金忠民　郝宇　劉麗杰等

摘要： 為了研究扎龍濕地土壤中重金屬對土壤化學性質(zhì)及電導率的影響，采集扎龍濕地的10個土壤樣本，測定了其中的重金屬含量、化學性質(zhì)及電導率（EC）。利用相關分析計算了重金屬含量與化學性質(zhì)、電導率的相關性；利用主成分分析方法提取8種重金屬的主成分，并計算了重金屬主成分與土壤化學性質(zhì)、電導率之間的相關性。根據(jù)相關性分析可知，重金屬對土壤化學性質(zhì)及電導率具有復雜的影響，其中Fe、Co、Cr與K+之間存在極顯著負相關；Fe、Co與Na+存在顯著負相關；Pb與pH值、Fe與EC、Co與EC、Cu與Ca 2+、Co與Ca 2+、Cr與Ca 2+之間有顯著正相關。主成分分析消除了重金屬之間的互相影響，可以更加清晰地分析各種重金屬對土壤化學性質(zhì)及電導率產(chǎn)生的真實作用。根據(jù)主成分分析可知第1主成分體現(xiàn)了Cu、Fe、Mn、Cr、Co、Zn的作用，它們含量升高會導致EC和Ca 2+指標的上升，使Na+、K+指標下降，而對pH值幾乎無影響；第2主成分主要體現(xiàn)了Pb和Cd的作用，它主要影響土壤中pH值的變化。

關鍵詞： 扎龍濕地；重金屬；化學性質(zhì)；電導率；相關分析；主成分分析

中圖分類號： X833 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0333-03

扎龍濕地位于黑龍江省西部松嫩平原烏裕爾河下游，地理坐標為123°47′～124°37′E、46°52′～47°32′N。1992年，拉姆薩爾公約（Ramsar Convention） 將扎龍列為國際重要濕地，是亞洲十大濕地之一，在世界珍稀水禽保護和繁育中占有極其重要地位 [1]。隨著經(jīng)濟迅速發(fā)展，人類活動的頻繁等原因造成了這一地區(qū)重金屬污染加劇。重金屬是當今環(huán)境重要的污染物，具有難降解、易積累等特點，對環(huán)境的污染毒性最顯著的重金屬有Cu、Fe、Zn、Mn、Pb、Cd、Co、Cr、Ni、As等 [2-3]。據(jù)資料顯示，重金屬含量是反映土壤環(huán)境健康狀況的重要參數(shù)之一，且成為環(huán)境領域的主要研究方向 [4-5]，重金屬的總量預示著相應地區(qū)的潛在生態(tài)風險性。研究表明，土壤的理化性質(zhì)與重金屬密切相關 [6]，因此可以通過分析重金屬含量來反映土壤理化性質(zhì)的變化并對潛在威脅進行評估 [7-11]。本研究以扎龍濕地的土壤為研究對象，利用相關性分析和主成分分析，探討土壤中重金屬對土壤化學性質(zhì)及電導率的影響，為今后扎龍濕地土壤的監(jiān)測與保護提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1 1 土壤樣品的采集與制備

供試土壤采自地理坐標為123°47′～124°37′E、46°52′～47°32′N，位于黑龍江省扎龍自然保護區(qū)內(nèi)，采樣前要詳細了解采樣地區(qū)的土壤類型、污染情況和地形等因素，并采用GPS定位技術，在扎龍自然保護區(qū)內(nèi)選取10個采樣區(qū)域并劃分為若干個采樣單元定點取樣。為了保證土壤樣本具有代表性，每個采樣單元按照“S”形設定10個點進行布點采樣。采樣按等量、多點、隨機混合原則進行。每個采樣點的取土深度和寬度在0～15 cm，采樣的混合土壤按四分法進行取舍至1 kg左右，土壤采集后放入帶有標簽的封口袋，帶回實驗室進行自然風干、研磨并過2 mm篩，烘干保存。如圖1所示，采樣區(qū)域的順序依次為1～10，土壤類型為水底淤泥 [12]。

