荒漠矿区琵琶柴重金属富集特征及污染评价

唐梦迎，夏 楠，陈 丽

(1.新疆环境保护科学研究院，乌鲁木齐 830011；2.新疆环境污染监控与风险预警重点实验室，乌鲁木齐 830011；3.新疆清洁生产工程技术研究中心，乌鲁木齐 830011；4.国家环境准噶尔荒漠绿洲交错区科学观测研究站，乌鲁木齐 830011；5.新疆大学地理科学学院，乌鲁木齐 830046；6.新疆绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐 830046)

【研究意义】自然保护区是保护特殊生态系统的天然集中分布区，也是研究各类生态系统和物种生态特征的重要基地。卡拉麦里有蹄类野生动物自然保护区的建立有效得保护了野生动物的栖息地，同时也了改善生态环境。然而在其南部存在大量煤矿资源，生产过程造成巨大污染物，与美丽的自然环境格格不入。要在经济效益和蓝天保卫之间保持平衡就需要对生态环境进行监测和评价。采矿过程中产生的污染物大都混有重金属元素[1-3]，植物茎叶和根系吸收之后会随食物链富集到动物甚至是人类体内[4-5]。因此对卡拉麦里山保护区的土壤和植物重金属进行监测和污染预警十分必要，同时选取优势种进行生态修复为构建绿色矿山提供资料选择。【前人研究进展】近年来，许多学者对植物重金属污染监测和评价进行了大量研究。Shikha等[6]在印度贾克汉德帕特拉托煤电厂附件收集粉煤灰测定重金属含量，并评估粉煤灰的生态风险，发现粉煤灰多种重金属超标且具有较高的生态污染风险。Mohammed等[7]评价了马来西亚瓜拉雪兰莪自然公园植物和河口沉积物重金属污染状况，通过地累积指数发现该区域人为源是主要污染源，不同植物对于重金属的富集能力不同。Naghipour等[8]对伊朗Guilan省精选蔬菜中镉、铅、铜、钡、钴和锡等重金属进行分析发现该地区的成人和儿童食用蔬菜都会摄入大量的重金属。叶文玲等[9]通过库区的土壤重金属，以及优势植物对Cu、Cd、Zn、Mn、Pb等重金属的转移特征与富集能力，发现续断菊植物可用于Cd污染严重地区的生态修复。李俊凯等[10]测定了南京市某铅锌矿采矿场土壤和14种典型植物中Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn的含量，根据这些植物的富集特征分为富集型、根部囤积型和规避型。陈昌东等[11]测定河南省平顶山市某煤矿废弃地8种优势植物根际与非根际土壤及植物本身Cd、Cr、Cu、Mn和Pb含量，分析了矿区土壤重金属污染状况及优势植物对重金属元素的富集和转移能力，发现苍耳、猪毛蒿、蒙古蒿和狗尾草具有较强的富集重金属的能力。陆金等[12]测定铜陵狮子山矿区17种优势植物根系对对Cu、Cd、Zn、Mn、Pb、Ni等重金属以及土壤中重金属转移特征与富集能力，发现该区域的白茅、刺儿草将重金属转移至根部从而降低土壤重金属污染。牛学奎等[13]通过测定废渣堆场周边土壤和5种野生植物对Hg、Cd、As、Zn、Pb、Cu、Cr等重金属，发现车桑子可作为该区域的生态恢复的先锋植物。【本研究切入点】Zn、Cu、Cd、Cr、Pb、Hg和As等是研究土壤和植物重金属比较重要的集中元素，也是矿区的主要污染元素。目前在干旱区对优势植物的重金属检测和优势种选取工作较少，琵琶柴是准噶尔盆地小灌木的代表植物，监测其重金属污染状况更具有代表性。【拟解决的关键点】为探究煤炭资源开发对保护区周边土壤和植物造成的污染影响，本文以荒漠优势灌木琵琶柴和周边土壤为研究对象，测得其重金属元素Zn、Cu、Cr、Pb、Hg和As含量，采用数理统计方法和GIS方法分析土壤和植物重金属富集特征及空间分布关系，分析污染源评价潜在生态危险性，为在该地区的环境保护和污染防治提供科学依据和数据支撑。

