三江源区土壤重金属的累积特征及潜在生态风险评价——以青海省玉树县为例

何林华，高小红

（青海师范大学生命与地理科学学院，青海省自然地理与环境过程重点实验室，青藏高原环境与资源教育部重点实验室，西宁810008）



三江源区土壤重金属的累积特征及潜在生态风险评价
——以青海省玉树县为例

何林华，高小红*

（青海师范大学生命与地理科学学院，青海省自然地理与环境过程重点实验室，青藏高原环境与资源教育部重点实验室，西宁810008）

摘要：为了解三江源代表性区域玉树县土壤重金属污染状况，评估土壤重金属潜在生态风险，以玉树县采集的121个土壤样本中的重金属含量数据为基础，采用地累积指数和潜在生态危害指数法对土壤重金属含量进行分析和潜在风险评价。结果表明：玉树县表层土壤重金属含量均超过青海省1990年背景值，其中As、Cd和Hg出现了较强的的富集现象，同时As、Cd超出国家土壤环境质量一级标准，表明三江源区土壤重金属环境自20世纪90年代以来部分元素出现了过度富集；来源分析表明，玉树县土壤重金属As、Pb、Zn和Cd主要与成土因素有关，Hg、Cu和Cr受人类活动影响较大，Mn来源于气候的影响；潜在生态风险评价表明：土壤中Cd和Hg的危害最大，尤其是Hg已出现了很强风险和极强风险，这些风险主要分布在国道214沿线人口聚集的城镇和地段，与人类活动有着密切的关系。在各子流域中，江曲流域土壤重金属属于强风险，其他区域均属于中等风险。总体而言，玉树县土壤重金属环境已发生了改变，今后应加强人口聚集区Hg源的控制，以保护其生态环境。

关键词：土壤重金属；地累积指数；潜在生态危害指数；生态风险评价；玉树县；三江源区

何林华，高小红.三江源区土壤重金属的累积特征及潜在生态风险评价——以青海省玉树县为例［J］.农业环境科学学报，2016，35（6）：1071-1080.

HE Lin-hua，GAO Xiao-hong. Assessment of Potentia1 eco1ogica1 risk for soi1 heavy meta1s in Sanjiang Source Region：A case study of Yushu County，Qinghai Province［J］. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（6）：1071-1080.

土壤是人类最基本的生产要素和各种经济关系的物质载体［1］，随着城市化和工业化的快速发展，区域土壤重金属以其较强的毒害性、非生物降解性、稳定性、隐蔽性和滞后性，成为土壤环境污染和预防研究的热点［2］。重金属污染阻碍土壤有机质的降解和氮循环，降低土壤酶活性和微生物的代谢活性［3］，直接或间接地破坏土壤的生态结构，通过土壤-植物系统迁移累积，进而影响农产品安全乃至人体健康［4］。当前土壤重金属污染呈现出多源性、普遍性、潜伏性、不可逆性和难治理性［5-6］，为土壤重金属污染的预防和治理带来很大的难度。

近几十年来，国内外学者对土壤重金属的分布、来源与污染评价等的大量研究［7-10］表明，现阶段土壤污染主要源于人为活动，包括工农业生产、交通运输及生活垃圾排放等。目前国内土壤重金属相关研究主要集中在东部经济发展水平较高的地区，而对青藏高原的研究相对较少［11-13］。因此开展三江源区玉树县土壤重金属潜在生态风险评价研究，可以充实三江源区土壤重金属的研究内容和弥补该区域土壤重金属评价的空白。

