高瑞忠,張阿龍,張 生,,賈德彬,,杜丹丹,,秦子元,王喜喜

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,呼和浩特 010018 2 內(nèi)蒙古水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,呼和浩特 010018 3 美國歐道明大學(xué),諾?？?23529

土壤既是各種化學(xué)離子的歸宿,又是這些離子向水體、大氣和生物傳播的媒介,其中重金屬離子在土壤中具有隱蔽、累積、滯后和不可逆等性質(zhì)[1],并會抑制植物與微生物的生長和活動(dòng),通過食物鏈不斷累積和傳輸而進(jìn)入人體,威脅人類健康[2],且重金屬污染極難治理,因此,關(guān)于重金屬的形成、運(yùn)動(dòng)和污染防治成為近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。大部分學(xué)者[3- 10]對土壤重金屬空間分布和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的研究集中在工業(yè)發(fā)達(dá)區(qū),側(cè)重于利用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與評價(jià),而對于經(jīng)濟(jì)相對不發(fā)達(dá)的西北內(nèi)陸旱區(qū)鹽湖盆地的土壤重金屬富集特征、空間分布和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等方面的研究卻鮮有報(bào)道。鑒于西北旱區(qū)的土壤質(zhì)量與地下水為主的供水水源安全密切相關(guān),本文以吉蘭泰鹽湖盆地為研究對象,揭示西北旱區(qū)鹽湖盆地土壤中Cr、Hg、As的富集特征與空間分布規(guī)律,采用單因子評價(jià)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價(jià)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法進(jìn)行鹽湖盆地主要重金屬成分的評價(jià),并利用統(tǒng)計(jì)相關(guān)和主成分分析辨析土壤中重金屬的來源及與其他離子成分的同源性,旨在為西北旱區(qū)鹽湖盆地流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中土壤環(huán)境保護(hù)、土壤污染治理、土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、土壤資源合理利用和地下水水源安全開采利用等提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置及土壤采樣點(diǎn)圖 Fig.1 Geographic location and soil sampling points of the study area

吉蘭泰鹽湖盆地位于內(nèi)蒙古阿拉善盟中東部,東南鄰賀蘭山北麓,西北以巴音烏拉山為界,東北與烏蘭布和沙漠相接,西南以騰格里沙漠的東北緣為界,總面積20025 km2,地面高程變化1013—3159 m(圖1)。地貌以基巖山地、山前傾斜平原、臺地、沙地和盆地為主[11]。

吉蘭泰鹽湖盆地地處歐亞大陸腹地,屬典型的大陸性干旱氣候,干旱少雨,蒸發(fā)強(qiáng)烈,冬寒夏熱,日照強(qiáng)烈,多年平均降水量108.8 mm,蒸發(fā)量2983.3 mm,氣溫8.6℃,相對濕度39.9%,風(fēng)力4—5級,風(fēng)速3.03 m/s,日照時(shí)數(shù)3300 h[12]。植被稀少,屬于荒漠化草原,主要植物為琵琶柴、梭梭、蛇麻黃等旱生植物,生態(tài)環(huán)境極其敏感和脆弱。

吉蘭泰鹽湖盆地主要行政區(qū)劃為吉蘭泰鎮(zhèn),該區(qū)以吉蘭泰鹽湖鹽業(yè)及副產(chǎn)品工業(yè)為主,包括少量農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和商業(yè)等共存的多元化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。吉蘭泰鹽湖是我國最大的內(nèi)陸湖鹽生產(chǎn)基地,在全國鹽業(yè)生產(chǎn)工業(yè)中具有舉足輕重的地位。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1采樣點(diǎn)布設(shè)

按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166- 1995) 的布點(diǎn)要求,結(jié)合盆地的地貌特征和土壤類型,考慮盆地地下水的主要匯流方向,以吉蘭泰鹽湖為中心向四周呈放射狀均勻布設(shè)土壤采樣點(diǎn),共40個(gè)(圖1)。

