李偉,張娜,熊健,高海濤,孫晶,張強(qiáng)英,布多,呂學(xué)斌,2

(1.西藏大學(xué) 理學(xué)院，西藏 拉薩 850000；2.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300110)

濕地土壤重金屬的研究對(duì)于其生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)至關(guān)重要[1-2]，高原濕地因生態(tài)環(huán)境敏感而脆弱，破壞后很難恢復(fù)[3]。麥地卡濕地是高原代表性濕地之一，被列為國(guó)際重要濕地和國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，地處西藏那曲嘉黎縣北部，平均海拔4 900 m，面積約為434.96 km2，為高原湖泊濕地和沼澤濕地，是黑頸鶴、赤麻鴨等珍稀鳥(niǎo)類(lèi)的遷徙走廊和繁殖地，濕地屬于高原亞寒帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)，只有冷暖季節(jié)之分，年平均氣溫0.9 ℃，年平均蒸發(fā)量達(dá)1 410 mm，年平均降水量?jī)H約694 mm，擁有豐富的高原魚(yú)類(lèi)，在水土保持、阻斷上游泥沙和形成高原草甸和沼澤地等生態(tài)環(huán)境效益方面發(fā)揮著重要作用[4-5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸均為優(yōu)級(jí)純；去離子水。

MASTER40高通量微波消解儀；240ZAA石墨爐原子吸收光譜儀；AFS-8220原子熒光光譜儀；MSA225S電子天平。

1.2 樣品采集和分析

2019年6月，通過(guò)對(duì)濕地的實(shí)地勘查后，選擇濕地的核心區(qū)及代表性區(qū)域共設(shè)置了25個(gè)采樣點(diǎn)見(jiàn)圖1。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of sampling points

樣品采集依據(jù)國(guó)家土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，采集濕地表層土壤(0～20 cm)樣品，混勻后取約2 kg 于樣品袋中，密封。所有樣品經(jīng)過(guò)自然干燥，尼龍篩除雜，送入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。樣品中Cu、Zn、Cr和Ni的濃度通過(guò)火焰原子吸收光譜儀(280FS AA)分析測(cè)定；Pb和Cd的濃度通過(guò)石墨爐原子吸收光譜儀(240ZAA)分析測(cè)定；Hg和As的濃度使用原子熒光光譜儀(AFS-8220)分析測(cè)定。為確保檢測(cè)分析數(shù)據(jù)的可靠性及精準(zhǔn)度，采用空白樣品和平行樣品進(jìn)行質(zhì)量控制，檢出限、相對(duì)偏差和回收率見(jiàn)表1。

表1 方法的檢測(cè)限制、相對(duì)偏差和回收率Table 1 Detection limit,relative deviation and recovery of the method

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 地積累指數(shù) 地積累指數(shù)(Igeo)廣泛應(yīng)用于重金屬污染評(píng)價(jià)，該方法是利用重金屬總含量與地球化學(xué)背景值的關(guān)系來(lái)評(píng)價(jià)重金屬污染程度的定量指標(biāo)。用公式(1)計(jì)算。

Igeo=log2(Ci/kBi)

(1)

其中,Igeo為地積累指數(shù)，Ci是重金屬i的測(cè)定濃度，k=1.5，指巖石層效應(yīng)下的背景校正系數(shù)，Bi是重金屬的地球化學(xué)背景值，參照西藏土壤中元素的背景值[6]，其中Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd、As和 Hg的背景值分別為21.9,73.7,77.4,32.1,28.9 ,0.08,18.7,0.026 mg/kg。根據(jù)不同的Igeo值，污染水平如下：Igeo≤ 0，無(wú)污染；0

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)法 Hankson定義的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)常用于評(píng)估土壤中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[8-9]，RI可按公式(2)和(3)計(jì)算。

(2)

(3)

表2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的污染等級(jí)Table 2 Pollution level of potential ecological risk assessment method

