卡拉麦里南部工业区梭梭和琵琶柴重金属空间分布及污染评价

夏 楠,塔西甫拉提·特依拜,*,依力亚斯江·努尔麦麦提,张 东,李 云

1 新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐 830046 2 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐 830046



卡拉麦里南部工业区梭梭和琵琶柴重金属空间分布及污染评价

夏 楠1,2,塔西甫拉提·特依拜1,2,*,依力亚斯江·努尔麦麦提1,2,张 东1,2,李 云1,2

1 新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐 830046 2 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐 830046

对五彩湾工业区周边21个采样点的梭梭(Hadoxylon)和琵琶柴(Reaummuriasoongorica)的Zn、Cu、Cr、Pb、As、Hg 6种重金属元素含量测定,运用统计学方法和地统计插值法分析其茎叶和根部重金属含量变化情况和空间分布特征,并综合评价其污染程度和潜在生态危害性。结果表明：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未超出国家土壤背景值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和国家土壤背景值61 mg/kg,Pb元素未被检出。插值精度方面,Hg、As的RMSE较小,分别为0.263和0.443,预测模型中Hg的R2为0.72,Cu的R2为0.67,能较好地估计预测样点的重金属含量,Zn的R2为0.31,精度较低；插值结果,琵琶柴中的Zn、Cr、As、Hg含量较高的区域均在工业园区内部及周围,受人为扰动程度较大。梭梭和琵琶柴中Hg元素分别为中度污染和重度污染；Hg元素为中等潜在危害程度高于其他4种元素。

荒漠矿区；梭梭；琵琶柴；重金属；评价

卡拉麦里山有蹄类野生动物自然保护区是蒙古野驴和普氏野马等国家重点保护动物的栖息地,这些珍贵的濒危物种正受到人类的严重威胁,包括栖息地的人为限制,偷猎,交通意外碰撞以及工业生产造成的环境污染问题,其中环境问题尤为严峻[1]。卡拉麦里中部有喀木斯特工业园,南部有五彩湾工业园,污染由内向外产生,已经影响野生食草动物的主要食物梭梭、红柳等小乔木和琵琶柴、骆驼刺等小、半灌木的生长。矿区植物中某些重金属含量过高会毒害植物的健康和抑制其生长[2- 5],此外,重金属会随食物链富集到保护动物甚至人类体内[6- 10]。因此对卡拉麦里保护区植物中的重金属元素进行监测和污染预警尤为重要。

近年来,许多学者对植物重金属污染监测和评价进行了大量研究。简敏菲等[11]监测鄱阳湖周边水生植物重金属含量,发现多种水生植物的根部Cu、Cd、Zn、Hg和As等重金属含量高于茎叶,这可能和湖泊的水位变化有关；周耀渝等[12]对湘西铅锌矿区的优势植物重金属含量进行测定,得出油茶属于富集型植物,毛萼莓、芒属于根部囤积型植物,对矿区的生物修复提供了参考；秦丽等[13]对云南会泽铅锌冶矿厂废渣堆周围芨芨草、莎草、土荆芥等植物进行了Cd的监测,这些植物表现出对Cd有很强的富集能力；王耀平[14]监测黄河口盐地碱蓬的Cu、Cr、Zn、Hg和As的含量,发现盐地碱蓬在淹水区对Cu、Zn富集能力较强,非淹水区只对Cu富集,且地上部分重金属含量高于根部。由以上研究发现Cd、Cu、Cr、Zn、Pb、Hg和As等元素对植物影响较大,可被认为是矿区的主要污染元素；这些研究多在湿润地区,而在干旱区对优势植物的监测和选取工作较少,梭梭和琵琶柴作为卡拉麦里保护区乔木和灌木的代表植物,监测其重金属污染状况更具有代表性。

为探索工业生产对保护区南部植物造成的污染状况,本文以五彩湾工业园区周边生长的典型荒漠植物梭梭和琵琶柴为研究对象,将其分为茎叶和根两部分,测得其重金属元素Cu、Cr、Zn、Pb、Hg和As含量,运用常规统计学方法和地统计方法分析其茎叶和根部重金属含量变化情况及其空间分布特征,并综合评价其污染程度和潜在生态危险性,为在该地区的环境保护和污染防治提供科学依据和数据支撑。

