扎龍濕地土壤重金屬對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)和電導(dǎo)率的影響

金忠民　郝宇　劉麗杰等

摘要： 為了研究扎龍濕地土壤中重金屬對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)及電導(dǎo)率的影響，采集扎龍濕地的10個(gè)土壤樣本，測(cè)定了其中的重金屬含量、化學(xué)性質(zhì)及電導(dǎo)率（EC）。利用相關(guān)分析計(jì)算了重金屬含量與化學(xué)性質(zhì)、電導(dǎo)率的相關(guān)性；利用主成分分析方法提取8種重金屬的主成分，并計(jì)算了重金屬主成分與土壤化學(xué)性質(zhì)、電導(dǎo)率之間的相關(guān)性。根據(jù)相關(guān)性分析可知，重金屬對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)及電導(dǎo)率具有復(fù)雜的影響，其中Fe、Co、Cr與K+之間存在極顯著負(fù)相關(guān)；Fe、Co與Na+存在顯著負(fù)相關(guān)；Pb與pH值、Fe與EC、Co與EC、Cu與Ca 2+、Co與Ca 2+、Cr與Ca 2+之間有顯著正相關(guān)。主成分分析消除了重金屬之間的互相影響，可以更加清晰地分析各種重金屬對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)及電導(dǎo)率產(chǎn)生的真實(shí)作用。根據(jù)主成分分析可知第1主成分體現(xiàn)了Cu、Fe、Mn、Cr、Co、Zn的作用，它們含量升高會(huì)導(dǎo)致EC和Ca 2+指標(biāo)的上升，使Na+、K+指標(biāo)下降，而對(duì)pH值幾乎無(wú)影響；第2主成分主要體現(xiàn)了Pb和Cd的作用，它主要影響土壤中pH值的變化。

關(guān)鍵詞： 扎龍濕地；重金屬；化學(xué)性質(zhì)；電導(dǎo)率；相關(guān)分析；主成分分析

中圖分類(lèi)號(hào)： X833 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）08-0333-03

扎龍濕地位于黑龍江省西部松嫩平原烏裕爾河下游，地理坐標(biāo)為123°47′～124°37′E、46°52′～47°32′N(xiāo)。1992年，拉姆薩爾公約（Ramsar Convention） 將扎龍列為國(guó)際重要濕地，是亞洲十大濕地之一，在世界珍稀水禽保護(hù)和繁育中占有極其重要地位 [1]。隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)的頻繁等原因造成了這一地區(qū)重金屬污染加劇。重金屬是當(dāng)今環(huán)境重要的污染物，具有難降解、易積累等特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境的污染毒性最顯著的重金屬有Cu、Fe、Zn、Mn、Pb、Cd、Co、Cr、Ni、As等 [2-3]。據(jù)資料顯示，重金屬含量是反映土壤環(huán)境健康狀況的重要參數(shù)之一，且成為環(huán)境領(lǐng)域的主要研究方向 [4-5]，重金屬的總量預(yù)示著相應(yīng)地區(qū)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性。研究表明，土壤的理化性質(zhì)與重金屬密切相關(guān) [6]，因此可以通過(guò)分析重金屬含量來(lái)反映土壤理化性質(zhì)的變化并對(duì)潛在威脅進(jìn)行評(píng)估 [7-11]。本研究以扎龍濕地的土壤為研究對(duì)象，利用相關(guān)性分析和主成分分析，探討土壤中重金屬對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)及電導(dǎo)率的影響，為今后扎龍濕地土壤的監(jiān)測(cè)與保護(hù)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1 1 土壤樣品的采集與制備

