新疆準(zhǔn)東煤田土壤重金屬來(lái)源分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

楊 磊 ，熊黑剛

（1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，烏魯木齊 830052；3.北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

煤礦開(kāi)采可能會(huì)給其周邊農(nóng)田土壤帶來(lái)重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。有研究顯示[1-4]，煤礦開(kāi)采產(chǎn)生的酸性廢水中重金屬含量很高，并會(huì)對(duì)周圍土壤和水體造成污染，進(jìn)而抑制和毒害農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，制約當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展，甚至通過(guò)大氣、水體或食物直接或間接危脅著人類的身體健康[5-6]。近幾年，肖雪等[7]通過(guò)野外采樣和實(shí)驗(yàn)室分析，對(duì)淮河流域某鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)土壤中 Zn，Cu，Cr，Ni，Cd和 Pb等 6種重金屬的含量特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明Cd是6種重金屬中污染程度最嚴(yán)重的，整個(gè)研究區(qū)域土壤屬于輕度綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度；陳小敏等[8]對(duì)北京市密云水庫(kù)上游金礦區(qū)周邊土壤重金屬( Hg，Pb，Cu，Cd，Ni，Zn 和 Co) 的空間分布、來(lái)源及污染現(xiàn)狀進(jìn)行研究與評(píng)價(jià)；常華進(jìn)等[9]則采用污染系數(shù)、富集系數(shù)、地累積指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)估了青海湖流域沙柳河下游沉積物中9種重金屬元素的污染程度。

準(zhǔn)東煤田五彩灘礦區(qū)位于新疆阜康市吉木薩爾縣北部荒漠區(qū)，由于煤炭資源豐富，該區(qū)成為新疆重要的煤炭生產(chǎn)區(qū)。同時(shí)，該區(qū)古爾班通古特沙漠南緣城鎮(zhèn)附近分布有大量農(nóng)田，這就為當(dāng)?shù)赝寥篮娃r(nóng)作物生產(chǎn)帶來(lái)了重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。雖然劉巍等[10]近年來(lái)對(duì)準(zhǔn)東煤田露天礦區(qū)土壤 6種重金屬進(jìn)行了污染現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及來(lái)源分析，阿爾祖娜·阿布力米提等[11]分析了準(zhǔn)東礦區(qū)周邊土壤重金屬與降塵重金屬的關(guān)系及污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，但是針對(duì)城市與礦區(qū)之間的土壤重金屬現(xiàn)狀分析及礦區(qū)對(duì)周圍城市土壤質(zhì)量影響的研究少有報(bào)道。因此，本文以準(zhǔn)東礦區(qū)為中心，向西南部的阜康市建立緩沖區(qū)，研究礦區(qū)與城市之間的土壤重金屬狀況，根據(jù)距離礦區(qū)遠(yuǎn)近程度的不同，做出了3個(gè)緩沖區(qū)（A區(qū)，B區(qū)和C區(qū)）的土壤重金屬污染水平及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

本文以準(zhǔn)東-阜康市之間的土壤為研究對(duì)象，通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)法研究了土壤中Zn，Cu，Cr，Hg，As和Pb 6種被確定為農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境中重點(diǎn)監(jiān)控的有害元素的含量特征，并利用單因子污染指數(shù)、地累積指數(shù)和Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分析評(píng)價(jià)各種重金屬污染狀。為準(zhǔn)確掌握準(zhǔn)東礦區(qū)土壤重金屬擴(kuò)散的狀況，及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)規(guī)劃提供基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

采樣區(qū)域位于新疆準(zhǔn)東煤礦-阜康市之間，位于古爾班通古特沙漠南緣城鎮(zhèn)附近（圖1），準(zhǔn)東礦區(qū)與阜康市被古爾班通古特沙漠隔開(kāi)。該區(qū)域位于歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，屬典型的極端干旱大陸性氣候。冬季長(zhǎng)而嚴(yán)寒，夏季短而炎熱，春秋季節(jié)不明顯，干旱少雨，日照充足，熱量豐富，晝夜溫差大，春秋季多風(fēng)，平均氣溫7.0 ℃，多年平均降水量183.5 mm，多年平均蒸發(fā)量2 042.3 mm。

