喀納斯景區土壤重金屬污染及其潛在生態風險評價

王文棟, 白志強, 劉 端, 郭仲軍

(新疆林業科學院 森林生態研究所, 新疆 烏魯木齊830063)

土壤為大氣圈、生物圈、水圈、巖石圈的連接紐帶，對污染物質有凈化功能[1]。自然狀況下，土壤中殘落的生物物質以及母巖形成土壤中重金屬[2]。但隨著人類旅游活動的快速發展，不可避免地給土壤生態環境帶來一定的負面影響。在一定程度上，旅游地土壤狀況反映了旅游活動干擾所帶來的土壤生態效益。隨著旅游業的快速發展，景區設施建設以及大量游客進入景區，必然產生了建筑垃圾、交通排放物、生活垃圾等給旅游景區帶來了大量的重金屬。旅游景區土壤環境安全問題正日趨嚴峻，重金屬污染已是影響旅游目的地土壤環境的重要因素[3-4]。重金屬具有持久性、隱蔽性、易富集、難降解等特點，其不僅通過積累而影響土壤環境質量，毒害植物正常生長，且可通過食物鏈進入人體，嚴重威脅人類健康[5]。游客踐踏、游客露營、游徑建設與使用對旅游景區土壤重金屬含量產生一定的影響，因此測定旅游景區重金屬含量對于揭示其生物毒性及其在環境中的遷移特性以及旅游景區資源與環境的可持續發展具有重要意義。近幾十年來，國內外學者對不同區域土壤重金屬分布、來源、污染評價等開展了相應工作，并取得重要研究成果。其研究主要集中于城市土壤、農田土壤、礦區等區域范圍，較少關注旅游目的地景區[6-9]。研究內容則聚焦于重金屬含量、分布、來源以及污染狀況[10-14]，但在不同生態系統中其特征不盡相同。由于旅游景區受人為因素、季節因素影響較大，較難獲取，關于旅游地重金屬污染研究鮮有報道。喀納斯景區是國家自然地質公園和國家自然保護區，自對外開放后，旅游人數倍增，旅游活動日益增加[15-16]。但伴隨旅游業的迅猛發展，喀納斯景區的環境污染和破壞問題也日益突出[17]。土壤對旅游干擾反應較為敏感，因此研究喀納斯景區土壤重金屬對生態系統的穩定和景區的可持續發展具有重要意義。為此，本研究以喀納斯景區為研究區，測定土壤樣品As，Pb，Hg，Cd，Zn，Cr、和Cu含量，進行土壤重金屬污染及其潛在生態風險評價，試圖揭示土壤重金屬含量對旅游活動的響應機制，以期為景區資源科學管理和保護提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆維吾爾自治區布爾津縣境內，阿爾泰山中段，跨86°54′—87°54′E，48°35′—49°11′N，最高海拔4 371 km(友誼峰)。北起卡勒瑪虛，南至何烏特，東接鐵外克，西到阿爾圭薩拉，南北長約66 km，東西寬約74 km，面積約2.50×105hm2。年均溫0.2 ℃，最冷月為1月，最熱月為7月，年均降水量1 065.4 mm，年均蒸發量1 097 mm，無霜期約80～120 d，積雪期約200 d。主要植物為西伯利亞落葉松(Larix)、阿爾泰老鸛草(Geranium)、狹穎鵝冠草(Roegneriamutabilis)，土壤為草甸黑鈣土。

1.2 野外采樣

2017年6—9月在喀納斯景區內選擇依人類活動打擾由弱至強，選擇4個典型樣地。樣地1為老村(人類活動擾動強烈)，樣地2為新村(人類活動擾動較強烈)，樣地3為老村的路邊(人類活動擾動較輕微)，樣地4為喀納斯湖湖邊(人類活動擾動輕微)。在4個典型樣地內，進行0—20 cm表層土壤樣品隨機采樣，樣地1選擇8個樣點，樣地2選擇13個樣點，樣地3選擇8個樣地，樣地4選擇13個樣地，共采集42個土壤樣品。為避免其他金屬接觸以及人為影響，樣品采集、研磨過程中均使用非金屬類用具。采樣過程中，采用10 m×10 m內“梅花形”布設5個子樣點，每個子樣點采集表層土壤200 g左右，將其充分混合后裝入自封袋中。記錄樣點地理位置、海拔高度、植物類型以及周圍的環境狀況。土樣帶回實驗室后風干、碾碎、烘干(70 ℃)、混合、研磨、過篩(100目)備用。