1 研究区概况

五彩湾露天煤矿区位于新疆卡拉麦里山南麓的开阔地带(43°55′～44°59′N，88°45′～89°12′E，图1)，地形平坦，海拔500～700 m，属于大陆暖温带干旱气候，年均降水量约为185 mm，年均蒸发量约为2050 mm，无常年地表水流。土壤类型有荒漠碱土、风沙土和石膏棕漠土等，植物种类有琵琶柴(Reaummuriasoongorica)、白梭梭(H.persicum)、盐生假木贼(Anabasissalsa)、骆驼刺(Camelthorn)、刺旋花(Convolvulustragacanthoides)等。该矿区具有煤炭储量巨大和煤质优良的特点，含煤面积901km2，内设5个露天矿、3个井工矿和3个后备区，其中露天矿的预计开采量达117亿t[14]。

图1 研究区地理位置和采样点分布Fig.1 Geographical location and sampling points distribution of the research area

2 材料与方法

2.1 样本采集和预处理

依据研究区交通状况采用同心圆布点法，以主要的煤矿开采区为中心，每45°为一条采样路线，以5 km为单位间距布设，共37个采样点，其中26个采样点周围有琵琶柴分布。采集表层(0～10 cm)土壤样本37袋，每个植物采样点采集琵琶柴样本3株，共78株植物样本。在室内将土壤样本自然晾晒烘干，搅拌均匀，研磨过200目尼龙筛密封备测；用超纯水清洗植物样本，同时将其分为茎叶和根两部分，放入电热烘干箱调节温度至105 ℃杀青30 min，后调至80 ℃烘干至恒重，用不锈钢粉碎机磨碎植物，过70目尼龙筛密封备测。

2.2 样品测定

土壤重金属和植物重金属测定详见文献[15]，测试项目及其测试设备、检出限见表1。每个土壤样本测3次，对最后结果求取算术平均值，对每个采样点3株植物的茎叶和根部重金属含量分别计算平均值。对于测定结果异常的样品重新补测，确保结果真实可靠。

表1 重金属元素含量化学测定检出限Table 1 Limits of chemical detection of heavy metal elements

2.3 污染评价方法

2.3.1 Muller地累积指数法 Muller指数参照区域土壤背景值差异，充分考虑地质因素对重金属评价的影响，能够符合实际情况进行污染评价。计算方法如下：

Igeo=log2[Cn/(1.5×Bn)]

(1)

式中,参数和评价分级标准见文献[16-17]。本文对土壤重金属污染的评价标准以昌吉州土壤重金属Zn、Cu、Cr、Pb、Hg、As的背景值为参照，参照基准值分别为：64.20、24.00、47.40、10.20、0.08、15.00 mg/kg。

2.3.2 潜在生态危害指数法 潜在生态危害指数法的重金属生态风险评价最主要的方法之一，该方法既考虑重金属的毒性，又兼顾区域背景值差异，能够综合反映重金属对生态环境的潜在影响，其公式如下：

(2)

(3)

式中各参数定义和潜在生态危害等级划分详见文献[18-19]。

3 结果与分析

3.1 重金属含量统计描述

由表2可知，土壤方面：所测6种重金属元素含量的最大值均超过了昌吉州土壤背景值，超标率分别为5.41%，18.92%，72.97%，81.08%，16.22%，94.59%，排序为SAs>SPb>SCr>SCu>SHg>SZn，其中Cr、Pb、As均值都超过了昌吉州背景值，表明该区域土壤受到重金属污染已十分严重。Hg均值虽未超过背景值，但其最大值(0.51 mg/kg)为背景值(0.08 mg/kg)的6.38倍，说明在局部区域土壤受Hg污染十分严重。变异系数能够反映重金属元素的空间离散属性，值越大离散性越强。SHg变异系数大于1，属强变异，其他元素值在25.34%～57.81%，属中等变异，表明Hg离散性强，分布极度不均匀，而其他元素变异系数值相近，表明受到矿区扰动的程度相近，可能存在同源性。植物方面：从均值来看，琵琶柴茎叶和根部所含重金属虽各有不同，但富集差异不显著。根部中Cu、Cr、Hg、As含量的均值大于其茎叶部分，Zn、Pb小于茎叶部分，各元素在琵琶柴整株的超标率排序依次为RHg(23.08%)>RCr(3.85%)=RZn(3.85%)>RPb(0.00%)=RCu(0.00%)=RAs(0.00%)。琵琶柴整株各重金属元素超标率均低于土壤，说明研究区琵琶柴受重金属的污染程度小于土壤。RPb、RHg在茎叶和根部的变异系数均大于1，RHg甚至达到296.83%和217.39%，属强变异，琵琶柴中这2种元素受人为扰动影响强烈。其他元素变异系数在37.70%～99.21%，属中等变异，较土壤而言琵琶柴中重金属离散性更强。

表2 土壤—琵琶柴重金属含量Table 2 Statistical table of heavy metals in soil and Reaummuria soongorica

