野生欧洲李原生地土壤重金属分布特征与污染评价

欧阳丽婷 ，颉刚刚 ，尤 斌 ，谢 军 ，耿文娟

（1.新疆农业大学 林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆维吾尔自治区环境监测总站，新疆 乌鲁木齐 830011）

土壤是环境生态系统的一个重要组成部分，不仅是环境污染物的重要承载体，也是环境污染物质发生生物化学反应的主要场所，更是环境污染物质往外输出的枢纽站。目前，土壤中重金属污染物主要有铜（Cu）、镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）和铬（Cr）等。当植物种植在被重金属污染的土壤上，其根系吸收土壤中的重金属，如果重金属在植物体内积累过多，会对植物产生毒害作用，使植物体内的代谢过程发生紊乱，直接影响植物生长发育，乃至造成植株死亡[1]。由于环境土壤中重金属的减污难度极大，因此，研究和掌握区域农牧业环境土壤中重金属的背景值、土壤重金属安全环境容量，确定区域农牧业土壤重金属含量空间分布规律及污染状况，对区域农牧业安全生产具有关键性意义[2-4]。

目前对于植物濒危机制的研究主要从种群生态学、生殖生态学和分子遗传学等方面进行[5]，而营养生态学主要研究植物对营养物质的吸收、运输、转化和利用的规律及植物与外界环境之间营养物质和能量交换的具体过程[6-7]。李彩霞等[8]对土壤重金属污染及各树种对重金属的富集和转移能力进行研究，发现不同植物对土壤重金属含量的富集程度不同。物种濒危机制的探究及保育策略的制定，需要从物种本身和其所在的生态环境两个方面着手[9]。

新疆野生欧洲李Prunus domesticaL.俗名野酸梅，属于蔷薇科Rosaceae李属Prunus植物，该种仅分布在新疆伊犁地区天山野果林天然植被的有限范围内，性喜温暖湿润。其抗性弱，分布区域很小。受人为活动的影响，其种群数量和分布面积急剧减少，该资源处于濒危状态。而前人对野生欧洲李濒危机制的研究主要集中在野生欧洲李生殖生物学上[10]，而未涉及外界环境因素对其造成的影响。目前对于濒危植物的分布与其环境因子特别是与土壤的相互关系方面的研究相对较少，对野生欧洲李与土壤重金属之间的相互关系的研究尚无人涉及。

本研究以野生欧洲李原生分布地土壤为研究对象，对6处分布地土壤重金属元素含量进行分析，掌握其分布特征并对污染进行评价，探讨可能导致野生欧洲李濒危的外部环境因素，以期为野生欧洲李的原地、迁地保护提供理论依据，从而制定更有效的保护措施。同时为西天山同类环境的相关研究及土壤环境保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

本研究于2016年7月，分别在伊犁巩留县、新源县野生欧洲李原生分布地（改良场三队、交吾托海、博乐赛、西阿克塞、铁矿沟、伊力格达依）植株生长处挖一个剖面（见表1），按0～30 cm（上层）、30～60 cm（中层）、60～90 cm（下层）分层，各取土壤500 g组成混合样品，将土样去除细根和杂物，碾碎，过1 mm筛并混匀，在新疆维吾尔自治区环境监测总站及新疆农业大学特色果树研究中心实验室开展相关测定。

表1 野生欧洲李不同原生分布地环境情况Table1 Environment conditions in different area of wild European plum

1.2 土壤重金属含量测定方法

Cu、Mn、Zn、Mo、Cr元素含量采用火焰原子吸收分光光度法；总Hg、As、Pb元素含量采用原子荧光法[11]。

1.3 土壤重金属质量评价

1.3.1 土壤重金属质量评价

土壤污染评价采用《土壤环境质量标准》（GB15618-1995的二级标准[12]）（见表2）。土壤污染程度研究采用单因子指数法[13]和内梅罗综合指数法[14]进行评价。通过单因子评价，确定主要的重金属污染物及其危害程度，以污染指数来表示，使污染程度量化；内梅罗综合指数能反映场地土壤中每种重金属的污染程度，突出了重金属极值浓度对土壤环境质量的影响。质量分级采用污染指数分级标准（表3所示）。

1.3.2 生态风险评价

采用 Hakanson[13]潜在生态风险指数法进行土壤污染状况及环境风险评价（如表4所示），该方法综合考虑了多元素协同作用、毒性水平、污染浓度以及环境对重金属污染敏感性等因素，在环境风险评价中得到广泛应用，适合于对大区域范围的土壤进行评价比较[15-16]。