1.3 實驗室分析

土壤樣品帶回實驗室，剔除植物殘體和石塊，烘干(70 ℃)，混合研磨，過100目篩備用，保存。重金屬含量測定參照《中華人民共和國國家標準》測定。Pb，Cd含量測定采用石墨爐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含量測定采用二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法(GB/T17134-1997)；Hg含量測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進行測量(GB/T17138-1997)。3次空白樣和平行樣，取平均值作為樣品的最終金屬含量。在土壤重金屬含量測定過程中加入GSS-12(國家標準土壤參比物質)進行質量控制，7種土壤重金屬回收率均未超出國家標準參比物質的允許范圍。

1.4 污染負荷指數法

污染負荷指數(pollution load index， PLI)是Tomlinson等在重金屬污染水平分級相關研究中提出的一種污染評價方法，可表達各重金屬對污染的貢獻程度以及重金屬時空變化趨勢[18]

(1)

式中：CFi——重金屬i的污染指數；ci——重金屬i的測試濃度；cn——重金屬i的評價標準，本研究采用新疆土壤背景值作為評價標準。詳細污染等級評價標準詳見表1。

1.5 潛在生態風險指數法

(2)

表1 土壤重金屬污染等級劃分標準

1.6 數據分析

Excel軟件進行試驗數據整理，采用SPSS 17.0軟件，進行LSD多重比較與Pearson相關分析。運用Canoco 4.5進行主成分分析法探求重金屬來源。

2 結果與分析

2.1 喀納景區土壤重金屬含量特征

由表2可知，研究區土壤重金屬As，Pb，Hg，Cd，Zn，Cr，Cu含量平均值依次為：Zn>Cu>Pb>As>Cr>Cd>Hg。除Cr超過《國家土壤環境質量》Ⅰ級標準的限值0.20外，As，Pb，Hg，Cd，Zn和Cu 的平均值均未超出國家標準的限值。As，Pb，Cd，Zn，Cr，Cu均未超過背景值，僅Hg含量超過當地背景值。As，Hg，Zn，Cu的超標率分別為2.38%，4.76%，16.67%和16.67%，Cr的超標率高達100%，僅Pb和Zn未超標。

土壤As，Pb，Hg，Cd，Zn，Cr和Cu含量變幅均較大，As和Cd的變異系數分別為0.56與0.76，大于0.5，變異較明顯。研究區土壤pH值在6.15～7.89的范圍內，整體偏弱堿性。

表2 喀納斯景區土壤重金屬含量統計

注：重金屬含量單位為mg/kg。

2.2 不同樣地土壤重金屬差異性特征分析

喀納斯景區7種重金屬在4個樣地含量分布特征如圖1所示，4樣地中均為Zn含量最高。同一金屬元素不同樣地間除Cr無顯著差異外，其余元素均存在顯著差異。Pb，Hg和Cd均為樣地1與樣地2，樣地3，樣地4存在顯著差異；As和Cu樣地1與樣地2差異性顯著；Zn樣地1和樣地4與樣地2和樣地3差異顯著。

注：大寫字母為同一土壤重金屬在不同樣地間多重比較

2.3 土壤污染指標評價及潛在生態風險評價

以新疆土壤重金屬為背景值，經計算得出喀納斯景區土壤重金屬在42個樣點單項污染指數(CF)與污染負荷指數(PLI)，并依表1進行污染評價。單項污染指數平均值由大至小順序依次為：Hg(4.39)，Zn(1.23)，Cu(1.21)，Pb(0.86)，Cd(0.65)，As(0.58)，Cr(0.05)。污染負荷指數Hg樣地1，2，3均為重度污染，僅樣地4為中度污染；Cd僅樣地1為輕度污染，樣地2，樣地3和樣地4均為無污染；Zn，Cu僅樣地樣地4無污染，樣地1，樣地2和樣地3為輕度污染；Cr均為輕度污染。As，Pb重金屬元素PLI評價結果是無污染(表3)。旅游活動較為頻繁的區域，所有重金屬PLI污染負荷指數較高，而樣地4湖邊為旅游活動不頻繁區域，所有重金屬PLI污染負荷指數較低。單一因子風險程度等級評價結果顯示，Hg生態危害中等樣本占樣本總數的4.76%，強度生態危害占樣本總數的2.38%；Cr生態危害中等樣本占樣本總數的58%；其余各元素各樣本生態危害均為輕微。7種重金屬的綜合潛在生態風險RI均為輕微生態危害。

