王文栋，王 鑫，白志强，阿里木·买买提，刘 端，郭仲军

(1.新疆林业科学院森林生态研究所，新疆乌鲁木齐830063；2.新疆维吾尔自治区阿尔泰山国有林管理局富蕴分局，新疆富蕴836100)

森林作为陆地生态系统的重要组成部分，具有涵养水源、保持水土和防风固沙等多种生态效益[1-2]。随着工业化、城市化的快速发展，大面积的森林受到不合理开发，森林生态环境破坏日趋严重，加之受全球气候异常的影响，造成森林资源污染严重[3-5]。水是生态系统物质循环的载体，与森林生态系统相互作用[6]。污染物通过大气降水沉降部分汇入溪流，剧烈人类活动，产生大量土壤重金属污染物，随着污染物的迁移和转换，流入水体，水资源污染愈发严重[7-8]。因此，探究土壤重金属污染对水资源污染的作用机理，有助于控制水资源的污染范围，促进森林资源的可持续发展。

目前，国内外对于水资源污染多关注于地下水、湖泊、城市水源水质及污染物来源等研究[9-10]，而对森林生态系统溪流地表水污染的综合研究较少。新疆天山北麓天然气、煤、有色金属等矿产资源丰富[11]，矿产的开采和运输容易引起林区土壤重金属污染，而森林土壤重金属迁移率较高，其浸出进入地表水的风险加剧[12]。溪流地表水污染会直接影响森林生态系统的结构和功能，并由地下水、食物链等方式危害生物的生存与健康[13]。除此之外，林区内水系纵横，具有独特的自然景观，旅游活动频繁，水环境生态安全压力增加，水质恶化等现象严重[14]，但天山北麓森林的土壤-水体环境质量问题研究较为匮乏。因此，本研究为评估天山森林溪流地表水污染状况，选取桦树沟、小渠子和甘沟3个区域进行溪流地表水和土壤样品的采集，分别对地表水7项污染指标和土壤8种重金属元素进行了检测，分析地表水指标的含量特征、污染程度及其来源，并探究其与天山北麓中段雪岭云杉林土壤重金属元素的关系，从而评价采矿和旅游活动对溪流地表水的影响，为天山森林的健康维护、山区采矿活动、旅游活动的可持续发展提供相应的决策依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆天山北麓中段(86°30′～87°15′E、 43°14′～43°43′N)， 属乌鲁木齐县境内， 东西长约6.3 km，南北宽约6.6 km，地势南高北低。该区气候属温带大陆性气候，气温日变化较大，年平均气温2℃，极端低温-30.2℃，极端高温30.5℃，年平均积温1 170℃，无霜期120～130 d，年平均降水量500 mm以上。林区内水系纵横，主要有乌鲁木齐河、头屯河和三屯河三大河流，以高山冰雪融化和降水为水源补给，5—8月水位最高，9月后进入枯水季。区内含两座采矿厂(和谐矿业和4号矿业小渠子，目前均在营业，主要开采铁矿和煤矿)以及多个旅游景点(桦树沟、菊花台、甘沟等)，乌鲁木齐县2018年接待人次达1 000.93万，旅游收入达9.5亿元。林区内土壤以灰褐土为主，腐殖质层较厚，养分含量高，天山雪岭云杉(Picea schrenkiana Fischet Mey)为林区优势种，林下灌木主要有忍冬(Lonicera japonica Thunb)、蔷薇(Rosa sp)、小蘗(Berberis kawakamii Hayata)等，草本主要有早熟禾(Poa annua L)、莎草(Cyperus rotundus L)、苔草(Carex spp)等。

