全 文 ：天山土壤微量(类)重金属的来源解析及
潜在生态危害评估*
张兆永1,2 摇 吉力力·阿不都外力1**摇 姜逢清1
( 1中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 乌鲁木齐 830011; 2中国科学院大学, 北京 100049)
摘摇 要摇 从天山山地 3 个区段(巴里坤鄄伊吾、乌鲁木齐鄄阿克苏、昭苏鄄特克斯)采集土壤样品,
测定了其中(类)重金属 Pb、Ni、Cd、Co、Hg、Cu、Mn、Zn、Cr 和 As的含量.运用经典统计学与多
元统计方法分析了这些(类)重金属的来源;同时采用污染指数法与潜在生态风险指数法,并
结合天山及新疆土壤背景值、国家土壤质量标准开展了区域土壤微量(类)重金属生态风险的
评价.结果表明: 所测 10 种(类)重金属的平均含量均高于天山或新疆土壤背景值.从变异系
数来看,均为中等变异.总体上看,天山山地土壤中 10 种(类)重金属的含量均较低;主成分分
析显示,10 种元素可以辨识出 2 个主成分,主成分 1(PC1,包括 Cd、Pb、Hg、Mn 和 Zn)为人为
源因子,主成分 2(PC2,包括 Cu、Ni、Cr、Co和 As)为自然源因子. Mn 和 As在 PC1 和 PC2 上均
有较大载荷,主要受人为源和自然地质背景的共同控制;污染评价表明, 重金属 Hg、Cd 在天
山中部的乌鲁木齐鄄阿克苏区段、As在天山西部的昭苏鄄特克斯区段的单因子污染指数(P i)属
于警戒等级,其他均属于安全等级和清洁水平. 从综合污染(Pz)指数来看,天山中部乌鲁木
齐鄄阿克苏区段土壤中 10 种(类)重金属元素的综合污染程度均属于轻度污染,其他两个区段
均属于清洁水平;生态风险评估表明,重金属 Hg、Cd 在天山中部乌鲁木齐鄄阿克苏区段,As 在
天山西部昭苏鄄特克斯区段的潜在生态风险系数(E ir)和生态危害指数(RI)相对较高.
关键词摇 天山山地摇 土壤(类)重金属摇 污染评价摇 生态风险摇 多元统计
*国家自然科学基金(41471098)、国家自然科学基金委-新疆人民政府联合基金(U1138301)和中国科学院知识创新工程重要方向项目
(KZCX2鄄YW鄄GJ04)资助.
**通讯作者. E鄄mail: Jilil@ ms. xjb. ac. cn
2014鄄04鄄20 收稿,2014鄄08鄄26 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)11-3168-09摇 中图分类号摇 Q14摇 文献标识码摇 A
Source identification and potential ecological hazards assessment of trace metalloid / heavy
metals in the soil of Tianshan Mountains, Xinjiang, China. ZHANG Zhao鄄yong1,2, JILILI
Abuduwailil1, JIANG Feng鄄qing1 ( 1 State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang
Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China;
2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014,
25(11): 3168-3176.
Abstract: In this study, the contents of ten metalloid / heavy metals (As, Pb, Ni, Cd, Co, Hg,
Cu, Mn, Zn and Cr) in soil samples collected from three sections including the central Urumqi鄄
Akesu, eastern Blikun鄄Yiwu and western Zhaosu鄄Tekesi in Tianshan Mountains were determined,
and their sources were identified by using typical statistical and multivariate statistical methods. The
potential ecological risks of these heavy metals were assessed by employing pollution index method,
potential ecological risk index and the background values of Tianshan Mountains, and Xinjiang, and
also the Second National Standard of the Soil Qualities of China. The results showed that the con鄄
tents of the heavy metals (Pb, Ni, Cd, Co, Hg, Cu, Mn Zn and Cr) and metalloid As were all
higher than the soil background values of the Tianshan Mountain or Xinjiang, and their variation co鄄
efficients belonged to the medium variation. In general, the contents of the ten metalloid / heavy
metals in the soil of Tianshan Mountains were low. Principal component analysis showed that the ten
metalloid / heavy metals could be identified as two principal components, among which PC1 (Cd,
Pb, Hg, Mn and Zn) could be seen as ‘human influence sources factor爷, PC2 (Cu, Ni, Cr, Co
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 11 月摇 第 25 卷摇 第 11 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2014, 25(11): 3168-3176
and As) as ‘natural sources factor爷 . Mn and As had larger loads both in PC1 and PC2, and they
could be co鄄influenced by human and natural sources. The pollution assessment showed that Hg and
Cd in central Urumuqi鄄Akesu section and As in western Zhaosu鄄Tekesi section were all at alert lev鄄
el, while the other heavy metals in other sections were all at security level. From the comprehensive
pollution indices (Pz) of heavy metals, it was found that the ten metalloid / heavy metals in the soils
of central Urumqi鄄Akesu section were at low pollution level, but those in the other two sections were
at clean level. The potential ecological risk assessment showed that the potential ecological risk co鄄
efficient (E ir) and the ecological damage index (RI) of Hg and Cd in central Urumqi鄄Akesu section
and that of As in western Zhaosu鄄Tekesi section were relatively high.
