喀纳斯景区土壤重金属污染及其潜在生态风险评价

王文栋, 白志强, 刘 端, 郭仲军

(新疆林业科学院 森林生态研究所, 新疆 乌鲁木齐830063)

土壤为大气圈、生物圈、水圈、岩石圈的连接纽带，对污染物质有净化功能[1]。自然状况下，土壤中残落的生物物质以及母岩形成土壤中重金属[2]。但随着人类旅游活动的快速发展，不可避免地给土壤生态环境带来一定的负面影响。在一定程度上，旅游地土壤状况反映了旅游活动干扰所带来的土壤生态效益。随着旅游业的快速发展，景区设施建设以及大量游客进入景区，必然产生了建筑垃圾、交通排放物、生活垃圾等给旅游景区带来了大量的重金属。旅游景区土壤环境安全问题正日趋严峻，重金属污染已是影响旅游目的地土壤环境的重要因素[3-4]。重金属具有持久性、隐蔽性、易富集、难降解等特点，其不仅通过积累而影响土壤环境质量，毒害植物正常生长，且可通过食物链进入人体，严重威胁人类健康[5]。游客践踏、游客露营、游径建设与使用对旅游景区土壤重金属含量产生一定的影响，因此测定旅游景区重金属含量对于揭示其生物毒性及其在环境中的迁移特性以及旅游景区资源与环境的可持续发展具有重要意义。近几十年来，国内外学者对不同区域土壤重金属分布、来源、污染评价等开展了相应工作，并取得重要研究成果。其研究主要集中于城市土壤、农田土壤、矿区等区域范围，较少关注旅游目的地景区[6-9]。研究内容则聚焦于重金属含量、分布、来源以及污染状况[10-14]，但在不同生态系统中其特征不尽相同。由于旅游景区受人为因素、季节因素影响较大，较难获取，关于旅游地重金属污染研究鲜有报道。喀纳斯景区是国家自然地质公园和国家自然保护区，自对外开放后，旅游人数倍增，旅游活动日益增加[15-16]。但伴随旅游业的迅猛发展，喀纳斯景区的环境污染和破坏问题也日益突出[17]。土壤对旅游干扰反应较为敏感，因此研究喀纳斯景区土壤重金属对生态系统的稳定和景区的可持续发展具有重要意义。为此，本研究以喀纳斯景区为研究区，测定土壤样品As，Pb，Hg，Cd，Zn，Cr、和Cu含量，进行土壤重金属污染及其潜在生态风险评价，试图揭示土壤重金属含量对旅游活动的响应机制，以期为景区资源科学管理和保护提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆维吾尔自治区布尔津县境内，阿尔泰山中段，跨86°54′—87°54′E，48°35′—49°11′N，最高海拔4 371 km(友谊峰)。北起卡勒玛虚，南至何乌特，东接铁外克，西到阿尔圭萨拉，南北长约66 km，东西宽约74 km，面积约2.50×105hm2。年均温0.2 ℃，最冷月为1月，最热月为7月，年均降水量1 065.4 mm，年均蒸发量1 097 mm，无霜期约80～120 d，积雪期约200 d。主要植物为西伯利亚落叶松(Larix)、阿尔泰老鹳草(Geranium)、狭颖鹅冠草(Roegneriamutabilis)，土壤为草甸黑钙土。

1.2 野外采样

2017年6—9月在喀纳斯景区内选择依人类活动打扰由弱至强，选择4个典型样地。样地1为老村(人类活动扰动强烈)，样地2为新村(人类活动扰动较强烈)，样地3为老村的路边(人类活动扰动较轻微)，样地4为喀纳斯湖湖边(人类活动扰动轻微)。在4个典型样地内，进行0—20 cm表层土壤样品随机采样，样地1选择8个样点，样地2选择13个样点，样地3选择8个样地，样地4选择13个样地，共采集42个土壤样品。为避免其他金属接触以及人为影响，样品采集、研磨过程中均使用非金属类用具。采样过程中，采用10 m×10 m内“梅花形”布设5个子样点，每个子样点采集表层土壤200 g左右，将其充分混合后装入自封袋中。记录样点地理位置、海拔高度、植物类型以及周围的环境状况。土样带回实验室后风干、碾碎、烘干(70 ℃)、混合、研磨、过筛(100目)备用。