1 2 重金屬含量的測定

選取混合均勻的10個土壤樣品各0 5 g加入到Labtech 電熱消解儀ED36的消解管中，加入鹽酸10 mL，插入到消解孔內(nèi)，在95 ℃下加熱30 min，加入5 0 mL HNO3 ∶ H2O=1 ∶ 1的硝酸，蓋上帶管塞，在95 ℃回流10 min，取下冷卻后再次加入2 5 mL 濃硝酸，蓋上管塞，放回到消解孔中，在95 ℃回流 30 min。如果沒被完全氧化，重復加入濃硝酸，直到氧化完全，將樣品蒸發(fā)至5 mL，關閉消解儀，冷卻30 min后加入 1 0 mL H2O 、1 5 mL H2O2；開啟消解儀，繼續(xù)加熱到95 ℃后再次加入1 0 mL H2O2 直到起泡退盡為止。消解液通過電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定Cu、Fe、Zn、Mn、Pb、Cd、Co等7種重金屬的含量 [13-15]。

1 3 土壤化學性質(zhì)及電導率的測定

1 3 1 pH值的測定 稱取過2 mm孔徑篩的風干樣品各10 g于50 mL燒杯中，加去除CO2的水25 mL（土液比為1∶ 2 5），用攪拌器攪拌1 min，使土粒充分分散，放置30 min后用pHS-25雷磁pH值計進行測定 [16]。

1 3 2 K+、Na+的測定 K+、Na+的測定直接用火焰光度法（GB 7866—1987《森林土壤交換性鉀和鈉的測定》） [17]。對于配制好的K+、Na+標準系列混合溶液，以最大濃度定為火焰光度計上檢流計的滿度，然后從稀到濃依次進行測定，記錄檢流計讀數(shù)，以檢流計讀數(shù)為縱坐標、K+和Na+濃度為橫坐標，繪制工作曲線。用1 mol/L乙酸銨溶液處理土壤的浸出液，直接在FP640火焰光度計上測定K+和Na+，記錄檢流計讀數(shù)，然后從工作曲線上查得待測液的K+和Na+的濃度。

1 3 3 Ca 2+、Mg 2+的測定 Ca 2+、Mg 2+的測定直接用原子吸收分光光度法（GB7865-1987《森林土壤交換性鈣和鎂的測定》） [18]。吸取1 mol/L乙酸銨溶液處理土壤的浸出液20 00 mL于25 mL容量瓶中，加30 g/L氯化鍶溶液2 5 mL，用1 mol/L乙酸銨溶液定容。定容后的溶液直接在選定工作條件的原子吸收分光光度計上，于422 7 nm（Ca 2+）、285 2 nm（Mg 2+）波長處測定吸光度。在成批樣品測定過程中，按一定時間間隔用標準溶液校正儀器。先用標準系列溶液在相同條件下測定吸收值，繪制濃度-吸收值工作曲線。根據(jù)待測液中Ca 2+、Mg 2+的吸收值，分別在工作曲線上查得Ca 2+、Mg 2+的質(zhì)量濃度。endprint

1 3 4 電導率（EC）測定 稱取過2 mm孔徑篩的風干樣品各20 g于250 mL干燥三角瓶中，加入蒸餾水100 mL，振蕩5 min后，過濾于干燥三角瓶中，吸取土壤浸出液30 mL，放在50 mL的小燒杯中，在溫度為25 ℃下利用DDS-307的雷磁電導儀進行測定 [19]。

1 4 數(shù)據(jù)處理

通過SPSS 17 0統(tǒng)計軟件進行相關性、主成分分析 [20]。

2 結果與討論

2 1 土壤樣品中重金屬含量、化學性質(zhì)指標、電導率測定結果

從表1、表2可以看出，扎龍濕地土壤中Fe的含量最高，Cd的含量最低。說明了Fe在堿性土壤中易被沉淀且利用率不高，因為Fe元素只有呈有效態(tài)時，才能被植物所利用。另外，土壤中的Cd遠遠沒有達到產(chǎn)生污染危害的水平，一方面說明土壤對Cd有較強的固定和容納能力，另一方面說明生活排污和化肥農(nóng)藥的流失在本地區(qū)得到了有效的控制。

在化學性質(zhì)方面，土壤的pH值大于7，這說明扎龍濕地的土壤呈堿性，這與北方氣候干燥及曝曬天氣有關，導致土壤水分蒸發(fā)量暴增、鹽分聚集，使其成為了鹽堿地。樣本1和樣本9電導率偏大，說明這2個地區(qū)較其他地區(qū)的含鹽量高。Mg 2+在葉綠素的形成中起著十分重要的作用，試驗表明，該區(qū)域土壤的Mg 2+含量總體偏低，預示著植物的光合作用受到影響。

