唐夢迎，夏 楠，陳 麗

(1.新疆環(huán)境保護科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011；2.新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險預(yù)警重點實驗室，烏魯木齊 830011；3.新疆清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830011；4.國家環(huán)境準噶爾荒漠綠洲交錯區(qū)科學(xué)觀測研究站，烏魯木齊 830011；5.新疆大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；6.新疆綠洲生態(tài)重點實驗室，烏魯木齊 830046)

【研究意義】自然保護區(qū)是保護特殊生態(tài)系統(tǒng)的天然集中分布區(qū)，也是研究各類生態(tài)系統(tǒng)和物種生態(tài)特征的重要基地?？ɡ溊镉刑泐愐吧鷦游镒匀槐Ｗo區(qū)的建立有效得保護了野生動物的棲息地，同時也了改善生態(tài)環(huán)境。然而在其南部存在大量煤礦資源，生產(chǎn)過程造成巨大污染物，與美麗的自然環(huán)境格格不入。要在經(jīng)濟效益和藍天保衛(wèi)之間保持平衡就需要對生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測和評價。采礦過程中產(chǎn)生的污染物大都混有重金屬元素[1-3]，植物莖葉和根系吸收之后會隨食物鏈富集到動物甚至是人類體內(nèi)[4-5]。因此對卡拉麥里山保護區(qū)的土壤和植物重金屬進行監(jiān)測和污染預(yù)警十分必要，同時選取優(yōu)勢種進行生態(tài)修復(fù)為構(gòu)建綠色礦山提供資料選擇?！厩叭搜芯窟M展】近年來，許多學(xué)者對植物重金屬污染監(jiān)測和評價進行了大量研究。Shikha等[6]在印度賈克漢德帕特拉托煤電廠附件收集粉煤灰測定重金屬含量，并評估粉煤灰的生態(tài)風(fēng)險，發(fā)現(xiàn)粉煤灰多種重金屬超標且具有較高的生態(tài)污染風(fēng)險。Mohammed等[7]評價了馬來西亞瓜拉雪蘭莪自然公園植物和河口沉積物重金屬污染狀況，通過地累積指數(shù)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域人為源是主要污染源，不同植物對于重金屬的富集能力不同。Naghipour等[8]對伊朗Guilan省精選蔬菜中鎘、鉛、銅、鋇、鈷和錫等重金屬進行分析發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的成人和兒童食用蔬菜都會攝入大量的重金屬。葉文玲等[9]通過庫區(qū)的土壤重金屬，以及優(yōu)勢植物對Cu、Cd、Zn、Mn、Pb等重金屬的轉(zhuǎn)移特征與富集能力，發(fā)現(xiàn)續(xù)斷菊植物可用于Cd污染嚴重地區(qū)的生態(tài)修復(fù)。李俊凱等[10]測定了南京市某鉛鋅礦采礦場土壤和14種典型植物中Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn的含量，根據(jù)這些植物的富集特征分為富集型、根部囤積型和規(guī)避型。陳昌東等[11]測定河南省平頂山市某煤礦廢棄地8種優(yōu)勢植物根際與非根際土壤及植物本身Cd、Cr、Cu、Mn和Pb含量，分析了礦區(qū)土壤重金屬污染狀況及優(yōu)勢植物對重金屬元素的富集和轉(zhuǎn)移能力，發(fā)現(xiàn)蒼耳、豬毛蒿、蒙古蒿和狗尾草具有較強的富集重金屬的能力。陸金等[12]測定銅陵獅子山礦區(qū)17種優(yōu)勢植物根系對對Cu、Cd、Zn、Mn、Pb、Ni等重金屬以及土壤中重金屬轉(zhuǎn)移特征與富集能力，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的白茅、刺兒草將重金屬轉(zhuǎn)移至根部從而降低土壤重金屬污染。牛學(xué)奎等[13]通過測定廢渣堆場周邊土壤和5種野生植物對Hg、Cd、As、Zn、Pb、Cu、Cr等重金屬，發(fā)現(xiàn)車桑子可作為該區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)的先鋒植物。【本研究切入點】Zn、Cu、Cd、Cr、Pb、Hg和As等是研究土壤和植物重金屬比較重要的集中元素，也是礦區(qū)的主要污染元素。目前在干旱區(qū)對優(yōu)勢植物的重金屬檢測和優(yōu)勢種選取工作較少，琵琶柴是準噶爾盆地小灌木的代表植物，監(jiān)測其重金屬污染狀況更具有代表性。【擬解決的關(guān)鍵點】為探究煤炭資源開發(fā)對保護區(qū)周邊土壤和植物造成的污染影響，本文以荒漠優(yōu)勢灌木琵琶柴和周邊土壤為研究對象，測得其重金屬元素Zn、Cu、Cr、Pb、Hg和As含量，采用數(shù)理統(tǒng)計方法和GIS方法分析土壤和植物重金屬富集特征及空間分布關(guān)系，分析污染源評價潛在生態(tài)危險性，為在該地區(qū)的環(huán)境保護和污染防治提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