（1）单个金属污染指数

式（1）中，Cf i为金属i的污染指数；Ci为金属i的实际测定含量；mg·kg-1；Cn i为金属i的评价参比值，mg·kg-1；本研究使用新疆土壤重金属背景值。

表2 土壤环境质量标准†Table2 Environmental quality standard for soils (mg·kg-1)

表3 土壤污染综合指数分级标准Table3 The grading standards of integrated pollution index for soil

（2）单个重金属潜在生态风险指数

式（2）中，Eri为单个金属i的潜在生态风险指数；Tri为金属i的毒性响应系数，主要反映重金属毒性水平和环境对重金属污染的敏感程度；8种重金属毒性系数分别为Mn=Zn=1＜Cr=2＜Cu=Ni=Pb=5＜ As=10＜ Hg=40。

（3）多个金属综合潜在生态风险指数

根据Er i和RI值的不同，将潜在生态风险划分为不同等级（见表4）。

表4 重金属潜在生态风险等级划分标准Table4 Standard of heavy metal potential ecological risk assessment

2 结果与分析

2.1 野生欧洲李不同原生分布地土壤重金属含量分布特征分析

如表5所示，比较各原生分布地重金属含量的平均值可以看到，6处分布地在0～30 cm土层深度，Cu、Cr和Zn含量的最大值出现在改良场三队，分别为 42.7、86.2和 416 mg·kg-1；Hg、Mn、Ni、Mo含量的最大值出现在巩留伊力格达依，分别为 0.055、1 057、24.33 和 2.6 mg·kg-1；As含量的最大值出现在铁矿沟，为21.7 mg·kg-1；Pb含量的最大值出现在交吾托海，为52.5 mg·kg-1。在30～60 cm土层深度，Cu、Cr、As、Mn、Mo含量的最大值均出现在巩留伊力格达依，分别为42、95.6、26、1 214、2.7 mg·kg-1；Hg 含量的最大值出现在博乐赛，为0.066 mg·kg-1，Zn含量的最大值出现在交吾托海，为458.5 mg·kg-1，Pb含量的最大值出现在铁矿沟，为32.2 mg·kg-1。在60～90 cm土层深度，Cu、Hg、Mn、Ni、Zn、Mo含量的最大值均出现在巩留伊力格达依，分别为 44.6、0.049、1253、26.8、471.8、3 mg·kg-1，Cr、As、Pb含量的最大值出现在改良场三队，分别为97.8、24.1、31.8 mg·kg-1。综合以上可以得出：不同原生分布地不同土层单位土壤中重金属含量差别较大。在0～90 cm土层深度，土壤重金属含量的最大值大多出现在野生欧洲李巩留伊力格达依分布地，新源改良场三队分布地土壤重金属含量次之，新源西阿克塞分布地土壤重金属含量偏低。

2.2 野生欧洲李原生分布地土壤重金属相关性分析

如表6所示，土壤重金属污染存在不同程度的相关性，在巩留伊力格达依分布地，土壤中的Mn、Zn呈显著的正相关；Ni、Mo呈显著正相关（p＜0.05）。在新源改良场三队分布地，土壤中Cu、As呈显著正相关；Ni、Mo呈显著正相关；（p＜0.05）。在新源博乐赛分布地，土壤中Cu、Cr、Zn、Pb两两之间存在显著的正相关（p＜0.05）；其中Cr、Zn呈极显著正相关（p＜0.01）；Ni、Mo之间呈极显著负相关（p＜0.01）。在新源铁矿沟分布地，土壤中Cu、Hg呈显著正相关（p＜0.05）。在新源西阿克塞分布地，土壤中Cr、Hg存在极显著正相关（p＜0.01）。6处原生分布地土壤重金属元素间以及在同一分布地不同重金属间相关性均有所不同，表明野生欧洲李不同原生地土壤中这几种重金属元素具有不一致的来源。

表5 野生欧洲李不同原生分布地土壤重金属含量Table5 The total amount of heavy metals of soil in wild European plum at different distributions

表6 野生欧洲李不同原生分布地土壤重金属相关性分析†Table6 Correlation analysis of heavy metal content in wild European plum at different distributions