三江源区是长江、黄河和澜沧江的发源地，素有“中华水塔”之称，是中国面积最大、海拔最高的天然湿地分布区之一［14］。长江、黄河和澜沧江总水量的25%、49%和15%都来自该地区［15］。贾慧聪等［16］、徐小玲［17］和韦晶等［18］的研究表明，三江源区随着人类活动影响的增强，生态脆弱度以中度脆弱和强度脆弱为主，中度脆弱区占总面积的45.55%，强度脆弱区占总面积的25.57%；同时48.21%的湿地属于不健康或亚健康状态。由此可见三江源区的环境正日益变化。三江源区土壤重金属环境是否也在发生变化呢？针对这一问题，本研究选择三江源区典型代表区域玉树县为案例区，根据野外采样、实测重金属含量数据，以青海省土壤背景值［19］为评价标准，国家土壤环境质量一级标准［20］（First c1ass of Chinese Soi1 Environmenta1 Qua1ity Standard，FQS）为参考，对玉树县土壤重金属累积特征进行探讨并对其潜在生态风险进行评价，以期为玉树县乃至整个三江源区土壤环境、生态保护和区域可持续发展提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

玉树县地处青藏高原东南部，青海省三江源地区的南部，土地总面积为1.57×104km2，是一个以牧为主、农牧结合的半农半牧县，藏族占总人口的93%［21］。地理范围为95°41＇～97°44＇E，32°2＇～33°46＇N，平均海拔4491 m（统计于30 m分辨率DEM［22］）。与西南杂多县、南部囊谦县、西北治多县、北部曲麻莱、称多两县相邻，东与四川、西藏两省交界。境内纵跨长江、澜沧江两大水系，河流纵横、地形复杂，是典型的高山深谷区。气候属于高原亚寒带湿润气候，一年无明显的四季区分，只有冷热两季交替，且日温差大、年温差小，日照长、辐射强烈，绝大部分地区无绝对无霜期，年均温2.9℃，最高温7月平均温度12.5℃，平均年降水量不足500 mm［23］。王江山等［24］的研究表明该区域近40年来在全球变暖等因素的影响下气候呈现出气温升高、降水减少、蒸发增大的干旱趋势。

1.2采样与分析方法设计

依据国家土壤环境监测技术规范［25］，土壤样品选在距离道路200 m以外的地方采集。采样于2012年8月7日至17日天气晴朗、大气状况稳定的时间段进行。采集表层0～30 cm的土样，每份样品采集2 kg左右，用土壤密实袋密封保存，并详细记录采样点及其周围的土地利用类型、土壤质地、植被覆盖度等信息，并利用GPS对采样点进行定位，记录其经纬度。采样点分布如图1所示。

利用玉树县30 m分辨率的DEM［22］进行流域提取，结合土壤采样分布格局，以所在流域的最大河流或自然保护区命名，分别为巴塘河流域（BT）、子曲河流域（ZQ）、隆宝滩自然保护区内益曲河流域（LB）、通天河小流域（TH）和江曲河流域（JQ）（图1），未采样区不命名。在后续研究中以流域为单位进行分析和研究。

图1　研究区位置及采样点Figure 1 Location of studied area and samP1ing sites

1.3土壤样品重金属含量测定及数据预处理

土壤样品采回后在室内自然风干后研磨，剔除土壤中的根系，动植物残体等杂物，依次过20目、60目和100目土壤筛。将三遍过筛处理后的土壤样品取适量送交青海省有色地质测试中心测定土壤中的重金属含量，共测得121个样品的As、Hg、Cu、Pb、Zn、Cr、Mn和Cd元素的含量，其中土壤Hg和As元素采用原子荧光光度计（AFS-8130）测定，Pb、Cr、Cd、Cu、Zn元素含量采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定，Mn元素采用X射线荧光光谱仪（Primus-Ⅱ）测定。

经各元素异常值检测、剔除异常值后，得到106个有效数据；经正态性检验，采用box-cox方法对非正态分布数据正态化处理，便于后续分析。本研究中的数据计算在Exce1 2010软件中完成，数据预处理、分析及作图均在SPSS 22中完成，研究区域图在Arc GIS 10.0中完成。

1.4评价方法

1.4.1地累积指数

地累积指数为Mu11er于20世纪60年代提出，因此也称Mu11er指数［26］，是一种定量评价重金属污染的分析方法。它不仅考虑自然地质过程造成的背景值影响，也考虑人类活动过程产生的重金属影响，直观反映外源重金属在沉积物中的富集程度。其计算方法见公式（1）［27］：

