準(zhǔn)東礦區(qū)土壤重金屬污染分析及其來源解析

楊 磊，熊黑鋼

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052； 4.北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100083)

ThesoilheavymetalpollutionanalysisandsourceapportionmentinZhundongminingarea

YANG Lei1，2，3，XIONG Heigang1，2，4

(1.College of Resources & Environmental Science，Xinjiang University，Urumqi 830046，China； 2.Key Laboratory of Oasis Ecology，Xinjiang University,Urumqi 830046，China； 3.College of Management，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China； 4.College of Arts and Sciences，Beijing Union University，Beijing 100083，China)

Abstract:Heavy metals are one of the important factors that affect soil fertility and soil environment.This paper selects the Zhundong of eastern area at Fukang mine area as the study area，based on the determination of heavy metals in soil，the distribution characteristics and spatial distribution of heavy metals in different layers were analyzed.Factor analysis and multiple linear regression (FA-MLR) were used to analyze the source of heavy metals and the contribution rate of each source.The results show that the mine soil heavy metals Cu and Zn elements without heavy metal pollution and the occurrence of the phenomenon of loss；the elements of Cr and Pb have slight heavy metal pollution and have slight enrichment；heavy metals pollution occurred in As and Hg elements，and heavy pollution occurred.FA-MLR Analysis shows 90.31% of the Hg comes from coal combustion，43.5% of Pb comes from transportation，and 21.69% of As comes from atmospheric dust，the main sources of Cu and Cr were coal dust，and their contribution rates were 63.29% and 83.67% respectively，including 30.67% of the Cu comes from the soil parent material，and 76.01% of the Zn comes from the soil parent material.The contribution rate of main heavy metals mine in Zhundong from high to low are the source of coal combustion，coal dust，soil，dust and air transportation.There is an unknown source of heavy metals in soils other than Zn.In conclusion，F(xiàn)A-MLR could successfully identify the sources of heavy metals and compute contribution rate of heavy metals，all these information could be a reference for heavy metal pollution control.

Keywords：Zhundong mining area；heavy metal；pollution analysis；pollution source analysis

0 引 言

土壤是人類賴以生存、發(fā)展的基礎(chǔ)，不僅是地球的重要自然資源之一，還是整個生態(tài)系統(tǒng)的生命線。大規(guī)模露天煤礦的開采，加重了區(qū)域土壤重金屬污染，成為區(qū)域所面臨的重要環(huán)境問題之一[1-2]。由于新疆準(zhǔn)東煤礦的相繼開采，大量重金屬污染物通過多種途徑進(jìn)入土壤，從而導(dǎo)致土壤重金屬污染，造成環(huán)境污染、生態(tài)破壞等一系列問題。因此對新疆準(zhǔn)東地區(qū)進(jìn)行重金屬污染研究對環(huán)境治理及生態(tài)修復(fù)具有重要的意義。

目前，對準(zhǔn)東礦區(qū)重金屬的研究主要集中在重金屬的空間分布和污染評價(jià)方面[3-5]，而對重金屬的來源分析研究相對缺乏。準(zhǔn)東礦區(qū)土壤分布著大量的重金屬，其中煤炭的燃燒、大氣降塵、煤塵和交通運(yùn)輸?shù)瘸蔀橹亟饘傥廴镜臐撛趤碓础６嘣y(tǒng)計(jì)已運(yùn)用于污染物的來源分析研究[6-7]，但運(yùn)用于準(zhǔn)東礦區(qū)的研究相對較少，其方法包括因子分析(factor analysis，F(xiàn)A) 和多元線性回歸分析(multiple linear regression，MLR)。重金屬來源的辨別和貢獻(xiàn)分析對其污染防治有著重要意義。

試驗(yàn)選取準(zhǔn)東礦區(qū)周邊農(nóng)田和荒地等作為研究區(qū)域，以不同分層土壤(0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm) 為研究對象，采用FA方法對準(zhǔn)東礦區(qū)區(qū)域土壤進(jìn)行重金屬來源辨別，在FA方法基礎(chǔ)上使用MLR方法對各來源進(jìn)行定量模擬，并對模擬效果進(jìn)行檢驗(yàn)，旨在研究準(zhǔn)東礦區(qū)區(qū)域的重金屬來源和各來源的貢獻(xiàn)比率，為重金屬污染防治提供有利參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地東部，海拔300～600 m。研究區(qū)示意圖及采樣點(diǎn)分布見圖1。該區(qū)域地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋屬典型的極端干旱大陸性氣候。冬季長而寒冷，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)。據(jù)吉木薩爾縣氣象站統(tǒng)計(jì)資料，研究區(qū)多年平均氣溫7.0 ℃，多年平均降水量約180 mm，多年平均蒸發(fā)量約2 000 mm；日照總時(shí)數(shù)2 800～3 000 h；全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，一般風(fēng)力3～5級，多年平均風(fēng)速2.0 m/s，最大風(fēng)速為15 m/s，起沙風(fēng)速為4.0 m/s，沙塵暴日數(shù)約45 d[8]，多年平均氣溫6.9 ℃。該地區(qū)的土壤類型主要有灰棕模土、荒漠風(fēng)沙土、石膏灰棕模土和荒漠堿土，土壤表層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%以下[9]。