Key words: Tianshan Mountains; soil (metalloid) heavy metals; pollution assessment; ecological
risk; multivariate statistics.
摇 摇 工业和农业的快速发展,导致环境中(类)重金
属污染加剧,成为影响区域生态系统健康的重要因
素[1-3] .目前,土壤(类)重金属含量已广泛应用于区
域环境质量评价[4-7] .但是,在西北干旱区绿洲盆地
及山地研究较为缺乏. 已有的研究主要集中于绿洲
城市工业园区、污灌农田、饮用水源地以及水环境沉
积物等[8-13] .
天山山脉延展于亚洲大陆中部,全长 2500 km,
平均海拔 2000 ~ 3000 m.天山作为新疆绿洲经济发
展的重要源泉和载体,已成为全球变化区域响应以
及人类适应环境变化研究的热点地区之一[14] .近年
来,随着国家西部开发政策的深入实施以及东、中部
的产业转移,天山绿洲工农业生产及城镇生活排放
的各种污染物正对该区域自然环境产生日益明显的
影响[15-19] .但目前关于天山土壤中微量(类)重金属
的来源、污染以及生态风险的研究相对缺乏.本研究
以经济发展迅速的天山东部巴里坤鄄伊吾区段、天山
中部乌鲁木齐鄄阿克苏区段和天山西部昭苏鄄特克斯
区段为研究区. 通过采集土壤样品,测试其中(类)
重金属 Pb、Ni、Cd、Co、Hg、Cu、Mn、Zn、Cr、As 的含
量,运用污染指数法和潜在生态风险评估方法并结
合天山地区土壤背景值、新疆土壤背景值以及国家
土壤质量标准来评价天山土壤中 10 种微量元素的
赋存特征及潜在生态危害,旨在为天山地区绿洲生
态环境的保护、经济的可持续发展以及规划的合理
制定提供参考.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
天山在中国境内主要分布于新疆.天山山地位
于不同的生物气候带之中,其北面的准葛尔盆地南
部属于温带荒漠,其南面的塔里木盆地属于温带荒
漠.不同地带的水热条件明显地反映在所隶属的垂
直带系统中.因而,天山不同坡向的土被、植被的垂
直结构有很大差异. 天山北坡的垂直带谱结构大部
分从半荒漠开始.天山山地的土壤垂直带谱结构完
整,主要为:山地灰棕漠土(西部和东部)鄄山地棕钙
土鄄山地粟钙土鄄山地黑钙土鄄山地灰褐土鄄亚高山草
甸土鄄高山草甸土鄄高山原始土壤带.
天山山地矿藏丰富,以煤、石油、天然气、锌鄄铜
矿为主,镍、铬矿储量也较多,是国家重要的能源基
地[14] .天山中部乌鲁木齐鄄阿克苏区段的乌鲁木齐
市位于亚欧大陆腹地,属中温带大陆性干旱气候,乌
鲁木齐矿产资源丰富,近年国家给予新疆经济发展
的支持有力地促进了乌鲁木齐经济的发展. 阿克苏
地区位于天山南麓、塔里木盆地北缘,属暖温带大陆
性气候,日照长,其地质成矿条件好,矿产资源丰富,
石油、天然气和煤炭的蕴藏量巨大. 天山东部巴里
坤鄄伊吾区段的巴里坤哈萨克自治县和伊吾县位于
新疆维吾尔自治区东北部,属温带亚干旱气候区,二
县铁矿、煤矿等矿产资源丰富,产业结构均以旅游等
第三产业为主,近年来工业也有一定的发展.天山西
部昭苏鄄特克斯区段的昭苏县位于伊犁河上游特克
斯河流域,属寒温带亚干旱气候区,经济结构以农、
牧业和旅游业为主. 特克斯县位于新疆维吾尔自治
区西北部,属温凉半干旱山区气候,经济发展以牧业
图 1摇 研究区及土壤采样点分布
Fig. 1摇 Locations of research area and soil sampling sites.
961311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张兆永等: 天山土壤微量(类)重金属的来源解析及潜在生态危害评估摇 摇 摇 摇 摇
和旅游业为主.
1郾 2摇 样品采集与测定
所有土壤样品均采集于 2011 年 7-8 月.采样区
域包括天山东部的巴里坤鄄伊吾区段、天山中部的乌
鲁木齐鄄阿克苏区段和天山西部的昭苏鄄特克斯区
段.实地采样过程中,根据预设采样点周边实际环境
进行适当调整,共采集土壤样品 83 组,每组包括
(0 ~ 20 cm)和(20 ~ 40 cm)两层. 土壤样品采集后
装入干净布袋,土壤样品原始质量均>500 g,多余样
品采用四分法舍去. 所有样品均在中国科学院新疆
生态与地理研究所理化测试中心完成. 土壤样品经
室温自然风干、去除杂物、敲碎、过 20 目(0. 84 mm)
尼龙筛等初步处理后. 用玛瑙无污染样品制备机具
将样品粉碎至粒径<100 目(0. 25 mm)备用.