圖1 研究區(qū)采樣圖Fig. 1 Sampling plot of study area

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2017年 5月對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)進(jìn)行綜合調(diào)查，首先基于ArcGIS測(cè)量可知準(zhǔn)東礦區(qū)至阜康市距離直線距離約126 km，因此以準(zhǔn)東礦區(qū)為中心，向阜康市每隔42 km分為一個(gè)緩沖區(qū)，分出了3個(gè)緩沖區(qū)為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)3個(gè)區(qū)域（如圖 1）。本試驗(yàn)的樣品采集以準(zhǔn)東礦區(qū)與阜康市之間的綠洲土壤為主和一些周邊未利用地及荒漠土壤，依據(jù)對(duì)角線法設(shè)置10 m × 10 m土壤樣方進(jìn)行采樣，每個(gè)樣方按對(duì)角線采集5個(gè)樣品，每個(gè)土壤樣品采集深度0~20 cm，將每個(gè)樣方的5個(gè)土壤樣品混合均勻后作為該樣點(diǎn)的1個(gè)代表性樣品；整個(gè)研究區(qū)共采集27個(gè)樣方，（即27個(gè)采樣點(diǎn)）用GPS對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)定位，采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖 1。最后在土樣自然風(fēng)干后，篩去土壤的一些雜質(zhì)(如植物殘茬、石粒、磚塊等雜質(zhì))，將土壤樣品平鋪在平整木板上，先用木棒進(jìn)行研磨、壓碎，再過(guò)2 mm孔徑篩。最終稱量一定的土壤進(jìn)行土壤指標(biāo)的測(cè)定。

2.2 土壤重金屬測(cè)定

對(duì)采集回來(lái)的土壤樣品進(jìn)行自然晾干，然后碾磨，過(guò)篩去除雜質(zhì)后，取0.5 g土壤樣品置于四氟乙烯干鍋中先加入9 mL濃鹽酸（HCl），其次加入3 mL濃硝酸（HNO3）加熱至沸騰20 min后，然后加入氫氟酸（HF）5 mL加熱30 min，再加入3 mL的高氯酸(HClO4)，加熱至全部溶解，最后加入10 mL的稀硝酸，以微沸狀態(tài)溶解15 min后冷卻，并用高純水定容至20 mL，共檢測(cè)6種重金屬元素：Zn，Cu，Cr，Hg，As和Pb。對(duì)Hg和As 2種元素進(jìn)行測(cè)定主要是原子熒光光譜法檢測(cè)（東京日立高科技公司）；對(duì)Zn，Cu，Cr和Pb等4種元素采用火焰原子吸收光譜法（東京日立高科技公司日立Z-2000型原子吸收分光光度計(jì)）進(jìn)行測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

2.3.1 統(tǒng)計(jì)分析

本文利用SPSS19.0軟件，選取相關(guān)性分析、因子分析以及主成分分析法，對(duì)表層土壤重金屬進(jìn)行特征及來(lái)源分析。

2.3.2 污染指數(shù)法及地積累指數(shù)法

土壤中重金屬污染程度可采用污染指數(shù)(contamination factor，CF)[12]來(lái)初步評(píng)價(jià)，即土壤中重金屬元素n 的實(shí)測(cè)值與該元素背景值比值，大于1表示該元素發(fā)生富集，否則就虧損，計(jì)算公式如下：

采用目前常用的地積累指數(shù)法對(duì)阜康農(nóng)田重金屬污染狀況及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)。地累積指數(shù)法是廣泛應(yīng)用于土壤重金屬的評(píng)價(jià)方法之一計(jì)算公式如下

