黄土丘陵沟壑区土壤重金属空间分布特征及生态风险评价

黄土丘陵沟壑区土壤重金属空间分布特征及生态风险评价

河流生态系统的重金属污染具有隐蔽性、长期性和潜在性特点。它不仅破坏了水体的健康，还影响了水生动植物的生长发育，减少了沿海土壤中微生物的数量和酶的活性，抑制了土壤吸收、硝化和氨化的作用，并通过食物链危害人体健康。[1.3]。近年来,国内外学者对水环境中重金属富集特征开展了诸多研究,但重点多为河流沉积物中重金属的含量特征〔4－6〕、形态研究〔7－8〕、来源解析〔9－11〕及污染评价〔12－14〕等,而关于河流沿岸土壤系统重金属污染,尤其是水源地河流沿岸土壤的重金属污染状况研究相对较少。沣河是黄河流域渭河南岸一级支流,流经陕西省关中地区,是西安市黑河引水工程的补给水通道与受体,是西安市长安区人民的生活饮用水水源地。近年来,随着该地区人口增长、旅游开发及中下游乡镇工业(主要是造纸业)的发展,沣河水体功能下降,水质恶化,生态与环境遭到严重破坏。国内学者对沣河的化学污染及河流沉积物重金属污染进行了一些研究〔15－17〕,但关于沣河沿岸土壤重金属富集特征的研究却较少。基于此,本文分析了沣河沿岸土壤中重金属的含量水平、空间分布及生态风险,以期为合理开发利用沣河资源、制定污染防治措施及流域综合治理规划提供借鉴。1材料和方法1.1河流水文、土地利用方式沣河是西安市境内第3大河流,发源于西安市长安区喂子坪乡鸡窝子以南的秦岭北侧,流经西安市的长安区、户县秦渡镇、咸阳市的秦都区,从咸阳段进入渭河。河流全长78km,流域面积1460km2,主要支流有太平峪、高冠峪和潏河。根据其河道特征,沣峪口以上为上游,河谷较为开阔,坡度比较平缓,河床由砾石堆积而成,河水流速较大,流量较小,泥沙含量较少,河道成树枝状,土地利用方式主要为林地;沣峪口至秦渡镇为中游,河床主要以卵石为主,河道弯曲度较大,河流两岸滩地土层较薄,河道逐渐变宽,水流速度较慢,径流量较大,水位较高,含沙量较大,土地利用方式主要为耕地和建筑用地;秦渡镇以下至河口为下游,两岸为广阔的冲积平原,多为顺直微弯型干流,两岸多筑有防护堤,流速较慢,径流量较大,土地利用方式以建筑用地居多,耕地次之。沣河多年平均流量8.18m3·s－1,最大流量710m3·s－1,多年平均径流量2.58×108m3,沿岸植被以一年生草本和多年生草本为主〔15－16〕。在实际调研的基础上,根据沣河流域人口、工厂密集度,参照前人研究〔16－17〕,沿沣河自南向北依次在沣河源头、观坪寺、太平乡、沣峪口、北大村、郭北村、东大桥、五楼村、蛟河大桥、秦渡镇、梁家桥、马王村、严家渠、三里桥、入渭口上游和入渭河口下游布设16个采样点(图1),于2011年5—8月(平水期)进行野外采样,每个取样点以GPS精确定位。1.2方法与标准物质的关系土壤样品采样深度为0~20cm,每个样点在2m×2m的区域内采集混合土壤样品2份,每份约500g,所有样品装入聚乙烯样品袋,带回实验室,自然风干后去除杂质,用四分法取部分样品过2mm的尼龙筛,用长春光学精密机械与物理研究所研制的ZM-1型振动磨样机研磨后,称取4g(精确到0.0001g)待测样品,用硼酸衬底镶边后放入模具片,经压样机(YYJ-60型,长春光学仪器厂)制成圆片状待测样品,用X-荧光光谱仪(XRF)(PW2403型,荷兰帕纳科仪器公司),测定各样品中重金属含量〔18〕。实验过程采用国家标准参比物质GSS-1和GSD-12进行质量控制,测量结果表明标准物质中重金属元素实测值与参考值的相对标准偏差均小于10%。同时,随机选取5个样品做重复样,其标准偏差均不超过5%。实验所用各类器皿在用前均用稀盐酸浸泡,然后用自来水冲洗干净,再用去离子水冲洗3遍。