续表6Continuation of table6

2.3 野生欧洲李不同原生分布地土壤重金属污染评价

将野生欧洲李各原生分布地土壤重金属平均含量与新疆土壤元素背景值比较，可以得出：6处原生分布地Cu、Cr、Hg、As、Zn、Mo、Pb含量的平均值均高于新疆土壤背景值，分别是土壤背景值的1.01～1.62倍、1.18～1.75倍、1.88～3.23倍、1.01～1.94倍、3.63～6.05倍、1.17～1.53倍和1.15～2.71倍。Mn的含量在新源交吾托海未超过土壤背景值，其余5处原生分布地均已超过土壤背景值，是土壤背景值的1.06～1.54倍。Ni含量的平均值低于土壤背景值。这说明在野生欧洲李的6处原生分布地，土壤已经受到了不同程度的污染，特别是Hg和Zn的污染较严重。将野生欧洲李各原生分布地土壤重金属平均含量与土壤环境质量标准比较，可以得出：对于所调查的野生欧洲李6处原生分布地土壤Cu、Cr、Hg、As、Pb、Ni这6种重金属平均浓度均低于我国土壤环境质量标准的二级标准，只有Zn的含量超出了我国土壤环境质量二级标准（见表5），这说明6处原生分布地土壤重金属总体态势良好，只有Zn元素已经出现了重金属超标的情况。

如表7所示，将6处分布地的单因子污染指数与土壤污染综合指数分级标准比较可以得出：不同土层深度土壤中Cu、Cr、Mn、Mo均已达到轻度污染；Hg、As的含量在不同土层深度土壤中有不同程度的轻度到重度污染；Ni的污染基本处于警戒值；不同土层深度土壤中Zn已达到重度污染；巩留伊力格达依、新源改良场三队、交吾托海上层土壤Pb的污染已达到中度污染水平，中下层基本处于尚清洁水平，新源博乐赛、铁矿沟、西阿克塞不同土层深度土壤中Pb的污染均处于轻度污染水平。

表7 野生欧洲李不同原生分布地土壤重金属污染评价指数得分Table7 The evaluation index of heavy metals pollution in soil in wild European plum at different distributions

将6处分布地的综合污染指数与土壤污染综合指数分级标准比较可以得出：巩留伊力格达依、新源交吾托海、博乐赛、西阿克塞0～90 cm土层深度土壤综合污染指数均已达到重度污染；新源改良场三队0～30 cm土层深度土壤也已达到重度污染，30～60 cm土壤处于中度污染接近重度污染水平；新源铁矿沟30～60 cm土壤综合污染指数也已达到重度污染，0～30 cm土层深度土壤处于中度污染水平。综合比较得出：研究区域中土壤重金属超标，污染达到了一定的土层深度。巩留伊力格达依土壤污染较为严重，新源西阿克塞污染最轻。

2.4 野生欧洲李不同原生分布地潜在生态风险评价

如表8所示，就单个重金属生态风险指数来看，上层土壤单项潜在生态风险基本为Hg＞As＞Pb＞Cu＞Zn＞Ni＞Cr＞Mn。所调查的6个原生分布地的Cu、Cr、As、Mn、Ni、Zn、Pb生态风险程度较低，而Hg处于较为严重的风险状态，在对野生欧洲李原生分布地土壤修复过程中应重点关注Hg的生态风险影响。此外As单项潜在生态风险大多表现为中层＞下层＞上层，表明As在土壤中的垂向迁移能力相对较强，也是值得注意的元素。土壤潜在生态危害指数（RI）存在不同程度的轻微到中等生态危害。

3 讨 论

3.1 重金属元素含量对植物生长发育的影响

土壤重金属主要来源于成土母岩和残落的生物物质，但随着工业革命以来人类社会生产力的迅猛发展，人类活动对土壤重金属分布、含量的影响呈现日益增加的趋势[17]。全世界平均每年排 放 Hg约 1.50×104t、Pb约 5.00×106t、Cu约3.40×106t、Ni约 1.00×106t、Mn 约 1.500×107t，由于土壤与植物特别是农作物系统通过食物链而与人类健康息息相关，因此，土壤植物系统中重金属污染是全球面临的一个丞待解决的环境问题[18]。