式中Cn是元素n在重金屬中的含量，g/kg；Bn為該元素的地球化學(xué)背景值，g/kg；Cb為新疆土壤重金屬背景值，g/kg[13]，如表 1 所示：K 為考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取的系數(shù)(一般為1.5)。Igeo值與重金屬污染水平的劃分關(guān)系為：Igeo小于0為清潔狀態(tài)；0~1之間為輕度污染；1~2 之間為偏中度污染；2~3 之間為中度污染；3~4之間偏重污染；4~5為重污染；大于5為嚴(yán)重污染[14-15]。

2.3.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

Hakanson 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是目前常用的重金屬質(zhì)量評(píng)價(jià)方法之一。該方法從重金屬生物毒性的角度來(lái)進(jìn)行重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，劃分其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[16-17]。Ei為單個(gè)重金屬元素的潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)；RI 為多種重金屬元素的潛在生態(tài)綜合危害指數(shù)。其計(jì)算公式為：

式中Tn為第n種重金屬的毒性系數(shù)；CF為第n種重金屬的污染指數(shù)。單因子生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分關(guān)系：Ei<40為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；40≤Ei＜80為中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；80≤Ei＜160為較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；160≤Ei＜320為高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Ei≥320為很高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[11]。RI值與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平的劃分關(guān)系：RI小于150為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；150≤RI＜300為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；300≤RI≤600為較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；RI >600為很高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤重金屬污染特征

土壤重金屬污染測(cè)定結(jié)果表明準(zhǔn)東礦區(qū)土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著，如土壤中Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.001~0.016 mg/kg范圍內(nèi)，而Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)則在19.3~78.8 mg/kg之間(表1)。在進(jìn)行重金屬元素污染和危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，本文以新疆土壤背景值[13]作為參考體系。除Cr外，Zn和Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值均高于新疆背景值。因此，研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況總體良好。其中A，B和C區(qū)域存在共性，土壤Cr，Zn和Cu元素均值超出新疆土壤背景值。由圖2可知這3個(gè)區(qū)域各重金屬所占比例相差不大，其中Cu元素隨著礦區(qū)距離的變大，所占各重金屬比例有所增大。變異系數(shù)可以反映重金屬空間分布的差異程度，一般變異系數(shù)小于15%的為小變異，在16.0%~35%之間的為中等變異，大于36.0%的為高度變異[18]。結(jié)果顯示A區(qū)域As，Hg，Cr，Cu和Zn這5種重金屬的變異系數(shù)分別為 83.8%，82.8%，37.0%，75.8%和 114%，屬于高度變異，表明這 5種重金屬空間分布不均勻，離散程度較大，存在高值區(qū)域，受外來(lái)影響較大。其中 B區(qū)域除Hg元素變異系數(shù)值較高以外，其余重金屬變異系數(shù)相對(duì)于A區(qū)域有所降少。C區(qū)域重金屬的變異系數(shù)相對(duì)于B區(qū)域也均有所減少?？傮w來(lái)看，距離礦區(qū)越遠(yuǎn)，變異系數(shù)呈降少趨勢(shì)。

表1 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)特征分析Table 1 Characteristics of statistical analysis of heavy metal content in soils

圖2 不同緩沖區(qū)的重金屬含量Fig. 2 Content of heavy metals in different buffers

由研究區(qū)土壤重金屬含量分布圖（圖3）可知，準(zhǔn)東礦區(qū)附近土壤重金屬含量由東北向西南呈遞減趨勢(shì)，且以礦區(qū)周邊土壤重金屬含量最高，并隨離礦區(qū)距離的增加而減少，這是由于煤礦生產(chǎn)中排放的酸性廢水和煤矸石中的重金屬含量較高[19-20]，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化產(chǎn)生的揚(yáng)塵以及雨水淋溶作用會(huì)使重金屬在土壤中富集[21]，故離礦區(qū)越近的土壤中重金屬含量越高。從整體來(lái)看，除Cu和Hg含量高值分布于阜康農(nóng)田土壤外，其余重金屬高值均出現(xiàn)在準(zhǔn)東礦區(qū)附近。而阜康市周邊土壤中出現(xiàn)Hg的高值，可能是施用化肥所致，而Hg是化肥的常見(jiàn)成分[22]，因此導(dǎo)致 Hg高值的原因可能是人類耕種及干擾活動(dòng)造成[23]。

