属元素在高寒草甸土层中的含量差异显著（P＜0.05）。Ni的变异系数最大为 0.29，其来源可能受到的外界影响较大；Pb的变异系数最小，受外界因素小。这与其他研究者的结果类似，如李天才等（2012）对青海湖北岸退化与封育草地土壤与优势植物的研究发现，退化草地植物中微量元素Cu、Zn等含量的蓄积性的强弱与草地退化变化的的过程有显著关系。卢楠等（2017）对金矿区尾矿渣周边土壤的重金属研究时，发现姚青村和来福沟的Pb属于极严重污染，而Cr、Ni则未达到污染水平。这与本试验结果不同，本试验发现试验地土壤重金属含量都小于二级标准，这可能是由于研究地区不同，研究地远离矿区受到人类活动的干预较少，同时由于气候、植被、水分、海拔等的不同，重金属含量较少的原因。同时Cu是多种酶的组成成分与植物的碳素同化、氮素代谢、吸收作用等均有密切联系，Zn在植物体内的主要参与生长素的代谢，既能影响生长素的形成，还是植物体内许多酶的组成成分和活化剂，Ni多以无机和有机络合物的形式溶解于水已流失，所以Cu、Zn、Ni含量随土层的加深，会有含量减少的现象。Cd、Cr、Pb不易被植物被吸收或在土壤中沉淀。因此，重金属含量不同退化梯度或不同土层的含量都有很大的差异。

本试验发现重金属与土壤理化性质之间呈极显著相关（P＜0.01）。其结果表明重金属含量的变化与土壤理化性质的变化有密切的联系。有研究发现，距离矿区越近，土壤有机质和全氮含量越低，有机质与Pb、Cr、Cu和As呈显著负相关，全氮与Pb具极显著负相关（刘军等，2019）。王大伟等（2019）对大沽河流域土壤养分和重金属含量研究时，其结果表明镉元素与氮、磷、钾、有机质的相关性高。米雅竹等（2019）对会泽铅锌矿区周边农田土壤重金属含量研究发现，土壤养分和重金属呈显著相关，距离矿区越近重金属浓越高，土壤养分越低。辛国省等（2012）对青藏高原东北缘放牧草地土壤矿物元素含量研究发现，土壤中矿物元素与土壤养分之间具有一定的相关性，元素Cu和Zn与pH呈负相关性，这与本试验结果一致。重金属含量过高或过低会对土壤养分产生一定的拮抗或协同作用。

本研究发现重金属之间极显著相关性（P＜0.01）。这说明6种重金属元素之间密切相关，互相影响，来源相似。如谢薇等（2019）对天津远郊或近郊菜地土壤研究时发现，菜地中Se与Zn均表现极显著相关性（P＜0.01）。这与本试验结果相似，这说明草地中土壤重金属来源主要来自母质，外界来源对土壤重金属含量干扰较少。

本研究发现高寒草甸土壤重金属在 ND样地0—10 cm土层，内梅罗综合指数为1＜PN＜2，表明土壤受重金属污染为轻度污染，其主要污染物为金属元素Pb；其他样地内梅罗指数均属于2＜PN＜3，土壤受重金属污染为中度污染，其主要污染物为Pb、Cr。说明随退化的加剧，重金属富集明显，Pb和 Cr元素的污染来源除了自身富集外，可能存在其他来源，如交通运输，人类活动等。如李吉玫等（2019）对乌鲁木齐林带不同功能区土壤重金属研究时，其结果显示土壤重金属污染综合程度为工业区林带＞道路林带＞生活区林带＞公园林带，功能区不同对土壤污染产生效果不同，说明重金属的来源与外界有很大关系。6种重金属元素的潜在危害生态系数均＜40，潜在生态危害指数RI均＜150，属于轻微生态危害，但均表现出随退化梯度的加剧和土层的加深重金属含量有累积趋势。

4 结论

高寒草甸土壤养分随退化梯度的增加，全氮、全磷、全钾、全碳，呈下降趋势；pH和电导率呈上升趋势。随土层加深，全氮、全碳含量呈下降趋势；全钾、pH、电导率呈上升趋势；全钾具波动性。土壤重金属总体分布中，（除Cd元素外）其他金属元素平均值均大于甘肃土壤元素背景值。均小于国家土壤二级标准，变异系数小。随退化梯度的增加，重金属元素Cu、Zn、Ni含量呈下降趋势，Cd、Pb、Cr呈上升趋势。随土层加深，Cu、Zn、Cr含量呈下降趋势，Cd、Pb、Ni含量呈上升趋势。重金属元素含量与全氮、全磷、全钾、全碳、pH和电导率之间呈极显著相关关系，6重金属含量之间呈极显著相关性关系。中度和重度样地土壤为中度污染，主要污染物是Pb、Cr；未退化和轻度退化表层样地为轻度污染，主要污染物是Pb。6种重金属元素在土壤中的潜在危害生态系数和潜在生态危害指数属于轻微生态危害。