河北某礦區(qū)土壤重金屬元素污染特征及來源分析研究

摘要：為明確河北某礦區(qū)土壤重金屬元素污染特征及來源，在研究區(qū)內(nèi)選取10個采樣點(diǎn)，共采集土壤樣本100件；利用綜合質(zhì)量影響指數(shù)法計(jì)算土壤樣本中重金屬元素的含量，并與標(biāo)準(zhǔn)值和背景值對比，確定土壤是否存在重金屬元素超標(biāo)現(xiàn)象；利用主成分法與因子分析確定重金屬元素來源，同時結(jié)合多元線性回歸模型得到污染源的貢獻(xiàn)率；研究了重金屬在土壤和農(nóng)作物等不同介質(zhì)中橫向和縱向遷移規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)內(nèi)土壤含有不同量的Cu、Cr、Zn、Ni、As元素，且均出現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象；重金屬元素污染源主要為工業(yè)活動、煤炭燃燒、交通揚(yáng)塵、礦區(qū)開采和運(yùn)輸擴(kuò)散，不同介質(zhì)中的重金屬分布遷移規(guī)律表明其來源與礦業(yè)活動密切相關(guān)。研究結(jié)果可為該礦區(qū)土壤重金屬污染防治提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：重金屬元素；污染特征；污染來源；多元線性回歸模型；背景值超標(biāo)率；對數(shù)正態(tài)分布；污染源貢獻(xiàn)率

[中圖分類號：TD167" X53 文章編號：1001-1277（2025）02-0055-07 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.11792/hj20250210 ]

引言

重金屬元素污染是劣化礦區(qū)土壤質(zhì)量的一個重要因素，其具有污染強(qiáng)度大、降解難、穩(wěn)定性高等諸多特點(diǎn)。當(dāng)其含量超過土壤所能承受的最大容量時，會使土壤性質(zhì)發(fā)生根本性改變，從而影響土壤所在地區(qū)整體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。被污染土壤中的重金屬元素可通過多種方式直接或間接進(jìn)入人體內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致胎兒畸形、癌癥等重大疾病。金屬礦區(qū)采選作業(yè)是導(dǎo)致土壤中重金屬元素超標(biāo)的重要原因之一，因此，對礦區(qū)土壤中重金屬元素的污染特征和來源進(jìn)行分析，并研究其污染修復(fù)技術(shù)是十分有必要的。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量關(guān)于土壤重金屬污染評價、污染機(jī)理、污染特征和污染治理方面的研究工作［1-2］。徐友寧等［3］利用土壤環(huán)境質(zhì)量法和土壤背景值法對某金礦區(qū)農(nóng)田土壤汞污染進(jìn)行了評價；張江華等［4］對內(nèi)梅羅指數(shù)和地質(zhì)累積指數(shù)在土壤重金屬評價中的差異進(jìn)行了探討；楊敏等［5］研究了旬陽鉛鋅礦帶地質(zhì)環(huán)境問題現(xiàn)狀并提出了治理對策。大量研究表明，基于統(tǒng)計(jì)分析與污染程度評價并結(jié)合GIS的方法為解決土壤重金屬污染空間分布等問題提供了行之有效的途徑［6-7］。

河北某礦區(qū)開采、選冶過程中產(chǎn)生的重金屬污染破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，對當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康和生態(tài)安全造成了一定威脅［8］。本文對該礦區(qū)及周邊區(qū)域土壤重金屬污染狀況進(jìn)行了調(diào)查研究，采集了礦區(qū)的表層和剖面土壤樣品及農(nóng)作物樣品，并分析測定其中重金屬元素的含量，采用綜合質(zhì)量影響指數(shù)法、單因素方差分析法和最小顯著差異法對土壤重金屬污染狀況進(jìn)行分析評價。利用GIS空間分析、垂向鉆孔統(tǒng)計(jì)和植物富集系數(shù)等方法對重金屬在礦區(qū)的遷移路徑進(jìn)行了分析。研究結(jié)果為該礦區(qū)土壤重金屬污染防治提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及工作方向，為類似礦區(qū)的土壤重金屬污染修復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1土壤樣品采集及處理