1.2.2樣品采集與測定

對于每個(gè)采樣點(diǎn)采用手持GPS定位,分3層采樣,共采集120個(gè)代表性樣品。每個(gè)采樣點(diǎn)的分層采集深度為表層、50 cm和100 cm,每個(gè)樣品重量約為1.0 kg,裝入聚乙烯塑料袋。所有樣品在內(nèi)蒙古自治區(qū)“水資源保護(hù)與利用”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定,土壤重金屬樣品的分析采用王水-高氯酸(HNO3-HCl-HClO4) 開放式消煮法,空白和標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW08303,國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心) 同時(shí)消解,以確保消解及分析測定的準(zhǔn)確度和用于回收率的計(jì)算。分析過程中所用試劑均為優(yōu)級純,Hg和As通過北京普析通用PF6- 2型雙道全自動(dòng)原子熒光光度計(jì)測定,檢出限分別為Hg<10-5mg/kg、As<10-5mg/kg,精密度<1.0%,測試線性范圍>103；Cr通過日立Z- 2700型石墨爐原子吸收分光光度計(jì)測定,檢出限為0.004 mg/kg,精密度≤1.0%,樣品殘留≤10-5。為保證分析的準(zhǔn)確性,重金屬含量測定全程做空白樣,每個(gè)樣品均采用3組平行實(shí)驗(yàn),取均值作為樣品測定最終量。

土壤六價(jià)鉻離子的測定分析采用分光光度法先將土壤通過堿性消解技術(shù)消解,土壤pH、電導(dǎo)率與離子分析采用標(biāo)定好的PH計(jì)、電導(dǎo)率儀與離子色譜儀,土壤六價(jià)鉻離子的測定分析先將土壤通過堿性消解技術(shù)消解,采用分光光度法進(jìn)行檢測,檢出限0.001 mg/kg。

1.2.3數(shù)據(jù)處理

常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析采用Excel@2010軟件完成,主成分分析和統(tǒng)計(jì)相關(guān)檢驗(yàn)分析采用DPS@15.1數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[13]完成,空間分布圖通過ArcGIS@10.1軟件制作。

1.3 研究方法

1.3.1單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是對土壤中的某一種污染物的污染程度進(jìn)行評價(jià),是國內(nèi)外普遍選用的評價(jià)方法之一,計(jì)算公式為[14]:

(1)

式中,Pi是第i種土壤污染物的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci是第i種土壤污染物的實(shí)測值,mg/kg；Si是第i種土壤污染物的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值,mg/kg,這里選用內(nèi)蒙古地區(qū)土壤重金屬元素的平均背景值[15]和國家二級土壤標(biāo)準(zhǔn)值[16]。Pi值越大,表示土壤污染越嚴(yán)重,以Pi將土壤污染分為未污染(Pi≤1)、輕微污染(1

1.3.2內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅(Nemerow)綜合指數(shù)法不僅可以反映土壤中各種污染物的平均污染水平,還可以反映最嚴(yán)重污染物的平均污染水平,突出了最嚴(yán)重污染物給環(huán)境造成的危害,計(jì)算公式為[17]:

(2)

式中,PN為綜合污染指數(shù)；(Ci/Si)max為各污染物中污染指數(shù)最大值；(Ci/Si)ave為各污染物中污染指數(shù)的算術(shù)平均值。依據(jù)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)可將土壤重金屬污染劃分為安全(PN≤0.7,清潔)、警戒限(0.73.0,土壤受污染已相當(dāng)嚴(yán)重)5個(gè)等級。

1.3.3潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對重金屬污染進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),該方法以土壤/沉積物中重金屬的元素背景值[15]為基準(zhǔn),結(jié)合重金屬的生物毒性(毒性響應(yīng)因子)、環(huán)境效應(yīng)(污染指數(shù))計(jì)算其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù),評價(jià)公式如下[18]:

(3)

