夏 楠,塔西甫拉提·特依拜,*,依力亞斯江·努爾麥麥提,張 東,李 云

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046

?

卡拉麥里南部工業(yè)區(qū)梭梭和琵琶柴重金屬空間分布及污染評(píng)價(jià)

夏 楠1,2,塔西甫拉提·特依拜1,2,*,依力亞斯江·努爾麥麥提1,2,張 東1,2,李 云1,2

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046

對(duì)五彩灣工業(yè)區(qū)周邊21個(gè)采樣點(diǎn)的梭梭(Hadoxylon)和琵琶柴(Reaummuriasoongorica)的Zn、Cu、Cr、Pb、As、Hg 6種重金屬元素含量測(cè)定,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和地統(tǒng)計(jì)插值法分析其莖葉和根部重金屬含量變化情況和空間分布特征,并綜合評(píng)價(jià)其污染程度和潛在生態(tài)危害性。結(jié)果表明：梭梭和琵琶柴植株Hg含量的最大值和均值都超出新疆土壤背景值0.017 mg/kg,除梭梭根部的均值0.060 mg/kg未超出國(guó)家土壤背景值0.065 mg/kg,在二者其他部位的最大值和均值都已超出；琵琶柴整株中Cr最大值72.62 mg/kg和Zn最大值97.61 mg/kg均超出新疆土壤背景值49.3 mg/kg和國(guó)家土壤背景值61 mg/kg,Pb元素未被檢出。插值精度方面,Hg、As的RMSE較小,分別為0.263和0.443,預(yù)測(cè)模型中Hg的R2為0.72,Cu的R2為0.67,能較好地估計(jì)預(yù)測(cè)樣點(diǎn)的重金屬含量,Zn的R2為0.31,精度較低；插值結(jié)果,琵琶柴中的Zn、Cr、As、Hg含量較高的區(qū)域均在工業(yè)園區(qū)內(nèi)部及周圍,受人為擾動(dòng)程度較大。梭梭和琵琶柴中Hg元素分別為中度污染和重度污染；Hg元素為中等潛在危害程度高于其他4種元素。

荒漠礦區(qū)；梭梭；琵琶柴；重金屬；評(píng)價(jià)

卡拉麥里山有蹄類野生動(dòng)物自然保護(hù)區(qū)是蒙古野驢和普氏野馬等國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)物的棲息地,這些珍貴的瀕危物種正受到人類的嚴(yán)重威脅,包括棲息地的人為限制,偷獵,交通意外碰撞以及工業(yè)生產(chǎn)造成的環(huán)境污染問(wèn)題,其中環(huán)境問(wèn)題尤為嚴(yán)峻[1]。卡拉麥里中部有喀木斯特工業(yè)園,南部有五彩灣工業(yè)園,污染由內(nèi)向外產(chǎn)生,已經(jīng)影響野生食草動(dòng)物的主要食物梭梭、紅柳等小喬木和琵琶柴、駱駝刺等小、半灌木的生長(zhǎng)。礦區(qū)植物中某些重金屬含量過(guò)高會(huì)毒害植物的健康和抑制其生長(zhǎng)[2- 5],此外,重金屬會(huì)隨食物鏈富集到保護(hù)動(dòng)物甚至人類體內(nèi)[6- 10]。因此對(duì)卡拉麥里保護(hù)區(qū)植物中的重金屬元素進(jìn)行監(jiān)測(cè)和污染預(yù)警尤為重要。

近年來(lái),許多學(xué)者對(duì)植物重金屬污染監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量研究。簡(jiǎn)敏菲等[11]監(jiān)測(cè)鄱陽(yáng)湖周邊水生植物重金屬含量,發(fā)現(xiàn)多種水生植物的根部Cu、Cd、Zn、Hg和As等重金屬含量高于莖葉,這可能和湖泊的水位變化有關(guān)；周耀渝等[12]對(duì)湘西鉛鋅礦區(qū)的優(yōu)勢(shì)植物重金屬含量進(jìn)行測(cè)定,得出油茶屬于富集型植物,毛萼莓、芒屬于根部囤積型植物,對(duì)礦區(qū)的生物修復(fù)提供了參考；秦麗等[13]對(duì)云南會(huì)澤鉛鋅冶礦廠廢渣堆周圍芨芨草、莎草、土荊芥等植物進(jìn)行了Cd的監(jiān)測(cè),這些植物表現(xiàn)出對(duì)Cd有很強(qiáng)的富集能力；王耀平[14]監(jiān)測(cè)黃河口鹽地堿蓬的Cu、Cr、Zn、Hg和As的含量,發(fā)現(xiàn)鹽地堿蓬在淹水區(qū)對(duì)Cu、Zn富集能力較強(qiáng),非淹水區(qū)只對(duì)Cu富集,且地上部分重金屬含量高于根部。由以上研究發(fā)現(xiàn)Cd、Cu、Cr、Zn、Pb、Hg和As等元素對(duì)植物影響較大,可被認(rèn)為是礦區(qū)的主要污染元素；這些研究多在濕潤(rùn)地區(qū),而在干旱區(qū)對(duì)優(yōu)勢(shì)植物的監(jiān)測(cè)和選取工作較少,梭梭和琵琶柴作為卡拉麥里保護(hù)區(qū)喬木和灌木的代表植物,監(jiān)測(cè)其重金屬污染狀況更具有代表性。