圖1 研究區(qū)示意圖及采樣點(diǎn)分布圖

1.2 試驗(yàn)與材料

1.2.1 土壤樣品采集

2017年5月對準(zhǔn)東煤礦進(jìn)行綜合調(diào)查，準(zhǔn)東五彩灣煤礦共采集36個樣點(diǎn)，用GPS對其進(jìn)行坐標(biāo)定位，采樣點(diǎn)分布見圖1。每個采樣點(diǎn)采取三層0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm的土壤土樣。采樣點(diǎn)主要布置在煤田開采區(qū)周邊，還有一些分布在工廠附近的農(nóng)田和國道旁的荒地等。

1.2.2 土壤樣品分析

對采集回來的土壤樣品進(jìn)行自然晾干，然后碾磨，過篩去除雜質(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(HCI)，其次加入3 mL濃硝酸(HNO3)加熱至蒸騰20 min，然后加入氫氟酸(HF)5 mL加熱30 min，再加入高氯酸(HClO4) 3 mL，加熱蒸發(fā)至近干，最后加入稀硝酸(1∶10) 10 mL，微沸15 min后取下冷卻，并用高純水定容至20 mL，共檢測6種重金屬元素：Zn、Cu、Cr、Hg、As和Pb。對Hg和As兩種元素進(jìn)行測定主要是使用日立Z-2000型原子吸收分光光度計(jì)，原子熒光光譜法；對Zn、Cu、Cr和Pb等4種元素采用火焰原子吸收光譜法進(jìn)行測定;對每個土壤樣品重復(fù)檢測三次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

準(zhǔn)東礦區(qū)采集自不同區(qū)域的土壤層(0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm) 之間重金屬含量差異分析采用非參數(shù)的兩兩比較法。運(yùn)用因子分析(FA)辨別重金屬來源，結(jié)合多元線性回歸(MLR) 模擬重金屬各來源貢獻(xiàn)率[6-7]。所有統(tǒng)計(jì)均采用SPSS19完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層重金屬含量的統(tǒng)計(jì)分析

針對準(zhǔn)東地區(qū)土壤重金屬元素含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1)。從表1可知Hg元素的變異系數(shù)最大，其余重金屬元素變異系數(shù)均小于50，說明Hg元素變異程度較大，受到的影響因素較多。

表1 不同土壤層重金屬含量描述統(tǒng)計(jì)

注：新疆背景值資料來源于文獻(xiàn)[8]。

準(zhǔn)東地區(qū)不同土壤層的重金屬As元素含量相差不大，總體在1.54～43.69 μg/g之間，但土壤各層重金屬含量均超出了新疆背景值11.2 μg/g，說明準(zhǔn)東礦區(qū)As的含量嚴(yán)重超標(biāo)，土壤受到污染。各層土壤Cr元素含量在0.02～0.11 mg/g，略高于重金屬背景值，10～20 cm層土壤重金屬均值最高，但這三層相差不大。各層土壤Cu元素含量在0.01～0.03 μg/g之間，數(shù)值較松散，均值未超出新疆背景值，說明該地區(qū)的Cu元素還沒對當(dāng)?shù)赝寥涝斐晌廴尽g元素各土壤層的含量較集中，總體超過了新疆背景值，各層土壤重金屬含量相差不明顯。Pb元素不同層也都超出了新疆土壤重金屬標(biāo)準(zhǔn)值。各層土壤中元素Zn含量在0.01～0.11 mg/g之間，10～20 cm含量略高，均低于背景值0.068 mg/g。

總體來看，Zn與Cu元素含量均值并未超出新疆背景值，只是存在某些點(diǎn)的含量過高，As、Cr、Hg和Pb元素均超標(biāo)，說明影響準(zhǔn)東礦區(qū)土壤理化性質(zhì)及土壤生態(tài)安全的主要是這四個元素。