供試土壤采自地理坐標(biāo)為123°47′～124°37′E、46°52′～47°32′N(xiāo)，位于黑龍江省扎龍自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，采樣前要詳細(xì)了解采樣地區(qū)的土壤類(lèi)型、污染情況和地形等因素，并采用GPS定位技術(shù)，在扎龍自然保護(hù)區(qū)內(nèi)選取10個(gè)采樣區(qū)域并劃分為若干個(gè)采樣單元定點(diǎn)取樣。為了保證土壤樣本具有代表性，每個(gè)采樣單元按照“S”形設(shè)定10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行布點(diǎn)采樣。采樣按等量、多點(diǎn)、隨機(jī)混合原則進(jìn)行。每個(gè)采樣點(diǎn)的取土深度和寬度在0～15 cm，采樣的混合土壤按四分法進(jìn)行取舍至1 kg左右，土壤采集后放入帶有標(biāo)簽的封口袋，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干、研磨并過(guò)2 mm篩，烘干保存。如圖1所示，采樣區(qū)域的順序依次為1～10，土壤類(lèi)型為水底淤泥 [12]。

1 2 重金屬含量的測(cè)定

選取混合均勻的10個(gè)土壤樣品各0 5 g加入到Labtech 電熱消解儀ED36的消解管中，加入鹽酸10 mL，插入到消解孔內(nèi)，在95 ℃下加熱30 min，加入5 0 mL HNO3 ∶ H2O=1 ∶ 1的硝酸，蓋上帶管塞，在95 ℃回流10 min，取下冷卻后再次加入2 5 mL 濃硝酸，蓋上管塞，放回到消解孔中，在95 ℃回流 30 min。如果沒(méi)被完全氧化，重復(fù)加入濃硝酸，直到氧化完全，將樣品蒸發(fā)至5 mL，關(guān)閉消解儀，冷卻30 min后加入 1 0 mL H2O 、1 5 mL H2O2；開(kāi)啟消解儀，繼續(xù)加熱到95 ℃后再次加入1 0 mL H2O2 直到起泡退盡為止。消解液通過(guò)電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測(cè)定Cu、Fe、Zn、Mn、Pb、Cd、Co等7種重金屬的含量 [13-15]。

1 3 土壤化學(xué)性質(zhì)及電導(dǎo)率的測(cè)定

1 3 1 pH值的測(cè)定 稱(chēng)取過(guò)2 mm孔徑篩的風(fēng)干樣品各10 g于50 mL燒杯中，加去除CO2的水25 mL（土液比為1∶ 2 5），用攪拌器攪拌1 min，使土粒充分分散，放置30 min后用pHS-25雷磁pH值計(jì)進(jìn)行測(cè)定 [16]。

1 3 2 K+、Na+的測(cè)定 K+、Na+的測(cè)定直接用火焰光度法（GB 7866—1987《森林土壤交換性鉀和鈉的測(cè)定》） [17]。對(duì)于配制好的K+、Na+標(biāo)準(zhǔn)系列混合溶液，以最大濃度定為火焰光度計(jì)上檢流計(jì)的滿(mǎn)度，然后從稀到濃依次進(jìn)行測(cè)定，記錄檢流計(jì)讀數(shù)，以檢流計(jì)讀數(shù)為縱坐標(biāo)、K+和Na+濃度為橫坐標(biāo)，繪制工作曲線(xiàn)。用1 mol/L乙酸銨溶液處理土壤的浸出液，直接在FP640火焰光度計(jì)上測(cè)定K+和Na+，記錄檢流計(jì)讀數(shù)，然后從工作曲線(xiàn)上查得待測(cè)液的K+和Na+的濃度。