五彩灣露天煤礦區(qū)位于新疆卡拉麥里山南麓的開闊地帶(43°55′～44°59′N，88°45′～89°12′E，圖1)，地形平坦，海拔500～700 m，屬于大陸暖溫帶干旱氣候，年均降水量約為185 mm，年均蒸發(fā)量約為2050 mm，無常年地表水流。土壤類型有荒漠堿土、風(fēng)沙土和石膏棕漠土等，植物種類有琵琶柴(Reaummuriasoongorica)、白梭梭(H.persicum)、鹽生假木賊(Anabasissalsa)、駱駝刺(Camelthorn)、刺旋花(Convolvulustragacanthoides)等。該礦區(qū)具有煤炭儲量巨大和煤質(zhì)優(yōu)良的特點，含煤面積901km2，內(nèi)設(shè)5個露天礦、3個井工礦和3個后備區(qū)，其中露天礦的預(yù)計開采量達117億t[14]。

圖1 研究區(qū)地理位置和采樣點分布Fig.1 Geographical location and sampling points distribution of the research area

2 材料與方法

2.1 樣本采集和預(yù)處理

依據(jù)研究區(qū)交通狀況采用同心圓布點法，以主要的煤礦開采區(qū)為中心，每45°為一條采樣路線，以5 km為單位間距布設(shè)，共37個采樣點，其中26個采樣點周圍有琵琶柴分布。采集表層(0～10 cm)土壤樣本37袋，每個植物采樣點采集琵琶柴樣本3株，共78株植物樣本。在室內(nèi)將土壤樣本自然晾曬烘干，攪拌均勻，研磨過200目尼龍篩密封備測；用超純水清洗植物樣本，同時將其分為莖葉和根兩部分，放入電熱烘干箱調(diào)節(jié)溫度至105 ℃殺青30 min，后調(diào)至80 ℃烘干至恒重，用不銹鋼粉碎機磨碎植物，過70目尼龍篩密封備測。

2.2 樣品測定

土壤重金屬和植物重金屬測定詳見文獻[15]，測試項目及其測試設(shè)備、檢出限見表1。每個土壤樣本測3次，對最后結(jié)果求取算術(shù)平均值，對每個采樣點3株植物的莖葉和根部重金屬含量分別計算平均值。對于測定結(jié)果異常的樣品重新補測，確保結(jié)果真實可靠。

表1 重金屬元素含量化學(xué)測定檢出限Table 1 Limits of chemical detection of heavy metal elements

2.3 污染評價方法

2.3.1 Muller地累積指數(shù)法 Muller指數(shù)參照區(qū)域土壤背景值差異，充分考慮地質(zhì)因素對重金屬評價的影響，能夠符合實際情況進行污染評價。計算方法如下：

Igeo=log2[Cn/(1.5×Bn)]

(1)

式中,參數(shù)和評價分級標準見文獻[16-17]。本文對土壤重金屬污染的評價標準以昌吉州土壤重金屬Zn、Cu、Cr、Pb、Hg、As的背景值為參照，參照基準值分別為：64.20、24.00、47.40、10.20、0.08、15.00 mg/kg。

2.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法的重金屬生態(tài)風(fēng)險評價最主要的方法之一，該方法既考慮重金屬的毒性，又兼顧區(qū)域背景值差異，能夠綜合反映重金屬對生態(tài)環(huán)境的潛在影響，其公式如下：

(2)

(3)