2.2 土壤重金屬污染分析

土壤中重金屬污染程度可采用污染系數(shù)(Pi)來初步評價(jià)，即土壤中重金屬元素i的實(shí)測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[10]。本文選取背景值為新疆土壤重金屬背景值，作者將不同層的土壤重金屬樣品進(jìn)行求取平均值，然后進(jìn)行污染系數(shù)計(jì)算。得出準(zhǔn)東礦區(qū)Hg元素的Pi值均大于1，表層與第三層接近2，而中間層接近1，說明中間層土壤污染較為輕微，而表層與第三層重金屬污染較為嚴(yán)重。且各層Pi值相差較大，說明不同層的重金屬Hg受到的擾動較大。As元素的Pi值均大于3，說明準(zhǔn)東礦區(qū)As重金屬污染最為嚴(yán)重。Cr與Pb元素的Pi值均接近1，且不同層變化不大，說明該元素的污染狀況較為輕微。Cu和Zn元素的Pi值均小于1，說明準(zhǔn)東地區(qū)Cu和Zn元素發(fā)生虧損。不同層土壤重金屬污染分析情況見圖2。

綜上所述，準(zhǔn)東地區(qū)土壤重金屬僅Cu和Zn元素未出現(xiàn)重金屬污染且發(fā)生虧損現(xiàn)象；Cr和Pb元素存在輕微重金屬污染且有輕微富集；As和Hg元素出現(xiàn)較為嚴(yán)重的重金屬污染有重度富集。

2.3 重金屬來源分析

利用因子分析，通過對各因子中變量的負(fù)載及相互聯(lián)系可以推測出各重金屬的可能來源[6，7，11-12]。本文選擇準(zhǔn)東地區(qū)土壤重金屬進(jìn)行因子分析-多元線性回歸分析。

首先，進(jìn)行Bartlett球度檢驗(yàn)和KMO檢驗(yàn)方法分析。在Bartlett球形檢驗(yàn)中，概率為0.002小于顯著性水平，拒絕原假設(shè)，與單位矩陣有顯著差異，KMO為0.449，說明適合因子分析。其次采用主成分分析及方差極大化旋轉(zhuǎn)方法，得到因子分析結(jié)果見表2。由表2可見，因子分析共提取了6個因子，其中影響準(zhǔn)東地區(qū)土壤的5個主要因子 F1、F2、F3、F4和F5，相應(yīng)的特征值分別為1.747、1.423、1.033、0.831與0.674，方差貢獻(xiàn)率分別為 29.123%、23.720%、17.215%、13.850%和11.227%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)95.134%，所以本文選取5個主成分解釋原始數(shù)據(jù)的絕大多數(shù)信息。

圖2 不同層土壤重金屬污染分析

因子初始特征值旋轉(zhuǎn)前旋轉(zhuǎn)后特征值方差百分比/% 累積貢獻(xiàn)率/%特征值方差百分比/%累積貢獻(xiàn)率/%特征值方差百分比/%累積貢獻(xiàn)率/%11.74729.12329.1231.74729.12329.1231.68228.02828.02821.42323.72052.8421.42323.72052.8421.41423.55951.58731.03317.21570.0571.03317.21570.0571.10818.47070.05740.83113.85083.907——————50.67411.22795.134——————60.2924.866100.000——————

進(jìn)而求解主成分的載荷矩陣(表3)，載荷系數(shù)越大表明其重金屬元素對土壤環(huán)境影響越大，起主導(dǎo)作用。選取載荷系數(shù)最大的因子變量，其中第一主成分中的Cr元素和Cu元素、第二主成分中的Zn元素、第三主成分的Hg元素、第四主成分的As元素以及第五主成分的Pb元素，這6種重金屬在各主要因子上的載荷及共同度見表3。此處共同度的作用來體現(xiàn)變量被提取的程度[13]，其中重金屬Hg、As、Pb和Zn的共同度均達(dá)到98%以上，表明變量被提取的程度已很高；Cu和Cr的共同度達(dá)到85%以上，表明基本達(dá)到信息提取的程度。

對采樣點(diǎn)的土壤重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性分析，得到重金屬含量相關(guān)系數(shù)矩陣，見表4。數(shù)據(jù)顯示，Cr和Cu有較高的相關(guān)性且為極顯著正相關(guān)(在0.01水平上為0.559)，可以基本認(rèn)定為來自同一污染源。同時(shí)，Cu和Zn也具有一定相關(guān)性(在0.05水平下為0.375)。