式中：Ci为评价金属元素的实测含量，mg·kg-1；Bi为对应评价金属元素的背景值（本研究中为青海省背景值），mg·kg-1［22］；K为修正系数，一般取值1.5。

结果共分成无污染（Igeo≤0）、轻度污染（0＜Igeo≤1）、偏中度污染（1＜Igeo≤2）、中度污染（2＜Igeo≤3）、偏重度污染（3＜Igeo≤4）、重度污染（4＜Igeo≤5）和严重污染（Igeo＞5）7个等级［28］。

1.4.2潜在生态危害指数

1980年瑞典科学家Håkanson提出了潜在生态危害指数（Potentia1 eco1ogica1 risk index，RI）［29］，该方法引入毒性响应系数，将重金属的环境生态效应与毒理学联系起来，使评价更侧重于毒理方面，对重金属潜在的生态危害进行评价，不仅可以为环境的改善提供依据，还能够为人们的健康生活提供科学参照［30］。其计算见公式（2）：

式中：RI为采样点多种重金属综合潜在生态危害指数；Eir为某单个重金属的潜在生态危害系数；Tir为对应重金属的毒性响应系数（As=10、Zn=Mn=1、Cu=Pb= 5、Cr=2、Cd=30、Hg=40）［31］；Cir为该元素的污染系数；Cmi为该元素的实测含量，mg·kg-1；Cni为该元素的评价标准（青海省背景值），mg·kg-1。

1980年Håkanson研究湖积物中重金属时提出了E和RI的分级标准［29］（表1）。本文研究的重金属元素与Håkanson研究的不完全相同，为了更合理地评价，本研究中采用李一蒙等［32］对分级标准调整的方法对本研究使用的分级标准进行调整，调整结果如表1所示。

2　结果与分析

2.1玉树县不同小流域重金属含量分析

表2统计分析表明，玉树县土壤中的8种重金属元素的平均含量均高于1990年青海省土壤背景值［19］，其中Cu、Pb、Zn、Cr和Mn元素含量基本与背景值持平，且未超过国家土壤环境质量一级标准，说明近20多年来上述元素在研究区内基本没有富集；而As、Cd和Hg元素分别是背景值的1.587、1.830、2.408倍，同时As、Cd超出了国家土壤环境质量一级标准，分别为一级标准的1.396、1.215倍，表明这3种元素在研究区均有较强的富集现象。在环境地球化学中，土壤元素的累积通常伴随变异性的增强，作为反映环境变量总体波动特征的参数，变异系数在一定程度上可用于表征各元素的累积状况［33］，其值小于15%时为小变异，介于15%～36%之间时为中等变异，大于36%时为高度变异［34］。由表2可知，8种重金属的变异系数介于18.0%～51.8%之间，Hg属于高度变异，其他各元素为中等变异。同时As、Cd和Hg超背景率分别为94%、100% 和97%，因此需要对这三种重金属元素加以防范。

区域土壤环境总体分析虽能反映区域现存的基本情况，但不能突出问题所在。通过细分区域能让问题区域凸显出来，对玉树县各流域分析如图2所示。各流域内土壤重金属存在很大的差异，As、Pb、Zn、Cr 和Cd含量的平均值均在江曲流域内含量最高，并且都超过国家一级标准值，表明江曲流域是玉树县土壤重金属含量较高，富集较强的一个流域。

2.2玉树县土壤重金属空间分布特征

为研究玉树县土壤重金属分布特征，以流域为固定因子、各重金属含量为因变量进行方差分析，并选择最小显著差法（Least significant difference，LSD）对各流域重金属含量进行多重比较，结果如图2和表3所示。As、Cu、Pb和Zn含量在各流域内的含量存在极显著差异（P＜0.001），Cr和Cd含量有显著差异（P＜0.05），而Hg和Mn在各流域内的含量差异不大。Pb、Zn和Cd在江曲流域含量较高，与巴塘流域、子曲流域、益曲流域和通天河小流域的含量均有显著差异（P＜0.001），其他各流域之间差异不显著；As在江曲流域含量最高，且与子曲流域无显著差异，但与其他流域有显著差异；Cu在巴塘流域和通天河小流域含量基本相同，并同其他流域存在显著差异（P＜0.001）。