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)為河北某礦區(qū)及周圍區(qū)域。該礦區(qū)地處太行山東麓，在冀南平原與太行山脈相交地帶，海拔整體較低，土壤類型以風(fēng)沙土、褐土為主。受礦區(qū)影響，該區(qū)域土壤綠化率非常低，水土保持效果較差。

該礦區(qū)內(nèi)出露古生界奧陶系、石炭系及新生界第四系地層，巖漿巖主要為中性閃長巖類巖體。礦石礦物主要為自形磁鐵礦，其次為黃鐵礦和黃銅礦等。礦石化學(xué)成分以Fe為主，其次為Si、Al、Ca、Mg、P等。研究區(qū)自中生代構(gòu)造活動強(qiáng)烈，而其主要侵入巖為閃長巖，含有較高的F，在風(fēng)化作用下，大量礦化劑進(jìn)入土壤和地下水體，造成了其高F、Cl值。該礦區(qū)矽卡巖型鐵礦石除含F(xiàn)e元素外，還伴生有Cu和大量S及F，焦煤礦石中含有熱液帶來的F、S等元素，自然風(fēng)化也可能造成土壤和地下水中含較高的Cu、F和S等元素。

該研究區(qū)工業(yè)以冶金和礦業(yè)為主，大量的礦業(yè)開采活動和冶煉與加工所形成的廢水、廢氣、廢渣，勢必對環(huán)境造成污染。

1.2樣品采集

以該礦區(qū)為研究對象，以土壤為研究載體，根據(jù)礦區(qū)自然地理、河流水系分布、土地利用等情況，選取涵蓋尾礦庫、采礦區(qū)、選礦廠等地段及周邊區(qū)域等10個采樣區(qū)（如圖1所示），每個采樣區(qū)采集10件樣品，共得到100份土壤樣品，同時采集對應(yīng)的農(nóng)作物樣品，并對樣品中Cu、Cr、Zn、Ni、As等重金屬元素含量進(jìn)行分析。

1）土壤樣品。根據(jù)土壤類型和利用狀況，劃分不同功能區(qū)進(jìn)行采樣點(diǎn)布置。土壤樣品采樣點(diǎn)布設(shè)方法視情況采用對角線法、梅花形法、棋盤式法和蛇形法，多點(diǎn)取樣混合成一個代表樣。每個采樣點(diǎn)土壤樣品由多點(diǎn)采集混合而成，混勻后縮分至1 kg。采樣密度平均100個/km2，重點(diǎn)區(qū)進(jìn)行加密采樣。去除表層雜物和浮土后，采集深度0～20 cm的土壤。

在研究區(qū)不同功能區(qū)布設(shè)土壤柱狀剖面，采集深層土壤。柱狀剖面樣品采集遵循自然分層和限距結(jié)合的原則，在2 m深度剖面上采集4件樣品。

2）農(nóng)作物樣品。該區(qū)主要農(nóng)作物為玉米和小麥，在作物收獲期采集可食用部分樣品，同時采集表層土壤樣品，采樣量大于500 g，每個樣品由不同株的多個樣品組合而成。

1.3樣品前處理及分析測試

土壤樣品采集后，去除枯枝、石子等，避光自然風(fēng)干，在60 ℃恒溫箱中烘干至恒質(zhì)量，研磨至200目，過篩，四分法得到200 g 左右樣品，裝袋備用。

準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品置于聚四氟乙烯坩堝中，潤濕后加入10 mL HCl（ρ=1.19 g/mL），在電熱板上低溫加熱，蒸發(fā)至約5 mL 時加入15 mL HNO3（ρ=1.42 g/mL），繼續(xù)加熱蒸至近黏稠狀，加入10 mL HF（ρ=1.15 g/mL），并繼續(xù)加熱除去基質(zhì)中的硅，再加入5 mL HClO4（ρ=1.67 g/mL），并加熱至白煙冒盡。消解結(jié)束后，用純凈水將消解液稀釋至100 mL 容量瓶中，定容。

土壤中As采用氫化物-原子熒光光譜法（HG-AFS）測定，植物中As和Cu、Ni、Zn、Cr采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測定。檢測方法依據(jù)DZ/T 0130—2006" 《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測試質(zhì)量管理規(guī)范》、DZ/T 0279—2016" 《區(qū)域地球化學(xué)樣品分析方法》、DZ/T 0258—2014" 《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范（1∶250 000）》。