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 20.0進(jìn)行。利用 KMO 和 Bartlett球形檢驗(yàn)測(cè)試了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的適用性，其值分別為0.814(>0.5)和0.00(<0.05)，表明原始數(shù)據(jù)做因子分析可信；采樣點(diǎn)圖使用 ArcGIS 10.0繪制，其他圖使用Origin 2018繪制和R(x64 4.0.3)繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 麥地卡濕地土壤重金屬的分布特征

表3為麥地卡濕地土壤中重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析。

由表3可知,元素Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd、As和Hg的平均濃度分別為15.08，82.31，56.84，21.08，21.23，0.14，21.62，0.04 mg/kg；Cu、Cr、Ni和Pb濃度均值均低于西藏土壤背景值，Zn、Cd、As和Hg濃度均值略高于西藏土壤背景值，分別是背景值的1.11，1.75，1.15和1.53倍。有研究表明[10]，低度變異系數(shù)(CV<25%)受自然源影響，高度變異系數(shù) (CV>75%)主要與人類(lèi)活動(dòng)相關(guān)，本研究中測(cè)試元素的變異系數(shù)范圍從19.48%～65.05%，Cd和Hg變異系數(shù)高，分別為65.05%和63.69%，為中度變異，表明研究區(qū)土壤中這兩種元素的累積一定程度上受到了人類(lèi)活動(dòng)影響，其它元素變異系數(shù)較低主要與自然因素有關(guān)。

表3 麥地卡濕地土壤中重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)Table 3 Descriptive statistics of heavy metal content in Mitika wetland soil

運(yùn)用 SPSS 軟件對(duì)濕地土壤重金屬元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)( K-S檢驗(yàn))，除Cd元素值為臨界值0.05以外，其它測(cè)試元素的正態(tài)顯著性系數(shù)均大于顯著性系數(shù)(0.05)，可認(rèn)為測(cè)試元素?cái)?shù)據(jù)服從正態(tài)分布；Cd元素的峰度較高，表明該金屬的含量分布不均勻，屬于點(diǎn)源污染。

2.2 重金屬的污染和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.2.1 地積累指數(shù)法評(píng)價(jià) 地積累指數(shù)結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，重金屬的Igeo順序如下：Cd (0.08)>Hg(-0.23)>Zn (-0.46)>As (-0.53)>Pb (-1.063)>Cr (-1.08)>Cu (-1.15)>Ni(-1.23)， 除了Cd 的地積累指數(shù)范圍為-1.26～2.22，均值為 0.08，處于輕微污染外，其它金屬元素的地積累指數(shù)值都小于零為無(wú)污染狀態(tài)；其中要引起關(guān)注的是Igeo(Hg)范圍從-2.29～1.55，均值為 -0.23，有12% 的采樣點(diǎn)的Igeo值為1～2，28%的采樣點(diǎn)的Igeo值為 0～1；Igeo(As)范圍從-2.18 到 0.90，均值為-0.53，有16% 的采樣點(diǎn)的Igeo值為 0～1。

圖2 麥地卡濕地土壤中重金屬的地積累指數(shù)Fig.2 Geological accumulation index of heavy metals in soil of Mitika wetland

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Table 4 Potential ecological risk assessment

2.3 討論

麥地卡濕地土壤中的重金屬濃度與國(guó)內(nèi)外其他著名濕地相比見(jiàn)表5，所測(cè)試的元素濃度值大部分低于或接近現(xiàn)有文獻(xiàn)的報(bào)道值，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》的風(fēng)險(xiǎn)篩選值[12]，除Cd和Hg外，多數(shù)元素濃度為環(huán)境本底值，整體環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)良水平。

表5 不同濕地土壤重金屬濃度(mg/kg)Table 5 Heavy metal concentrations in different wetland soils

如果重金屬的來(lái)源相同或相似，元素之間有顯著的相關(guān)性[18]。相關(guān)分析見(jiàn)圖3。

圖3 重金屬元素之間的相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlation coefficient between heavy metal elements ***表示p< 0.001水平顯著相關(guān)；**表示p<0.01水 平顯著相關(guān)； *表示p<0.05水平顯著相關(guān)