3.2 污染物來(lái)源分析及貢獻(xiàn)率估算

3.2.1 重金屬來(lái)源識(shí)別

首先對(duì)重金屬各元素進(jìn)行因子分析，可得載荷矩陣(表2)，載荷系數(shù)越大表明其重金屬元素對(duì)土壤環(huán)境影響越大，起主導(dǎo)作用。選取載荷系數(shù)最大的因素變量，其中第1主成分中的Cr和Hg，載荷系數(shù)最大，說(shuō)明第 1主成分中Cr和Hg起主要作用。第2主成分中的Pb與Zn，載荷系數(shù)最大，說(shuō)明第2主成分中Pb與Zn起主要作用。第3主成分的As與Cu，載荷系數(shù)絕對(duì)值最大，說(shuō)明第3主成分中As與Cu起主要作用。

圖3 農(nóng)田土壤中重金屬含量水平分布Fig. 3 Horizontal distributions of heavy metals in farmland soil

表2 旋轉(zhuǎn)因子載荷表Table 2 Rotating factor loading diagram

從表 3中可以看出，通過(guò)對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的主成分分析，6種重金屬提取了6個(gè)主成分，其中前5個(gè)主成分累積解釋了總方差的97.2%，可以說(shuō)前5個(gè)主成分概括了全部信息的大部分信息。第 1主成分的貢獻(xiàn)率為37.5%，由上述可知Hg 和Cr 在第1主成分上有較高正載荷(如表2)，是第1主成分中起主導(dǎo)作用的元素。Pb，Zn 載荷值處于低等水平，分別為0.145，0.279。其中貢獻(xiàn)最高的重金屬Cr，Cr元素主要來(lái)源煤炭開(kāi)采過(guò)程中擴(kuò)散的煤塵，所以第 1主成分可以反映煤塵的影響。第2主成分的貢獻(xiàn)率為 26.9%，在Pb上的載荷最高，為0.871。

對(duì)于準(zhǔn)東礦區(qū)土壤重金屬樣品，F(xiàn)1中Cr有最高負(fù)載，為 0.849，其中根據(jù)姚峰[24]等對(duì)準(zhǔn)東煤田的研究結(jié)果可知，Cr元素主要受到煤炭開(kāi)采過(guò)程中擴(kuò)散的煤塵下滲引起土壤重金屬Cr含量增加，又因?yàn)?Cu和Cr元素之間具有顯著性相關(guān)（0.429，P<0.05），說(shuō)明 Cu和 Cr來(lái)自同一個(gè)污染源，即本文推測(cè)F1代表煤塵來(lái)源。

表3 重金屬主成分分析結(jié)果Table 3 Principal component analysis of heavy metals

表4 土壤重金屬相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of heavy metals in soil

根據(jù)描述統(tǒng)計(jì)表可以看出Zn元素的平均值未超過(guò)新疆背景值，可以認(rèn)為準(zhǔn)東礦區(qū)土壤Zn元素主要來(lái)自于土壤母質(zhì)，即F2可代表土壤母質(zhì)來(lái)源。準(zhǔn)東煤田常年進(jìn)行開(kāi)采，除煤炭開(kāi)采以外還伴隨著一系列的煤電、煤化工等，這些活動(dòng)均會(huì)引起大氣降塵中Hg和As重金屬含量升高。因此可以推斷土壤中Hg可能來(lái)源于煤炭燃燒，其次一些研究表明煤炭燃燒是Hg的主要來(lái)源[25-26]，所以本文認(rèn)為F3可代表煤炭燃燒來(lái)源；而大氣中的As的來(lái)源部分是煤炭的燃燒[10]。然而郭欣等[27]研究結(jié)果表明煤燃燒釋放的飛灰中 As 占原煤含量的84.6%，且易于富集在灰塵中，隨顆粒物遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，從而造成了研究區(qū)整體As 元素的污染。因此可以推斷As元素直接來(lái)源是大氣降塵，最終來(lái)源是煤，此處本文推測(cè)F4可代表大氣降塵來(lái)源。Pb 是交通運(yùn)輸主要標(biāo)志性污染物來(lái)源[28]，準(zhǔn)東礦區(qū)常年開(kāi)采，車流量大，交通運(yùn)輸頻繁，所以該因子可以代表交通運(yùn)輸來(lái)源，即F5為交通運(yùn)輸來(lái)源。作者基于前人研究基礎(chǔ)上，對(duì)重金屬污染來(lái)源進(jìn)行了可能性分析，經(jīng)因子分析所得的主要因子與重金屬來(lái)源建立了合理的聯(lián)系。