1.3 实验室分析

土壤样品带回实验室，剔除植物残体和石块，烘干(70 ℃)，混合研磨，过100目筛备用，保存。重金属含量测定参照《中华人民共和国国家标准》测定。Pb，Cd含量测定采用石墨炉原子吸收分光光度法(GB/T17141-1997)；Zn和Cu火焰原子吸收光度法(GB/T17138-1997)；As含量测定采用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法(GB/T17134-1997)；Hg含量测定采用冷原子吸收分光光度法(GB/T17136-1997)；Cr含量采用火焰原子分光光度法进行测量(GB/T17138-1997)。3次空白样和平行样，取平均值作为样品的最终金属含量。在土壤重金属含量测定过程中加入GSS-12(国家标准土壤参比物质)进行质量控制，7种土壤重金属回收率均未超出国家标准参比物质的允许范围。

1.4 污染负荷指数法

污染负荷指数(pollution load index， PLI)是Tomlinson等在重金属污染水平分级相关研究中提出的一种污染评价方法，可表达各重金属对污染的贡献程度以及重金属时空变化趋势[18]

(1)

式中：CFi——重金属i的污染指数；ci——重金属i的测试浓度；cn——重金属i的评价标准，本研究采用新疆土壤背景值作为评价标准。详细污染等级评价标准详见表1。

1.5 潜在生态风险指数法

(2)

表1 土壤重金属污染等级划分标准

1.6 数据分析

Excel软件进行试验数据整理，采用SPSS 17.0软件，进行LSD多重比较与Pearson相关分析。运用Canoco 4.5进行主成分分析法探求重金属来源。

2 结果与分析

2.1 喀纳景区土壤重金属含量特征

由表2可知，研究区土壤重金属As，Pb，Hg，Cd，Zn，Cr，Cu含量平均值依次为：Zn>Cu>Pb>As>Cr>Cd>Hg。除Cr超过《国家土壤环境质量》Ⅰ级标准的限值0.20外，As，Pb，Hg，Cd，Zn和Cu 的平均值均未超出国家标准的限值。As，Pb，Cd，Zn，Cr，Cu均未超过背景值，仅Hg含量超过当地背景值。As，Hg，Zn，Cu的超标率分别为2.38%，4.76%，16.67%和16.67%，Cr的超标率高达100%，仅Pb和Zn未超标。

土壤As，Pb，Hg，Cd，Zn，Cr和Cu含量变幅均较大，As和Cd的变异系数分别为0.56与0.76，大于0.5，变异较明显。研究区土壤pH值在6.15～7.89的范围内，整体偏弱碱性。

表2 喀纳斯景区土壤重金属含量统计

注：重金属含量单位为mg/kg。

2.2 不同样地土壤重金属差异性特征分析

喀纳斯景区7种重金属在4个样地含量分布特征如图1所示，4样地中均为Zn含量最高。同一金属元素不同样地间除Cr无显著差异外，其余元素均存在显著差异。Pb，Hg和Cd均为样地1与样地2，样地3，样地4存在显著差异；As和Cu样地1与样地2差异性显著；Zn样地1和样地4与样地2和样地3差异显著。

注：大写字母为同一土壤重金属在不同样地间多重比较

2.3 土壤污染指标评价及潜在生态风险评价

以新疆土壤重金属为背景值，经计算得出喀纳斯景区土壤重金属在42个样点单项污染指数(CF)与污染负荷指数(PLI)，并依表1进行污染评价。单项污染指数平均值由大至小顺序依次为：Hg(4.39)，Zn(1.23)，Cu(1.21)，Pb(0.86)，Cd(0.65)，As(0.58)，Cr(0.05)。污染负荷指数Hg样地1，2，3均为重度污染，仅样地4为中度污染；Cd仅样地1为轻度污染，样地2，样地3和样地4均为无污染；Zn，Cu仅样地样地4无污染，样地1，样地2和样地3为轻度污染；Cr均为轻度污染。As，Pb重金属元素PLI评价结果是无污染(表3)。旅游活动较为频繁的区域，所有重金属PLI污染负荷指数较高，而样地4湖边为旅游活动不频繁区域，所有重金属PLI污染负荷指数较低。单一因子风险程度等级评价结果显示，Hg生态危害中等样本占样本总数的4.76%，强度生态危害占样本总数的2.38%；Cr生态危害中等样本占样本总数的58%；其余各元素各样本生态危害均为轻微。7种重金属的综合潜在生态风险RI均为轻微生态危害。