1.3地积累指数co、mn、v,v本研究中采用内梅罗综合污染指数〔19－20〕法评价土壤重金属的综合污染程度,表达式为:式中:NI为土壤污染综合指数;Ci为i种重金属的实测值;Si为i种重金属的土壤环境背景值,本文取《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中Ⅰ类标准的临界值〔21〕(饮用水水源地的土壤背景值),其中,Co、Mn、V的评价标准采用中国土壤元素背景值〔22〕(GB15618-1995标准中对Co、Mn、V未作规定),(Ci/Si)max为i种重金属的单项污染指数中的最大值;(Ci/Si)ave为土壤各污染指数的平均值。内梅罗指数评价等级的划分见文献〔20〕。德国海德堡大学Muller〔23〕提出的地积累指数,能进一步定量反映土壤中重金属的污染程度,现被广泛应用于土壤、沉积物、灰尘等介质重金属污染评价中,其表达式为:式中:Cn指元素n的实测含量;Bn为所测元素的环境背景值,本文采用陕西省土壤元素背景值〔22〕;K为校正系数(一般取K=1.5)。地积累指数评价等级的划分见文献〔14〕。研究区土壤中各重金属含量经对数转换后进行正态性检验(Shapiro-Wilk检验,P<0.05),对符合正态分布的数据进行相关统计分析。数据统计与分析采用SPSS17.0和ArcGIS10.0软件。2结果与讨论2.1重金属污染状况沣河沿岸土壤中重金属含量水平如表1所示,除Cu、Zn、Ni外,Co(21.5mg·kg－1)、Cr(92.1mg·kg－1)、Mn(611.1mg·kg－1)、Pb(32.9mg·kg－1)和V(75.4mg·kg－1)的几何平均含量均高于陕西省土壤重金属含量背景值〔22〕。其中,以Co、Cr和Pb最为显著,分别超标2.0、1.5倍和1.5倍。Cu、Zn和Ni变异系数较高,含量变幅较大,分别为86%、53%、49%和4.3~102.7mg·kg－1、7.6~74.7mg·kg－1、3.2~57.6mg·kg－1(表1)。这表明3种元素水平差异较大,波动较强,该现象可能与人类活动的方式、强度不同及重金属来源的不同等因素有关〔18，20〕。与土壤环境标准(GB15618-1995)中Ⅰ类标准〔21〕(即饮用水水源地的土壤背景值相比)(其中,Co、Mn、V以中国土壤背景值〔22〕为标准),研究区Co、Cr、Cu、Mn、Pb、Ni和V的超标率分别为100%、75%、19%、63%、25%、6%和25%,表现为以Co和Cr为主的多种重金属复合污染。总体来看,研究区土壤中重金属含量为:Mn>Cr>V>Zn>Pb>Ni>Co>Cu,与沣河表层沉积物、渭河西安段表层沉积物及渭河咸阳段表层沉积物重金属含量的研究结果基本一致〔17，24－25〕,可见,沣河沿岸土壤及沣河表层沉积物、渭河西安段表层沉积物、渭河咸阳段表层沉积物中Mn、Cr、V、Zn、Pb含量均较高,并均有着随水流方向呈升高的趋势。2.2第四系重金属含量分布和来源分析土壤重金属元素Co、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Ni和V分布的扩散特征表明(图2),这8种重金属元素含量在空间分布呈波折多峰型特征,Co、Cr、Mn、Pb、Zn、Ni和V在位于沣河上游河段,远离人群密集地,工厂园区的沣河源头、观坪寺及太平乡3个样点均保持在较低含量水平。在中下游河段,由于人群密集、企业集中,这7种重金属元素呈明显的富集趋势,尤其是从东大桥到梁家桥段,由于污水的密集排放和频繁的人类活动,Co、Cr、Pb、Zn和Ni5种重金属元素含量均达到峰值。Cu主要集中在沣河上游河段,并在沣峪口处达到峰值,约为背景值的5倍,这可能与近年来该地区农家乐、疗养院等旅游产业迅速发展有关。从图2还可以看出,各样点Co、Cr和Pb含量均高于陕西省土壤背景值,Cr含量最高值出现在梁家桥,最低值出现在观坪寺;Pb含量最高值出现在郭北村,最低值出现在东大桥;Co含量最高值出现在蛟河大桥,最低值出现在入渭口上游;Mn含量最高值在入渭口上游,最低值在秦渡镇;Zn含量最高值出现在五楼村,最低值位于马王村;Ni含量最高值出现在梁家桥,最低值出现在入渭口上游;V含量最高值出现在入渭口上游,最低值出现在沣峪口。Cu含量高值区位于沣河上游河段,最高值出现在沣峪口,中下游河段含量较少,最低值出现在郭北村。