土壤样品中 10 种(类)重金属元素的测试方法
如下:首先称取 0. 5 g样品于 Anton PVC 消解罐,经
HNO3 鄄HF鄄HCl鄄HClO4 消化后,封严置于消解仪中,
升温 170 益后维持 30 min,冷却后取出并收集试样、
过滤定容(为了避免样品测试中的次生污染,所有
玻璃器皿、消解罐在使用之前均使用浓度为 5%的
硝酸浸泡 24 h,冲洗干净后烘干).采用原子荧光光
谱仪 ( atomic fluorescence spectrometry, AFS)测定
As、Hg含量,用等离子体质谱仪( inductively coupled
plasma鄄mass spectrometry, ICP鄄MS)测定 Mn、Cu、Zn、
Ni、Pb、Cr、Cd、Co 含量. (类)重金属元素的检出限
采用选取的测定空白溶液的标准偏差的 3 倍时所对
应的分析物浓度.分析测试所用试剂均为优级纯,分
析方法的准确度和精密度采用国家一级土壤标准物
质(GBW系列)进行检验,测试结果符合监控要求.
1郾 3摇 研究方法
运用经典统计学方法、多元统计方法(相关分
析和主成分分析方法)分析天山 3 个区段土壤中
(类)重金属元素的统计特征、来源. 运用单因子污
染指数法,内梅罗污染指数法和汉克森潜在生态风
险指数法评价土壤中 10 种(类)重金属的污染状况
及潜在生态风险.采用天山山地土壤背景值、新疆土
壤背景值和国家土壤质量二级标准 ( GB 15618 -
1995) [20]分析土壤中 10 种元素的超标情况.相关计
算过程在 SPSS 19. 0 和 Matlab 7. 0 软件中实现.
1郾 3郾 1 污染指数法摇 采用污染指数法[21-22]评价天山
3 个区段土壤中的(类)重金属的污染状况,公式
如下:
P i = C i / Si (1)
Pz =
(max
C i
Si
) 2 + 1n (移
n
i = 1
C i
Si
) 2
2 (2)
式中:P i是单因子污染指数;C i是(类)重金属的测试
浓度;Si是土壤中背景值;Pz是土壤中(类)重金属的
污染指数;max是土壤中(类)重金属的最大浓度值;
i是(类)重金属的类别; n 是评估的(类)重金属种
类总数.
土壤单因子污染指数和综合污染指数评价标
准[23-25]如表 1.
1郾 3郾 2 潜在生态危害指数法 摇 采用 Hakanson[26]潜
在生态风险指数法评价天山山地土壤中(类)重金
属的生态风险及生态危害,公式如下:
RI =移
M
I
E ir =移
M
I
Tir 伊 C ir =移
M
I
Tir 伊
C i
C in
(3)
式中:RI 为土壤中(类)重金属的潜在生态风险指
数;E ir 为单个元素的潜在生态风险系数;C i 为土壤
中(类)重金属的实测值;C in 为土壤重金属的背景
值;C ir 为某一元素的污染参数(单因子污染指数);
Tir 为单一污染物的毒性系数,可以综合地反映(类)
重金属的毒性、污染水平和污染的敏感程度.采用文
献[27]中的毒性系数 Pb:5、Ni:5、As:10、Cu:5、Mn:
1、Zn:1、Cr:2,对重金属 Cd、Co、Hg 的毒性系数根据
徐争启等[28]计算,结果取值为 Co:5、Cd:30、Hg:40.
下文对取值进行专门讨论.
