呼倫貝爾露天煤礦堆土場(chǎng)外圍牧場(chǎng)土壤的重金屬污染評(píng)價(jià)

楊曉剛，胡 冰，莊 洋，包 蕾，烏仁其其格＊

（1.呼倫貝爾學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021008；2.內(nèi)蒙古額爾古納國家濕地公園管理局，內(nèi)蒙古額爾古納022250）

呼倫貝爾露天煤礦堆土場(chǎng)外圍牧場(chǎng)土壤的重金屬污染評(píng)價(jià)

楊曉剛1，胡 冰1，莊 洋1，包 蕾2，烏仁其其格1＊

（1.呼倫貝爾學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021008；2.內(nèi)蒙古額爾古納國家濕地公園管理局，內(nèi)蒙古額爾古納022250）

為露天煤礦礦區(qū)的土壤改良與修復(fù)提供依據(jù)，采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法與Hakanson潛在生態(tài)指數(shù)法相結(jié)合對(duì)呼倫貝爾市東明露天煤礦堆土場(chǎng)外圍東南側(cè)牧場(chǎng)土壤Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg等7種重金屬的含量特征、污染程度與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，同時(shí)運(yùn)用相關(guān)分析及主成分分析探討牧場(chǎng)土壤重金屬的主要來源。結(jié)果表明：牧場(chǎng)土壤7種重金屬含量與國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比均未超過規(guī)定限值，與內(nèi)蒙古土壤重金屬背景值相比，Zn和Pb的含量均超標(biāo)，超標(biāo)率為5.56%和83.33%。牧場(chǎng)土壤7種重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)均＜1，土壤污染等級(jí)為清潔；綜合污染指數(shù)＜0.7，土壤污染等級(jí)為安全。Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)平均值為53.04（＞40），呈中等生態(tài)危害程度，其他金屬均為低生態(tài)危害程度；7種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)平均為86.43（＜90），呈輕微生態(tài)危害程度。主要貢獻(xiàn)因子是Cd。Cu、Zn、Cd與Pb及As與Hg具有相同來源的可能性大，Cr具有單獨(dú)的污染來源。

煤礦堆土場(chǎng)；牧場(chǎng)；土壤；重金屬污染；污染評(píng)價(jià)；呼倫貝爾；內(nèi)蒙古

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦產(chǎn)資源在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位［1］。露天煤礦是把煤層上方的表土和巖層剝離之后進(jìn)行采掘的煤礦，其剝離的土壤堆積形成一定規(guī)模的外排土場(chǎng)。堆土場(chǎng)不僅占用大量土地，同時(shí)對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境也造成了一定的污染［2］。堆土場(chǎng)的土壤在風(fēng)力和雨水沖刷作用下，其重金屬逐漸遷移到周圍環(huán)境中，重金屬的遷移往往具有隱蔽性、復(fù)雜性和不可逆性等特征，對(duì)人類健康產(chǎn)生直接或間接的影響［3-5］。阿不都艾尼·阿不里等［6］采用內(nèi)梅羅指數(shù)法、地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)土壤Zn、Cu、Cr、Pb、Hg和As等6種重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)，并利用分層比較、降塵法以及距離分析結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)金屬污染來源進(jìn)行分析。劉巍等［7］采取描述統(tǒng)計(jì)、主成分分析和污染評(píng)價(jià)方法對(duì)準(zhǔn)東煤田露天礦區(qū)煤矸石堆場(chǎng)周圍不同距離土壤中Zn、Cu、Cr、Hg、As和Pb的含量及其污染特征及來源進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。王貴等［8］以神華準(zhǔn)能黑岱溝露天煤礦為例，研究土壤重金屬Cu、Cr、Pb、Zn和Cd含量特征，并進(jìn)行土壤環(huán)境污染評(píng)價(jià)。樊文華等［9］采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)研究了安太堡露天煤礦復(fù)墾土壤重金屬Cd、Cr、Cu、Pb、Hg和As等的污染程度及潛在的生態(tài)危害性。葛元英等［10］采用單因子指數(shù)法結(jié)合Hakanson生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)平朔安太堡露天煤礦排土場(chǎng)復(fù)墾土壤重金屬Hg、As、Cr、Cd和Pb的污染程度及其對(duì)土壤潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。馬從安等［11-12］研究發(fā)現(xiàn)，重金屬Cd是勝利露天煤礦土壤重金屬污染的主要因子。呼倫貝爾地區(qū)煤層較淺，多以露天煤礦為主，目前有關(guān)該地區(qū)露天煤礦堆土場(chǎng)外圍土壤重金屬污染的研究未見報(bào)道。鑒于此，筆者依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，選取呼倫貝爾東明露天煤礦堆土場(chǎng)外圍東南側(cè)牧場(chǎng)土壤為研究對(duì)象，分析土壤Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg等7種重金屬的含量特征，旨在為礦區(qū)的土壤改良與修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市陳巴爾虎旗東明煤礦（119°39′319″E～119°39′780″E，49°24′117″N～49°24′191″N）。該地屬溫帶大陸季風(fēng)氣候，年降水量250～400mm，年均溫-3～0℃，年蒸發(fā)量為降水量的2～7倍。光、熱和風(fēng)能資源豐富，年均風(fēng)速3.0～4.6m/s，無霜期80～120d。群落以為羊草（Leymuschinensis）建群種，主要伴生種有貝加爾針茅（StipabaicalensisRoshev）、糙隱子草（Cleistogenessquarrosa）和冾草（Koeleriacrista）等。