2研究方法

2.1綜合質(zhì)量影響指數(shù)法

土壤綜合質(zhì)量影響指數(shù)（Influence index of comprehensive quality of soil，IICQs）是一種綜合評估土壤污染程度的指標(biāo)。其整合了土壤中污染物的累積數(shù)量等多方面因素，通過對各種污染物的含量、毒性、遷移性等特征進(jìn)行量化分析，進(jìn)而得出一個反映土壤污染狀況的綜合數(shù)值。本文通過IICQs分析土壤重金屬元素污染程度，計(jì)算公式為：

[IICQs=X×1+RIE+Y×DDDB/DDSB]" " " （1）

式中：IICQs為土壤綜合質(zhì)量影響指數(shù)；[X]、[Y]為測定結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)值和背景值的土壤樣品數(shù)量；[RIE]為土壤相對影響當(dāng)量；[DDDB]、[DDSB]分別為重金屬元素測定結(jié)果與背景值的偏離程度及重金屬元素標(biāo)準(zhǔn)值與背景值的偏離程度。

[RIE]越大，說明土壤受重金屬元素污染越嚴(yán)重。其計(jì)算公式為：

[RIE=i=1NPSSi1n/N=i=1NCiCSi1n/N]" " " " " " （2）

式中：[N]為重金屬元素[i]測定種類；[n]為[i]的氧化數(shù)；[PSSi]為重金屬元素[i]測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值之間的影響當(dāng)量；[Ci]、[CSi]分別為[i]的測定結(jié)果、標(biāo)準(zhǔn)值。

[DDDB]、[DDSB]表達(dá)式分別為：

[DDDB=i=1NPSBi1n/N=i=1NCiCBi1n/N]" " " " " "（3）

[DDSB=i=1NCSiCBi1n]" " " " " " " " " " " " " "（4）

式中：[CBi]為[i]的背景值；[PSBi]為重金屬元素[i]標(biāo)準(zhǔn)值與背景值的影響當(dāng)量。

[DDDB]越大，說明土壤重金屬元素污染越嚴(yán)重。[DDSB]越大，說明重金屬元素標(biāo)準(zhǔn)值與背景值的偏離程度越大，對重金屬元素的緩沖性［9］就越強(qiáng)。

IICQs評定準(zhǔn)則為：當(dāng)[X=0]時，可得[Y=0]，那么[IICQs=0]，認(rèn)定此時為背景狀況。當(dāng)[Y≥1]時，[X]存在2種可能性：一是[X=0]，則可得[0lt;IICQslt;1]，此時認(rèn)定為侵襲與累積狀況［10］，即重金屬元素測定結(jié)果偏離了背景值，但各項(xiàng)元素含量均未超標(biāo)；二是[X≥1]，說明此時土壤中重金屬元素的測定結(jié)果已經(jīng)超過了標(biāo)準(zhǔn)值，[IICQsgt;1]，在忽略農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，即可認(rèn)定這部分區(qū)域的土壤已經(jīng)被污染；而在考慮農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量時，需要結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品中重金屬元素含量進(jìn)行計(jì)算。

2.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

對于土壤中各類重金屬元素含量在空間上的差異性，利用單因素方差分析法和最小顯著差異法進(jìn)行分析。同時，利用主成分法與因子分析對各類重金屬元素的來源進(jìn)行判定，并利用多元線性回歸模型［11］對污染來源進(jìn)行貢獻(xiàn)率計(jì)算。數(shù)據(jù)分析軟件選擇Rx64 3.5.2和SPSS 22等2種。

3研究結(jié)果及分析

3.1礦區(qū)土壤重金屬元素含量特征

經(jīng)過樣本處理和數(shù)據(jù)分析后，得到研究區(qū)域內(nèi)Cu、Cr、Zn、Ni、As等5種重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表1所示。

由表1可知：除了Ni元素以外，其他4種重金屬元素的算術(shù)平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤背景值，說明這4種元素已經(jīng)對研究區(qū)域土壤造成了污染積累。Ni元素的幾何平均值低于土壤背景值，但背景值超標(biāo)率卻高達(dá)45.35 %，說明雖然研究區(qū)域土壤中Ni元素污染沒有特別嚴(yán)重，但分布極廣。Zn元素的幾何平均值最高、背景值超標(biāo)率最大，說明研究區(qū)域土壤中Zn污染最嚴(yán)重、分布范圍最廣。其他3種重金屬元素對土壤的污染程度和分布范圍處于中間水平。根據(jù)5種重金屬元素的變異系數(shù)［12］，研究區(qū)域重金屬元素污染為離散化分布狀態(tài)，從高到低排序?yàn)锳sgt;Zngt;Cugt;Cr[gt;]Ni。