1 研究区概况

图1 研究区地理位置和采样点分布图 Fig.1 Geographical position map of study area and distribution of sampling points

五彩湾工业园位于准噶尔盆地东部,卡拉麦里保护区南缘,盛产煤电能源。地貌为戈壁滩平原,地形平坦开阔,其工业基地范围内平均海拔500—700 m,总体地势北高南低,如图1。该地区属于大陆暖温带干旱气候,年均蒸发量2070.3 mm,年均降水量183.5 mm,无常年地表水流。主要以荒漠碱土、石膏棕漠土和荒漠风沙土为主的土壤类型[15]。植被类型主要是梭梭、琵琶柴、蛇麻黄、假木贼、白刺、骆驼刺等耐旱植被[16]。

2 材料与方法

2.1 试验过程

采样点按照放射性布点法,以五彩湾工业园区为中心每隔45°设定方向以5 km为单位间距布设。由于植被单一且分布不均,因此按照实际样点的植被覆盖及道路状况选取21处采样点,每个采样点采集琵琶柴3株和梭梭3株,共计126个植物样本并用GPS记录实际采样点的坐标。将样本带入室内用去离子水清洗,自然晾干后将其分为茎叶和根两部分,放入电热风干箱调节温度至105℃杀青1 h,再调至80℃烘干24 h,用不锈钢粉碎机将植物磨碎,过70目筛。用湿灰化法对植物样品进行消解[17],经过稀释后定容,取上层清液用日立Z- 8000型原子吸收分光光度计测定Pb、Zn、Cr、Cu、Hg和As[18]。在本次试验中,大量植株未被检出Pb元素,因此不做分析,对每个采样点3株植物的茎叶和根部重金属含量分别计算平均值。

2.2 普通克里格插值方法

普通克里格法可利用研究区植物重金属的原始数据,以变异函数为工具,对该区域内植物重金属变量的预测值进行线性无偏最优估计。其公式为：

(1)

式中,Z(x0)为估算点的植物重金属含量；Z(xi)为已知样点植物重金属含量实测值；λi为已知样本估计预测样本时的影响系数,其和为1[19]。

2.3 污染评价方法

2.3.1 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法[20]不仅兼顾了单因子污染指数平均值和最高值,还可以突出污染较重的污染物的作用,可用来评价每一个测试点的样品重金属综合污染水平。综合污染指数计算公式为：

(2)

2.3.2 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法综合考虑了重金属的毒性、迁移变化规律、背景值差异和评价区域对重金属污染的敏感性,而且能综合反映重金属对生态环境影响的潜力指标。其计算公式为：

(3)

(4)

3 结果与分析

3.1 植物重金属元素分析

3.1.1 梭梭

运用SPSS 20.0对梭梭茎叶和根的5中重金属含量进行分析得到表1：梭梭茎叶和根部重金属含量均值最高为Zn元素,最低为Hg元素,排序依次为Zn> Cr > Cu > As >Hg；其茎叶中Cu、Cr、Hg、Zn含量的均值大于根部,As小于根部,其富集差异不显著。梭梭茎叶中的Hg和根部的As变异系数均较大,属强变异；其整株(茎叶和根的加和)中Cr、Cu、Zn和茎叶中As变异系数在0.27—0.55之间,属中等变异。茎叶和根中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和国家土壤背景值0.065 mg/kg[23]。

表1 梭梭重金属含量统计分析

3.1.2 琵琶柴

表2中琵琶柴茎叶和根部重金属均值最高为Zn元素,最低为Hg元素,排序依次为Zn> Cr > Cu > As >Hg；其茎叶中Cu、Cr、Hg、As含量的均值小于根部,Zn大于根部,其富集差异不显著。相比梭梭,其整株中Hg元素的变异系数较大,属强变异；其余重金属元素变异系数在0.44—0.92,属中等变异。茎叶和根部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都超出新疆和国家土壤背景值。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和国家土壤背景值61 mg/kg。