2.3土壤重金属相关性与来源分析

表1　本研究的E和RI分级标准与Håkanson分级标准的比较Tab1e 1 ComParison of E and RI standards of Håkanson and this PaPer for different eco1ogica1 risk 1eve1s of heavy meta1s

表2　玉树县土壤重金属含量统计特征Tab1e 2 Statistics of heavy meta1 concentrations at dePth 0～20 cm soi1 in Yushu County

目前的研究表明，多元统计是有效地判断相同来源的重金属的重要方法，在土壤重金属的研究中得到了广泛的应用［35］。相同来源的重金属在含量上具有一定的相关性［36］，因此可利用相关分析来识别相同来源的重金属。经过显著性检验后的相关系数根据大小划分为弱相关（|r|＜0.3）、中等相关（0.3≤|r|＜0.5）和强相关（|r|≥0.5）。对玉树县土壤重金属含量进行相关性分析，结果表明（表4），Zn与Pb、Mn、Cr、Cd通过极显著性检验（P＜0.001），相关系数分别为0.710、0.600、0.613、0.682，为强相关性；Pb与As、Cd相关系数分别为0.507、0.493，达到极显著水平（P＜0.001），为强相关性；Cu与Cr为强相关，相关系数0.537，通过极显著性检验。As、Mn与Cd，Pb、Cr与Mn，达到了中等相关，而As与Cu、As与Cr、Cu与Cd之间的相关性不显著。

图2　流域间的重金属含量差异（平均值±标准误差）Figure 2 Difference of heavy meta1 content in different watersheds（mean±SE）

表3　流域对重金属影响的方差分析Tab1e 3 ANOVA for effects of watershed on soi1 heavy meta1s

对正态化后的数据做KMO和Bart1ett球形度检验表明，变换后的数据适合做因子分析，因重金属含量数据单位统一（均为mg·kg-1），数据取值范围同在一个级别之内，所以因子分析时采取主成分-协方差矩阵提取方法进行分析。分析结果（图3）表明，8种重金属因子分析提取出了3个因子，累积贡献率高达99.70%，分别可解释方差的73.67%、25.09%和0.93%。PC3虽然解释的方差贡献率较少，但Mn在其上有较高的载荷，因此将因子3也进行提取（图3）。结合相关分析与主成分分析可知，As、Pb、Zn和Cd同源，Hg、Cu和Cr同源，Mn具有独自的来源。由图3可知，在PC1上As、Pb、Zn和Cd有较高的载荷，林燕萍等［35］的研究表明该类元素来源主要与成土因素有关，因此PC1为成土因子；在第二主成分上Hg、Cu和Cr载荷较高，且具有较高的相关性，赵庆龄等［37］综述前人的成果表明该类元素来源与人类活动有关，因此PC2为人为因子；在PC3上Mn具有较高的载荷，段永蕙等［38］的研究表明Mn的含量与气候条件有着密切的联系，因此PC3为气候因子。

2.4土壤重金属污染及潜在生态风险评价

表4　玉树县表层土壤重金属的相关关系矩阵Tab1e 4 Corre1ation matrix of heavy meta1s in 0～20 cm soi1 in Yushu county

表5　玉树县土壤重金属地累积指数评价Tab1e 5 Igeoof soi1 heavy meta1s in Yushu county

表6　玉树县土壤重金属潜在生态风险（Eir）和风险指数（RI）评价（平均值±标准误差）Tab1e 6 Potentia1 eco1ogica1 risk coefficients（Eri）and risk indices（RI）of soi1 heavy meta1s in Yushu county（mean±SE）