1.3.4數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法

利用土壤重金屬之間、以及與土壤中其他主要離子成分的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性來判斷它們是否具有同樣的來源[21- 24]。當(dāng)重金屬成分與某離子成分相關(guān)系數(shù)r<|r0|min時(shí),可接受重金屬成分與該離子成分為獨(dú)立的這一假設(shè),排除該離子成分與重金屬成分具有同源性；而r>|r0|min當(dāng)時(shí),表明重金屬成分與該離子成分為相關(guān)序列的假設(shè),它們具有相同或相似的來源,其中：

(4)

式中,|r0|min為重金屬成分與某離子成分之間顯著相關(guān)系數(shù)的最低值,p為顯著性水平,tp為分布雙側(cè)檢驗(yàn)的臨界值,n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

主成分分析是將原來變量重新組合成一組新的互相獨(dú)立的幾個(gè)綜合變量,這些變量可以盡可能多地反映原來變量的信息,以實(shí)現(xiàn)高維數(shù)據(jù)到低維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而簡化數(shù)據(jù)分析的過程[25]。這里通過主成分分析來探究解釋不同土壤層不同重金屬元素的同源性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中Cr、Hg、As含量統(tǒng)計(jì)特征

鹽湖盆地各層土壤重金屬Cr、Hg、As的統(tǒng)計(jì)參數(shù)結(jié)果如表1所示。土壤中的Cr、As在各層均具有較大的標(biāo)準(zhǔn)差,最大值與最小值之間差異懸殊,而均值和中位數(shù)近似一致,表明各層測點(diǎn)數(shù)據(jù)變化較大,但各層之間含量具有相似的分布特征；Hg的各層含量均值和標(biāo)準(zhǔn)差近似一致,而中位數(shù)相差較大,表明各層之間數(shù)據(jù)變化存在一定的差異。變異系數(shù)可以表征數(shù)據(jù)的離散程度[26],變異系數(shù)小于16%為弱變異性,變異系數(shù)在16%—36%為中等變異性,變異系數(shù)大于36%為強(qiáng)變異性[27],土壤中各層的Cr與As屬于中等變異性：而Hg屬于強(qiáng)變異性。由偏度和峰度可大致了解數(shù)據(jù)偏離正態(tài)分布的程度[28],各層土壤Cr、Hg和As的偏度和峰度絕對值均大于0,說明各層的數(shù)據(jù)分布均為非標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。各層Cr、Hg、As的最大值均大于內(nèi)蒙古地區(qū)背景值[15],最小值均小于內(nèi)蒙古地區(qū)背景值,表明鹽湖盆地存在Cr、Hg、As的局部超標(biāo)點(diǎn)或超標(biāo)區(qū)域,而對比國家二級土壤標(biāo)準(zhǔn)值[16],鹽湖盆地的Cr、Hg、As含量均屬于國家標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)。

表1 研究區(qū)域土壤重金屬統(tǒng)計(jì)特征分析

2.2 土壤中Cr、Hg、As的空間分布特征

利用ArcGIS 10.1繪制吉蘭泰鹽湖盆地區(qū)3層3種土壤重金屬空間分布圖(圖2—4),可以看出,同種元素的不同層對比,總體具有相似的空間分布特征。

不同深度土壤中Cr含量的高值分布區(qū)主要位于吉蘭泰鹽湖盆地西北部的巴音烏拉山和烏蘭布和沙漠地區(qū),而且對于土壤100 cm深處,在鹽湖盆地的西南地區(qū)也出現(xiàn)Cr含量的高值區(qū)；吉蘭泰鹽湖附近含量較高(圖2)。這種分布特征的原因?yàn)樯嫌伟鸵魹趵角饏^(qū)有含Cr礦物,季節(jié)性河流經(jīng)過多年雨季溶解且順流而下,形成該區(qū)Cr含量的較高分布。

圖2 不同深度Cr的空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of Cr in different depth