2.3环境重金属污染空间分布图根据Nemero综合污染指数,土壤中重金属的符合污染指数(NI)达到1.84,表现为轻度污染(1<NI<2)。地积累指数评价结果显示,研究区土壤中Mn、Zn和V没有污染,Co(Igeo=0.5)、Pb(Igeo=0.3)和Cr(Igeo=0.1)均为轻度污染(0<Igeo<1)。应用ArcGIS10.0绘制沣河沿岸土壤中重金属地积累指数空间分布图(图3),显示沣河沿岸土壤中Co、Cr、Cu、Pb和Ni均存在局部污染。其中,Co、Cr、Pb和Ni污染主要集中在沣河中下游河段,除入渭口上游外,Co在其他样点均有污染,蛟河大桥及郭北村为中度污染,其余为轻度污染;Cr从太平乡到沣河入渭口下游河段,均属轻度污染;Pb在秦渡镇到严家渠河段均为轻度污染,另外,在观坪寺、沣峪口、郭北村及入渭口下游附近也属于轻度污染;Ni只在梁家桥为轻度污染;这可能与沣河中游的城镇、大学园区的建设以及中下游地区乡镇工业(主要是造纸业)的发展有关。Cu污染主要集中在沣河中上游河段,并在沣峪口处属于偏中度污染,这可能与沣河上游的生态旅游开发有关。周华〔17〕对沣河沉积物重金属含量地积累指数评价表明,研究区沉积物中Pb为轻度污染,Cu、Cr为局部污染。可见,沣河表层沉积物和沿岸土壤中Co、Pb、Cu和Cr等重金属污染相对比较严重,主要污染源为生活污水、工业污水(造纸、加工)和农业面源等。必须采取积极的防治与修复措施来控制和减轻该地区河流沿岸土壤的重金属污染问题。2.4土壤重金属含量随立地因子的变化重金属元素之间的相关系数可以表明其来源途径的相似性程度,相关系数较高的重金属元素之间具有依存关系,可能有相似的来源途径;相关系数较低的重金属元素之间则依存关系弱,来源途径不尽相同〔26〕。利用SPSS17.0分析沣河流域沿岸土壤中Co、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Ni和V的Pearson相关系数(表2)。结果显示:显著性水平为0.05时,Co—Pb、Cr—Pb、Cr—Ni、Cr—V、Mn—Pb和Zn—V呈显著正相关;Co—Zn和Co—Ni呈显著负相关。显著性水平为0.01时,Cu—Mn、Cu—Pb、Cu—Zn、Mn—Zn、Mn—V、Pb—Zn和Ni—V呈极显著正相关;Co—Cr和Co—V呈极显著负相关。一般Mn元素被看做是自然来源的特征元素,也被用于测定人类活动对重金属富集影响的参照元素〔27〕,本研究中Mn与V呈极显著正相关,且含量均略高于陕西省土壤背景值,由此可以推测沣河沿岸土壤中Mn与V含量主要受自然母质———全新世近期黄土的影响〔18，28〕。Co、Cr、Cu、Pb、Zn和Ni6种元素两两之间均有强相关趋势,由此推测,研究区这6种重金属含量可能受人类活动影响较大,并且有相同的释放源〔18，20〕。采用欧式距离,并基于Ward法(离差平方和法)绘制Co、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Ni和V8种重金属元素树状图(图4),聚类分析图显示,沣河流域沿岸土壤中重金属可归纳为Mn—V、Pb—Ni—Cr和Co—Zn—Cu3类,说明这3类元素在土壤中可能具有相似的来源或相近的释放规律。尤其是Co、Cr、Cu、Pb、Zn和Ni,与该区造纸业和生态开发活动源存在很好的对应关系,反映其污染与造纸业和生态旅游资源开发密切相关。因子分析发现,经正交旋转使复杂的因子负荷矩阵变得简洁清晰,因子1包含Mn和V;因子2包含Pb、Ni和Cr;因子3包含Co、Zn和Cu(图5)。该结果进一步支持聚类分析的结果。3土壤污染问题研究区内土壤中Co、Cr、Mn、Pb、Zn、Ni和V含量在沣河中下游呈明显富集。其中,Co、Cr和Pb的平均含量较高,分别为陕西省土壤元素背景值的2.0、1.5和1.5倍(几何均值),与中国土壤环境质量标准(GB15618-1995)中Ⅰ类标准相比,这3种元素超标率分别为100%、75%和25%,说明沣河沿岸土壤污染问题已经比较突出。地积累