呼倫貝爾露天煤礦堆土場外圍牧場土壤的重金屬污染評價

楊曉剛，胡 冰，莊 洋，包 蕾，烏仁其其格＊

（1.呼倫貝爾學院生命與環境科學學院，內蒙古呼倫貝爾021008；2.內蒙古額爾古納國家濕地公園管理局，內蒙古額爾古納022250）

呼倫貝爾露天煤礦堆土場外圍牧場土壤的重金屬污染評價

楊曉剛1，胡 冰1，莊 洋1，包 蕾2，烏仁其其格1＊

（1.呼倫貝爾學院生命與環境科學學院，內蒙古呼倫貝爾021008；2.內蒙古額爾古納國家濕地公園管理局，內蒙古額爾古納022250）

為露天煤礦礦區的土壤改良與修復提供依據，采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法與Hakanson潛在生態指數法相結合對呼倫貝爾市東明露天煤礦堆土場外圍東南側牧場土壤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風險進行研究，同時運用相關分析及主成分分析探討牧場土壤重金屬的主要來源。結果表明：牧場土壤7種重金屬含量與國家土壤環境質量標準（GB15618—1995）二級標準相比均未超過規定限值，與內蒙古土壤重金屬背景值相比，Zn和Pb的含量均超標，超標率為5.56%和83.33%。牧場土壤7種重金屬的單項污染指數均＜1，土壤污染等級為清潔；綜合污染指數＜0.7，土壤污染等級為安全。Cd的潛在生態危害系數平均值為53.04（＞40），呈中等生態危害程度，其他金屬均為低生態危害程度；7種重金屬綜合潛在生態危害指數平均為86.43（＜90），呈輕微生態危害程度。主要貢獻因子是Cd。Cu、Zn、Cd與Pb及As與Hg具有相同來源的可能性大，Cr具有單獨的污染來源。

煤礦堆土場；牧場；土壤；重金屬污染；污染評價；呼倫貝爾；內蒙古

隨著經濟的發展，礦產資源在國民經濟和社會發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行采掘的煤礦，其剝離的土壤堆積形成一定規模的外排土場。堆土場不僅占用大量土地，同時對周圍的生態環境也造成了一定的污染［2］。堆土場的土壤在風力和雨水沖刷作用下，其重金屬逐漸遷移到周圍環境中，重金屬的遷移往往具有隱蔽性、復雜性和不可逆性等特征，對人類健康產生直接或間接的影響［3-5］。阿不都艾尼·阿不里等［6］采用內梅羅指數法、地質累積指數法和潛在生態危害指數法對準東礦區土壤Zn、Cu、Cr、Pb、Hg和As等6種重金屬進行評價，并利用分層比較、降塵法以及距離分析結合統計分析法對金屬污染來源進行分析。劉巍等［7］采取描述統計、主成分分析和污染評價方法對準東煤田露天礦區煤矸石堆場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行分析與評價。王貴等［8］以神華準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，并進行土壤環境污染評價。樊文華等［9］采用Hakanson潛在生態風險指數研究了安太堡露天煤礦復墾土壤重金屬Cd、Cr、Cu、Pb、Hg和As等的污染程度及潛在的生態危害性。葛元英等［10］采用單因子指數法結合Hakanson生態風險指數法對平朔安太堡露天煤礦排土場復墾土壤重金屬Hg、As、Cr、Cd和Pb的污染程度及其對土壤潛在的生態風險進行評價。馬從安等［11-12］研究發現，重金屬Cd是勝利露天煤礦土壤重金屬污染的主要因子。呼倫貝爾地區煤層較淺，多以露天煤礦為主，目前有關該地區露天煤礦堆土場外圍土壤重金屬污染的研究未見報道。鑒于此，筆者依據相關國家標準，選取呼倫貝爾東明露天煤礦堆土場外圍東南側牧場土壤為研究對象，分析土壤Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg等7種重金屬的含量特征，旨在為礦區的土壤改良與修復提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區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氣候，年降水量250～400mm，年均溫-3～0℃，年蒸發量為降水量的2～7倍。光、熱和風能資源豐富，年均風速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 研究對象