土壤基線值（[Ws]）用來評判研究區(qū)域土壤是否受重金屬元素污染。通常情況下，當(dāng)土壤重金屬元素濃度服從正態(tài)分布時［13］，Ws=2（Wb + E）（[Wb]為土壤背景值，[E]為標(biāo)準(zhǔn)差）；當(dāng)土壤重金屬元素濃度服從對數(shù)正態(tài)分布［14-15］時，[Ws=β2E2]（[β]為幾何平均值）。

研究區(qū)域內(nèi)5種重金屬元素含量均滿足對數(shù)正態(tài)分布，且只有Ni元素的基線值超標(biāo)率小于10 %，進(jìn)一步說明Ni元素對研究區(qū)域內(nèi)土壤的污染范圍最小。Zn元素和Cr元素的基線值超標(biāo)率均高于40 %，說明這2種重金屬元素對土壤污染范圍最廣。

以GB 15618—2018" 《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》篩選值為參考可以發(fā)現(xiàn)，Zn元素和Cu元素的超標(biāo)率都在15 %以上，說明這2種重金屬元素對研究區(qū)域內(nèi)土壤污染最嚴(yán)重。Cr元素和Ni元素的超標(biāo)率均在10 %以下，說明這2種重金屬元素對土壤的污染程度最輕。

綜上所述，導(dǎo)致研究區(qū)域內(nèi)土壤污染最嚴(yán)重的2種重金屬元素是Zn和Cu，應(yīng)采取相應(yīng)措施進(jìn)行控制，避免其含量過高危害研究區(qū)域內(nèi)人體健康和生態(tài)環(huán)境。

3.2綜合質(zhì)量影響指數(shù)法評價

利用式（1）～（4）對研究區(qū)域內(nèi)土壤綜合質(zhì)量影響指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，10個采樣點(diǎn)的IICQs參數(shù)如表2所示。

由表2可知：距離中心礦區(qū)越遠(yuǎn)的區(qū)域，[RIE]和[DDDB]越小，說明這部分區(qū)域土壤重金屬元素污染程度越低?？傮w而言，[DDDB]普遍較大，說明研究區(qū)域內(nèi)土壤的承受能力較強(qiáng)，對重金屬元素污染有著較強(qiáng)的緩沖性。同時，10個采樣點(diǎn)的[Y]值均大于1，[X]值均為0，0 [lt;IICQslt;]1，說明研究區(qū)域內(nèi)土壤已經(jīng)受到重金屬元素污染，并產(chǎn)生了累積現(xiàn)象［16-18］，需要采取相關(guān)措施及時控制和處理。

3.3礦區(qū)土壤重金屬元素空間分布特征

對采集到的100件土壤樣品進(jìn)行重金屬含量測試分析，所得數(shù)據(jù)利用arcgis軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)制圖，得到重金屬元素污染累積指數(shù)圖（如圖2所示）。利用GPS坐標(biāo)將重金屬元素污染累積指數(shù)圖與研究區(qū)的基本地質(zhì)地貌圖進(jìn)行疊加，從空間上可以得到重金屬元素污染累積指數(shù)和礦區(qū)不同功能區(qū)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，得出相關(guān)規(guī)律。

從總體污染程度和污染源空間分布位置來看，規(guī)律如下：

1）1號研究區(qū)內(nèi)分布的主要為農(nóng)田、菜地、山地、居民區(qū)、道路、河流、采坑、選礦廠、冶煉廠、利用尾礦廢石等充填的塌陷采空區(qū)、利用尾礦砂改造的農(nóng)田等。從重金屬元素污染累積指數(shù)圖中顏色來看，污染程度最高的深紅色區(qū)域主要分布在露天采坑、冶煉廠、選礦廠、利用尾礦廢石等充填的塌陷采空區(qū)等位置，其他區(qū)域顏色較淺，反映重金屬污染程度較低。