1.2 研究對(duì)象

內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市陳巴爾虎旗東明露天煤礦堆土場(chǎng)的外圍東南側(cè)牧場(chǎng)（以下稱牧場(chǎng)）土壤。

1.3 樣品采集與測(cè)試項(xiàng)目

由于呼倫貝爾地區(qū)常年風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)向，同時(shí)根據(jù)堆土場(chǎng)的位置特點(diǎn)，于2013年8月15日在牧場(chǎng)偏東方向選取D1、D2和D33個(gè)樣帶，其中，D1為距離堆土場(chǎng)10m，D2為距離堆土場(chǎng)100m，D3為距離堆土場(chǎng)500m。3個(gè)樣帶內(nèi)分別隨機(jī)選取3個(gè)樣方（1m×1m），每個(gè)樣方內(nèi)按對(duì)角線選取5個(gè)點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，然后分別采集0～30cm土壤樣品；每個(gè)樣方內(nèi)5個(gè)采樣點(diǎn)同一深度（0～30cm）土壤樣品充分混合，采用四分法取土1kg放入布袋中，即得該樣方同一深度土壤樣品。將土壤樣品放置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，剔除樣品中的植物根系等雜物，碾碎，過100目尼龍篩備用。

pH采用玻璃電極法測(cè)定；Cr、Cu和Zn采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定；Cd和Pb采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定；As和Hg采用原子熒光法測(cè)定。

1.4 評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)

為確定牧場(chǎng)土壤重金屬污染潛在的生態(tài)危害效應(yīng)，采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法［6-7］，根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值及HJ/T16—2004土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范（表1和表2）［8-9］，結(jié)合采用Hakanson潛在生態(tài)指數(shù)法，以內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤背景值（表3）［10-12］作為參比值對(duì)礦區(qū)堆土場(chǎng)外圍牧場(chǎng)土壤重金屬潛在生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 土壤重金屬污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading standard of soil heavy metal pollution

表2 土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Assessment criterion of soil heavy metal pollution

表3 重金屬污染潛在生態(tài)危害的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grading standard of potential heavy metal pollution ecological hazard

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2003統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用SAS9.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 東明煤礦堆土場(chǎng)外圍牧場(chǎng)土壤重金屬的含量

由表4可見，牧場(chǎng)土壤重金屬Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg的含量分別為34.26mg/kg、 9.12mg/kg、37.09mg/kg、0.094mg/kg、18.19mg/kg、5.18mg/kg和15.61μg/kg。與國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，各重金屬均未超過規(guī)定限值；與內(nèi)蒙古土壤重金屬背景值相比，土壤Zn和Pb的含量均超標(biāo)，超標(biāo)率分別為5.56%和83.33%。7種重金屬含量的變異系數(shù)以Cd的最大，為36.17%；其他重金屬的變異系數(shù)均較小，為5.40%～28.96%。

表4 東明煤礦堆土場(chǎng)外圍牧場(chǎng)土壤重金屬的含量及超標(biāo)率Table 4 Content and exceeding standard rate of heavy metal in pasture soil around soil accumulated place of Dongming coal mine

2.2 牧場(chǎng)土壤重金屬污染的單因子污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)