1 3 3 Ca 2+、Mg 2+的測(cè)定 Ca 2+、Mg 2+的測(cè)定直接用原子吸收分光光度法（GB7865-1987《森林土壤交換性鈣和鎂的測(cè)定》） [18]。吸取1 mol/L乙酸銨溶液處理土壤的浸出液20 00 mL于25 mL容量瓶中，加30 g/L氯化鍶溶液2 5 mL，用1 mol/L乙酸銨溶液定容。定容后的溶液直接在選定工作條件的原子吸收分光光度計(jì)上，于422 7 nm（Ca 2+）、285 2 nm（Mg 2+）波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度。在成批樣品測(cè)定過(guò)程中，按一定時(shí)間間隔用標(biāo)準(zhǔn)溶液校正儀器。先用標(biāo)準(zhǔn)系列溶液在相同條件下測(cè)定吸收值，繪制濃度-吸收值工作曲線(xiàn)。根據(jù)待測(cè)液中Ca 2+、Mg 2+的吸收值，分別在工作曲線(xiàn)上查得Ca 2+、Mg 2+的質(zhì)量濃度。endprint

1 3 4 電導(dǎo)率（EC）測(cè)定 稱(chēng)取過(guò)2 mm孔徑篩的風(fēng)干樣品各20 g于250 mL干燥三角瓶中，加入蒸餾水100 mL，振蕩5 min后，過(guò)濾于干燥三角瓶中，吸取土壤浸出液30 mL，放在50 mL的小燒杯中，在溫度為25 ℃下利用DDS-307的雷磁電導(dǎo)儀進(jìn)行測(cè)定 [19]。

1 4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)SPSS 17 0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)性、主成分分析 [20]。

2 結(jié)果與討論

2 1 土壤樣品中重金屬含量、化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、電導(dǎo)率測(cè)定結(jié)果

從表1、表2可以看出，扎龍濕地土壤中Fe的含量最高，Cd的含量最低。說(shuō)明了Fe在堿性土壤中易被沉淀且利用率不高，因?yàn)镕e元素只有呈有效態(tài)時(shí)，才能被植物所利用。另外，土壤中的Cd遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到產(chǎn)生污染危害的水平，一方面說(shuō)明土壤對(duì)Cd有較強(qiáng)的固定和容納能力，另一方面說(shuō)明生活排污和化肥農(nóng)藥的流失在本地區(qū)得到了有效的控制。

在化學(xué)性質(zhì)方面，土壤的pH值大于7，這說(shuō)明扎龍濕地的土壤呈堿性，這與北方氣候干燥及曝曬天氣有關(guān)，導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)量暴增、鹽分聚集，使其成為了鹽堿地。樣本1和樣本9電導(dǎo)率偏大，說(shuō)明這2個(gè)地區(qū)較其他地區(qū)的含鹽量高。Mg 2+在葉綠素的形成中起著十分重要的作用，試驗(yàn)表明，該區(qū)域土壤的Mg 2+含量總體偏低，預(yù)示著植物的光合作用受到影響。

2 2 重金屬含量與土壤性質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)分析

由表3可以看出，土壤重金屬含量與化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及電導(dǎo)率之間存在著不同程度的相關(guān)性，有的相關(guān)性達(dá)到了極顯著的水平。如Fe 、Co、 Cr與K+含量之間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了-0 866、-0 771、-0 850。Pb與pH值、Cr與Ca 2+、Fe與Na+，Co與Na+之間的相關(guān)性顯著。除此之外，各種重金屬含量之間也存在不同程度的相關(guān)性，有的達(dá)到了極顯著的正相關(guān)，如Cu與Fe、Co與Cr、Fe與Co、Fe與Cr、Mn與Co之間相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0 832、0844、0 956、0 816、0 859。這說(shuō)明了重金屬元素之間具有協(xié)同作用。為了消除重金屬之間的互相影響，需正確確定重金屬與土壤性質(zhì)之間的關(guān)系，本研究利用主成分分析重金屬對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)及電導(dǎo)率的影響。

如表4所示，根據(jù)特征值大于1，提取了重金屬的2個(gè)主成分F1和F2。它們的特征值之和為6 613，積累貢獻(xiàn)率達(dá)到了82 660%，基本上反映了8種重金屬的全部信息，故可用主成分F1和F2代表重金屬的含量進(jìn)行討論。由表5載荷矩陣可看出，第1主成分F1主要代表了Cu、Fe、Mn、Co、Cr、Zn等重金屬，第2主成分F2則主要代表了Cd和Pb。