式中各參數(shù)定義和潛在生態(tài)危害等級劃分詳見文獻[18-19]。

3 結(jié)果與分析

3.1 重金屬含量統(tǒng)計描述

由表2可知，土壤方面：所測6種重金屬元素含量的最大值均超過了昌吉州土壤背景值，超標率分別為5.41%，18.92%，72.97%，81.08%，16.22%，94.59%，排序為SAs>SPb>SCr>SCu>SHg>SZn，其中Cr、Pb、As均值都超過了昌吉州背景值，表明該區(qū)域土壤受到重金屬污染已十分嚴重。Hg均值雖未超過背景值，但其最大值(0.51 mg/kg)為背景值(0.08 mg/kg)的6.38倍，說明在局部區(qū)域土壤受Hg污染十分嚴重。變異系數(shù)能夠反映重金屬元素的空間離散屬性，值越大離散性越強。SHg變異系數(shù)大于1，屬強變異，其他元素值在25.34%～57.81%，屬中等變異，表明Hg離散性強，分布極度不均勻，而其他元素變異系數(shù)值相近，表明受到礦區(qū)擾動的程度相近，可能存在同源性。植物方面：從均值來看，琵琶柴莖葉和根部所含重金屬雖各有不同，但富集差異不顯著。根部中Cu、Cr、Hg、As含量的均值大于其莖葉部分，Zn、Pb小于莖葉部分，各元素在琵琶柴整株的超標率排序依次為RHg(23.08%)>RCr(3.85%)=RZn(3.85%)>RPb(0.00%)=RCu(0.00%)=RAs(0.00%)。琵琶柴整株各重金屬元素超標率均低于土壤，說明研究區(qū)琵琶柴受重金屬的污染程度小于土壤。RPb、RHg在莖葉和根部的變異系數(shù)均大于1，RHg甚至達到296.83%和217.39%，屬強變異，琵琶柴中這2種元素受人為擾動影響強烈。其他元素變異系數(shù)在37.70%～99.21%，屬中等變異，較土壤而言琵琶柴中重金屬離散性更強。

表2 土壤—琵琶柴重金屬含量Table 2 Statistical table of heavy metals in soil and Reaummuria soongorica

3.2 琵琶柴重金屬遷移特征

富集系數(shù)是判斷植物對重金屬吸附能力的常用指標，由重金屬在植物和土壤中含量的比值表示[20-21]。由表3可知琵琶柴整株、根、莖葉部分的富集系數(shù)，發(fā)現(xiàn)根與莖葉的富集系數(shù)有所不同。Cr在莖葉和根的富集系數(shù)十分接近，表明其吸收重金屬元素的能力相近。其他元素則表現(xiàn)出較大差異，其中Hg、Cu在莖葉和根的富集系數(shù)差異最大，整株Hg的富集系數(shù)為3.658，遠遠大于其他元素，說明琵琶柴對Hg有極強的吸附能力，由此可以將琵琶柴作為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的優(yōu)勢植物進行重金屬Hg的修復(fù)。轉(zhuǎn)移系數(shù)是判斷植物內(nèi)部重金屬的遷移規(guī)律，其值大于1表明重金屬容易在莖葉部分富集，小于1表明更易在根部富集[22-23]。根系滯留率能夠反映植物根系對重金屬的耐受能力，計算方法為(R根-R莖葉)/R根，其結(jié)果越大，表示滯留能力越強。從平均轉(zhuǎn)移系數(shù)和滯留率來看，Hg均處在較高水平，盡管莖葉吸收重金屬能力較強，但會轉(zhuǎn)移到耐受力較強的根部。此外，Pb滯留率為-38.96%，表明Pb在琵琶柴根部滯留能力不強。其他元素滯留率均為正，表明在根部其都存在一定的耐受性。

表3 琵琶柴不同部位重金屬富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)和滯留率Table 3 Concentration coefficient, transfer coefficient and retention rate of heavy metals in different parts of Reaummuria soongorica

3.3 土壤—植物重金屬污染評價

3.3.1 地累積指數(shù)評價 經(jīng)地累積指數(shù)計算發(fā)現(xiàn)(圖2-a)，Zn、Cu分布在-2～0且規(guī)律相似，屬于無污染，說明其可能是來自地殼源。Cr分布在-2～2，達到污染級別和未達到污染級別的樣點數(shù)量相近，均值為0.06表現(xiàn)為輕度污染；Pb分布在-3～1，存在一定幅度的波動，其均值為-0.3，屬于無污染；Hg在各水平階段均有，大部分布在-5～0為無污染，各別樣點土壤Hg達到輕度污染，有1個樣點達到中度污染，最大值為2.09。As大致分布在-1～2，且相對穩(wěn)定，均值是0.26，表現(xiàn)為輕度污染。Cr、Pb、Hg、As分布規(guī)律說明受到自然源和人為源的共同作用，其中Hg受到人為因素作用更加強烈。