3.2 琵琶柴重金属迁移特征

富集系数是判断植物对重金属吸附能力的常用指标，由重金属在植物和土壤中含量的比值表示[20-21]。由表3可知琵琶柴整株、根、茎叶部分的富集系数，发现根与茎叶的富集系数有所不同。Cr在茎叶和根的富集系数十分接近，表明其吸收重金属元素的能力相近。其他元素则表现出较大差异，其中Hg、Cu在茎叶和根的富集系数差异最大，整株Hg的富集系数为3.658，远远大于其他元素，说明琵琶柴对Hg有极强的吸附能力，由此可以将琵琶柴作为矿区生态修复的优势植物进行重金属Hg的修复。转移系数是判断植物内部重金属的迁移规律，其值大于1表明重金属容易在茎叶部分富集，小于1表明更易在根部富集[22-23]。根系滞留率能够反映植物根系对重金属的耐受能力，计算方法为(R根-R茎叶)/R根，其结果越大，表示滞留能力越强。从平均转移系数和滞留率来看，Hg均处在较高水平，尽管茎叶吸收重金属能力较强，但会转移到耐受力较强的根部。此外，Pb滞留率为-38.96%，表明Pb在琵琶柴根部滞留能力不强。其他元素滞留率均为正，表明在根部其都存在一定的耐受性。

表3 琵琶柴不同部位重金属富集系数、转移系数和滞留率Table 3 Concentration coefficient, transfer coefficient and retention rate of heavy metals in different parts of Reaummuria soongorica

3.3 土壤—植物重金属污染评价

3.3.1 地累积指数评价 经地累积指数计算发现(图2-a)，Zn、Cu分布在-2～0且规律相似，属于无污染，说明其可能是来自地壳源。Cr分布在-2～2，达到污染级别和未达到污染级别的样点数量相近，均值为0.06表现为轻度污染；Pb分布在-3～1，存在一定幅度的波动，其均值为-0.3，属于无污染；Hg在各水平阶段均有，大部分布在-5～0为无污染，各别样点土壤Hg达到轻度污染，有1个样点达到中度污染，最大值为2.09。As大致分布在-1～2，且相对稳定，均值是0.26，表现为轻度污染。Cr、Pb、Hg、As分布规律说明受到自然源和人为源的共同作用，其中Hg受到人为因素作用更加强烈。

图2 Muller指数评价土壤(a)和整株琵琶柴(b)重金属污染Fig.2 Assessment of heavy metal pollution in soil (a) and whole Reaummuria soongorica (b) by Muller index

从图2-b可看出，绝大多数采样点琵琶柴的重金属元素均为无污染水平，且分布相对均匀，说明琵琶柴体内重金属来源可能与地质因素有关，这也与植物依附土壤生长的特点相一致。而Hg元素中3个采样点超过中度污染达到重度污染，1个采样点达到中度污染，结合其富集系数茎叶大于根部的结果，反映出其来源以人为源影响为主。此外，虽然大多数植物未受到污染，但这种累积随着时间的推移可能会促使污染产生。

3.3.2 潜在生态风险评价 琵琶柴作为研究区主要的荒漠植物，其中的重金属可通过食物链进入动物体内危害当地野生动物健康，同时受到重金属污染的植物残体和种子会随风迁移造成污染转移从而危害其他区域生态环境安全。因此进行生态风险评价十分必要。如图3-a显示，土壤中Zn、Cu、Cr、Pb、As 5种元素均属于轻度污染(阈值为0～40)，其中As相对处在较高水平，存在中度污染潜力。Hg元素在轻、中、强、极强污染水平中均有分布，存在一定的潜在生态风险，这是由于Hg元素生物毒性系数较强，尽管含量在6种元素种最低，其生态危害性却最强。因此在矿区生态修复时尤其要注意Hg的修复。而琵琶柴对Hg表现出极强的吸附性，可以作为优势种进行生态修复。琵琶柴评价结果(图3-b)则与前者存在一定差异，Zn、Cu、Cr、Pb、As 5种元素属于轻度污染，且表现出极低的生态风险，说明这些元素在琵琶柴中未达到污染水平，反映了琵琶柴对这些元素吸附性不强。相同的，Hg元素在轻、中、强、极强污染水平中均有分布，存在一定的潜在生态风险，尤其是最高超出了强污染水平，其潜在生态危险超过了土壤，污染十分严重。

图3 土壤(a)和整株琵琶柴(b)重金属生态风险评价Fig.3 Ecological risk assessment of heavy metals in soil(a) and whole Reaummuria soongorica(b)