為探索工業(yè)生產(chǎn)對(duì)保護(hù)區(qū)南部植物造成的污染狀況,本文以五彩灣工業(yè)園區(qū)周邊生長(zhǎng)的典型荒漠植物梭梭和琵琶柴為研究對(duì)象,將其分為莖葉和根兩部分,測(cè)得其重金屬元素Cu、Cr、Zn、Pb、Hg和As含量,運(yùn)用常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和地統(tǒng)計(jì)方法分析其莖葉和根部重金屬含量變化情況及其空間分布特征,并綜合評(píng)價(jià)其污染程度和潛在生態(tài)危險(xiǎn)性,為在該地區(qū)的環(huán)境保護(hù)和污染防治提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置和采樣點(diǎn)分布圖 Fig.1 Geographical position map of study area and distribution of sampling points

五彩灣工業(yè)園位于準(zhǔn)噶爾盆地東部,卡拉麥里保護(hù)區(qū)南緣,盛產(chǎn)煤電能源。地貌為戈壁灘平原,地形平坦開闊,其工業(yè)基地范圍內(nèi)平均海拔500—700 m,總體地勢(shì)北高南低,如圖1。該地區(qū)屬于大陸暖溫帶干旱氣候,年均蒸發(fā)量2070.3 mm,年均降水量183.5 mm,無(wú)常年地表水流。主要以荒漠堿土、石膏棕漠土和荒漠風(fēng)沙土為主的土壤類型[15]。植被類型主要是梭梭、琵琶柴、蛇麻黃、假木賊、白刺、駱駝刺等耐旱植被[16]。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

采樣點(diǎn)按照放射性布點(diǎn)法,以五彩灣工業(yè)園區(qū)為中心每隔45°設(shè)定方向以5 km為單位間距布設(shè)。由于植被單一且分布不均,因此按照實(shí)際樣點(diǎn)的植被覆蓋及道路狀況選取21處采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)采集琵琶柴3株和梭梭3株,共計(jì)126個(gè)植物樣本并用GPS記錄實(shí)際采樣點(diǎn)的坐標(biāo)。將樣本帶入室內(nèi)用去離子水清洗,自然晾干后將其分為莖葉和根兩部分,放入電熱風(fēng)干箱調(diào)節(jié)溫度至105℃殺青1 h,再調(diào)至80℃烘干24 h,用不銹鋼粉碎機(jī)將植物磨碎,過(guò)70目篩。用濕灰化法對(duì)植物樣品進(jìn)行消解[17],經(jīng)過(guò)稀釋后定容,取上層清液用日立Z- 8000型原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定Pb、Zn、Cr、Cu、Hg和As[18]。在本次試驗(yàn)中,大量植株未被檢出Pb元素,因此不做分析,對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)3株植物的莖葉和根部重金屬含量分別計(jì)算平均值。

2.2 普通克里格插值方法

普通克里格法可利用研究區(qū)植物重金屬的原始數(shù)據(jù),以變異函數(shù)為工具,對(duì)該區(qū)域內(nèi)植物重金屬變量的預(yù)測(cè)值進(jìn)行線性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)。其公式為：

(1)

式中,Z(x0)為估算點(diǎn)的植物重金屬含量；Z(xi)為已知樣點(diǎn)植物重金屬含量實(shí)測(cè)值；λi為已知樣本估計(jì)預(yù)測(cè)樣本時(shí)的影響系數(shù),其和為1[19]。

2.3 污染評(píng)價(jià)方法

2.3.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[20]不僅兼顧了單因子污染指數(shù)平均值和最高值,還可以突出污染較重的污染物的作用,可用來(lái)評(píng)價(jià)每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的樣品重金屬綜合污染水平。綜合污染指數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