1.2 野外采样

2018年8月，在桦树沟、小渠子和甘沟进行采样，该区域采矿活动频繁(桦树沟区域)和旅游人员聚集(小渠子和甘沟区域)，均为雪岭云杉针叶林林区。选择几乎无采矿活动和无旅游活动影响的区域作为背景区，分别在各区域溪流水系的上、中、下游布设样点，上游距离中游约3 km，中游距离下游约4 km，桦树沟上、中、下游距离采矿区约200 m，其他区域距离旅游区约500 m(表1)。溪流地表水为乌鲁木齐河、头屯河和三屯河三大河流的支系和小溪汇入，主要支系有东南沟、萨尔达坂沟、孔萨拉、小昌吉河等沟系。采样瓶用当地水润洗3次后，将地表水装满于100 mL的棕色玻璃瓶和聚乙烯塑料瓶内，即每个采样点采集2瓶水样，并将水样放置3～4℃条件下保存，及时送往新疆中检联检测有限公司进行检测。同时在桦树沟、小渠子和甘沟上、中、下游距离水源地3 m内随机选取5个典型样方，按照 “S”型布设5个样点后，清除表层土壤腐殖质，采集0～10 cm表层土壤，挑拣去除石块及植物根系，混匀充分，并用四分法取2 kg土样，装入袋中带回实验室，自然风干后研磨过0.149 mm筛，以供实验分析使用。

表1 采样点基本情况Table 1 Basic information concerning the sample collection point

1.3 实验室分析

根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[15]，依据地表水水域环境功能和保护目标，按功能高低依次划分为5类:Ⅰ类(主要适用于源头水、国家自然保护区)；Ⅱ类(主要适用于集中式生活饮用水地表水源地1级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等)；Ⅲ类(主要适用于集中式生活饮用水地表水源地2级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区等)；Ⅳ类(主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区)；Ⅴ类(主要适用于农业用水区及一般景观要求水域)。对研究区地表水水样的pH值、总磷(total phosphorus，TP)含量、总氮(total nitrogen，TN)含量、氨氮(ammonia nitrogen，NH3-N)含量、硝酸盐氮(nitrate nitrogen，NO3-N)含量、高锰酸盐指数(permanganate index，CODMn)、化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)7项指标进行了检测。测试方法分别为:玻璃电极法、钼酸铵分光光度法、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、纳氏试剂比色法、酚二磺酸分光光度法、高锰酸盐法、重铬酸盐法[15]。

根据《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)[16]对研究区土壤样品的砷(As)、汞(Hg)、铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)、铝(Al)8种重金属元素含量进行了检测。Pb、Cd含量测定采用石墨炉原子吸收分光光度法；Zn和Cu含量测定采用火焰原子吸收光度法；As含量测定采用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法；Hg含量测定采用冷原子吸收分光光度法；Cr含量采用火焰原子分光光度法进行测量；Al含量采用高效液相色谱法测定。3次空白样和平行样，取平均值作为最终金属元素含量。在土壤重金属元素含量测定过程中加入国家标准土壤参比物质(GSS-12)进行质量控制，8种土壤重金属回收率均未超出国家标准参比物质的允许范围研究区背景值及土壤重金属评价标准。

1.4 数据处理与统计分析

采用SPSS 19.0软件对天山森林溪流地表水污染指标进行单因素方差分析，运用方差同质性检验方法检验方差是否齐性，当方差齐性时，多重比较使用最小显著差异方法(least significant difference，LSD)，反之，使用非参数检验方法(Tamhane′s test，T2)。结合相关性分析和主成分分析进一步进行土壤水污染的来源解析；运用Canoco 4.5软件进行冗余分析，探究水污染指标与土壤重金属含量的关系。