作為新的變量指標(biāo)F1和F2是互不相關(guān)的綜合變量，可以通過(guò)研究這2個(gè)變量與各種理化指標(biāo)間的相關(guān)性來(lái)研究重金屬離子與理化指標(biāo)之間的相關(guān)性。利用相關(guān)分析計(jì)算主成分與理化指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表6所示。

由表6可以看出，主成分F1和F2之間不具有相關(guān)性，說(shuō)明這2個(gè)主成分是互相獨(dú)立的，不存在相互影響。EC、Ca 2+、Mg 2+和主成分F1有明顯的正相關(guān)，而K+、Na+與主成分F1具有明顯的負(fù)相關(guān)性。在pH值方面，F(xiàn)1與pH值只有0 139的相關(guān)系數(shù)，可認(rèn)為F1對(duì)pH值無(wú)影響。Cu、Fe、Mn、Cr、Co、Zn的含量升高會(huì)導(dǎo)致EC和Ca 2+指標(biāo)的上升，而會(huì)使Na+、K+指標(biāo)下降，這主要是因?yàn)橥寥利}分中的氯離子能與重金屬形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而使土壤中的重金屬由固態(tài)向土壤溶液遷移，然而大量的Na+、K+、Ca 2+等陽(yáng)離子也可以通過(guò)離子交換作用將可交換態(tài)的重金屬置換到土壤溶液中來(lái)，從而導(dǎo)致陽(yáng)離子發(fā)生變化。F2主要和pH值相關(guān)，和其他指標(biāo)關(guān)系不明顯?？烧f(shuō)明Pb、Cd的含量在很大程度上影響土壤中pH值的變化，其原因是Pb、Cd在發(fā)生氧化、還原、吸附、抑制和拮抗作用時(shí)，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量和黏粒的含量發(fā)生變化從而使得pH值發(fā)生改變。

3 結(jié)論

根據(jù)相關(guān)性分析可知，重金屬含量與化學(xué)性質(zhì)及電導(dǎo)率之間存在不同程度的相關(guān)性。其中Fe、Co、Cd、K+之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)；Fe、Co與Na+存在顯著的負(fù)相關(guān)；Pb與pH值、Fe與EC、Co與EC、Cu與Ca 2+、Co與Ca 2+、Cr與Ca 2+之間存在顯著正相關(guān)。由于重金屬含量之間彼此存在且互相影響，使得重金屬與理化性質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)存在著重疊，造成這種相關(guān)系數(shù)不能真實(shí)反映重金屬對(duì)理化性質(zhì)的影響，因此需要利用主成分分析消除重金屬之間的彼此影響。根據(jù)主成分分析可知，第1主成分體現(xiàn)了Cu、Fe、Mn、Cr、Co、Zn的作用，它們含量升高會(huì)導(dǎo)致EC和Ca 2+指標(biāo)的上升，使Na+、K+指標(biāo)下降，而對(duì)pH值幾乎無(wú)影響；第2主成分主要體現(xiàn)了Pb和Cd的作用，它主要影響土壤中pH值的變化。

通過(guò)本研究可知，土壤中的重金屬含量會(huì)直接影響到土壤性質(zhì)，這意味著土壤中重金屬含量的增加會(huì)導(dǎo)致濕地生態(tài)環(huán)境的變化，存在一定的惡化風(fēng)險(xiǎn)。今后在對(duì)扎龍湖泊濕地污染治理中，應(yīng)對(duì)沉積物中存在一定潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的重金屬威脅有足夠的重視，采取適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)這種威脅予以消除或者降低，如在農(nóng)業(yè)種植中要努力控制化肥和農(nóng)藥的流失、加強(qiáng)對(duì)排污的監(jiān)測(cè)等。

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