表3 旋轉(zhuǎn)因子載荷及共同度

表4 土壤重金屬相關(guān)性矩陣

注：*表示0.05顯著性水平檢驗(yàn)；**表示0.01顯著性水平檢驗(yàn)。

對于準(zhǔn)東礦區(qū)土壤重金屬樣品，F(xiàn)1中Cu和Cr有最高負(fù)載，分別為0.871和0.857，其中根據(jù)姚峰等[14]的研究結(jié)果可知，Cr元素主要受到煤炭開采過程中擴(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)(在0.01水平下為0.559)，說明 Cu和Cr元素來自同一個污染源，即F1可代表煤塵來源。根據(jù)描述統(tǒng)計(jì)表可以看出Zn元素的平均值未超過新疆背景值，最大值也未超出新疆背景值，說明土壤Zn元素處于虧損狀態(tài)?？梢哉J(rèn)為準(zhǔn)東地區(qū)土壤Zn元素主要來自于土壤母質(zhì)，即F2可代表土壤母質(zhì)來源。一些研究表明煤炭燃燒是Hg的主要來源[15-16]，所以本文認(rèn)為F3可代表煤炭燃燒來源。郭欣等[17]研究結(jié)果表明煤燃燒釋放的飛灰中 As元素占原煤含量的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元素直接來源是大氣降塵，最終來源是煤，此處本文認(rèn)為F4可代表大氣降塵來源。Pb元素是交通運(yùn)輸主要標(biāo)志性污染物來源[18]，準(zhǔn)東礦區(qū)長年開采，常年車流量大，交通運(yùn)輸頻繁，所以該因子可以代表交通運(yùn)輸來源，即F5為交通運(yùn)輸來源。本文基于前人研究的基礎(chǔ)，對重金屬污染來源進(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源建立了合理的聯(lián)系。

2.4 重金屬來源比率模擬分析

利用因子分析辨別重金屬的可能來源后，因子分析-多元線性回歸被用來模擬各來源的貢獻(xiàn)比率，具體模擬過程參見文獻(xiàn)[7]。表5為各主因子對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)際值之間的相關(guān)系數(shù)(R2)都達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)。因此，因子分析-多元線性回歸分析可以很好地模擬重金屬來源。按照歸一法取舍各主因子的貢獻(xiàn)率，結(jié)果見表5。這里，大于1%的數(shù)值按原值保留，小于1%的數(shù)值說明貢獻(xiàn)很小可忽略不計(jì)，此處記為0，以“—”表示。由于大多數(shù)重金屬的5個主因子貢獻(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US表示。

從表5可知，在準(zhǔn)東礦區(qū)，Hg元素的主要來源為煤炭燃燒，煤炭燃燒貢獻(xiàn)率為90.31%，交通運(yùn)輸貢獻(xiàn)了1.5%；交通運(yùn)輸(F5)提供了Pb元素43.5%的來源，因此交通運(yùn)輸是Pb元素的主要來源，同時(shí)煤塵提供了Pb元素5.63%的來源；As元素的主要來源為大氣降塵，21.69%的As元素來源于大氣降塵，9.72%的As元素來源于煤塵；Cu和Cr元素的主要來源為煤塵，其貢獻(xiàn)率分別為63.29%和83.67%，其中針對Cu元素土壤母質(zhì)貢獻(xiàn)了30.67%；Pb元素的主要來源為交通運(yùn)輸，43.5%的Pb元素來源于交通運(yùn)輸，煤塵貢獻(xiàn)了5.63%；Zn元素的主要來源為土壤母質(zhì)，76.01%的Zn元素來源于土壤母質(zhì)，煤塵、大氣降塵和交通運(yùn)輸分別貢獻(xiàn)了39.10%、16.03%和33.07%。

表5 各主因子對不同重金屬元素的貢獻(xiàn)水平

注：US為不確定因子百分比;E/O表示模擬重金屬含量與實(shí)測重金屬含量比值。

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。各個重金屬主要來源不同，不同重金屬各來源的貢獻(xiàn)率也同。其中Zn元素的不確定因子為0，其余重金屬含量都存在不確定因子，說明除Zn元素以外的土壤重金屬還有別的來源，有待后續(xù)研究。

3 結(jié) 語

在新疆準(zhǔn)東地區(qū)，土壤重金屬從因子分析得出五個主成分。利用因子分析-多元線性回歸模型可以很好地辨別各種重金屬來源，并能模擬出各來源的貢獻(xiàn)比率。準(zhǔn)東礦區(qū)土壤重金屬主要來源于煤塵、大氣降塵、煤炭燃燒、土壤母質(zhì)和交通運(yùn)輸。其中Zn元素的來源，不存在不確定性，Hg、As、Cu、Cr、Pb元素還存在不確定的來源。本研究結(jié)果將為準(zhǔn)東礦區(qū)土壤重金屬污染防治提供有利的參考。