2 结果与分析

2.1 天山森林地表水污染特征与评价

图1为天山森林地表水各指标特征图，单因素方差分析表明，不同区域地表水各指标无显著差异(P＞0.05)。研究区地表水pH值在7.93～8.10之间[图1(a)]，符合国家规定的限值(表2)，整体偏碱性。COD反映了水体受到还原性物质污染的程度[18]，研究区地表水COD在9.00～14.33 mg·L-1之间，均小于15.00 mg·L-1[图1(b)]，符合国家Ⅰ、Ⅱ类水域标准限值(表2)，说明研究区受还原性物质污染程度较低。由[图1(c)]可知，CODMn仅桦树沟为2.33 mg·L-1，介于2.00～4.00 mg·L-1之间，符合Ⅱ类水域标准限值(表2)，小渠子和甘沟均小于2.00 mg·L-1，符合Ⅰ类水域标准(表2)。CODMn是地表水受有机物和还原性无机物污染程度的综合指标，说明小渠子和甘沟地表水有机物和还原性无机物较少。TN含量表示了水体受营养物质污染的程度，研究区3个采样点地表水的TN含量严重超标，均大于2.00 mg·L-1[图1(d)]，为劣V类水域(表2)，水体富营养化严重。NO3-N作为补充项目指标，其含量介于0.66～1.16 mg·L-1之间，小于10.00 mg·L-1[图1(e)]，3个采样点水体均符合地表水水源地的限值要求(表2)。NH3-N是水体中主要耗氧污染物，对水体生物有危害，研究区地表水NH3-N含量均小于0.15 mg·L-1[图1(f)]，达到Ⅰ类水域标准(表2)。由[图1(g)]可知，研究区地表水TP含量介于0.02～0.10 mg·L-1之间，均达到Ⅱ类水域标准限值(表2)，小渠子中游TP含量为0.18 mg·L-1，达到Ⅲ类标准限值(表2)，出现标准差极大，水质受到污染的现象。由以上分析可知，研究区地表水整体水质为劣V类，受TN和TP的综合影响，标准差过大，水体存在富营养化现象。

图1 不同区域地表水各指标特征Figure 1 Characteristics of the surface water indexes in different regions

表2 地表水环境质量标准限值Table 2 Limit values for the environmental quality standards of surface water

2.2 天山森林地表水污染指标的来源分析

由表3可知，TN和NO3-N的相关系数最高，为0.91，达到极显著水平(P＜0.01)。CODMn与COD、TN具有显著正相关关系(P＜0.05)，系数分别为0.74、0.62，地表水受到复合污染的可能性较大，其余各指标之间相关关系并不显著。对地表水污染指标进行主成分分析，可获得3个主成分(principal component，PC)因子，PC1的贡献率为38.44%，TN和NO3-N具有较大载荷，均为0.94，TN平均含量为3.50 mg·L-1[图1(d])，超过国家V类水域标准限值，而NO3-N平均含量为0.94 mg·L-1，小于10 mg·L-1，符合水质标准，说明PC1来自于人为活动和自然因子的共同作用，研究表明，生物粪便中含有大量N元素[19]。PC2贡献率为27.77%，COD和CODMn的载荷分别为0.86、0.90，二者平均含量分别为11.56、1.56 mg·L-1[图1(b)，图1(c)]，小于国家Ⅰ类水域标准限值，说明PC2来自于当地自然环境，如大气降水或雪水融化，水质不受二者指标污染。PC3的贡献率为15.11%，TP的载荷数为0.97，其平均含量为0.07 mg·L-1[图1(g)]，大于国家Ⅰ类水域标准限值，研究区水质P污染较严重。

表3 地表水各指标的相关性与主成分因子分析Table 3 Correlation and principal component analyses of the forest surface water indexes

2.3 天山森林水质状况与土壤重金属含量的相关性

由图2可知，水质特征因子在第1轴的解释量为63.4%，第2轴的解释量为92.5%，累计解释土壤水资源特征信息量为99.5%，累计解释量高达100%，由此可知，前两轴能够很好地反映森林水-土资源状况的关系，且主要是由第2轴决定。图2中，水资源特征用实线实心箭头表示，土壤重金属含量特征用虚线空心箭头表示；箭头的长短表示解释量的大小，连线越短解释量越小，反之越大；排序轴与箭头的夹角为相关性的大小，夹角越大，相关性越小，反之越大。在所有的土壤重金属因子中，Cu和Hg箭头连线最长，其对森林水质资源的特征变异起到很好的解释作用。NO3-N与土壤Pb、Cu、Hg和Cd呈显著相关关系；TN与土壤Pb、Cu、Hg和Cd呈显著相关关系；CODMn与土壤Pb、Cu、Hg、Cd、Al和Zn呈显著相关关系；COD与土壤Pb、Cu、Hg、Cd、Al和Zn呈显著相关关系；pH值与土壤Cr、Zn显著相关；NH3-N与土壤As显著相关；TP与土壤As显著相关。

图2 水质-土壤重金属元素的冗余分析Figure 2 RDA analyses of the forest surface water concerning the soil heavy metals

