20150790-夏尔希里地区土壤Mn等重金属含量特征及空间变异分析1

夏尔希里地区土壤重金属含量特征及空间变异分析①钟巧王勇辉焦黎*(新疆师范大学地理科学与旅游学院乌鲁木齐830054)摘要：本文以夏尔希里地区为研究区，对土壤样品中Co、Cr、Cu、Mn、Ni等5种重金属的含量特征和空间分异规律进行研究，采用单因子和内罗梅法分析土壤重金属的污染程度，并利用地统计学方法分析研究区土壤重金属的空间分异特征等。结果表明：研究区5种土壤重金属含量为：Mn＞Cr＞Cu＞Ni＞Co，5种重金属和有机质均属于中等变异强度；相关性分析结果显示：Co与Cu、Mn呈现显著相关；Cr与Cu、Ni有显著正相关；有机质与Cr、Mn、Cu、Ni均呈现正相关；重金属含量空间分异特征整体表现为绿洲区＞荒漠区＞山地森林区；重金属污染评价结果为：Co和Mn属于轻污染，Cr和Ni处于警戒线，属于尚清洁状态。关键词：夏尔希里地区；土壤重金属；相关分析；污染评价；空间分异中图分类号：X53TheCharacteristicsandSpatialVariabilityAnalysisofSoilHeavyMetalsinXiaerxiliAreaZHONGQiao，WANGYonghui，JIAOLi（Collegeofgeographyandtourism，XinjiangNormalUniversity，Urumq830054，China)Abstract:Qualityofthesoilarecloselylinkedwiththedevelopmentsofurbanizationandindustrialization.Inthisarticle,analysisstructuralcharacteristicsandspatialdistributionsoffiveheavymetals(Co,Cr,Cu,MnandNi)inthesoilinXiaerxili,andthestudyareaofsoilheavymetalspollutionconditionandcharacteristicswereanalyzedbymeansofsinglefactorindex,NemerowmultifactorindexandKriginginterpolationmethod.Researcharea5kindsofheavymetals(Co、Cr、Cu、Mn、Ni)contentlaws:Mn＞Cr＞Cu＞Ni＞Co,theheavymetalsandorganicmatterbelongstothemediuminvariability;TheresultsofcorrelationanalysisshowthatthesignificantlycorrelationswerefoundbetweenCoandCu,Mn,andthecorrelationcoefficientare-0.624and0.494,thesignificantlypositivecorrelationsbetweenCrandCu,Ni,andthecorrelationcoefficientare0.541○1基金项目：新疆师范大学地理学博士点支撑学科开放课题基金项目（XJNU—DL—201504）和国家自然科学基金（41261055）共同资助。*通讯作者（[e-mail]）作者简介：钟巧（1991—），女，新疆克拉玛依人，硕士研究生，主要从事干旱区景观生态方面的研究，E-mail:[e-mail]0.684;ThenorganicmatterandCr、Mn、Cu、Nishowapositivecorrelation,butthecorrelationcoefficientissmall;Thespatialdistributionoftheheavymetalcontentscharacteristicsofoverallperformanceforoasisarea＞desertarea＞mountainarea;TheresultsofassessmentofheavymetalspollutionareCoandMnbelongtolightpollution,CrandNiarestillcleanbutatthecordonlevel.Theseconclusioncanprovidescientificreferenceforrelatedresearchinotherareas.Keywords:Xiaerxiliarea;soilheavymetal;correlationanalysis;analysisofpollutionindex;spatialvariability土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源,土壤的生态安全是保障环境的重要基础。随着工业化和城市化进程的加快，全球土壤中重金属含量呈现急剧增加趋势[1]。近年来土壤重金属的污染问题越来越受到国内外学者的广泛关注。国外学者Nahmani对法国北部冲击平原地区土壤中蚯蚓生物群落与受到重金属污染的土壤环境之间的关系，结果表明受到污染的土壤中蚯蚓的数量会明显下降[2]。刘毅章等对中国西南地区Cd背景含量高的地区存在的潜在健康风险进行研究，结果表明中国西南地区Cd含量较高，多叶的蔬菜Cd含量相对较高，而且人体中Cd的含量随年龄增大积累的越多[3]。国外学者研究多集中在土壤重金属的潜在风险评价方面。而国内学者主要集中在两个方面，一方面是对土壤重金属进行污染评价和修复[4]，如陈涛等以西安市某典型污灌区农田土壤为研究背景，分析长期污水灌溉对表层土壤重金属含量及富集状况的影响，并采用内罗梅和潜在生态危害指数法对其现状和风险进行了评价[5]；李艳利等利用污染指数法对土壤表层重金属的污染程度进行评价，采用地统计学方法对表层土壤重金属的空间变异结构和分布格局进行分析[6]。