2.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法綜合考慮了重金屬的毒性、遷移變化規(guī)律、背景值差異和評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?而且能綜合反映重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的潛力指標(biāo)。其計(jì)算公式為：

(3)

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 植物重金屬元素分析

3.1.1 梭梭

運(yùn)用SPSS 20.0對(duì)梭梭莖葉和根的5中重金屬含量進(jìn)行分析得到表1：梭梭莖葉和根部重金屬含量均值最高為Zn元素,最低為Hg元素,排序依次為Zn> Cr > Cu > As >Hg；其莖葉中Cu、Cr、Hg、Zn含量的均值大于根部,As小于根部,其富集差異不顯著。梭梭莖葉中的Hg和根部的As變異系數(shù)均較大,屬?gòu)?qiáng)變異；其整株(莖葉和根的加和)中Cr、Cu、Zn和莖葉中As變異系數(shù)在0.27—0.55之間,屬中等變異。莖葉和根中Hg含量最大值0.224 mg/kg和均值0.069 mg/kg都超出新疆土壤背景值0.017 mg/kg和國(guó)家土壤背景值0.065 mg/kg[23]。

表1 梭梭重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析

3.1.2 琵琶柴

表2中琵琶柴莖葉和根部重金屬均值最高為Zn元素,最低為Hg元素,排序依次為Zn> Cr > Cu > As >Hg；其莖葉中Cu、Cr、Hg、As含量的均值小于根部,Zn大于根部,其富集差異不顯著。相比梭梭,其整株中Hg元素的變異系數(shù)較大,屬?gòu)?qiáng)變異；其余重金屬元素變異系數(shù)在0.44—0.92,屬中等變異。莖葉和根部Hg含量最大值0.92 mg/kg、0.637 mg/kg和均值0.066 mg/kg、0.072 mg/kg都超出新疆和國(guó)家土壤背景值。整株中Cr最大值(72.62 mg/kg)和Zn最大值(97.61 mg/kg)均超出新疆土壤背景值49.3 mg/kg和國(guó)家土壤背景值61 mg/kg。

表2 琵琶柴重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析

3.2 植物重金屬空間分布特征

3.2.1 特異值檢驗(yàn)和插值精度驗(yàn)證

運(yùn)用ArcGIS 10.1軟件的Explore Data工具分析重金屬數(shù)據(jù)的正態(tài)分布特征并選出特異值,其中未通過(guò)正態(tài)分布檢驗(yàn)的重金屬含量值需經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)(Log)變換使其服從正態(tài)分布。表3所示17號(hào)點(diǎn)和21號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)特異值,剔除插值過(guò)程中該點(diǎn)號(hào)在對(duì)應(yīng)元素的重金屬含量值。Cr的MAE最大,為1.578,其余元素MAE較小,Hg、As的RMSE較小,分別為0.263和0.443,Cu和Hg的R2最大,預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的線性擬合度較高,As和Cr次之,Zn最低。Hg和Cu的插值效果較好,Zn的預(yù)測(cè)精度較低但對(duì)于其空間分布仍具有參考價(jià)值。

表3 空間插值中預(yù)測(cè)精度驗(yàn)證

MAE: Mean absolute error,RMSE: Root mean square error

3.2.2 植物重金屬含量空間分布圖

在WGS_1984坐標(biāo)系中,通過(guò)克里格插值得到5種重金屬元素在琵琶柴中富集的空間分布特征(圖2)。圖中Zn、Cr、As、Hg含量較高的區(qū)域均在工業(yè)園區(qū)內(nèi)部及周圍,說(shuō)明琵琶柴中的這些重金屬元素受人為擾動(dòng)程度較大。Cu元素表現(xiàn)出由西向東遞增的自然分布,受到人為擾動(dòng)較少。

圖2 琵琶柴重金屬空間分布圖Fig.2 The distribution map of heavy metal in Reaummuria soongorica

3.3 污染評(píng)價(jià)

3.3.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)

植物重金屬污染評(píng)價(jià)參照新疆土壤背景值分別計(jì)算梭梭和琵琶柴的莖葉和根部5種重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù),并取均值,結(jié)果如表4所示：梭梭莖葉和根部中Hg元素為中度污染,其余元素污染都表現(xiàn)為安全；琵琶柴莖葉和根部中Hg元素為重度污染,莖葉中Zn元素污染表現(xiàn)為警戒。2種植物中As、Cr、Cu、Zn元素現(xiàn)階段污染不嚴(yán)重。

表4 植物重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

3.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)