2）2號研究區(qū)主要為尾礦庫、山地、沿山地逐層修建的農(nóng)田。尾礦庫走向?yàn)楸睎|向—南西向，尾礦壩在研究區(qū)東北部。顏色較深、污染程度較高的區(qū)域主要位于尾礦壩下面的農(nóng)田，其他區(qū)域顏色較淺。

綜合來看，該礦區(qū)土壤污染主要由礦山生產(chǎn)活動造成，重金屬污染源頭主要分布在與采礦、選礦、冶煉及礦山廢棄物相關(guān)的區(qū)域。

3.4土壤重金屬元素遷移路徑及規(guī)律

1）元素在橫向空間的遷移規(guī)律。1號研究區(qū)污染區(qū)域呈雜亂分布，圍繞多個污染源形成多個小污染區(qū)域。在每個小污染區(qū)域，圍繞污染源呈環(huán)帶狀逐級往外擴(kuò)散，從污染源中心向外，污染程度逐漸降低。實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，這些污染較重區(qū)域?yàn)檫x礦廠、采坑、冶煉廠等位置。這說明重金屬遷移路徑為沿著這些污染源逐漸向外擴(kuò)散，重金屬濃度隨著與污染源距離的越來越遠(yuǎn)而越來越低。

2）元素在縱向空間的遷移規(guī)律。元素剖面分布特征可以提供有關(guān)成土母質(zhì)和成壤演化作用的重要信息，識別人類活動疊加的污染強(qiáng)度和影響深度，反映土壤中元素污染的強(qiáng)度、深度及元素遷移能力，是土壤元素尤其是重金屬元素污染來源解析的重要方法之一。

在該礦區(qū)不同位置取4個深層鉆孔樣品，編號1～4，鉆孔深2 m，在每個鉆孔中分別在位于表層10 cm、40 cm、100 cm、150 cm深度處各采集1件樣品。剖面土壤中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度變化趨勢如圖3所示。

由圖3可知：大部分剖面表層土壤中都見到重金屬元素的富集，礦區(qū)表層土壤重金屬富集與外部輸入有關(guān)。但是，不同重金屬在不同剖面的富集程度有較明顯的差異。大部分元素在土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨取樣深度的增加而逐漸降低，從上到下基本符合上高下低的變化規(guī)律。部分元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在剖面中部位置降低后，在下層位置有輕微富集現(xiàn)象，元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在縱向呈現(xiàn)高—低—稍高的變化趨勢。造成這種異常變化的原因，可能是上層土壤中的元素經(jīng)過淋濾作用和擴(kuò)散作用，在向下遷移過程中逐漸降低，但到了下部一定深度之后，遷移能力降低，從而在剖面下部某個位置發(fā)生了輕微的再次富集。

3）農(nóng)作物中重金屬遷移特征。污染土壤中生長的可食用作物不僅品質(zhì)下降，同時也極易受到重金屬的污染。為了研究礦區(qū)土壤、農(nóng)作物中重金屬元素的富集、遷移和分布規(guī)律，明確不同農(nóng)作物對土壤重金屬元素吸收積累的差異，系統(tǒng)采集該礦區(qū)農(nóng)作物小麥、玉米及土壤樣品，研究其在土壤和農(nóng)作物間的遷移情況。重金屬元素的富集系數(shù)（重金屬元素在植物各個部分含量與土壤中重金屬元素含量比值）是評價重金屬遷移能力及超富集植物的重要指標(biāo)。富集系數(shù)越大，表明重金屬元素越易從土壤富集至植物中，即該元素的遷移能力越強(qiáng)。

從富集系數(shù)（如圖4所示）看：農(nóng)作物小麥對主要重金屬元素的富集系數(shù)均高于玉米。農(nóng)作物對重金屬元素的富集能力表現(xiàn)為Zn gt;Cu gt;Nigt;Asgt;Cr，Zn、Cu 易富集于植物體內(nèi)。11件農(nóng)作物樣品的Zn、Cu 富集系數(shù)均大于1.5 %，為中高富集，但元素含量均未超過食品標(biāo)準(zhǔn)；其他3種元素的富集系數(shù)均小于1.5 %，為低富集。6件小麥樣品的Zn、Cu富集系數(shù)均大于4.5 %，為高富集；5件玉米樣品中，2件樣品的Cu富集系數(shù)大于4.5 %，其余3件富集系數(shù)為3.9 %～4.4 %，為中富集。