3.2.2 污染源貢獻(xiàn)率分析

利用因子分析-多元線性回歸解析重金屬來(lái)源及貢獻(xiàn)比率是比較常用的方法。表 5為各主因子對(duì)不同重金屬元素貢獻(xiàn)的比率，其中E/O表示因子分析-多元線性回歸所模擬的重金屬含量與實(shí)測(cè)含量間的比值，這一比值均接近于1，而模擬值和實(shí)際值之間的決定系數(shù)(R2)都達(dá)到了極顯著水平(P＜0.01)。因此，因子分析-多元線性回歸可以很好地模擬重金屬來(lái)源。按照歸一法取舍各主因子的貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表5所示。表5中大于1%的數(shù)值按原值保留，小于1%的數(shù)值說(shuō)明貢獻(xiàn)很小，可忽略不計(jì)，此處記為0。由于大多數(shù)重金屬的5個(gè)主因子貢獻(xiàn)率之和小于100%，表明仍有其他污染貢獻(xiàn)存在，將其稱作不確定因子，并以 UF 表示。

如表5所示，在準(zhǔn)東礦區(qū)，Hg的主要來(lái)源為煤炭燃燒，煤炭燃燒89.31%的貢獻(xiàn)率，交通運(yùn)輸?shù)呢暙I(xiàn)為1.35%；交通運(yùn)輸（F5）提供了40.1%Pb的來(lái)源，因此交通運(yùn)輸是Pb的主要來(lái)源，同時(shí)煤塵提供了Pb 5.33%的來(lái)源；As的主要來(lái)源為大氣降塵，其中貢獻(xiàn)率為 19.65%，9.52%的As來(lái)源于煤塵；Cu和Cr的主要來(lái)源為煤塵，其貢獻(xiàn)率分別為60.23%和81.57%，其中針對(duì)Cu土壤母質(zhì)貢獻(xiàn)了29.65%；Zn的主要來(lái)源為土壤母質(zhì)，75.05%的Zn來(lái)源于土壤母質(zhì)，煤塵、大氣降塵和交通運(yùn)輸分別貢獻(xiàn)了37.10%，17.03%和32.77%。

因子分析-多元線性回歸的結(jié)果表明，準(zhǔn)東礦區(qū)主要重金屬元素貢獻(xiàn)率由高到低的來(lái)源依次是煤炭燃燒、煤塵、土壤母質(zhì)、交通運(yùn)輸和大氣降塵。各個(gè)重金屬主要來(lái)源不同，不同重金屬各來(lái)源的貢獻(xiàn)率也不同。其中表5中Zn元素的5個(gè)主成分貢獻(xiàn)率超過(guò)100%，說(shuō)明Zn元素不存在其他來(lái)源。而其余 5個(gè)重金屬元素均存在其他的來(lái)源。

表5 各主因子對(duì)不同重金屬元素的貢獻(xiàn)水平Table 5 Main factor contribution level of different heavy metals

3.3 不同區(qū)域土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.3.1 單因子污染指數(shù)分析