地累积指数评价（表5）显示，As、Cu、Pb、Zn、Cr和 Mn在玉树县内为无污染或轻度污染，没有偏重度级别及以上程度的污染；Cd有3.77%处于中度污染；Hg 有83.01%为轻度污染或无污染，13.2%为偏中度污染，3.77%为中度污染，这些污染主要出现在巴塘流域与子曲流域。表6显示在玉树县及各流域内Hg和Cd的单污染物危害风险最大，Hg除在隆宝滩自然保护区为中等风险，在其他流域均达到较强危害；Cd除在江曲流域为较强风险外，其他流域内均为中等风险。由图4可知，Cd的生态危害主要分布在江曲流域的小苏莽乡附近；依据实测数据统计，研究区内91.5%的样点为Hg元素中等危害或较强危害，仅2.8%为轻微危害，另5.7%为很强危害与极强危害，同时由图4可以看出很强危害和极强危害样点均分布在国道214沿线上人口聚集的歇武镇、结古镇和下拉秀乡等地段，与地累积指数评价结果相一致。由此可见人类活动对Hg的分布有很大的影响。综合潜在生态危害指数评价表明，除江曲流域属于强风险区以外，其他流域均处于中等风险。

图4　Cd、Hg元素和RI的空间分布Figure 4 SPatia1 distributions of Cd，Hg，and RI

3　讨论

三江源区不仅维系着中国和周边国家的生态环境安全，是区域可持续发展的生态屏障，也是自然生态系统最敏感、生态环境十分脆弱的地区［8］。三江源地区生态环境以中度脆弱区为主，所占面积比例为45.76%，另有25.57%为重度与极重脆弱区域，这些区域集中分布在地形复杂的裸地、低植被覆盖地带及人口、经济活动压力较大的东北部地区［22］。玉树县虽地处三江源区南部，但地形复杂，山地众多，随着玉树灾后重建的进行，其人口迅速增加，经济、交通发展迅速，因此玉树县也是三江源生态重度脆弱的区域，可作为三江源的代表区域。

玉树县土壤重金属分析表明该区域重金属含量均超过背景值，属于中等潜在风险，其中单元素Hg的潜在危害最为严重，且均分布在国道214沿线上人口聚居的城镇。冯玲等［39］对三江源区玉树县和玛多县土壤Hg含量分布特征的研究表明，玉树县土壤Hg含量与玉树县二三产业发达、城镇化水平高有关。王立辉等［40］研究表明，随着城市化进程的加剧，城市产生了大量的含Hg固体废弃物，包括温度计、血压计、电池、荧光灯泡以及一些废弃电子产品，这些废弃物中的Hg侵入土壤，从而导致城镇周围土壤遭受Hg的污染。因此，人口聚集区Hg的含量较高，风险较大，今后应加强Hg源的控制和生活垃圾的分类处理。

研究表明，江曲流域的土壤重金属Pb、Zn和Cd均极显著地高于其他流域，且超出国家土壤环境质量一级标准，富集度较高。很多研究［10，34，41］表明，土壤重金属来源于工农业生产、汽车尾气排放和成土等因素，然而该区域内人口稀少，交通不便，没有现代化的农业和工业分布，这些来源均难以解释江曲流域重金属异常的原因。分析认为：首先，该区域没有现代化工农业和过度的人为干扰，基本能排除自然因素以外的其他来源；另外，来源分析已经表明Pb、Zn和Cd含量高主要与成土因素有关。相关资料和已有研究［42-43］表明，该区域位于三江北段成矿带和玉树地区中咱-中甸陆块，在该区域内Pb、Zn和Cd为异常元素，富集较高；同时盛产Fe、Pb、Zn、Cu等多金属的赵卡隆矿床就位于江曲流域［44］。由此可见江曲流域重金属异常可能是由于其所处位置为成矿地段，从而表现出重金属整体偏高的现象。因此在该区域内未来应当加强环境保护。

4　结论

（1）玉树县As元素和Cd元素的平均含量高于国家土壤环境质量一级标准，两者具有轻微的富集现象；其他元素（Cu、Pb、Zn、Mn、Cr、Hg）的平均含量均低于国家一级标准。8种元素平均含量均超过青海省1990年背景值。