表 1摇 单因子污染指数及综合污染指数评价标准
Table 1摇 Standards for single factor pollution index and synthetic pollution index
单因子污染指数
Pi
污染等级摇 摇
Pollution grade摇 摇
污染水平摇 摇
Pollution level摇 摇
综合污染指数摇
Pz 摇
污染等级摇 摇
Pollution grade摇 摇
污染水平摇 摇
Pollution level摇 摇
Pi臆1 安全
Safe
清洁
Clean
Pz臆0. 7 安全
Safe
清洁
Clean
1< Pi臆2 警戒线
Warning line
尚清洁
Relatively clean
0. 7< Pz臆1 警戒线
Warning line
尚清洁
Relatively clean
2< Pi臆3 轻度污染
Mild contamination
受污染
Contaminated
1< Pz臆2 轻污染
Mild contamination
已受污染
Contaminated
Pi>3 重度污染
Serious contamination
受重污染
Seriously contaminated
2< Pz臆4 重污染
Serious contamination
受重度污染
Seriously contaminated
0713 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 2摇 (类)重金属的生态风险和污染水平评估标准
Table 2 摇 Assessment standards of potential ecological risk
coefficient (Eir) and risk indices (RI) of (metalloid) heavy
metals
潜在生态风险系数
Potential
ecological
risk coefficient
(E ir)
单因子生态风险
Single factor
ecological risk
潜在生态风险指数
Potential
ecological
risk index
(RI)
潜在生态
危害程度
Potential
ecological
damage degree
E ir< 40 低 Low RI < 150 低 Low
40臆E ir< 80 中 Moderate 150 臆RI < 300 中 Moderate
80臆E ir< 160 高 High 300臆RI < 600 高 High
160臆E ir< 320 重 Heavy 600臆RI 重 Heavy
320臆E ir 严重 Serious - 摇 -
摇 摇 天山山地土壤中 10 种(类)重金属元素的潜在
生态风险采用表 2 所列标准[29-30]评价.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 天山土壤(类)重金属描述性统计特征
天山土壤重金属背景值采用孙继坤等[31] 1987
年对天山山地土壤普查数据中重金属 Zn、Pb、Cu、
Mn、Ni、Cr、Co的含量值,而(类)重金属 Hg、Cd、As
的背景值采用新疆土壤背景值[32] .结合国家土壤质
量二级标准[20](土壤 pH 值>7. 5 时取值)评价土壤
10 种(类)重金属平均值超过背景值和国家标准的
状况.
描述性统计表明,除 Mn 和 Co 没有相应的国家
标准外,10 种元素的平均含量均高于天山或新疆土
壤背景值,但均未超过土壤环境质量二级标准. 其
中,重金属 Zn、Pb、Cu 的平均值超过天山土壤背景
值,超标率分别为 24. 3% 、38. 6% 和 31. 6% ;Hg、
As、Cd的平均值超过新疆土壤背景值,超标率分别
为 57郾 5% 、58. 6%和 67. 4% ;重金属 Ni的含量超过
天山土壤背景值,最大值超过土壤环境质量二级标
准.变异系数(CV)为标准差与均值的比值,可对不
同量纲的指标进行比较. 根据对变异程度的分
类[33-34],9 种重金属 1 种类金属的变异范围均在
17. 3% ~ 26. 4% ,均为中等变异(15% 从偏度上看,10 种(类)重金属的大小顺序为:Hg>
Pb>As>Cr>Cd>Zn>Cu>Mn>Ni>Co.
2郾 2摇 天山土壤(类)重金属污染来源分析
近年来,天山山地绿洲社会经济发展迅速,特别
是国家西部大开发战略实施以来,城市规模不断扩
大,农业、工业生产及城市生活对该区域环境产生明
显的负面影响,农业种植期间,大量施用的化肥和农
药,随着漫灌下渗,影响土壤质量及地下水水质. 目
前,天山山地及临近绿洲主要污染源为城市生活、工
业生产和旅游业的点源污染以及绿洲农业生产中化
肥、农药不合理使用造成的面源污染. 2012 年,天山
中部乌鲁木齐市工业污染排放总量为 5. 76伊107 t,
农业污染排放量为 1. 822伊107 t,旅游业污染排放量
为 3. 12伊106 t[14],大量污染物质进入地表环境,对
土壤及水体中重金属含量产生明显影响.
天山山地土壤(类)重金属污染成分中, 来源于
自然背景的是相对衡定的,而源于人类活动的是动
态的.本文只重点讨论人类成因的污染源. 另外,天
山山地土壤(类)重金属污染既有近源的(山地内部
的旅游、牧业、少量农业、采矿等活动),也有远源
的,如临近平原绿洲、城市、工矿等的生产与生活的
影响. 远源影响主要通过附着 /含有重金属的颗粒
(沙尘)污染物的大气扩散、迁移来实现.