3.4 空间分析

对土壤和琵琶柴重金属含量进行空间分析，一方面有利于掌握重金属污染空间表现，另一方面可以对比二者的分布异同，从而判断重金属在土壤与植物之间分布的规律。通过ArcGIS软件的普通克里格插值工具对Zn、Cu、Cr、Hg、As 5种元素进行空间插值，对未服从正态分布的数据取对数后进行插值，从中剔出不符合插值条件的Pb数据，得到图4。SZn、SCr、SAs和RCu、RCr、RAs表现出一定的规律性分布，其中，SZn高值区主要聚集在矿区内部和周围，SCr

a:SZn,b:RZn,c:SCu,d:RCu,e:SCr,f:RCr,g:SHg,h:RHg,i:SAs,j:RAs图4 土壤与植物重金属污染空间分布Fig.4 Spatial distribution of heavy metal pollution in soils and plants

表现为东北部高于西南部，SAs、RAs空间分布最相似，东北部和西南部较高，其余相对较低，说明琵琶柴对As元素的吸收能力与土壤As含量有关，这也与其较高的滞留率(97.58%)相互对应。值得注意的是RCu、RCr、RAs分布存在一定的相似性，也是东北部和西南部偏高，说明这3种元素在琵琶柴植株的富集特点相似，存在一定的关联。SHg高值区主要在矿区东南部，这是研究区主导风的下风向，说明Hg污染与矿区活动关系密切，而RHg表现为东北部高于西南部且高值相对集中于矿区，表明Hg对琵琶柴的污染范围是相对固定的。

4 讨 论

有研究表明[24]土壤重金属含量与其在植物中的含量是存在相关性的，但本研究中这种相关性不够凸出，原因可能是不同地区重金属元素在植物的富集与在土壤的富集特征存在差异。一方面是因为植物吸收重金属能力的差异，另一方面则与不同研究区重金属污染的来源有关。本实验发现琵琶柴对Hg具有超强的耐受性，这不仅与该地区的工业活动密切相关，也与琵琶柴植株的吸附特性有关，甚至与干旱区独特的环境相关。有研究发现[25]土壤水分和养分高的40～100 cm土层，土壤重金属含量相对较低。干旱区土壤水分和养分很低，琵琶柴根主要在10～20 cm生长，这就可能导致原本深处的土壤重金属由于干旱随水分蒸发被拉动至较浅土层从而加剧了Hg在植物的富集。

本研究发现琵琶柴中Zn、Cu、Cr、As的空间性更强。土壤的各重金属元素的空间分布与植物不同，重金属在土壤中的分布表现主要集中在煤矿区内部及周边，而植物中的上述元素存在明显的空间分布规律即以东北至西南承阶梯式分布，这更多与其自然背景有关。可能是因为琵琶柴生长和重金属累积在人为造成污染之前已经经历了很多年，矿区对其影响还不足以改变其自身对于上述元素的富集特征。这也和生态风险不高的结果相一致。因此需要对矿区琵琶柴重金属含量进行长时间监测从而更好地判断出上述结论的可靠性。

在分析茎叶和根部植株中重金属含量时不难看出琵琶柴茎叶对于重金属的吸附能力与根部相当，甚至有超过的情况。一部分原因可能是根部在吸收土壤中重金属元素后转移所致，也可能受到周围工厂污染物沉降影响。在收集琵琶柴植株时在叶片上附着有大量黑色煤粉尘和灰白色灰尘，尽管在实验处理时已经过清洗，但叶片仍然有被污染的可能，因此判定该矿区周围琵琶柴植株重金属的富集与矿区环境有密切关系。

综合来看，琵琶柴作为五彩湾矿区典型的优势种在重金属污染的环境条件下具有良好的耐受性，不仅表现在其对Hg元素的超强耐受性，而且在如此干旱缺水的地区，植物代谢水平较低，生存能力受限的情况下能够顽强生存，是非常难得的，因此需要对其进行进一步研究，以期为生态环境恢复与治理提供更有价值的参考。

5 结 论

本文测定了五彩湾露天煤矿区表层土壤和典型植物琵琶柴的重金属含量，通过数学统计、污染评价和GIS空间分析，得出研究区土壤中超标的元素在琵琶柴中含量较低，但Hg元素在土壤和植物体内都达到轻度到重度污染级别；人类活动已经影响到该地区土壤和琵琶柴的重金属分布，尤其是Hg；矿区内部和下风向是重金属污染严重的主要区域；琵琶柴对Hg具有很强的耐受性，可作为优势种进行生态修复。