內蒙古自治區呼倫貝爾市陳巴爾虎旗東明露天煤礦堆土場的外圍東南側牧場（以下稱牧場）土壤。

1.3 樣品采集與測試項目

由于呼倫貝爾地區常年風向為西北風向，同時根據堆土場的位置特點，于2013年8月15日在牧場偏東方向選取D1、D2和D33個樣帶，其中，D1為距離堆土場10m，D2為距離堆土場100m，D3為距離堆土場500m。3個樣帶內分別隨機選取3個樣方（1m×1m），每個樣方內按對角線選取5個點作為采樣點，然后分別采集0～30cm土壤樣品；每個樣方內5個采樣點同一深度（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處自然風干，剔除樣品中的植物根系等雜物，碾碎，過100目尼龍篩備用。

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

1.4 評價方法與標準

為確定牧場土壤重金屬污染潛在的生態危害效應，采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法［6-7］，根據土壤環境質量標準（GB15618—1995）二級標準值及HJ/T16—2004土壤環境監測技術規范（表1和表2）［8-9］，結合采用Hakanson潛在生態指數法，以內蒙古自治區土壤背景值（表3）［10-12］作為參比值對礦區堆土場外圍牧場土壤重金屬潛在生態危害進行評價。

表1 土壤重金屬污染等級劃分標準Table 1 Grading standard of soil heavy metal pollution

表2 土壤重金屬污染的評價標準Table 2 Assessment criterion of soil heavy metal pollution

表3 重金屬污染潛在生態危害的分級標準Table 3 Grading standard of potential heavy metal pollution ecological hazard

1.5 數據統計與分析

采用Excel 2003統計數據，采用SAS9.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 東明煤礦堆土場外圍牧場土壤重金屬的含量

由表4可見，牧場土壤重金屬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。與國家土壤環境質量標準（GB15618—1995）二級標準相比，各重金屬均未超過規定限值；與內蒙古土壤重金屬背景值相比，土壤Zn和Pb的含量均超標，超標率分別為5.56%和83.33%。7種重金屬含量的變異系數以Cd的最大，為36.17%；其他重金屬的變異系數均較小，為5.40%～28.96%。

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

2.2 牧場土壤重金屬污染的單因子污染指數與綜合污染指數

由表5可見，1）單項污染指數。牧場土壤重金屬Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg的單項污染指數平均分別為0.17、0.09、0.15、0.31、0.06、0.17和0.03，均＜1，說明，土壤污染等級為清潔；但Cd的單項污染指數最大值（0.84）接近1。說明，Cd污染有增大的趨勢。2）綜合污染指數。牧場土壤重金屬綜合污染指數為0.24，變異系數為33.33%，綜合污染指數＜0.7，說明，土壤污染等級為安全；但綜合污染指數最大值（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，應引起重視。

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

2.3 牧場土壤重金屬污染的潛在生態危害

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

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

2.4 牧場土壤重金屬元素間的相關性

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

表7 牧場土壤重金屬元素間的相關性Table 7 Correlations between different heavy metals in pasture soil

2.5 牧場土壤重金屬元素的主成分分析

由表8可見，牧場土壤重金屬受3個主成分控制，累計方差貢獻率達90.95%。第1主成分的方差貢獻率為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 堆土場外圍牧場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 結論與討論

1）變異系數反映總體樣本中各采樣點的平均變異程度，一定區域內重金屬含量的變異大小可反映該區域內重金屬元素的分布和污染程度的差異［13］。研究結果表明，土壤重金屬含量變異系數以Cd的最大，達36.17%；其他重金屬的變異系數較小，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，與國家土壤環境質量標準（GB15618—1995）二級標準相比，牧場土壤各重金屬含量均未超過規定限值；與內蒙古土壤重金屬背景值相比，僅Zn和Pb的含量超標，超標率分別為5.56%和83.33%。

2）牧場土壤重金屬Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg的單項污染指數均小于1，土壤污染等級呈清潔；綜合污染指數小于0.7，土壤污染等級為安全。

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

4）同一區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性可以推測出重金屬來源是否相同。如果重金屬含量有顯著的相關性，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可能具有單獨的污染來源。重金屬來源的不同可能與堆土場東北側為東明煤礦堆煤場有關。雖然煤礦采用了抑塵網防塵措施，但是仍有少量的煤塵漂浮進入堆土場研究區域，從而造成金屬來源的不同。

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（責任編輯：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

內蒙古自治區地質勘查基金項目“內蒙古自治區海拉爾盆地群煤炭勘查開發對環境影響的現狀調查”（12-3-MT04）

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

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

1001-3601（2016）09-0406-0152-05