圖2 Muller指數(shù)評價土壤(a)和整株琵琶柴(b)重金屬污染Fig.2 Assessment of heavy metal pollution in soil (a) and whole Reaummuria soongorica (b) by Muller index

從圖2-b可看出，絕大多數(shù)采樣點琵琶柴的重金屬元素均為無污染水平，且分布相對均勻，說明琵琶柴體內(nèi)重金屬來源可能與地質(zhì)因素有關(guān)，這也與植物依附土壤生長的特點相一致。而Hg元素中3個采樣點超過中度污染達到重度污染，1個采樣點達到中度污染，結(jié)合其富集系數(shù)莖葉大于根部的結(jié)果，反映出其來源以人為源影響為主。此外，雖然大多數(shù)植物未受到污染，但這種累積隨著時間的推移可能會促使污染產(chǎn)生。

3.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險評價 琵琶柴作為研究區(qū)主要的荒漠植物，其中的重金屬可通過食物鏈進入動物體內(nèi)危害當(dāng)?shù)匾吧鷦游锝】?，同時受到重金屬污染的植物殘體和種子會隨風(fēng)遷移造成污染轉(zhuǎn)移從而危害其他區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全。因此進行生態(tài)風(fēng)險評價十分必要。如圖3-a顯示，土壤中Zn、Cu、Cr、Pb、As 5種元素均屬于輕度污染(閾值為0～40)，其中As相對處在較高水平，存在中度污染潛力。Hg元素在輕、中、強、極強污染水平中均有分布，存在一定的潛在生態(tài)風(fēng)險，這是由于Hg元素生物毒性系數(shù)較強，盡管含量在6種元素種最低，其生態(tài)危害性卻最強。因此在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)時尤其要注意Hg的修復(fù)。而琵琶柴對Hg表現(xiàn)出極強的吸附性，可以作為優(yōu)勢種進行生態(tài)修復(fù)。琵琶柴評價結(jié)果(圖3-b)則與前者存在一定差異，Zn、Cu、Cr、Pb、As 5種元素屬于輕度污染，且表現(xiàn)出極低的生態(tài)風(fēng)險，說明這些元素在琵琶柴中未達到污染水平，反映了琵琶柴對這些元素吸附性不強。相同的，Hg元素在輕、中、強、極強污染水平中均有分布，存在一定的潛在生態(tài)風(fēng)險，尤其是最高超出了強污染水平，其潛在生態(tài)危險超過了土壤，污染十分嚴重。

圖3 土壤(a)和整株琵琶柴(b)重金屬生態(tài)風(fēng)險評價Fig.3 Ecological risk assessment of heavy metals in soil(a) and whole Reaummuria soongorica(b)

3.4 空間分析

對土壤和琵琶柴重金屬含量進行空間分析，一方面有利于掌握重金屬污染空間表現(xiàn)，另一方面可以對比二者的分布異同，從而判斷重金屬在土壤與植物之間分布的規(guī)律。通過ArcGIS軟件的普通克里格插值工具對Zn、Cu、Cr、Hg、As 5種元素進行空間插值，對未服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)取對數(shù)后進行插值，從中剔出不符合插值條件的Pb數(shù)據(jù)，得到圖4。SZn、SCr、SAs和RCu、RCr、RAs表現(xiàn)出一定的規(guī)律性分布，其中，SZn高值區(qū)主要聚集在礦區(qū)內(nèi)部和周圍，SCr

a:SZn,b:RZn,c:SCu,d:RCu,e:SCr,f:RCr,g:SHg,h:RHg,i:SAs,j:RAs圖4 土壤與植物重金屬污染空間分布Fig.4 Spatial distribution of heavy metal pollution in soils and plants