（2）玉树县5个小流域中，江曲流域重金属As、Pb、Zn、Cr和Cd的含量平均值均高于其他流域，这与该地区位于多金属成矿带上有关；隆宝滩自然保护区的土壤重金属含量较低，土壤环境质量好于其他流域。

（3）玉树县土壤重金属As、Pb、Zn和Cd主要与成土因素有关，Hg、Cu和Cr受人类活动影响较大，Mn来源于气候的影响。

（4）单个重金属元素中Cd和Hg的危害最大，尤其是Hg已出现很强风险和极强风险，这些风险均分布在国道214沿线人口聚集的城镇和地段。

（5）重金属危害和综合潜在风险评价结果显示，玉树县除江曲流域属于强风险外，其他流域均属于中等风险。

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Assessment of potential ecological risk for soil heavy metals in Sanjiang Source Region：A case study of Yushu County，Qinghai Province

HE Lin-hua，GAO Xiao-hong*
（The Key Laboratory for Qinghai-Tibet P1ateau Environment and Resources of Education Ministry，Schoo1 of Life Sciences and GeograPhy，Qinghai Province Key Laboratory of Physica1 GeograPhy and Environment Process，Qinghai Norma1 University，Xining 810008，China）

Abstract：The Sanjiang Source Region is the sources of Yangtze River，Ye11ow River and Lancang River，and Yushu County，Qinghai，is a tyPica1 area of this region. An investigation was conducted to eva1uate Potentia1 eco1ogica1 risks of heavy meta1s in soi1s in Yushu County. A tota1 of 121 soi1 samP1es were co11ected. Geo-accumu1ation index and Potentia1 eco1ogica1 risk index were used to eva1uate the eco1ogica1 risk of heavy meta1 Po11ution. Resu1ts indicated that content of heavy meta1s in soi1s was higher than the background va1ues of soi1 heavy meta1s in Qinghai Province in 1990，with As，Cd and Hg showing significant enrichments and Cd and As exceeding the nationa1 standards of soi1 environmenta1 qua1ity. This indicated that the enrichments of some soi1 heavy meta1s in Sanjiang Source Region since the 1990＇s. Source ana1ysis showed that soi1 As，Pb，Zn and Cd in Yushu county were derived from soi1 forming factors；whi1e Hg，Cu，and Cr main1y came fromhuman activities. Manganese was inf1uenced by c1imate factors. Soi1 Cd and Hg showed the greatest Potentia1 eco1ogica1 risk，esPecia11y Hg. These risks were main1y distributed in the towns or areas a1ong the nationa1 highway 214，which was c1ose1y re1ated to human activities. Of a11 watersheds，Jiangqu River watershed had very high eco1ogica1 risk of soi1 heavy meta1s，whi1e the others were medium risk. Overa11，heavy meta1s in Yushu county soi1s had changed great1y，and the Protection of the eco1ogica1 environment in Yushu County shou1d be strengthened，with sPecia1 attention Paid to contro1 over Hg sources in the dense1y PoPu1ated areas.

Keywords：soi1 heavy meta1；geo-accumu1ation index；Potentia1 eco1ogica1 risk assessment；Yushu County；Sanjiang Source Region

中图分类号：X820.4

文献标志码：A

文章编号：1672-2043（2016）06-1071-10 doi∶10.11654/jaes.2016.06.008

收稿日期：2015-11-08

基金项目：青海省自然科学基金项目（2011-Z-903）；国家自然科学基金项目（40861022）；青海省“人才小高地”建设项目（2015）；青海省重点实验室发展专项：青海省自然地理与环境过程重点实验室（2014-Z-Y24，2015-Z-Y01）；青海师范大学校创新基金项目

作者简介：何林华（1988—），男，四川南充人，硕士研究生，从事遥感与GIS应用研究。E-mai1：he1inhua93@163.com

*通信作者：高小红E-mai1：xiaohonggao226@163.com