另一方面是对重金属的污染分布及来源进行分析[7]，钟晓兰等以江苏太仓市为研究区，运用地统计学方法对8种重金属元素的空间分布特征进行了分析，同时运用模糊综合数学法对太仓市的重金属污染进行评价[8]。穆叶赛尔.吐地等对天山北坡巴里坤-伊吾，新源-巴音布鲁克和昭苏-特克斯3个区段的重金属进行单因子和内梅罗进行评价，同时运用多元统计对其分布特征及污染来源进行分析[9]。本文研究的夏尔希里地区包含山地、荒漠、绿洲三种地貌类型，人为干扰相对较少,相关的研究也很有限。本研究通过对夏尔西希地区土壤重金属的特征研究,分析土壤重金属空间分异特征及污染状况，研究结论可为其它地区的生态系统修复提供样板指标,同时可以清楚地探究人类活动对环境中重金属的影响以及对其的防治。1材料与方法1.1研究区概况夏尔希里自然保护区位于天山支脉阿拉套山山地南坡，新疆博尔塔拉蒙古自治州境内，北以阿拉套山山脊为界与哈萨克斯坦共和国接壤，地理位置为东经81°43′09″-82°33′18″，北纬45°07′43″-45°23′15″，东西长66km，南北宽25km,面积314km2,最高峰海拔3670km，最低处310km。由西部的保尔德河区(西段)、东部的江巴斯区(东段)和联接两个区域的边境廊道(中段)等三个部分组成。其中西部为中高山带，面积22000公顷；中部为中低山区，面积3600公顷，是连接东西两部分的天然廊道，从而保持地区自然环境的完整性；东部为低山和荒漠平原戈壁地带，总面积为5800公顷。夏尔希里属于温带大陆性气候，其位于亚欧大陆腹地，远离海洋，水汽来源较少，而阿拉山口是准格尔盆地的主要风口，有利于西风气流进入，并抬云致雨。图1夏尔西里地区土壤样点分布示意图Fig.1DistributionofsamplingsitesfortestofsoilintheXiaerxiliarea1.2土壤样品采集及分析1.2.1样品采集根据夏尔希里地区的地貌特征，将其分为山地森林区、荒漠区、绿洲区三种不同地貌类型。采样原则尽可能均匀分布便于比较。分别于2013年8月和2014年10月在夏尔希里地区三种地貌类型共采集土壤样品71个，其中荒漠区31个、绿洲区24个、山地森林区16个。利用GPS定位，每个土壤样点根据地貌类型采集不同土层及层数，每层采集1kg。1.2.2样品分析土壤样品中重金属Co、Cr、Cu、Mn、Ni采用盐酸-硝酸-氢氟酸微波消解体系，消解后赶酸，电感耦合等离子体光谱（ICP）测定，有机质采用重铬酸钾法测试。1.3数据分析采用spss17.0软件进行传统的描述性统计方法，分析土壤重金属元素数据的平均含量，偏度系数，峰度系数，变异系数，相关性等，然后利用地统计学方法分析重金属的空间变异特征和分布规律。同时利用Arcgis10.0软件进行空间克里格插值成图。1.4土壤污染评价方法土壤污染评价标准以国家土壤环境质量二级标准为参照值，土壤污染评价的方法采用目前国内外较为普遍的单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法。单因子指数法适合对单一因子污染的评价，内梅罗综合污染指数法法，能更全面、综合地反映土壤的污染程度。1.4.1单因子污染指数法采用公式：Pi=Ci/Si(1)式中：Pi----土壤中污染物i的环境质量指数；Ci为污染物i的实测浓度（mg/kg）；Si为污染物i的评价标准（mg/kg），采用国家土壤环境质量二级标准，下同。1.4.2内梅罗综合指数法采用公式:22nmax21iiPPP(2)式中：Pn---土壤中重金属元素的综合污染指数，根据P值的变幅，将土壤环境质量划分为五级：P≤0.7是安全，0.7≤P≤1是警戒线，1＜P≤2是轻度污染，2＜P≤3是中度污染，P＞3是重度污染。2结果与分析2.1土壤重金属及有机质含量统计分析夏尔希里地区土壤重金属Co、Cr、Cu、Mn、Ni含量的描述性统计分析表明（表1）：Co含量变化区间为2.5mg/kg-22.88mg/kg，Cr含量在28.75mg/kg-95.00mg/kg之间，Cu的含量在17.55mg/kg-153.75mg/kg之间，Mn含量在326.25mg/kg-1148.75mg/kg之间，Ni的含量在7.50mg/kg-55.00mg/kg之间，有机质的含量在0.03%-8.87%之间。均值分析结果显示：Mn＞Cr＞Cu＞Ni＞Co＞有机质。变异系数反映采样总体中各样点之间的平均变异程度。当变异系数小于0.1为弱变异性，在0.1-1为中等变异，大于1为强变异性[10]。夏尔希里地区的5种重金属据上述标准均表现为中等变异性，其中有机质变异系数最大为0.78，其次是Cu、Co，变异系数分别为0.44和0.32，Cr变异系数最小为0.19。有机质也属于中等变异，离散程度较大空间分布较重金属元素更为明显。有机质含量较高，与夏尔希里地区特殊的气候、水文密切相关。由于夏尔希里地区内含自然保护区，保护区在高山地带，地势由东南向西北逐渐抬升，有利于北冰洋、大西洋较湿的气流进入，形成丰富的降水，使得其发育高山植物群伦，有利于土壤养分的积累，促使有机质的含量比其它地区较高[11]。Cr、Mn、Ni三种重金属变异程度相似，均为0.20左右，说明这三种元素在该地区受外界的影响比较一致，空间分异不明显，同时，反映这3种元素在该地区的来源可能具有一定的同源性。此外，经分析除Mn元素呈现正态分布外，其余四种元素都是非正态分布，Cu、Cr、Co峰度均小于3，说明数据分布的集中程度低于正态分布。表1夏尔希里地区土壤重金属的描述性统计Table1DescriptivestatisticsofsoilheavymetalconcentrationsinXiaerxiliarea元素平均值（mg/kg）标准差（mg/kg）最大值（mg/kg）最小值（mg/kg）变异系数偏度系数峰度系数中位数（mg/kg）CoCrCuMnNi有机质13.4765.8745.77697.0725.942.004.3212.5720.28137.915.631