2 2 重金屬含量與土壤性質(zhì)指標之間的相關分析

由表3可以看出，土壤重金屬含量與化學性質(zhì)指標及電導率之間存在著不同程度的相關性，有的相關性達到了極顯著的水平。如Fe 、Co、 Cr與K+含量之間的相關系數(shù)分別達到了-0 866、-0 771、-0 850。Pb與pH值、Cr與Ca 2+、Fe與Na+，Co與Na+之間的相關性顯著。除此之外，各種重金屬含量之間也存在不同程度的相關性，有的達到了極顯著的正相關，如Cu與Fe、Co與Cr、Fe與Co、Fe與Cr、Mn與Co之間相關系數(shù)分別達到0 832、0844、0 956、0 816、0 859。這說明了重金屬元素之間具有協(xié)同作用。為了消除重金屬之間的互相影響，需正確確定重金屬與土壤性質(zhì)之間的關系，本研究利用主成分分析重金屬對土壤化學性質(zhì)及電導率的影響。

如表4所示，根據(jù)特征值大于1，提取了重金屬的2個主成分F1和F2。它們的特征值之和為6 613，積累貢獻率達到了82 660%，基本上反映了8種重金屬的全部信息，故可用主成分F1和F2代表重金屬的含量進行討論。由表5載荷矩陣可看出，第1主成分F1主要代表了Cu、Fe、Mn、Co、Cr、Zn等重金屬，第2主成分F2則主要代表了Cd和Pb。

作為新的變量指標F1和F2是互不相關的綜合變量，可以通過研究這2個變量與各種理化指標間的相關性來研究重金屬離子與理化指標之間的相關性。利用相關分析計算主成分與理化指標之間的相關系數(shù)，結果如表6所示。

由表6可以看出，主成分F1和F2之間不具有相關性，說明這2個主成分是互相獨立的，不存在相互影響。EC、Ca 2+、Mg 2+和主成分F1有明顯的正相關，而K+、Na+與主成分F1具有明顯的負相關性。在pH值方面，F(xiàn)1與pH值只有0 139的相關系數(shù)，可認為F1對pH值無影響。Cu、Fe、Mn、Cr、Co、Zn的含量升高會導致EC和Ca 2+指標的上升，而會使Na+、K+指標下降，這主要是因為土壤鹽分中的氯離子能與重金屬形成穩(wěn)定的絡合物，從而使土壤中的重金屬由固態(tài)向土壤溶液遷移，然而大量的Na+、K+、Ca 2+等陽離子也可以通過離子交換作用將可交換態(tài)的重金屬置換到土壤溶液中來，從而導致陽離子發(fā)生變化。F2主要和pH值相關，和其他指標關系不明顯?？烧f明Pb、Cd的含量在很大程度上影響土壤中pH值的變化，其原因是Pb、Cd在發(fā)生氧化、還原、吸附、抑制和拮抗作用時，導致土壤有機質(zhì)、陽離子交換量和黏粒的含量發(fā)生變化從而使得pH值發(fā)生改變。

3 結論

根據(jù)相關性分析可知，重金屬含量與化學性質(zhì)及電導率之間存在不同程度的相關性。其中Fe、Co、Cd、K+之間存在極顯著的負相關；Fe、Co與Na+存在顯著的負相關；Pb與pH值、Fe與EC、Co與EC、Cu與Ca 2+、Co與Ca 2+、Cr與Ca 2+之間存在顯著正相關。由于重金屬含量之間彼此存在且互相影響，使得重金屬與理化性質(zhì)之間的相關系數(shù)存在著重疊，造成這種相關系數(shù)不能真實反映重金屬對理化性質(zhì)的影響，因此需要利用主成分分析消除重金屬之間的彼此影響。根據(jù)主成分分析可知，第1主成分體現(xiàn)了Cu、Fe、Mn、Cr、Co、Zn的作用，它們含量升高會導致EC和Ca 2+指標的上升，使Na+、K+指標下降，而對pH值幾乎無影響；第2主成分主要體現(xiàn)了Pb和Cd的作用，它主要影響土壤中pH值的變化。

通過本研究可知，土壤中的重金屬含量會直接影響到土壤性質(zhì)，這意味著土壤中重金屬含量的增加會導致濕地生態(tài)環(huán)境的變化，存在一定的惡化風險。今后在對扎龍湖泊濕地污染治理中，應對沉積物中存在一定潛在生態(tài)風險的重金屬威脅有足夠的重視，采取適當?shù)姆椒▽@種威脅予以消除或者降低，如在農(nóng)業(yè)種植中要努力控制化肥和農(nóng)藥的流失、加強對排污的監(jiān)測等。

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