土壤中重金屬污染程度可采用污染指數(shù)（CF）來(lái)初步評(píng)價(jià)，即土壤中重金屬元素i的實(shí)測(cè)值與該元素背景值比值，大于1表示該元素發(fā)生富集，否則就虧損[9]。本文選取背景值為新疆土壤重金屬背景值，將不同層的土壤重金屬樣品求取平均值，然后進(jìn)行污染指數(shù)計(jì)算，得出準(zhǔn)東礦區(qū)不同緩沖區(qū)的污染情況。其中A區(qū)域As，Hg，Pb和Cr元素的CF值均大于1，說(shuō)明土壤As，Hg和Pb元素發(fā)生富集。B區(qū)域Cr元素的CF大于1，說(shuō)明B區(qū)域只有Cr元素發(fā)生富集，但Hg元素出現(xiàn)異常值，由于B區(qū)域包括沙漠邊緣的土壤樣點(diǎn)，土壤重金屬含量相對(duì)于農(nóng)田的相對(duì)較低，所以出現(xiàn)了低值的異常值。C區(qū)域Cr元素發(fā)生富集，總體來(lái)看，距離礦區(qū)越遠(yuǎn)重金屬污染狀況越輕，說(shuō)明重金屬的污染來(lái)源是由于礦區(qū)的開(kāi)采導(dǎo)致，其次污染范圍還未擴(kuò)展到城市周邊，其余重金屬元素還在合理范圍之內(nèi)。

圖4 土壤重金屬污染指數(shù)分析Fig. 4 Analysis of heavy metal pollution index in soil

3.3.2 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)

地累積指數(shù)（Igeo）[29]可以較為有效地判別沉積物中重金屬污染程度[30-33]，圖 5顯示了研究區(qū)土壤中每種重金屬的地累積指數(shù)值的范圍和平均值。從地累積指數(shù)的平均值來(lái)看，研究區(qū)域土壤中重金屬污染的強(qiáng)弱依次為：Pb>As>Cr>Zn>Cu>Hg。由不同緩沖區(qū)土壤重金屬地累積指數(shù)可以看出各重金屬污染狀況相近，不同緩沖區(qū)的土壤重金屬中Hg元素的地累積指數(shù)小于0，大部分采樣點(diǎn)的Zn的地累積指數(shù)在0~3的范圍內(nèi)，所有采樣點(diǎn)土樣中Cr的地累積指數(shù)在3~5之間，而As和Pb的地累積指數(shù)大于 5。由地累積指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[34]可以判別，土壤中的Hg和Cu 2種重金屬未對(duì)土壤造成污染，重金屬Zn出現(xiàn)中度污染，重金屬Cr元素出現(xiàn)中度污染，而As和Pb這2種重金屬則超出嚴(yán)重污染，由此可以得出As和Pb是造成準(zhǔn)東礦區(qū)土壤重金屬污染的主要來(lái)源。

除重金屬Zn以外，少量的采樣點(diǎn)的Cu存在輕度至中度污染，但是由于Cu本身毒性相對(duì)較低，因此Cu未對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)造成生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。總體來(lái)看，各緩沖區(qū)基于地累積指數(shù)方法得出結(jié)果基本一致，各重金屬元素污染狀況相差不大。

圖5 重金屬地累積指數(shù)Fig.5 Geo-accumulation index of heavy metal

3.3.3 Hakanson 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

地累積指數(shù)法主要考慮各種重金屬的累積程度，缺乏對(duì)重金屬響應(yīng)因素的考慮，而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)可以同時(shí)考慮到由單種污染物造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和來(lái)自不同污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的總風(fēng)險(xiǎn)[35]。本文對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)土壤重金屬進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖 6所示。不同緩沖區(qū)重金屬潛在因子生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢(shì)基本一致，由高到低為Hg>As>Pb>Cr>Cu>Zn。其中A區(qū)域土壤重金屬Hg潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，但潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)絕大部分均小于40，說(shuō)明A區(qū)域整體重金屬處于低等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；B區(qū)域與A區(qū)域相似，但整體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)值有所降低，C區(qū)域相對(duì)于B區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指也有所降低；說(shuō)明距離礦區(qū)越遠(yuǎn)重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值越小，即生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越低。RI可以表征重金屬元素對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的影響，可以反映總的污染造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[15]。