由表5可見，1）單項(xiàng)污染指數(shù)。牧場(chǎng)土壤重金屬Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg的單項(xiàng)污染指數(shù)平均分別為0.17、0.09、0.15、0.31、0.06、0.17和0.03，均＜1，說明，土壤污染等級(jí)為清潔；但Cd的單項(xiàng)污染指數(shù)最大值（0.84）接近1。說明，Cd污染有增大的趨勢(shì)。2）綜合污染指數(shù)。牧場(chǎng)土壤重金屬綜合污染指數(shù)為0.24，變異系數(shù)為33.33%，綜合污染指數(shù)＜0.7，說明，土壤污染等級(jí)為安全；但綜合污染指數(shù)最大值（0.62）接近0.7。說明，土壤總體為安全，但最大值接近輕度污染水平，應(yīng)引起重視。

表5 牧場(chǎng)土壤的重金屬污染指數(shù)Table 5 Pollution index of heavy metal in pasture soil

2.3 牧場(chǎng)土壤重金屬污染的潛在生態(tài)危害

由表6可見，1）潛在生態(tài)危害系數(shù)。牧場(chǎng)土壤重金屬Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg的潛在生態(tài)危害系數(shù)平均為1.66、3.17、0.76、53.04、5.29、6.91和15.60。其中，Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)平均為53.04（＞40），呈中等生態(tài)危害程度，其最大值為141.91（＞80，＜160），呈較重生態(tài)危害程度。其他重金屬平均值和最大值均未超過40，呈低生態(tài)危害程度。2）潛在生態(tài)危害指數(shù)。7種重金屬綜合的潛在生態(tài)危害指數(shù)平均值為86.43（＜90），呈輕微生態(tài)危害程度；而最大值為190.18（＞180，＜360），變異系數(shù)為30.19%，呈強(qiáng)生態(tài)危害指數(shù)。其中，Cd是主要貢獻(xiàn)因子。

表6 牧場(chǎng)土壤重金屬污染的潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)Table 6 Potential ecological hazard coefficient and index of heavy metal pollution in pasture soil

2.4 牧場(chǎng)土壤重金屬元素間的相關(guān)性

由表7可見，Cr與Cu、Cd和Pb的相關(guān)系數(shù)分別為0.44、0.40和0.53，差異不顯著（P＞0.05）。Cu與Pb的相關(guān)系數(shù)為0.44，與Zn、As和Hg的相關(guān)系數(shù)分別為-0.36、-0.34和-0.36，差異不顯著（P＞0.05）。Zn與Cd的相關(guān)系數(shù)為0.72，差異顯著（P＜0.05）；與Pb的相關(guān)系數(shù)為0.50，差異不顯著（P＞0.05）。Cd與Pb的相關(guān)系數(shù)為0.90，差異極顯著（P＜0.01）。As與Hg的相關(guān)系數(shù)為0.95，差異極顯著（P＜0.01）。

表7 牧場(chǎng)土壤重金屬元素間的相關(guān)性Table 7 Correlations between different heavy metals in pasture soil

2.5 牧場(chǎng)土壤重金屬元素的主成分分析

由表8可見，牧場(chǎng)土壤重金屬受3個(gè)主成分控制，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)90.95%。第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為38.65%，Cu、Zn、Cd和Pb在第一主成分上有較高的正載荷，分別為0.41、0.43、0.50和 0.53；第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為31.31%，As和Hg在第2主成分上有較高的正載荷，分別為0.69和0.65。第三主成分的方差貢獻(xiàn)率為20.99%，Cr在第3主成分上有較高的正載荷，為0.69。

表8 堆土場(chǎng)外圍牧場(chǎng)土壤重金屬元素主成分分析Table 8 Principal component analysis of heavy metals in pasture soil around soil accumulated place of Dongming coal mine

3 結(jié)論與討論

1）變異系數(shù)反映總體樣本中各采樣點(diǎn)的平均變異程度，一定區(qū)域內(nèi)重金屬含量的變異大小可反映該區(qū)域內(nèi)重金屬元素的分布和污染程度的差異［13］。研究結(jié)果表明，土壤重金屬含量變異系數(shù)以Cd的最大，達(dá)36.17%；其他重金屬的變異系數(shù)較小，在5.40%～28.96%。表明，土壤中Cd的分布差異較大，而土壤中Cr、Cu、Zn、Pb、As和Hg的分布較均勻，存在相似的污染程度。同時(shí)，與國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，牧場(chǎng)土壤各重金屬含量均未超過規(guī)定限值；與內(nèi)蒙古土壤重金屬背景值相比，僅Zn和Pb的含量超標(biāo)，超標(biāo)率分別為5.56%和83.33%。