表3 喀納斯景區土壤重金屬土壤污染評價結果

2.4 土壤重金屬來源

相關分析法與主成分分析法可用以判斷土壤中重金屬來源。重金屬含量間相關性顯著或極顯著，通常重金屬間具有一定的同源關系或復合污染。研究區7種重金屬相關性關系如表4所示，Pb與Hg，Cd，Zn相關性極顯著(p<0.01)，Hg與Cd相關性極顯著(p<0.01)。As與Hg，Cd，Cu相關性顯著(p<0.05)，Hg與Zn相關性顯著(p<0.05)，Cd與Zn相關性顯著(p<0.05)，Zn與Cr相關性顯著(p<0.5)。由此觀之，上述幾種重金屬元素間存在一定同源關系或復合污染。

各重金屬元素間相關性顯著，需進行主成分分析，進一步確定其重金屬來源(圖2)。對7種重金屬進行PCA后，可分類分析重金屬來源。第1軸和第2軸累積貢獻率高達77.4%，由此可知前兩軸能夠較好反映重金屬含量信息。Cd和Hg共同解釋量為48%，對研究區土壤重金屬影響最大，且其重金屬來源可能一致。土壤中Hg的污染與旅游活動緊密相關，老村、新村和老村的路邊均為旅游活動極為頻繁區域，受到的干擾程度更大，長期以往，產生大量Hg污染。As，Zn和Cu這3種重金屬元素為第二軸，解釋量為29.3%，其來源方向一樣，主要為旅游活動所產生的如衛生紙、玻璃瓶、塑料制品、泡沫、衛生紙等此類固體垃圾污染。

表4喀納斯景區土壤重金屬元素間相關系數mg/kg

項目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水平顯著相關； **表示p<0.01水平極顯著相關。

圖2 喀納斯景區重金屬含量雙序圖

3 討 論

3.1 重金屬含量特征

研究區超標率As

3.2 土壤重金屬污染及風險特征與來源分析

喀納斯景區土壤重金屬污染Hg進入土壤的主要途徑為干濕沉降[25-28]，喀納斯景區核心景點喀納斯湖旅游區而四周均為村落，特殊的地理位置，促使大氣干濕沉降加劇，大量旅游活動進一步增大土壤中Hg的污染，這與譚小愛在香格里拉景區所做研究相同[29]。Zn和Cu污染評價為輕度污染但卻不存在潛在生態危害，這是因為Zn和Cu毒性系數低(僅為1，5)，潛在生態危害小。Cr污染評價和潛在生態危害相一致，這可能是由于研究區旅游業的發展帶動第三產業的發展，產生大量生活垃圾，導致Cr存在中等生態危害[30]。除此之外游客數量較多不可避免會增加重金屬的來源，如游客鞋底(橡膠底、仿革底、塑料底等)的磨損、游客丟棄的含有重金屬的垃圾(塑料杯、飲料、塑料袋、電池等。部分游客散自帶食物參觀，其散落的食品殘渣中有機物含量高，腐爛后使土壤呈酸性，在與丟棄的金屬制品接觸后，會釋放出更多的重金屬元素。

研究區重金屬來源主要有以下兩個方面：一方面，土壤中As，Pb，Hg，Cd，Zn，Cr，Cu等元素為主要的地質來源，與地球化學成因有關[31-32]。重金屬“自然源因子”，研究區土壤As，Pb，Hg，Cd，Zn，Cr和Cu主要受到額爾齊斯河流域土壤成土母質的控制與地質背景的影響。另一方面，主成分分析中不同因子主要反映了各重金屬超標部分的人為源差異，喀納斯為重要旅游活動場所，長期的人為活動對地表環境影響較強烈，其重金屬來源中很大一部分是來自于旅游活動帶來的一系列人為影響所致。

4 結 論

(1) 喀納斯景區土壤中重金屬有不同程度的積累，受旅游活動干擾頻繁區域與受旅游活動干擾較大區域重金屬含量不盡相同。

(2) 旅游活動日益頻繁，旅游干擾強度日益增大，喀納斯景區土壤重金屬污染愈加嚴重。

(3) 7種重金屬來源雖較為復雜，但主要原因是源于大量旅游活動以及其相關間接人為活動帶來的一系列重金屬積累。