表4为土壤重金属因子影响重要性排序， 其重要性排序为Cu＞Hg＞Cd＞Al＞As＞Zn＞Pb＞Cr。 其中 Cu、Hg、Cd和Al四种重金属元素对森林水质的影响极显著(P＜0.01)，解释量分别为63.6%、55.0%、54.4%和47.7%，是森林水质资源的重要影响因子，其中Cu对水资源指标的影响最大。

表4 重要性排序及显著性检验Table 4 Importance sequencing and Duncan′s test of the environmental factors

3 讨论与结论

天山森林水资源污染状况较为严重，整体为劣V类，主要有以下原因:研究区水源主要为高山冰雪补给，降雨量的减少，加之地处干旱区，地表溪流水量锐减，水体自净能力下降，难以有效稀释污染物[17-18]；上游水量的日趋减少，甚至部分溪流出现断流，也是天山森林水体污染的重要因素[19]；研究区地表水pH值呈弱碱性，碱性环境不利用微生物生长，有机物难以分解，降低水体的自净能力。

研究区地表水总体的TN、TP含量严重超出Ⅰ类水域标准限值，可能是由于该区以旅游业和矿业的发展为支柱经济发展产业。此次采样为新疆旅游旺季(8月)，游客众多，大多旅游厕所位于河流附近，而人体排出的尿液和粪便中含有较高的N[19]，人为活动产生的大量N，流入水体后经雨水冲刷进入溪流，远远超过林区内地表水的自净阈值，最终导致天山林区水质大幅下降；另一方面，大量的生活垃圾不能及时得到有效地处理，也是N和P在水体中大量富集的重要原因[20]。旅游旺季，垃圾存储设施堆满了厨余垃圾、塑料垃圾等固体废弃物，这些生活垃圾含有高含量的N、P[21]，处理不及时或不恰当，生活垃圾的渗出液直接排入水体进入溪流，从而导致地表水水质受到污染[22]。除此之外，采矿活动过程中，排出大量污染物，随雨水冲刷进入溪流，导致水体N和P污染[23]。

污染物在土壤及地表水中迁移转化在一定程度上易导致土壤与地下水双重污染，随着矿山排水和降雨等，将土壤中的重金属元素带入水环境，导致水体污染[24]。研究发现，土壤重金属元素Cu对天山森林水资源状况影响极为显著，研究区位于南山旅游景区内，四周均为村落，地理位置较为特殊，大气干湿沉降加剧，大量旅游活动进一步增大土壤中Cu、Hg等污染。除此之外，游客数量的增加也必然使部分重金属元素的含量增加，如游客在旅游活动中产生的各类垃圾废弃物、鞋底的磨损以及食物擦渣等，含有较高的有机物散落于土壤中，腐烂后使土壤酸化，与金属制品接触，产生大量的重金属污染，重金属随雨水冲刷，进入河道，污染河流水资源[25-26]。研究区随着采矿产业的日益发展壮大，土壤中重金属元素超标。Cu虽是人体和植物不可或缺的微量元素之一，但若过度的摄入必将成为人类健康的一大威胁[27]。当Cu含量过高时，土壤微生物的生长就会受到限制，主要表现在数量、种群结构的改变[28]。受雨水冲刷作用，水流物理性运输迁移，森林土壤中的过量Cu持续不断的进入河道下游，影响下游水质[29]。Cu与COD呈显著正相关，说明森林土壤重金属元素Cu含量越多，COD则越大，水体相应受到的有机物污染则越严重[30]。

新疆天山森林溪流地表水整体水质为劣V类，水体呈富营养化，TN和TP污染为水质恶化的主要污染源。土壤重金属元素因子影响重要性排序为Cu＞Hg＞Cd＞Al＞As＞Zn＞Pb＞Cr。其中Cu、Hg、Cd和Al四种重金属元素对森林水质影响达极显著(P＜0.01)，森林土壤污染严重影响森林地表水质状况。采矿和旅游活动是造成森林资源污染的主要原因。为减小旅游和采矿活动对天山森林生溪流地表水资源生态环境的负面影响，应加强对旅游活动和采矿活动产生环境污染问题的监督管理，制定相应的生态补偿机制。