表 3摇 天山土壤 0 ~ 40 cm层(类)重金属含量特征
Table 3摇 Metalloid (heavy metal) contents of 0-40 cm soil layer in Tianshan Mountains
元素
Element
含量范围
Range
(mg·kg-1)
标准差
SD
(mg·kg-1)
均值
Mean
(mg·kg-1)
变异系数
CV
(% )
超标率
Over鄄
limit ratio
(% )
背景值
Natural
background
value
(mg·kg-1)
土壤质量
二级标准
National
standard 域
(mg·kg-1)
峰度
Kurtosis
偏度
Skewness
Zn 116. 11 ~ 252. 8 7. 13 166. 89 20. 28 24. 3 110. 6 300 28. 5 23. 9
Pb 15. 51 ~ 31. 52 1. 85 17. 81 17. 29 38. 6 13. 5 350 42. 3 35. 4
Cu 38. 02 ~ 71. 86 3. 27 42. 74 25. 68 31. 6 32. 5 100 26. 9 21. 3
Hg 0. 01 ~ 1. 21 0. 69 0. 04 17. 36 57. 5 0. 02 1. 0 47. 1 38. 6
Mn 734. 7 ~ 1641. 0 20. 48 997. 00 25. 63 46. 8 922. 4 - 26. 7 21. 2
Ni 52. 7 ~ 160. 2 2. 26 58. 40 25. 13 25. 7 51. 3 60 27. 5 18. 8
As 8. 2 ~ 16. 3 1. 06 13. 17 22. 41 58. 6 11. 2 25 35. 7 28. 9
Cd 0. 014 ~ 3. 710 0. 04 0. 21 26. 35 67. 4 0. 12 0. 6 31. 9 24. 1
Cr 95. 4 ~ 286. 2 2. 14 106. 30 21. 47 15. 4 96. 2 250 33. 7 27. 3
Co 34. 7 ~ 56. 8 0. 74 37. 81 25. 70 28. 2 33. 0 - 19. 6 15. 1
171311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张兆永等: 天山土壤微量(类)重金属的来源解析及潜在生态危害评估摇 摇 摇 摇 摇
2郾 2郾 1 点源污染摇 天山山地及临近绿洲区域污染源
主要为工业生产、城市生活及农业生产中废弃物,其
中在天山中部乌鲁木齐鄄阿克苏区段绿洲城市乌鲁
木齐、库尔勒、阿克苏附近,工业污染主要为采矿、热
电、洗煤、焦化厂等;在天山东部巴里坤鄄伊吾区段的
工业污染主要为巴里坤湖附近盐化工厂,在天山西
部的昭苏鄄特克斯区段污染源主要为采矿、农牧
业等.
近年来,天山山地旅游业发展迅速,旅游人数以
每年 15% 的速度递增,2012 年旅游人数达到了
1188 万人次.旅游的热点区域主要分布在天山东部
的巴里坤鄄伊吾区段,天山中部的乌鲁木齐、阿克苏
市附近以及天山西部的伊犁河谷、特鄄昭盆地和巴音
布鲁克草原.旅游业发展中产生的废水及其他污染
物未经处理直接排向地表河流、湖泊及土壤中,成为
环境污染的直接原因,与此同时,道路运输的发展以
及汽车燃油燃料的燃烧(大量排放废气、含铅催化
剂的燃烧),也造成了土壤中重金属含量的增高.
2郾 2郾 2 面源污染 摇 天山山地水量充沛,为山地两边
绿洲农业发展提供了资源保障. 绿洲农业生产水平
较高,约集中了全疆 50%以上的农田,其中大部分
是高产田.较大的绿洲农业分布区域为天山中部的
乌鲁木齐、石河子、奎屯、阿克苏、焉耆盆地以及天山
西部的伊犁河灌区、艾比湖流域.新疆农田化肥投入
量从 1980 年的 1. 2伊105 t 上升为 2012 年的 15. 9伊
105 t,增长近 14 倍. 其中氮肥由 7. 4 伊104 t 上升至
6郾 1伊105 t,磷肥由 2. 9伊104 t上升至 3. 4伊105 t,钾肥
由 2伊103 t 上升为 3. 7伊104 t. 全区单位播种面积施
肥量则由 1980 年的 40. 8 kg · m-2 跃至 317郾 3
kg·m-2 .绿洲农业生产过程中,化肥、农药的大量使
用导致残留污染物伴随农田废水通过渗透或被雨水
冲刷进人地表河流、湖泊、土壤中,从而直接污染土
壤及水体,导致绿洲城镇农田附近的土壤及河流、湖
泊中重金属 Pb、 Hg 及总磷、氯化物的含量增
高[14,16,18],农业面源污染是造成绿洲主要灌区附近
环境中重金属含量增高的重要原因.
2郾 2郾 3 成土母质因素摇 天山山地成土母质类型多种
多样,以洪积物、石灰岩风化物、砂岩风化物为主,也
包括冲积物、洪积物和沙质黄土. 其中,天山东部的
巴里坤鄄伊吾区段以石灰岩风化物、砂页岩风化物为
主;天山中部的乌鲁木齐鄄阿克苏区段以湖积物、洪
积物和砂页岩风化物为主,天山西部的昭苏鄄特克斯
区段以石灰岩风化物和沙质黄土为主. 天山不同区
段土壤成土母质类型的差异,导致土壤中重金属的
本底含量的不相同.以往的研究表明,母质矿物风化
及土壤环境中较高的地球化学背景值对土壤中重金
属 Cr、Cu、Ni的含量有较高的贡献[11,17-18] .
2郾 3摇 天山土壤中 10 种(类)重金属的相关关系
2郾 3郾 1 相关分析 摇 相关分析表明(表 4),天山土壤
中 10 种(类)重金属之间的相关关系较复杂,其中
重金属 Pb鄄Mn、Mn鄄Hg、Hg鄄Zn、Mn鄄Zn、Pb鄄Zn 等的相
关性较强.重金属 Pb鄄Mn、Pb鄄Hg、Pb鄄Zn、Pb鄄Cd 的相
关系数分别为 0. 582、0. 462、0. 774 和 0. 453,为显著
相关;重金属 Zn鄄Hg、Zn鄄Cb 的相关系数为 0. 891 和
0. 471,为显著相关;重金属 Mn鄄Hg、Mn鄄Zn、Mn鄄Cd
的相关系数分别为 0. 718、0. 558 和 0. 651,为显著
相关. (类)重金属 Ni鄄Co、Ni鄄As 和 Co鄄As、Co鄄Cr 的
相关系数分别为 0. 509、0. 624、0. 581 和 0. 757,
(类)重金属 As鄄Cu、Cu鄄Co的相关系数分别为 0. 419
和 0. 545,均为显著正相关.