本文對(duì)研究區(qū)土壤的RI研究結(jié)果表明，準(zhǔn)東礦區(qū)不同緩沖區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由高到低為Hg>As>Pb>Cr>Cu>Zn，其中Hg的綜合潛在生態(tài)指數(shù)最高為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)（大于 150），其余重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于低等水平。從整體看B區(qū)域Hg元素的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平最高。As，Hg，Pb和Cr元素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均呈現(xiàn)A區(qū)域>B區(qū)域>C區(qū)域的趨勢(shì)。說(shuō)明距離礦區(qū)越遠(yuǎn)，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越低。綜上所述，本次調(diào)查的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與重金屬單因子生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的大小順序一致，Hg為主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要貢獻(xiàn)因子，需要加強(qiáng)對(duì)Hg的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

圖6 準(zhǔn)東礦區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子(Ei)和潛在生態(tài)綜合危害指數(shù)(RI)特征Fig. 6 Potential ecological risk (Ei) feature and potential ecological complex hazard index (RI) of heavy metals for soil in Zhundong mining area

4 討論

露天煤礦的開(kāi)采不僅對(duì)大氣、土壤、植被和水體等有著嚴(yán)重的影響，對(duì)煤礦周邊居民的健康也有較大影響，因此，了解和掌握煤礦及城鎮(zhèn)周邊農(nóng)田土壤污染狀況十分重要。在前人的研究中，李喬等[22]利用聚類分析等方法對(duì)準(zhǔn)東煤礦周邊農(nóng)田土壤來(lái)源進(jìn)行分析，根據(jù) 3個(gè)主成分得分最高的元素進(jìn)行分析推斷表明：第1類來(lái)源主要是自然背景；第 2類來(lái)源主要是工業(yè)和生活垃圾及污水灌溉等；第3類來(lái)源主要是農(nóng)業(yè)活動(dòng)。劉巍等[10,24]采用主成分分析對(duì)污染源進(jìn)行解析，姚峰等[24]認(rèn)為Cu和Zn來(lái)源為土壤母質(zhì)，其中Zn還可能來(lái)源于煤礦開(kāi)采和人類活動(dòng)。Cr主要來(lái)源于煤礦開(kāi)采和人類活動(dòng)。劉巍等[10]認(rèn)為 Pb主要來(lái)源于煤炭燃燒或其他人為活動(dòng)，Hg 和 As共同來(lái)源于煤炭燃燒的釋放。而本研究結(jié)果表明準(zhǔn)東礦區(qū)Zn主要來(lái)源于土壤母質(zhì)，除此之外，還存在未知來(lái)源。該結(jié)果與姚峰等[24]研究結(jié)果基本一致。Pb元素主要來(lái)源于交通運(yùn)輸和煤塵，本文定義的大氣降塵主要是煤炭燃燒釋放的煤塵，所以本文研究結(jié)果與劉巍研究結(jié)果基本一致。

從來(lái)源分析來(lái)看，前人的研究只分析了重金屬元素的主要來(lái)源，并未將其定量化。本文在前人的基礎(chǔ)上采用因子-多元回歸方法將其來(lái)源定量化，為該區(qū)域的重金屬治理監(jiān)測(cè)有著重要的意義。