不同深度土壤中Hg含量變化近乎一致,高值區(qū)主要分布在吉蘭泰鹽湖盆地的西南低山臺地地區(qū),在鹽湖盆地的東北地區(qū)出現(xiàn)局部高值點(diǎn)；吉蘭泰鹽湖附近土壤中Hg分布含量較低(圖3)。Hg主要分布在圖格力高勒溝和沙爾布爾的溝附近區(qū)域,原因是地勢較高的上游低山臺地地區(qū)存在含Hg礦物,經(jīng)過雨水沖刷被帶到溝中,順流而下形成水走鹽流的累積,造成研究區(qū)西南部Hg含量較高。還有,該區(qū)域被省道218穿過,車流量較大,尾氣中重金屬Hg污染較為嚴(yán)重[29],Hg排放到空氣中,最后沉降到該區(qū)附近,被雨水沖刷到溝中,導(dǎo)致該區(qū)Hg濃度較高[30-33]。

圖3 不同深度Hg的空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of Hg in different depth

對于不同深度土壤中的As,土壤深度50 cm以上在吉蘭泰鹽湖附近含量較高,在鹽湖西南地區(qū)含量及東北烏蘭布和沙漠地區(qū)含量較低,在東南賀蘭山和巴音烏拉山西北部含量較高；在土壤深度100 cm深度處鹽湖處As的含量較低,烏蘭布和沙漠地區(qū)含量較高(圖4)。由于該區(qū)土壤As元素濃度較高區(qū)域主要分布在鹽湖周邊及南北部區(qū)域,這是多年蒸發(fā)濃縮導(dǎo)致。

圖4 不同深度As的空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of As in different depth

總體上,3種重金屬元素在吉蘭泰鹽湖盆地區(qū)呈現(xiàn)了明顯的斑塊分布特征,這也說明研究區(qū)土壤可能由于局部受到工業(yè)排放、交通運(yùn)輸、大氣沉降和生活垃圾排放等的影響。

2.3 土壤中Cr、Hg、As的污染評價(jià)

以內(nèi)蒙古土壤背景值、國家二級標(biāo)準(zhǔn)中的Cr、Hg、As的含量為基準(zhǔn)值,采樣單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對吉蘭泰鹽湖盆地土壤表層、-50 cm層和-100 cm層處的Cr、Hg、As的污染狀況進(jìn)行定量評價(jià)。

2.3.1單因子污染指數(shù)法

基于內(nèi)蒙古土壤Cr、Hg、As背景值,以單因子污染指數(shù)法進(jìn)行評價(jià)(圖5),可以看出,研究區(qū)表層土壤中3種重金屬監(jiān)測點(diǎn)污染比重依次為As>Hg>Cr,Hg和As中度污染以上分別占55%和50%,而Cr僅有7.5%的輕微污染；50 cm層重金屬污染次序與表層相同,但Hg的受污染監(jiān)測點(diǎn)少于表層,As的略多于表層,而Cr與表層一致,Hg和As中度以上污染分別占45%和42.5%；100 cm層相對表層和50 cm層,重金屬污染比重次序相同,Cr和As的污染比重大于表層和50 cm層,Hg和As中度以上污染分別占40%和37.5%；以各點(diǎn)不同層含量取均值代表0—100 cm內(nèi)的平均污染狀況,土壤污染比重次序與各層一致(As>Hg>Cr),Hg和As中度以上均為45%,而Cr僅有7.5%的輕微污染。

以國家二級土壤標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單因子污染指數(shù)法評價(jià),各層各元素100%均未超標(biāo),均處于未污染狀態(tài)。

圖5 基于內(nèi)蒙古背景值的單因子污染指數(shù)評價(jià)比重圖Fig.5 Pollution percent from the method of single-factor pollution index based on the background of Inner Mongolia