表3 喀纳斯景区土壤重金属土壤污染评价结果

2.4 土壤重金属来源

相关分析法与主成分分析法可用以判断土壤中重金属来源。重金属含量间相关性显著或极显著，通常重金属间具有一定的同源关系或复合污染。研究区7种重金属相关性关系如表4所示，Pb与Hg，Cd，Zn相关性极显著(p<0.01)，Hg与Cd相关性极显著(p<0.01)。As与Hg，Cd，Cu相关性显著(p<0.05)，Hg与Zn相关性显著(p<0.05)，Cd与Zn相关性显著(p<0.05)，Zn与Cr相关性显著(p<0.5)。由此观之，上述几种重金属元素间存在一定同源关系或复合污染。

各重金属元素间相关性显著，需进行主成分分析，进一步确定其重金属来源(图2)。对7种重金属进行PCA后，可分类分析重金属来源。第1轴和第2轴累积贡献率高达77.4%，由此可知前两轴能够较好反映重金属含量信息。Cd和Hg共同解释量为48%，对研究区土壤重金属影响最大，且其重金属来源可能一致。土壤中Hg的污染与旅游活动紧密相关，老村、新村和老村的路边均为旅游活动极为频繁区域，受到的干扰程度更大，长期以往，产生大量Hg污染。As，Zn和Cu这3种重金属元素为第二轴，解释量为29.3%，其来源方向一样，主要为旅游活动所产生的如卫生纸、玻璃瓶、塑料制品、泡沫、卫生纸等此类固体垃圾污染。

表4喀纳斯景区土壤重金属元素间相关系数mg/kg

项目AsPbHgCdZnCrCuAs1Pb0.151Hg-0.33*-0.40**1Cd-0.36*-0.52** 0.72**1Zn0.26 0.35**-0.37* -0.36*1Cr-0.03 0.21 -0.26 -0.06 0.05*1Cu0.25*0.08 -0.20 -0.19 0.280.061

注：*表示p<0.05水平显著相关； **表示p<0.01水平极显著相关。

图2 喀纳斯景区重金属含量双序图

3 讨 论

3.1 重金属含量特征

研究区超标率As

3.2 土壤重金属污染及风险特征与来源分析

喀纳斯景区土壤重金属污染Hg进入土壤的主要途径为干湿沉降[25-28]，喀纳斯景区核心景点喀纳斯湖旅游区而四周均为村落，特殊的地理位置，促使大气干湿沉降加剧，大量旅游活动进一步增大土壤中Hg的污染，这与谭小爱在香格里拉景区所做研究相同[29]。Zn和Cu污染评价为轻度污染但却不存在潜在生态危害，这是因为Zn和Cu毒性系数低(仅为1，5)，潜在生态危害小。Cr污染评价和潜在生态危害相一致，这可能是由于研究区旅游业的发展带动第三产业的发展，产生大量生活垃圾，导致Cr存在中等生态危害[30]。除此之外游客数量较多不可避免会增加重金属的来源，如游客鞋底(橡胶底、仿革底、塑料底等)的磨损、游客丢弃的含有重金属的垃圾(塑料杯、饮料、塑料袋、电池等。部分游客散自带食物参观，其散落的食品残渣中有机物含量高，腐烂后使土壤呈酸性，在与丢弃的金属制品接触后，会释放出更多的重金属元素。

研究区重金属来源主要有以下两个方面：一方面，土壤中As，Pb，Hg，Cd，Zn，Cr，Cu等元素为主要的地质来源，与地球化学成因有关[31-32]。重金属“自然源因子”，研究区土壤As，Pb，Hg，Cd，Zn，Cr和Cu主要受到额尔齐斯河流域土壤成土母质的控制与地质背景的影响。另一方面，主成分分析中不同因子主要反映了各重金属超标部分的人为源差异，喀纳斯为重要旅游活动场所，长期的人为活动对地表环境影响较强烈，其重金属来源中很大一部分是来自于旅游活动带来的一系列人为影响所致。

4 结 论

(1) 喀纳斯景区土壤中重金属有不同程度的积累，受旅游活动干扰频繁区域与受旅游活动干扰较大区域重金属含量不尽相同。

(2) 旅游活动日益频繁，旅游干扰强度日益增大，喀纳斯景区土壤重金属污染愈加严重。

(3) 7种重金属来源虽较为复杂，但主要原因是源于大量旅游活动以及其相关间接人为活动带来的一系列重金属积累。