從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，重金屬的污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)存在差異的主要原因是 2種評(píng)價(jià)方法的側(cè)重點(diǎn)不同，地積累指數(shù)法主要是在地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)某種重金屬的污染程度，而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不僅考慮了重金屬的性質(zhì)、在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，還引入了毒性響應(yīng)，除了能為改善環(huán)境提供依據(jù)還能為人們的健康生活提供參考，使得評(píng)價(jià)更側(cè)重于毒理方面。本研究中 Hg 潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，Hg 元素的潛在風(fēng)險(xiǎn)最大，而在礦區(qū)（A區(qū)域）相對(duì)于B區(qū)域和C區(qū)域潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較小一些。由于準(zhǔn)東礦區(qū)重金屬的遷移擴(kuò)散受復(fù)雜地形地貌、景觀特征、風(fēng)力風(fēng)向和人為采礦活動(dòng)的影響，尤其是礦區(qū)開(kāi)采強(qiáng)度不一、多大風(fēng)天氣會(huì)導(dǎo)致煤粉等污染物在大氣中的擴(kuò)散有所差異[11]，所以導(dǎo)致不同的區(qū)域潛在風(fēng)險(xiǎn)不同。

從空間分布狀況來(lái)看，阿爾祖娜·阿布力米提等[11]針對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)研究結(jié)果表明 Hg 污染高值區(qū)主要集中在煤礦開(kāi)采區(qū)域，包括煤化工廠和周邊的排土場(chǎng)、煤矸石堆場(chǎng)等。As 污染高值區(qū)主要在五彩灣和將軍廟礦區(qū)周圍；Cr主要分布在道路兩側(cè)和將軍廟礦區(qū)及其以西的工業(yè)區(qū)等人為活動(dòng)頻繁地帶。李喬等[22]主要對(duì)準(zhǔn)東周邊農(nóng)田土壤重金屬研究得出：Hg含量高的地方位于各個(gè)縣市種植和畜牧業(yè)較發(fā)達(dá)的區(qū)域 ；Cu在吉木薩爾縣和奇臺(tái)縣尤為集中，從分布規(guī)律來(lái)看，主要分布在種植區(qū)域，少數(shù)分布在養(yǎng)殖區(qū)域和景區(qū)。本研究結(jié)果表明Cu和Hg元素高值主要分布在阜康農(nóng)田土壤， As，Pb，Cr和Zn高值均出現(xiàn)在準(zhǔn)東礦區(qū)附近。從分布結(jié)果看來(lái)，本文研究結(jié)果與阿爾祖娜·阿布力米提和李喬等[11,22]研究結(jié)果基本一致。說(shuō)明Hg與Cu受準(zhǔn)東煤礦開(kāi)采活動(dòng)的影響較小；而As、Pb和Cr主要受到煤礦開(kāi)采的影響，進(jìn)一步說(shuō)明準(zhǔn)東重金屬的分布規(guī)律主要受污染源分布的影響。

5 結(jié)論

本文對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)不同緩沖區(qū)土壤進(jìn)行了重金屬分析及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要得出以下結(jié)論：

1) 準(zhǔn)東礦區(qū)不同緩沖區(qū)土壤重金屬含量差異顯著，空間分布不均勻，離散性較大，除Cu、Hg含量高值分布于B區(qū)域土壤外，其余重金屬高值均出現(xiàn)在準(zhǔn)東礦區(qū)（A區(qū)域）附近土壤中。

2) 準(zhǔn)東礦區(qū) 89.31%的 Hg來(lái)源于煤炭燃燒，40.1%的Pb來(lái)源于交通運(yùn)輸，19.65%的As來(lái)源于大氣降塵，Cu和Cr的主要來(lái)源為煤塵，其貢獻(xiàn)率分別為60.23%和81.57%，其中29.7%的Cu來(lái)源于土壤母質(zhì)，75.1%的Zn來(lái)源于土壤母質(zhì)。除Zn外，土壤重金屬還存在未知來(lái)源，有待后續(xù)研究。

3) 準(zhǔn)東礦區(qū)土壤重金屬總體表現(xiàn)為中度污染水平，其中Pb和As超出嚴(yán)重污染指標(biāo)，為研究區(qū)農(nóng)田土壤主要污染物；重金屬單因子生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)由高到低為 Hg>As>Pb>Cr>Cu>Zn，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體處于中等水平，距離礦區(qū)越遠(yuǎn)，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平呈降低趨勢(shì)。