2.3.2內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

基于內(nèi)蒙古土壤Cr、Hg、As背景值,以內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評價(jià)(圖6),結(jié)果表明,研究區(qū)表層土壤監(jiān)測點(diǎn)95%受到污染,其中62.5%受到中度及嚴(yán)重污染；類似于表層土壤,50 cm層處土壤也達(dá)到95%的監(jiān)測點(diǎn)受到污染,但中度及嚴(yán)重污染比重小于表層,為50%；在100 cm層處土壤的污染比重最大,達(dá)到97.5%,其中土壤開始受到污染比重較大(45%),中度及嚴(yán)重污染比重與表層和50 cm層處土壤相當(dāng)(52.5%)；以各點(diǎn)不同層含量取均值代表0—100 cm內(nèi)的平均污染狀況,研究區(qū)不存在清潔土壤,尚清潔比重僅占2.5%,開始受到污染的土壤比重為50%,中度污染以上比重為42.5%,少于各層分別的評價(jià)結(jié)果數(shù)量。

圖6 基于內(nèi)蒙古背景值的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價(jià)污染比重Fig.6 Pollution percent from the method of Nemerow pollution index based on the background of Inner Mongolia

同樣,以國家二級土壤標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià),內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價(jià)表明各層土壤均為100%未受到污染,處于清潔狀態(tài)。

2.3.3潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

基于內(nèi)蒙古土壤背景值計(jì)算3種重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)(圖7),可以看出研究區(qū)土壤中3種重金屬元素的潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大小依次為Hg>As>Cr,Hg作為吉蘭泰鹽湖盆地區(qū)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的主要貢獻(xiàn)率因子,As次之,由此可見,研究區(qū)Hg元素相對于內(nèi)蒙古土壤背景值而言,存在較大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)隱患,因加以重視。相對于國家二級標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)結(jié)果(圖7)而言,Hg和As的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)比重同樣較大,As的重金屬風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)貢獻(xiàn)要比內(nèi)蒙古土壤背景值評價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)更加明顯,而且這3種重金屬尚未對生態(tài)環(huán)境造成危害。

圖7 土壤中重金屬Cr、Hg、As的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Fig.7 Ecological risk index of heavy metal in the soil

基于內(nèi)蒙古土壤背景值,計(jì)算所有監(jiān)測點(diǎn)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子系數(shù)的平均值、最大值和最小值(表2),以實(shí)現(xiàn)不同土壤層和不同重金屬元素污染狀況的對比,可以看出生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)次序依次為表層Hg>50 cm層Hg>100 cm層Hg>表層As>100 cm層As>50 cm層As>100 cm層Cr>50 cm層Cr>表層Cr,Hg整體處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平,平均生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)達(dá)到133.94,最大值達(dá)到496.41,Cr和As均處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平,均值僅為1.41和17.11,但是依據(jù)國家二級土壤標(biāo)準(zhǔn)評價(jià),所有土壤層的Cr、Hg和As生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子平均值均小于40,均處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。

基于內(nèi)蒙古土壤背景值,對研究區(qū)土壤各層潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行污染比重統(tǒng)計(jì)分析(圖8),可以看出,各層土壤為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)比重在30%—40%之間,土壤為中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)占10%—20%之間,強(qiáng)度到極強(qiáng)狀況達(dá)到40%—60%之間,但從潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)平均水平來看,輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)占到40%,由中度、強(qiáng)度到極強(qiáng)在20%以內(nèi),僅很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度略超20%,從而說明研究區(qū)大部地區(qū)處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況,局部地區(qū)出現(xiàn)高值生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。而對于國家二級土壤標(biāo)準(zhǔn),所有測點(diǎn)均沒有出現(xiàn)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)超標(biāo)值。