表2 琵琶柴重金属含量统计分析

3.2 植物重金属空间分布特征

3.2.1 特异值检验和插值精度验证

运用ArcGIS 10.1软件的Explore Data工具分析重金属数据的正态分布特征并选出特异值,其中未通过正态分布检验的重金属含量值需经过对数(Log)变换使其服从正态分布。表3所示17号点和21号点出现特异值,剔除插值过程中该点号在对应元素的重金属含量值。Cr的MAE最大,为1.578,其余元素MAE较小,Hg、As的RMSE较小,分别为0.263和0.443,Cu和Hg的R2最大,预测值与实测值的线性拟合度较高,As和Cr次之,Zn最低。Hg和Cu的插值效果较好,Zn的预测精度较低但对于其空间分布仍具有参考价值。

表3 空间插值中预测精度验证

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

3.2.2 植物重金属含量空间分布图

在WGS_1984坐标系中,通过克里格插值得到5种重金属元素在琵琶柴中富集的空间分布特征(图2)。图中Zn、Cr、As、Hg含量较高的区域均在工业园区内部及周围,说明琵琶柴中的这些重金属元素受人为扰动程度较大。Cu元素表现出由西向东递增的自然分布,受到人为扰动较少。

图2 琵琶柴重金属空间分布图Fig.2 The distribution map of heavy metal in Reaummuria soongorica

3.3 污染评价

3.3.1 内梅罗综合污染指数法评价

植物重金属污染评价参照新疆土壤背景值分别计算梭梭和琵琶柴的茎叶和根部5种重金属的内梅罗综合污染指数,并取均值,结果如表4所示：梭梭茎叶和根部中Hg元素为中度污染,其余元素污染都表现为安全；琵琶柴茎叶和根部中Hg元素为重度污染,茎叶中Zn元素污染表现为警戒。2种植物中As、Cr、Cu、Zn元素现阶段污染不严重。

表4 植物重金属内梅罗综合污染指数评价

3.3.2 潜在生态危害指数法评价

植物重金属潜在生态危害指数评价结果见表5。其中梭梭茎叶Hg元素为中等潜在危害,其他4种元素为轻微潜在危害,梭梭根部5种元素均为轻微潜在危害；琵琶柴的茎叶和根部Hg元素为中等潜在危害,其他4种元素为轻微潜在危害。这两种植物潜在生态危害指数均小于150,为轻微潜在生态危险。

表5 植物重金属综合潜在生态危害指数评价

4 结论与讨论

(1)统计特征 梭梭与琵琶柴植株中Hg元素均值皆超出新疆土壤背景值和国家土壤背景值。5种元素在两种植物茎叶和根部的含量表现出轻微差异性,但不显著,相比湿润区植物受水分影响所表现的强烈差异性[11,14],梭梭和琵琶柴的富集能力可能更多与土壤、大气及植物自身吸收特性有关。

(2)地统计分析 除Zn验证结果较差外其余元素均满足插值精度需要；琵琶柴中Zn、Cr、As、Hg含量较高的区域均在工业园区内部及周围,受人为扰动影响明显。

(3)污染评价 Hg元素在梭梭和琵琶柴中均出现较严重的污染现象,其他元素除琵琶柴茎叶的Zn处于警戒状态外尚属安全；Hg元素在梭梭整株和琵琶柴茎叶中呈中等潜在危害,其他4种元素危害性较轻。Hg污染表现强烈,可能与煤炭开采引起的表层土壤属性变化有关,为此将对这些样点的土壤剖面中Hg元素做进一步研究。

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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

国家科技支撑计划项目(2014BAC15B01)；国家自然科学基金资助项目(41561089)

2016- 04- 13; 网络出版日期:2017- 02- 22

10.5846/stxb201604130678

*通讯作者Corresponding author.E-mail: tash@xju.edu.cn

夏楠,塔西甫拉提·特依拜,依力亚斯江·努尔麦麦提,张东,李云.卡拉麦里南部工业区梭梭和琵琶柴重金属空间分布及污染评价.生态学报,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.