在農(nóng)作物中富集系數(shù)較高的重金屬元素，在土壤中的含量也較高，即元素在該礦區(qū)具有較高的背景值，這也是導(dǎo)致農(nóng)作物中元素富集的重要原因之一。除了具有較高的環(huán)境背景值外，不同重金屬元素在農(nóng)作物體內(nèi)吸收和遷移的能力不同，也導(dǎo)致了最終富集程度的差異，還需要進(jìn)一步研究。

3.5礦區(qū)土壤重金屬元素來源及貢獻(xiàn)率分析

3.5.1重金屬元素來源識別

為精準(zhǔn)判斷研究區(qū)域內(nèi)各種重金屬元素的來源，同時確定不同污染源排放的主要重金屬元素種類，利用主成分法和因子分析對Cu、Cr、Zn、Ni、As等5種重金屬元素進(jìn)行來源識別。

經(jīng)了解，研究區(qū)域內(nèi)有1家熱電廠，在進(jìn)行各類工業(yè)活動時對周圍土壤造成了一定程度的污染。同時，發(fā)電過程離不開煤炭，煤炭燃燒過程也對土壤造成了污染。因此，將工業(yè)活動［19］視為因子1，煤炭燃燒視為因子2。此外，礦區(qū)內(nèi)運(yùn)輸?shù)V石的車輛眾多，汽車制動、輪胎磨損、軸承運(yùn)轉(zhuǎn)［20］及剎車片磨損都會釋放一定含量的重金屬元素，且汽車尾氣排放過程中也會釋放重金屬元素，因此將交通揚(yáng)塵視為因子3。礦區(qū)開采對地質(zhì)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，將礦區(qū)開采和運(yùn)輸擴(kuò)散視為因子4。

按照特征向量大于1、累積方差貢獻(xiàn)率高于80 %的準(zhǔn)則對研究區(qū)域的4類因子進(jìn)行主因子提取，并對因子載荷進(jìn)行分析，結(jié)果如表3和表4所示。

由表4可知：因子1中，Cr元素和Ni元素的因子載荷較大，均為0.85以上，這是因?yàn)镃r元素和Ni元素大多由金屬冶煉、加工等一系列工業(yè)活動產(chǎn)生。因子2中，As元素因子載荷最大，為0.945，這是因?yàn)锳s元素主要由煤炭燃燒產(chǎn)生。因子3中，Zn元素因子載荷最大，Cu元素和Ni元素為中等水平，這是由于這3種重金屬元素多為汽車制動和尾氣排放產(chǎn)生，因此較其他2種重金屬元素的因子載荷高。因子4中，5種重金屬元素的因子載荷普遍較低，說明研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境變化并未對土壤污染產(chǎn)生顯著影響。

3.5.2重金屬元素污染源貢獻(xiàn)率分析

基于研究區(qū)域內(nèi)土壤因子分析結(jié)果，利用多元線性回歸模型對每個主因子中重金屬元素的來源和貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。其中，[US]為研究區(qū)域內(nèi)對土壤造成污染的其他重金屬元素來源，即不確定因子；E/O為由多元線性回歸模型得到的重金屬元素模擬值與真實(shí)值的比值；[R2]為多元線性回歸模型決定系數(shù)。

由表5可知：As、Cr、Cu和Ni元素的[R2]值均高于0.8，說明多元線性回歸模型可以實(shí)現(xiàn)很好的擬合；Zn元素的[R2]值僅為0.480，說明模型擬合無法取得理想效果。根據(jù)歸一法，將貢獻(xiàn)率低于1 % 的值去除，As、Cr、Cu和Ni元素的4個主因子貢獻(xiàn)率相加后小于100 %，說明還存在其他污染貢獻(xiàn)源。研究區(qū)域內(nèi)，工業(yè)活動、煤炭燃燒、礦區(qū)開采和運(yùn)輸擴(kuò)散貢獻(xiàn)的