2郾 3郾 2 主成分分析摇 主成分分析是判别土壤中污染
物来源的有效方法. 该方法以污染物的含量作为原
变量, 通过计算变量方差和协方差矩阵的特征量,
可以将多个变量降维至少数几个综合变量,即将土
表 4摇 天山山地土壤(类)重金属含量的相关关系矩阵
Table 4摇 Correlation matrix of (metalloid) heavy metal contents in soils of Tianshan Mountains
Zn Pb Cu Hg Mn Ni As Cd Cr
Pb 0. 774**
Cu 0. 497 0. 208
Hg 0. 891* 0. 462** -0. 187
Mn 0. 558** 0. 582** -0. 276 0. 718**
Ni -0. 124 -0. 587 0. 371 -0. 492 0. 275
As -0. 255 -0. 511 0. 419** -0. 349 0. 428 0. 624**
Cd 0. 471* 0. 453** -0. 424 -0. 486 0. 651** -0. 128 -0. 341
Cr -0. 172 -0. 429 0. 414 0. 326 -0. 128 0. 381 0. 102 0. 151
Co 0. 478 -0. 546 0. 545** -0. 371 0. 241 0. 509** 0. 581** -0. 211 0. 657
*P<0. 05; **P<0. 01.
2713 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 5摇 天山土壤(类)重金属元素主成分因子载荷矩阵
Table 5摇 Factors matrix of ten (metalloids)heavy metals in
soils of Tianshan Mountains
元素
Element
主成分 Principal component
1 2
As 0. 689 0. 861
Cd 0. 821 0. 061
Co 0. 321 0. 901
Cr 0. 141 0. 891
Cu 0. 121 0. 571
Hg 0. 857 0. 002
Mn 0. 781 0. 511
Ni 0. 047 0. 806
Pb 0. 776 0. 456
Zn 0. 897 0. 321
变异系数
Variable coefficient (% )
75. 4 46. 6
方差贡献
Variance contribution rate (% )
47. 5 39. 2
累积贡献率
Accumulating contribution rate (% )
47. 5 86. 7
壤污染物的信息进行了集中和提取, 可以从众多污
染物中识别出起主导作用的成分[11,17] .通过主成分
分析,10 种(类)重金属可辨识为 2 个主成分(表
5),分别解释总因子的 47. 5% 和 39. 2% ,累计贡献
率达到 86. 7% ,可以解释 10 种元素来源的绝大部
分信息.同时,2 个因子的变异系数分别为 75. 4%和
46. 6% ,表明不同区段的差异性较大.在第 1 主成分
上,重金属 Cd、Pb、Hg、Mn 和 Zn 具有较大载荷,这
些元素的平均值均高于背景值,元素之间的相关性
也较强.这几种重金属含量较高的土壤样点多分布
于天山中部乌鲁木齐鄄阿克苏区段和天山东部巴里
坤鄄伊吾区段的城镇居民点、厂矿、农田以及交通干
道附近,说明城镇生活污染物的排放、道路运输燃油
以及矿业开采导致的重金属污染可能是这几种重金
属的主要来源,可以将该主成分因子归为“人为源
因子冶 [30,35-37];在第 2 主成分上,(类)重金属 Cu、
Ni、Cr、Co 和 As 具有较高的载荷. 这 5 种元素含量
较高的样点大多分布于天山西部昭苏鄄特克斯区段
荒漠、草地、山间林地等人类活动少、自然环境保持
较好的区域,说明自然地质背景,包括山地母岩矿物
的风化、雨水的冲刷等因素导致的土壤中重金属元
素的累积构成了这 5 种重金属及类金属元素的主要
来源, 可以将该主成分因子归为 “自然源因
子冶 [17-18,38-39] .同时,Mn 和 As 在第 1 和第 2 主成分
上均具有相当的载荷.而这 2 种(类)重金属含量较
高的样点在天山 3 个采样区段的城镇、农田、交通干
道附近以及林地、荒漠、草地等土地利用类型中均有
分布.推测这些元素可能具有混合来源,受人为因素
和自然地质因素的共同影响[17-18,34] .