Ayala MB等[19]研究发现过量的Zn会损伤植物根系，使植物根系生长受阻，还可能使地上部分有褐色斑点并坏死。夏增露等[20]认为Pb主要积累在植物的根、茎、叶部位。影响根部生长、影响细胞代谢、影响种子发育、出现胚根组织坏死。本研究中6处野生欧洲李原生分布地0～90 cm土层深度Zn的污染均已达到重度污染水平，巩留伊力格达依、新源改良场三队、交吾托海上层土壤Pb的污染已达到中度污染水平，新源博乐赛、铁矿沟、西阿克塞不同土层深度土壤中Pb均处于轻度污染水平。这说明土壤中重金属元素Zn、Pb可能是导致野生欧洲李濒危或者树势较弱的原因之一。

表8 野生欧洲李原生分布地重金属潜在生态危害Table8 The ecological risk of heavy metal in wild European plum at different distributions

目前已有研究学者对新疆部分地区，如米泉市[21]、乌鲁木齐[22]、奎屯垦区[23]等地区开展了土壤重金属污染调查研究。新疆伊犁地区的土壤重金属污染调查研究相对较薄弱，同时在距伊犁河流域地区较近的奎屯市已发生过重金属污染（砷中毒）现象[19]。本研究中Hg、As的含量在野生欧洲李6处原生分布地不同土层深度土壤中有不同程度的轻度到重度污染。Hg2+能干扰物质在细胞中的运输过程[24]，还可能抑制植物种子萌发[25]。As是一种类金属，作物受砷害的症状首先表现在叶子上，其次是根部的伸长受阻碍，致使作物的生长发育受到明显抑制，甚至死亡[26]。在对多年生作物方面，桃子的砷害首先表现在老叶，受害叶边缘形成锯齿形缺口，并在叶脉间出现空洞以至最后脱落。苹果树的砷害，表现为树皮或木质部变色，叶片上产生斑点[27]。本课题组对野生欧洲李濒危机制的研究主要集中在野生欧洲李生殖生物学上[10]，本研究对野生欧洲李各分布地的土壤重金属含量分布特征与污染评价开展了初步研究。根据近年调查发现，野生欧洲李植株长势弱、叶片空洞并伴有斑点、开花结实能力逐年下降的原因可能与土壤中重金属Hg与As有关。不同分布地人为因素与牲畜活跃程度的强弱，可能直接影响各分布地间土壤重金属含量的多少。因此，加大对野生欧洲李分布地的土壤重金属污染进一步调查研究也是很有必要的。

3.2 土壤重金属元素相关性分析

重金属之间的相关系数可以表明其来源途径的相似性程度，一般相关性系数较高的重金属之间具有依存关系，可能有相似的来源途径；相关系数较低的重金属之间则依存关系弱，来源途径不尽相同[28]。

本次研究的野生欧洲李6处分布地土壤重金属含量随机取样范围与重复度较小，对于充分说明野生欧洲李所处分布地土壤重金属的污染状况具有一定的局限性，但对西天山同类环境的相关研究及土壤环境保护提供参考具有重要的生态意义。李彩霞、付雄略等[8,29]对土壤重金属污染及植物富集进行研究，发现不同植物对土壤重金属含量的富集程度不同，今后的研究应综合考虑木本—灌木—草本植物相结合的立体修复模式，同时考虑环境因子以及人为因素的综合修复模式对野生欧洲李乃至西天山重金属污染土壤的修复作用。

4 结 论

（1）野生欧洲李6处原生分布地不同土层深度均存在Cu、Mn、Zn、Mo、Cr、Hg、As、Pb元素，且不同分布地的不同土层深度重金属含量差异较大。0～90 cm土层深度，土壤重金属含量在巩留伊力格达依表现较高，在新源西阿克塞表现偏低。

（2）6处分布地土壤重金属元素间以及在同一分布地不同重金属间存在不同程度的相关性，表明不同分布地土壤中这几种重金属元素具有不一致的来源且有良好的独立性，但也可能存在着复合污染。

（3）采用不同的土壤重金属含量分析方法所得出的结论略有不同，将土壤重金属平均含量与土壤环境质量标准比较，得出只有Zn的含量超出了我国土壤环境质量二级标准。而采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法结合的方法得出土壤重金属中Zn的污染情况较为严重；Cu、Cr、Mn、Mo为轻度污染；Hg、As有不同程度的轻度到重度污染；Pb有不同程度的轻度到重度污染。

（4）6处原生分布地土壤潜在生态危害指数（RI）存在不同程度的轻微到中等生态危害，对濒危植物野生欧洲李原生分布地的保护有必要从土壤重金属污染治理的方面来进行。