As元素分別為18.99 %、15.87 %、和6.79 %，土壤樣本中有58.35 % 的As元素存在不確定因子；工業(yè)活動貢獻(xiàn)了98.55 % 的Cr和81.77 % 的Ni，有12.61 % 的Ni元素來自其他未知污染源；交通揚(yáng)塵貢獻(xiàn)了98.62 % 的Zn元素，剩余1.38 % 由礦區(qū)開采和運(yùn)輸擴(kuò)散貢獻(xiàn)，Zn元素中不存在未知污染源；Cu元素主要由礦區(qū)開采和運(yùn)輸擴(kuò)散提供，剩余22.42 % 由工業(yè)活動貢獻(xiàn)。

綜上所述，研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬元素污染來源從高到低排列依次為工業(yè)活動gt;煤炭燃燒gt;交通揚(yáng)塵gt;礦區(qū)開采和運(yùn)輸擴(kuò)散。每種重金屬元素的來源都十分復(fù)雜，且貢獻(xiàn)率均不相同，對于As、Cr和Ni元素的未知污染來源，還需進(jìn)一步考究。

4結(jié)論

研究對河北某礦區(qū)土壤重金屬元素污染特征及來源進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）通過對研究區(qū)域內(nèi)土壤綜合質(zhì)量影響指數(shù)進(jìn)行分析可知：距離中心礦區(qū)越近，土壤受污染程度越高；距離越遠(yuǎn)，則污染程度越低。雖然礦區(qū)周圍土壤中重金屬元素的測定結(jié)果已經(jīng)超出了背景值，但通過與評價標(biāo)準(zhǔn)對比后發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域土壤重金屬元素污染較輕。

2）研究區(qū)域內(nèi)造成土壤污染的重金屬元素主要來源于工業(yè)活動、煤炭燃燒、交通揚(yáng)塵、礦區(qū)開采和運(yùn)輸擴(kuò)散。

3）該礦區(qū)重金屬遷移路徑與選礦廠、采坑、冶煉廠等礦業(yè)活動區(qū)域高度相關(guān)，不同介質(zhì)中重金屬元素含量變化趨勢具有一致性，表明重金屬污染與礦業(yè)開采活動具有顯著的相關(guān)性，其來源為礦業(yè)生產(chǎn)活動導(dǎo)致的重金屬釋放。

4）研究區(qū)域土壤中的As、Cr和Ni元素存在不同比例的未知污染來源，還需進(jìn)一步探究。

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Study on pollution characteristics and sources of heavy metal elements in soil"of a mining area in Hebei Province

Yu Ming1，2，3，4， Bian Pengsha2，4， Lu Qian2，4， Che Jian2，4， Zhang Shuo2，4

（1. Postdoctoral Research Station， Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration;

2. Hebei Research Center for Geoanalysis;

3. Postdoctoral Research Station of Crop Science， Hebei Agricultural University;

4. Hebei Key Laboratory of Mineral Resources and Ecological Environment Monitoring）

Abstract：To clarify the pollution characteristics and sources of heavy metal elements in the soil of a mining area in Hebei Province，10 sampling points were selected in the study area， and a total of 100 soil samples were collected. The comprehensive quality impact index method was used to calculate the content of heavy metal elements in the soil samples， which were compared with standard and background values to determine whether heavy metal levels exceeded allowable limits. Principal component and factor analyses were employed to identify the sources of heavy metals， while a multiple linear regression model was used to calculate the contribution rates of pollution sources. The horizontal and vertical migration patterns of heavy metals in soil and crops were also investigated. Results showed that the soil in the study area contains varying amounts of Cu， Cr， Zn， Ni， and As， all of which exceed standard limits to a serious degree. The primary sources of heavy metal pollution in the area are industrial activities， coal combustion， traffic dust， mining， and transport?related diffusion. The distribution and migration patterns of heavy metals in different media indicate that their sources are closely related to mining activities. The findings provide data support for the prevention and control of heavy metal pollution in the soil of this mining area.

Keywords：heavy metal elements; pollution characteristics; pollution sources; multiple linear regression model; background value exceedance rate; log?normal distribution; contribution rate of pollution sources

基金項(xiàng)目：河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局博士后進(jìn)站資助項(xiàng)目（454-0602-YBN-DYGM）

作者簡介：余明（1987—），男，高級工程師，博士，從事巖礦分析測試與水土污染調(diào)查修復(fù)研究；E-mail：yumingshawo@163.com

*通信作者：邊朋沙（1985—），女，高級工程師，碩士，從事微量元素分析、光譜分析等研究；E-mail：244151903@qq.com