2郾 4摇 污染指数评价
采用污染指数法评价天山山地土壤中 10 种
(类)重金属元素的污染状况,评价标准见表 1,结果
见表 6.从单因子污染指数来看,重金属 Hg、Cd在天
山中部的乌鲁木齐鄄阿克苏区段和天山东部的巴里
坤鄄伊吾区段土壤中均属于警戒等级,为尚清洁水
平,在天山西部的昭苏鄄特克斯区段属于安全等级,
为清洁水平. As 在天山西部的昭苏鄄特克斯区段土
壤中属于警戒等级,为尚清洁水平,在天山中部的乌
鲁木齐鄄阿克苏区段和天山东部巴里坤鄄伊吾区段均
属于安全等级,为清洁水平.从(类)重金属 Cu、Zn、
Ni、Co、Cd、Cr和 As的单因子污染指数来看,天山山
地 3 个区段土壤均属于安全等级,即清洁水平. 从
10 种元素的综合污染指数来看,天山中部乌鲁木
齐鄄阿克苏区段土壤属轻度污染,为受污染水平;天
山东部巴里坤鄄伊吾区段属于警戒等级,为尚清洁水
平;天山西部昭苏鄄特克斯区段为安全等级,为清洁
水平.从数值上看,10 种元素的综合污染指数(Pz)
顺序依次为:天山中部(乌鲁木齐鄄阿克苏区段) >天
山东部(巴里坤鄄伊吾区段) >天山西部(昭苏鄄特克
斯区段).
2郾 5摇 潜在生态风险评估
在污染评价的基础上,采用潜在生态风险评价
法评估了天山土壤中(类)重金属的污染状况,评价
表 6摇 单因子污染指数和综合污染指数评价
Table 6 摇 Single factor pollution index and synthetic pollution index of (metalloids) heavy metals in soils of Tianshan
Mountains
区段
Section
单因子污染指数
Single factor pollution index (Pi)
Pb Ni Cd Co Hg As Cu Mn Zn Cr
综合污染指数
Comprehensive pollution
index (Pz)
东部 Eastern (B鄄Y) 0. 13 0. 25 0. 32 0. 41 0. 45 0. 61 0. 25 0. 52 0. 53 0. 51 0. 98
中部 Central (W鄄A) 0. 35 0. 81 1. 46 0. 06 1. 35 0. 86 0. 11 0. 37 0. 49 0. 52 1. 58
西部 Western (Z鄄T) 0. 52 0. 43 0. 27 0. 08 0. 54 1. 36 0. 34 0. 42 0. 21 0. 19 0. 68
W鄄A: 天山中部的乌鲁木齐鄄阿克苏区段 Central Urumqi鄄Akesu section of Tianshan Mountains; B鄄Y: 天山东部的巴里坤鄄伊吾区段 Eastern Urumqi鄄
Akesu section of Tianshan Mountains; Z鄄T:天山西部的昭苏鄄特克斯区段Western Urumqi鄄Akesu section of Tianshan Mountains.下同 The same below.
371311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张兆永等: 天山土壤微量(类)重金属的来源解析及潜在生态危害评估摇 摇 摇 摇 摇
表 7摇 天山土壤微量(类)重金属的潜在生态风险系数(Eir)和风险指数(RI)
Table 7摇 Potential ecological risk coefficients (Eir) and risk indices (RI)of (metalloids) heavy metals in soils of Tianshan
Mountains
区段
Section
单因子潜在生态风险系数
Potential ecological risk coefficient of single factor (Eir)
Pb Ni Cd Co Hg As Cu Mn Zn Cr
风险指数
Risk index
(RI)
东部 Eastern (B鄄Y) 0. 25 0. 34 1. 01 0. 3 1. 5 0. 75 0. 60 0. 54 0. 26 0. 61 9. 17
中部 Central (W鄄A) 0. 94 0. 40 0. 50 0. 4 0. 6 0. 61 0. 81 0. 82 0. 35 0. 14 6. 07
西部 Western (Z鄄T) 0. 31 0. 40 0. 61 0. 6 0. 4 1. 25 0. 60 0. 78 0. 02 0. 51 5. 47
标准见表 2,结果见表 7. 天山 3 个采样区段土壤中
10 种(类)重金属的单因子潜在生态风险系数(E ir)
和综合潜在生态风险指数(RI)均较低,属于低生态
风险和生态危害程度. 其中,天山中部的乌鲁木齐鄄
阿克苏区段土壤中重金属 Hg、Cd 的单因子潜在生
态风险系数大于天山东部巴里坤鄄伊吾区段和天山
西部昭苏鄄特克斯区段. 天山西部昭苏鄄特克斯区段
土壤中 As的生态风险指数值高于天山东部巴里坤鄄
伊吾区段和天山中部乌鲁木齐鄄阿克苏区段.从数值
上看,天山山地土壤中 10 种(类)重金属的潜在生
态风险指数(RI)的顺序为:天山中部(乌鲁木齐鄄阿
克苏区段)>天山东部(巴里坤伊吾区段)>天山西部
(昭苏鄄特克斯区段).