植物重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。其中梭梭莖葉Hg元素為中等潛在危害,其他4種元素為輕微潛在危害,梭梭根部5種元素均為輕微潛在危害；琵琶柴的莖葉和根部Hg元素為中等潛在危害,其他4種元素為輕微潛在危害。這兩種植物潛在生態(tài)危害指數(shù)均小于150,為輕微潛在生態(tài)危險(xiǎn)。

表5 植物重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)

4 結(jié)論與討論

(1)統(tǒng)計(jì)特征 梭梭與琵琶柴植株中Hg元素均值皆超出新疆土壤背景值和國(guó)家土壤背景值。5種元素在兩種植物莖葉和根部的含量表現(xiàn)出輕微差異性,但不顯著,相比濕潤(rùn)區(qū)植物受水分影響所表現(xiàn)的強(qiáng)烈差異性[11,14],梭梭和琵琶柴的富集能力可能更多與土壤、大氣及植物自身吸收特性有關(guān)。

(2)地統(tǒng)計(jì)分析 除Zn驗(yàn)證結(jié)果較差外其余元素均滿足插值精度需要；琵琶柴中Zn、Cr、As、Hg含量較高的區(qū)域均在工業(yè)園區(qū)內(nèi)部及周圍,受人為擾動(dòng)影響明顯。

(3)污染評(píng)價(jià) Hg元素在梭梭和琵琶柴中均出現(xiàn)較嚴(yán)重的污染現(xiàn)象,其他元素除琵琶柴莖葉的Zn處于警戒狀態(tài)外尚屬安全；Hg元素在梭梭整株和琵琶柴莖葉中呈中等潛在危害,其他4種元素危害性較輕。Hg污染表現(xiàn)強(qiáng)烈,可能與煤炭開采引起的表層土壤屬性變化有關(guān),為此將對(duì)這些樣點(diǎn)的土壤剖面中Hg元素做進(jìn)一步研究。

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Heavy metal spatial distribution and contamination assessment ofHadoxylonandReaummuriasoongoricain an industrial area south of Kalamali

XIA Nan1,2, TIYIP·Tashpolat1,2,*, NURMEMET·Ilyas1,2, ZHANG Dong1,2, LI Yun1,2

1CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China2KeyLaboratoryofOasisEcology(XinjiangUniversity)MinistryofEducation,Urumqi830046,China

HadoxylonandReaummuriasoongorica, two species of desert vegetation that occur near Juggar coal, were studied. Six kinds of heavy metals were detected in them, including Zn, Cu, Cr, Pb, As, and Hg. Conventional statistics and geostatistical analysis methods were used to determine the spatial distribution characteristics of heavy metals. The heavy metals in plants were assessed by the Nemerow integrated index to understand the current pollution status and potential ecological risk. The results suggested that maximum Hg (0.224 mg/kg), mean Hg (0.069 mg/kg) in stems and leaves, and mean Hg (0.215 mg/kg) in roots ofHadoxylonwere all higher than the national baseline value in soil (0.065 mg/kg). Its maximum (0.92 mg/kg) and mean (0.066 mg/kg) in stems and leaves, and maximum (0.637 mg/kg) and mean (0.072 mg/kg) in roots ofReaummuriasoongoricaindicated similar results. In the whole body ofReaummuriasoongorica, maximum Cr (72.62 mg/kg) and that of Zn (97.61 mg/kg) were higher than the soil baseline in Xinjiang (49.3 mg/kg) and nationally (61 mg/kg). Pb was not found. Interpolated precision was better for Hg and Cu, but worse for Zn. Spatial analysis ofReaummuriasoongoricarevealed that Zn, Cr, As, and Hg exhibited large artificial disturbances. Hg moderately contaminatedHadoxylonand mildly contaminatedReaummuriasoongorica. Zn in stems and leaves ofReaummuriasoongoricawas a potential risk, whereas the others were in the safe range. It is worth mentioning that Hg was at a moderately hazardous level, higher than the other four elements. Over time, research into metal pollution in plants will be intensified.

desert mining area;Hadoxylon;Reaummuriasoongorica; heavy metals; assessment

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAC15B01)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41561089)

2016- 04- 13; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 22

10.5846/stxb201604130678

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tash@xju.edu.cn

夏楠,塔西甫拉提·特依拜,依力亞斯江·努爾麥麥提,張東,李云.卡拉麥里南部工業(yè)區(qū)梭梭和琵琶柴重金屬空間分布及污染評(píng)價(jià).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(11):3912- 3918.

Xia N, Tiyip·Tashpolat, Nurmemet·Ilyas, Zhang D, Li Y.Heavy metal spatial distribution and contamination assessment ofHadoxylonandReaummuriasoongoricain an industrial area south of Kalamali.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3912- 3918.