由圖3可知，Cu與Zn、Ni相關(guān)系數(shù)高于0.8，呈極強(qiáng)相關(guān)性；Cu與Cr、Ni和Cd，Zn與Cr、Ni和Cd，Cr與Pb、As，Ni與Pb、As和Cd的元素組合之間的相關(guān)系數(shù)為0.6～0.7，為強(qiáng)相關(guān)性，說(shuō)明這幾種元素有相似的來(lái)源或遷移規(guī)律，但是元素Hg與其他元素的相關(guān)系數(shù)均小于0.3，相關(guān)性弱，說(shuō)明其累積方式不同，表現(xiàn)出異源特性。主成分分析法是區(qū)分土壤重金屬來(lái)源的常用方法，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 主成分分析結(jié)果Table 6 Principal component analysis results

由表6可知，提取的兩個(gè)主成分特征值分別為4.926，1.333，均大于1，方差累計(jì)百分比為78.250%，能代表數(shù)據(jù)所包含的主要信息，第1主成分方差貢獻(xiàn)率為61.581%。Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd和As元素載荷均大于0.7，除Cd是背景值1.75倍外，其它元素與背景值接近，且元素之間的相關(guān)性強(qiáng)，可認(rèn)為PC1主要為“自然源因子”；第2主成分方差貢獻(xiàn)率為16.669%，Hg的載荷為0.886，遠(yuǎn)高于其他元素，濃度均值為背景值的1.53，且變異系數(shù)高，分布不均勻，其環(huán)境毒性強(qiáng)是研究區(qū)主要風(fēng)險(xiǎn)因子，Hg元素的富集主要與化石燃料，生物燃料生產(chǎn)和使用有關(guān)[19]，可通過(guò)大氣沉降在環(huán)境累積，研究區(qū)屬于高原亞寒帶氣候區(qū)，年平均氣溫0.9 ℃，且晝夜溫差較大，幾乎一年四季都需要取暖，當(dāng)?shù)鼐用袢∨团腼冎饕耘Ｑ蚣S便、煤炭和少量可燃燒的生活垃圾為燃料，大部分藏區(qū)農(nóng)牧民有點(diǎn)酥油燈的習(xí)慣[20]，以上因素一定程度上造成Hg在環(huán)境中累積可能性，同時(shí)已有報(bào)道發(fā)現(xiàn)西藏環(huán)境中Hg還源于污染物的遠(yuǎn)距離輸送[21]，可認(rèn)為元素Hg主要受到人為源的影響。同一元素在不同主成分上均有一定的載荷量時(shí)，可認(rèn)為具有兩種主成分的來(lái)源[22]，Cd 在第一和第二主成分上均有載荷，分別為0.771和0.370，但在第二主成分載荷較小，應(yīng)以第一主成分為主，在統(tǒng)計(jì)分析中其峰度和變異系數(shù)較高，呈現(xiàn)點(diǎn)源污染可能性，考慮到麥地卡濕地除了少量交通運(yùn)輸活動(dòng)外，人為活動(dòng)較少，其受到交通源的一定影響[23-24]，綜上所述，元素Cd主要受控于自然因素，少部分受到人為因素的影響。

3 結(jié)論

(1)麥地卡濕地土壤中Cu、Cr、Ni和Pb濃度均值低于西藏土壤背景值，而Zn、Cd、As和Hg濃度均值分別是背景值的1.11，1.75，1.15和1.53倍。Cd和Hg存在累積的現(xiàn)象，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

(2)地積累指數(shù)均值順序?yàn)镃d (0.08)>Hg (-0.23)>Zn (-0.46)>As (-0.53)>Pb(-1.063)>Cr (-1.08)>Cu (-1.15)>Ni (-1.23)，除了Cd處于輕微污染外，其它元素的地積累指數(shù)值均小于零為無(wú)污染狀態(tài)。

(4)Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd和As主要來(lái)源于自然源，Hg受到人類(lèi)活動(dòng)的影響較大，因研究區(qū)背景值較低，給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來(lái)了一定的風(fēng)險(xiǎn)，需要引起關(guān)注，但總體環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)良。