2）牧場(chǎng)土壤重金屬Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg的單項(xiàng)污染指數(shù)均小于1，土壤污染等級(jí)呈清潔；綜合污染指數(shù)小于0.7，土壤污染等級(jí)為安全。

3）重金屬Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)平均值53.04（＞40），呈中等生態(tài)危害程度，最大值為141.91（＞80，＜160），呈較重生態(tài)危害程度。其他重金屬的平均值和最大值均未超過40，呈低生態(tài)危害程度；7種重金屬綜合的潛在生態(tài)危害指數(shù)平均值為86.43（＜小于90），呈輕微生態(tài)危害程度，最大值190.18（＞180，＜360），呈強(qiáng)生態(tài)危害程度。主要貢獻(xiàn)因子是Cd。

4）同一區(qū)域土壤重金屬的來源可是單一的，也可是多種的。研究土壤重金屬全量之間的相關(guān)性可以推測(cè)出重金屬來源是否相同。如果重金屬含量有顯著的相關(guān)性，說明元素之間具有相同來源的可能性大，反之則表示來源不同［14］。研究結(jié)果表明，Cu、Zn、Cd與Pb，As與Hg具有相同來源的可能性大，Cr可能具有單獨(dú)的污染來源。重金屬來源的不同可能與堆土場(chǎng)東北側(cè)為東明煤礦堆煤場(chǎng)有關(guān)。雖然煤礦采用了抑塵網(wǎng)防塵措施，但是仍有少量的煤塵漂浮進(jìn)入堆土場(chǎng)研究區(qū)域，從而造成金屬來源的不同。

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（責(zé)任編輯：王 海）

Heavy Metal Pollution of Pasture Soil around Soil Accumulated Place of Hulunbuir Opencast Coal Mine

YANG Xiaogang1，HU Bing1，ZHUANG Yang1，BAO Lei2，WU Renqiqige1＊
（1.SchoolofLifeandEnvironmentalScience，HulunbuirCollege，Hulunbuir，InnerMongolia021008；2.ErgunaNationalWetlandparkAdministration，Erguna，InnerMongolia022250，China）

The content，pollution degree and potential ecological risk of Cr，Cu，Zn，Cd，Pb，As and Hg in pasture soil around soil accumulated space of Dongming Opencast Coal Mine in Hulunbuir City weredetermined by single-factor pollution index，Nemerow comprehensive pollution index and Hakanson potential ecological index methods and the main source of heavy metals in pasture soil was discussed by correlation analysis and principal component analysis to provide the scientific basis for soil improvement and remediation in opencast coal mining area.Results：The content of Cr，Cu，Zn，Cd，Pb，As and Hg in pasture soil does not exceed the specified limits compared with the secondary national soil environmental quality standard.The content of Zn and Pb exceeds the standard compared with the background value of soil heavy metals in Inner Mongolia and the exceeding rate of Zn and Pb is 5.56%and 83.33% respectively.The single pollution index of seven heavy metals in pasture soil is less than 1and the soil pollution grade is clean.The comprehensive pollution index is less than 0.7and the soil pollution grade is safe.The mean value of Cd potential ecological hazard coefficient is 53.04（＞40）which indicates a moderate ecological hazard degree and other heavy metals all are in a low ecological hazard degree.The mean comprehensive potential ecological hazard index of seven heavy metals is 86.43（＜90）which indicates a slight ecological hazard degree and the main contribution factor is Cd.Cu，Zn，Cd and Pb，As and Hg may came from the same source but Cr may came from a sole pollution source.

soil accumulated area；pasture；soil；heavy metal pollution；assessment；Hulunbuir；Inner Mongolia

S812

A

2016-02-26；2016-08-13修回

內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目“內(nèi)蒙古自治區(qū)海拉爾盆地群煤炭勘查開發(fā)對(duì)環(huán)境影響的現(xiàn)狀調(diào)查”（12-3-MT04）

楊曉剛（1978-），男，副教授，碩士，從事環(huán)境保護(hù)與動(dòng)物遺傳育種研究。E-mail：yangxiaogang1978＠163.com

＊通訊作者：烏仁其其格（1963-），女，教授，博士，從事草原生態(tài)學(xué)研究。E-mail：wuren2004＠163.com

1001-3601（2016）09-0406-0152-05