3摇 讨摇 摇 论
以往众多用潜在生态危害指数法评价重金属污
染的研究中,只采用了 7 个(类)重金属元素(Pb、
Ni、As、Cu、Mn、Zn、Cr)的毒性系数,但这并不表明其
他重金属不具有生态毒性或不产生环境污染. 按照
Hakanson[26]的观点,金属毒性系数既包含金属对人
体的危害也包含金属对生态系统的危害,因此应从
“丰度原则冶和“释放效应冶角度来讨论此问题.并认
为:某一金属元素的潜在生物毒性与其丰度呈反比.
按照 Hakanson[26]提出的金属毒性系数计算方法,徐
争启等[28]通过计算 10 种(类)重金属元素在火成
岩、土壤、淡水、陆生植物和陆生动物中的丰度,再将
这些值横向加和,得到元素的总丰度数;通过剔除不
适当的权重,得到各类环境物质中 10 种元素的平均
丰度数;然后将每一重金属的平均丰度数乘以释放
系数得到校正丰度数. 采用元素的校正丰度数来表
示 10 种元素的毒性系数.这样所求出的元素的毒性
系数是元素丰度原则与释放效应原理的共同体现,
并用此数值来表示 10 种元素的毒性系数值.重新计
算的结果表明,10 种元素的毒性系数与 Hakan鄄
son[26]的 7 种(类)重金属元素的毒性系数结果一致
(Pb:5、Ni:5、As:10、Cu:5、Mn:1、Zn:1、Cr:2),计算
结果可信度高.因此,本文中重金属 Co、Cd、Hg 的毒
性系数均按照徐争启等[28]的计算结果取值(Co:5、
Cd:30、Hg:40). 目前,在对潜在生态危害指数法评
价时,一般直接用毒性系数替代毒性响应系数,本文
亦如此.另外,本文所用的毒性系数与 Hakanson[26]
所给出的 RI计算公式中的毒性响应系数是两个不
同概念,若要计算毒性响应系数值,必须求出生物生
产指数(bioproduction index, BPI).这是未来天山山
地环境研究工作中有待解决的问题.
总体上,天山 3 个区段土壤中 10 种(类)重金
属的含量较低,说明天山山地土壤未受人为污染的
明显影响,土壤质量良好. 但部分居民点、交通道路
边及农田土壤受到轻微污染.天山中部的乌鲁木齐鄄
阿克苏区段绿洲城市工业园区和农田土壤中重金属
Pb、Hg和 Cd的总含量较高;在天山西部的昭苏鄄特
克斯区段农田及居民点附近土壤中 As 的总含量较
高.应对重金属含量相对较高的天山中部的乌鲁木
齐鄄阿克苏区段和天山西部的昭苏鄄特克斯区段 2 个
区段土壤质量状况进行重点监测,并加强区域经济
活动的合理规划,以防止人为活动导致的土壤及水
体的重金属污染.
4摇 结摇 摇 论
描述性统计分析显示,10 种(类)重金属的平均
含量均高于天山或新疆土壤背景值. 从变异系数来
看,各元素变异程度均在 17. 3% ~ 26. 4% ,属于中
等(15% ~ 36% )变异范围. 从偏度上看,10 种重
(类)金属大小顺序为:Hg>Pb>As>Cr>Cd>Zn>Cu>
Mn>Ni>Co.表明在经济迅速发展背景下研究区土壤
(类)重金属含量存在一定的增大现象.
10 种重金属及类金属元素可辨识为 2 个主成
分;PC1 为人为源因子,包括 Cd、Pb、Hg、Mn 和 Zn;
PC2 为自然源因子,包括 Cu、Ni、Cr、Co 和 As. Mn 和
As同时受人为因素和自然地质因素的影响.
Hg、Cd的单因子污染指数(P i)在天山中部的
乌鲁木齐鄄阿克苏区段,As 的单因子污染指数(P i)
4713 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
在天山西部的昭苏鄄特克斯区段具有较高值,属于警
戒等级,尚清洁水平,其他重金属在其他区段均属于
安全等级,清洁水平. 天山中部乌鲁木齐鄄阿克苏区
段 10 种(类)重金属的综合污染指数(Pz)相对较
高,属于轻污染,受污染水平.
潜在的生态风险评价表明,重金属 Hg、Cd 在天
山中部乌鲁木齐鄄阿克苏区段,类金属 As 在天山西
部昭苏鄄特克斯区段的潜在生态风险系数(E ir)和生
态危害指数(RI)均相对较高.天山 3 个区段土壤中
10 种(类)重金属元素的潜在生态风险指数(RI)顺
序为:天山中部(乌鲁木齐鄄阿克苏区段) >天山东部
(巴里坤伊吾区段)>天山西部(昭苏鄄特克斯区段).
本文选用的 10 种(类)重金属元素的毒性系数值符
合研究区的实际情况,可以用来评估天山土壤中
(类)重金属元素的潜在生态危害.
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作者简介摇 张兆永,男,1985 年生,博士研究生.主要从事环
境与生态安全研究. E鄄mail: baiyangdian313@ 163. com
责任编辑摇 肖摇 红
6713 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