繪制基于內(nèi)蒙古土壤背景值的綜合生態(tài)指數(shù)分布圖(圖9)進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間變化分析,可以看出吉蘭泰鹽湖盆地區(qū)土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)強(qiáng)度由西南向東北部成扇形遞減,西南部圖格力高勒溝谷、沙爾布爾德溝谷和低山臺地地區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)達(dá)到強(qiáng)度水平(生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大于300),在賀蘭山北部和烏蘭布和沙漠地區(qū)(生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小于75)、巴音烏拉山南部山前(生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)在75—150之間)為輕微污染水平,分析原因綜合生態(tài)指數(shù)與主要污染金屬Hg含量空間分布特征基本相同,研究區(qū)部分點(diǎn)位Hg含量較高,最大值為內(nèi)蒙古背景值的14.25倍,且Hg導(dǎo)致研究區(qū)整體處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平,Hg是研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的主導(dǎo)者,在綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)貢獻(xiàn)率中起主導(dǎo)作用。對于吉蘭泰鹽湖地區(qū),潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在在75—150之間,為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況。

表2 研究重金屬Cr、Hg、As生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)最大值、最小值和平均值

圖8 基于內(nèi)蒙古背景值的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)污染比重Fig.8 The pollution percent from the method of Potential Ecological Risk Index based on the background of Inner Mongolia

圖9 研究區(qū)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分區(qū)圖 Fig.9 Distribution zone of Potential ecological risk index for the heavy metal

2.4 土壤中離子成分的同源性分析

2.4.1土壤離子成分的相關(guān)分析

土壤離子成分的來源受土壤天然母質(zhì)和人類活動(dòng)的影響,來源的相似性會導(dǎo)致土壤中某些離子成分間表現(xiàn)出一定的相關(guān)特點(diǎn)[33],因此,土壤離子成分之間的相關(guān)性可以提供或推測土壤重金屬污染來源和途徑等重要信息,若元素間相關(guān)性顯著或極顯著,則表明元素間一般具有同源關(guān)系或呈現(xiàn)復(fù)合污染[34-37]。

表3 研究區(qū)土壤重金屬同種各層之間的相關(guān)系數(shù)

0.05水平顯著相關(guān),樣本數(shù)為40

2.4.2土壤Cr、Hg、As的污染主成分分析

土壤重金屬主要來源于成土母質(zhì)與人類活動(dòng),通過主成分分析可以有效判別重金屬元素的污染來源[38,41],前5個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)87.112%(表4),可以解釋重金屬Cr、Hg、As數(shù)據(jù)所包含的信息。

表4 研究區(qū)土壤重金屬元素因子載荷

第一主成分(PC1)的特征值為3.597,表層Hg和50 cm層Hg的因子載荷達(dá)到了0.456和0.399,并且平均值明顯超過了內(nèi)蒙古土壤背景值,最大值達(dá)到了內(nèi)蒙古土壤背景值的3.75和3.25倍,因此Hg元素主要來源于工業(yè)排放、交通污染源等人類活動(dòng)；第二主成分(PC2)的特征值為1.622,100 cm層Cr和100 cm層Hg載荷較高,分別為0.483和0.540,100 cm層Cr的變異系數(shù)低,且與代表土壤性質(zhì)的MgO和CaO等呈明顯的正相關(guān)關(guān)系,可認(rèn)為Cr為自然來源[13],研究區(qū)Cr的含量較低,均值未超過內(nèi)蒙古土壤背景值,一般來說,Cr是我國土壤污染程度最低的重金屬,較多研究[38- 39,41]均發(fā)現(xiàn)土壤中Cr未受到明顯的人類活動(dòng)影響,來源于成土母質(zhì)；第三主成分(PC3)的特征值為1.172,As和Hg的因子載荷分別為0.515和0.482,表層As的平均值均高于背景值,最大值為內(nèi)蒙古土壤背景值的2.99倍,并且表層As與、MgO和CaO的相關(guān)性較低,說明As為人為來源的元素。