表現(xiàn)為東北部高于西南部，SAs、RAs空間分布最相似，東北部和西南部較高，其余相對較低，說明琵琶柴對As元素的吸收能力與土壤As含量有關(guān)，這也與其較高的滯留率(97.58%)相互對應(yīng)。值得注意的是RCu、RCr、RAs分布存在一定的相似性，也是東北部和西南部偏高，說明這3種元素在琵琶柴植株的富集特點相似，存在一定的關(guān)聯(lián)。SHg高值區(qū)主要在礦區(qū)東南部，這是研究區(qū)主導(dǎo)風(fēng)的下風(fēng)向，說明Hg污染與礦區(qū)活動關(guān)系密切，而RHg表現(xiàn)為東北部高于西南部且高值相對集中于礦區(qū)，表明Hg對琵琶柴的污染范圍是相對固定的。

4 討 論

有研究表明[24]土壤重金屬含量與其在植物中的含量是存在相關(guān)性的，但本研究中這種相關(guān)性不夠凸出，原因可能是不同地區(qū)重金屬元素在植物的富集與在土壤的富集特征存在差異。一方面是因為植物吸收重金屬能力的差異，另一方面則與不同研究區(qū)重金屬污染的來源有關(guān)。本實驗發(fā)現(xiàn)琵琶柴對Hg具有超強的耐受性，這不僅與該地區(qū)的工業(yè)活動密切相關(guān)，也與琵琶柴植株的吸附特性有關(guān)，甚至與干旱區(qū)獨特的環(huán)境相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)[25]土壤水分和養(yǎng)分高的40～100 cm土層，土壤重金屬含量相對較低。干旱區(qū)土壤水分和養(yǎng)分很低，琵琶柴根主要在10～20 cm生長，這就可能導(dǎo)致原本深處的土壤重金屬由于干旱隨水分蒸發(fā)被拉動至較淺土層從而加劇了Hg在植物的富集。

本研究發(fā)現(xiàn)琵琶柴中Zn、Cu、Cr、As的空間性更強。土壤的各重金屬元素的空間分布與植物不同，重金屬在土壤中的分布表現(xiàn)主要集中在煤礦區(qū)內(nèi)部及周邊，而植物中的上述元素存在明顯的空間分布規(guī)律即以東北至西南承階梯式分布，這更多與其自然背景有關(guān)?？赡苁且驗榕貌裆L和重金屬累積在人為造成污染之前已經(jīng)經(jīng)歷了很多年，礦區(qū)對其影響還不足以改變其自身對于上述元素的富集特征。這也和生態(tài)風(fēng)險不高的結(jié)果相一致。因此需要對礦區(qū)琵琶柴重金屬含量進行長時間監(jiān)測從而更好地判斷出上述結(jié)論的可靠性。

在分析莖葉和根部植株中重金屬含量時不難看出琵琶柴莖葉對于重金屬的吸附能力與根部相當(dāng)，甚至有超過的情況。一部分原因可能是根部在吸收土壤中重金屬元素后轉(zhuǎn)移所致，也可能受到周圍工廠污染物沉降影響。在收集琵琶柴植株時在葉片上附著有大量黑色煤粉塵和灰白色灰塵，盡管在實驗處理時已經(jīng)過清洗，但葉片仍然有被污染的可能，因此判定該礦區(qū)周圍琵琶柴植株重金屬的富集與礦區(qū)環(huán)境有密切關(guān)系。

綜合來看，琵琶柴作為五彩灣礦區(qū)典型的優(yōu)勢種在重金屬污染的環(huán)境條件下具有良好的耐受性，不僅表現(xiàn)在其對Hg元素的超強耐受性，而且在如此干旱缺水的地區(qū)，植物代謝水平較低，生存能力受限的情況下能夠頑強生存，是非常難得的，因此需要對其進行進一步研究，以期為生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與治理提供更有價值的參考。

5 結(jié) 論

本文測定了五彩灣露天煤礦區(qū)表層土壤和典型植物琵琶柴的重金屬含量，通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計、污染評價和GIS空間分析，得出研究區(qū)土壤中超標的元素在琵琶柴中含量較低，但Hg元素在土壤和植物體內(nèi)都達到輕度到重度污染級別；人類活動已經(jīng)影響到該地區(qū)土壤和琵琶柴的重金屬分布，尤其是Hg；礦區(qū)內(nèi)部和下風(fēng)向是重金屬污染嚴重的主要區(qū)域；琵琶柴對Hg具有很強的耐受性，可作為優(yōu)勢種進行生態(tài)修復(fù)。