3 討論

吉蘭泰鹽湖盆地中土壤普遍含有Cr、Hg、As,它們含量時(shí)空分布變化基本符合旱區(qū)盆地物理化學(xué)特征天然形成規(guī)律,但受到人類活動(dòng)影響而產(chǎn)生局部髙值區(qū)域,天然特征與氣候或水文地球化學(xué)演化規(guī)律相關(guān),如從24000—18000 cala BP時(shí)期到5.5 calka BP后時(shí)期,吉蘭泰鹽湖盆地各種化學(xué)成分不斷沉積,鹽度不斷升高和富集[12,42- 43],Cr、Hg、As也因此含量增高,又如鹽湖盆地常年干旱少雨,蒸發(fā)強(qiáng)烈,在地下水埋深較淺區(qū)域,地下水通過毛細(xì)作用不斷向地表運(yùn)移,在地表高溫蒸發(fā)條件下,各種化學(xué)成分開始富積在土壤中,進(jìn)而導(dǎo)致鹽湖盆地土壤中Cr、Hg、As含量局部偏高,因此,鹽湖盆地的化學(xué)特征與該區(qū)域天然環(huán)境條件如巖石礦物、水文地質(zhì)條件、水文地球化學(xué)條件、氣候條件和人類活動(dòng)等綜合作用的相關(guān)。

研究區(qū)采樣點(diǎn)相對較少,在某種程度上對結(jié)果造成一定程度的影響,因此想要細(xì)致的掌握旱區(qū)鹽湖盆地土壤重金屬精確污染分布狀態(tài),以及詳細(xì)的污染來源,還需在后續(xù)研究中,提高采樣密度,提升評價(jià)精度,需要進(jìn)行小尺度的詳細(xì)研究來揭示該區(qū)土壤重金屬空間變異性和垂向分布規(guī)律,以及沙地土壤重金屬評價(jià)與污染源查找的研究。

4 結(jié)論

(1)吉蘭泰鹽湖盆地土壤中Cr、Hg、As總體具有相似的空間分布特征。Cr在鹽湖盆地西北部的巴音烏拉山、烏蘭布和沙漠地區(qū)和西南地山臺地地區(qū)的含量較高；Hg僅在鹽湖盆地的西南低山臺地地區(qū)、以及東北局部區(qū)域的含量較高；土壤深度50 cm以上As在吉蘭泰鹽湖附近、東南賀蘭山和巴音烏拉山西北部含量較高,在土壤深度100 cm深度處As在烏蘭布和沙漠地區(qū)含量較高。

(2)基于內(nèi)蒙古土壤Cr、Hg、As背景值,研究區(qū)土壤單因子評價(jià)污染分布比重次序依次為As>Hg>Cr,其中Hg和As中度污染及以上的累計(jì)比重分別為55%和50%；；研究區(qū)土壤內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對均值評價(jià)顯示,不存在清潔土壤,僅有尚清潔土壤占2.5%,開始受到污染的土壤比重達(dá)到50%,中度污染以上比重達(dá)到42.5%；研究區(qū)土壤潛在風(fēng)險(xiǎn)次序依次為Hg>As>Cr,不同土層生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)次序依次為表層Hg> 50 cm層Hg>100 cm層Hg>表層As>100 cm層As>50 cm層As>100 cm層Cr >50 cm層Cr>表層Cr,Hg整體處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。研究區(qū)土壤綜合潛在生態(tài)污染評價(jià)中,輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)占到40%,且中度、強(qiáng)度和極強(qiáng)均在20%以內(nèi),僅很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度略超20%,說明研究區(qū)大部地區(qū)處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況,僅在西南低山臺地局部地區(qū)出現(xiàn)高值生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

(3)基于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行評價(jià),研究區(qū)土壤中Cr、Hg、As無論是單因子污染屬性、綜合污染屬性,還是潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均未出現(xiàn)超標(biāo)區(qū)域,土壤不存在Cr、Hg、As污染或潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),但對比內(nèi)蒙古整個(gè)地區(qū)來說,研究區(qū)區(qū)域土壤Cr、Hg、As含量較高。

(4)研究區(qū)土壤中Cr主要來源于土壤母質(zhì)形成過程中的自然來源,Hg和As主要來源于工業(yè)排放、交通污染源等人類活動(dòng),三者均受到人類活動(dòng)和自然環(huán)境變化的綜合影響。