準東礦區土壤重金屬污染分析及其來源解析

楊 磊，熊黑鋼

(1.新疆大學資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學綠洲生態教育部 重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆農業大學管理學院，新疆 烏魯木齊 830052； 4.北京聯合大學應用文理學院，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，FA-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、發展的基礎，不僅是地球的重要自然資源之一，還是整個生態系統的生命線。大規模露天煤礦的開采，加重了區域土壤重金屬污染，成為區域所面臨的重要環境問題之一[1-2]。由于新疆準東煤礦的相繼開采，大量重金屬污染物通過多種途徑進入土壤，從而導致土壤重金屬污染，造成環境污染、生態破壞等一系列問題。因此對新疆準東地區進行重金屬污染研究對環境治理及生態修復具有重要的意義。

目前，對準東礦區重金屬的研究主要集中在重金屬的空間分布和污染評價方面[3-5]，而對重金屬的來源分析研究相對缺乏。準東礦區土壤分布著大量的重金屬，其中煤炭的燃燒、大氣降塵、煤塵和交通運輸等成為重金屬污染的潛在來源。多元統計已運用于污染物的來源分析研究[6-7]，但運用于準東礦區的研究相對較少，其方法包括因子分析(factor analysis，FA) 和多元線性回歸分析(multiple linear regression，MLR)。重金屬來源的辨別和貢獻分析對其污染防治有著重要意義。

試驗選取準東礦區周邊農田和荒地等作為研究區域，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方法對準東礦區區域土壤進行重金屬來源辨別，在FA方法基礎上使用MLR方法對各來源進行定量模擬，并對模擬效果進行檢驗，旨在研究準東礦區區域的重金屬來源和各來源的貢獻比率，為重金屬污染防治提供有利參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆準噶爾盆地東部，海拔300～600 m。研究區示意圖及采樣點分布見圖1。該區域地處歐亞大陸腹地，遠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。據吉木薩爾縣氣象站統計資料，研究區多年平均氣溫7.0 ℃，多年平均降水量約180 mm，多年平均蒸發量約2 000 mm；日照總時數2 800～3 000 h；全年主導風向為西北風，一般風力3～5級，多年平均風速2.0 m/s，最大風速為15 m/s，起沙風速為4.0 m/s，沙塵暴日數約45 d[8]，多年平均氣溫6.9 ℃。該地區的土壤類型主要有灰棕模土、荒漠風沙土、石膏灰棕模土和荒漠堿土，土壤表層有機質質量分數在2%以下[9]。

圖1 研究區示意圖及采樣點分布圖

1.2 試驗與材料

1.2.1 土壤樣品采集

2017年5月對準東煤礦進行綜合調查，準東五彩灣煤礦共采集36個樣點，用GPS對其進行坐標定位，采樣點分布見圖1。每個采樣點采取三層0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm的土壤土樣。采樣點主要布置在煤田開采區周邊，還有一些分布在工廠附近的農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行自然晾干，然后碾磨，過篩去除雜質后，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兩種元素進行測定主要是使用日立Z-2000型原子吸收分光光度計，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行測定;對每個土壤樣品重復檢測三次。

1.3 數據統計與分析

準東礦區采集自不同區域的土壤層(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的兩兩比較法。運用因子分析(FA)辨別重金屬來源，結合多元線性回歸(MLR) 模擬重金屬各來源貢獻率[6-7]。所有統計均采用SPSS19完成。

2 結果與分析

2.1 表層重金屬含量的統計分析

針對準東地區土壤重金屬元素含量進行統計分析(表1)。從表1可知Hg元素的變異系數最大，其余重金屬元素變異系數均小于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計

注：新疆背景值資料來源于文獻[8]。

準東地區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，說明準東礦區As的含量嚴重超標，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，數值較松散，均值未超出新疆背景值，說明該地區的Cu元素還沒對當地土壤造成污染。Hg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準值。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，只是存在某些點的含量過高，As、Cr、Hg和Pb元素均超標，說明影響準東礦區土壤理化性質及土壤生態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(Pi)來初步評價，即土壤中重金屬元素i的實測值與該元素背景值比值，大于1表示該元素發生富集，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行求取平均值，然后進行污染系數計算。得出準東礦區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，說明準東礦區As重金屬污染最為嚴重。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，說明準東地區Cu和Zn元素發生虧損。不同層土壤重金屬污染分析情況見圖2。

綜上所述，準東地區土壤重金屬僅Cu和Zn元素未出現重金屬污染且發生虧損現象；Cr和Pb元素存在輕微重金屬污染且有輕微富集；As和Hg元素出現較為嚴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載及相互聯系可以推測出各重金屬的可能來源[6，7，11-12]。本文選擇準東地區土壤重金屬進行因子分析-多元線性回歸分析。

首先，進行Bartlett球度檢驗和KMO檢驗方法分析。在Bartlett球形檢驗中，概率為0.002小于顯著性水平，拒絕原假設，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方法，得到因子分析結果見表2。由表2可見，因子分析共提取了6個因子，其中影響準東地區土壤的5個主要因子 F1、F2、F3、F4和F5，相應的特征值分別為1.747、1.423、1.033、0.831與0.674，方差貢獻率分別為 29.123%、23.720%、17.215%、13.850%和11.227%，累計方差貢獻率達95.134%，所以本文選取5個主成分解釋原始數據的絕大多數信息。

圖2 不同層土壤重金屬污染分析

因子初始特征值旋轉前旋轉后特征值方差百分比/% 累積貢獻率/%特征值方差百分比/%累積貢獻率/%特征值方差百分比/%累積貢獻率/%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——————

進而求解主成分的載荷矩陣(表3)，載荷系數越大表明其重金屬元素對土壤環境影響越大，起主導作用。選取載荷系數最大的因子變量，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的共同度達到85%以上，表明基本達到信息提取的程度。

對采樣點的土壤重金屬含量進行相關性分析，得到重金屬含量相關系數矩陣，見表4。數據顯示，Cr和Cu有較高的相關性且為極顯著正相關(在0.01水平上為0.559)，可以基本認定為來自同一污染源。同時，Cu和Zn也具有一定相關性(在0.05水平下為0.375)。

表3 旋轉因子載荷及共同度

表4 土壤重金屬相關性矩陣

注：*表示0.05顯著性水平檢驗；**表示0.01顯著性水平檢驗。

對于準東礦區土壤重金屬樣品，F1中Cu和Cr有最高負載，分別為0.871和0.857，其中根據姚峰等[14]的研究結果可知，Cr元素主要受到煤炭開采過程中擴散的煤塵下滲引起土壤重金屬Cr含量增加，又因為 Cu和Cr元素之間具有顯著性相關(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。根據描述統計表可以看出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。可以認為準東地區土壤Zn元素主要來自于土壤母質，即F2可代表土壤母質來源。一些研究表明煤炭燃燒是Hg的主要來源[15-16]，所以本文認為F3可代表煤炭燃燒來源。郭欣等[17]研究結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，隨顆粒物遠距離擴散，從而造成了研究區整體 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，此處本文認為F4可代表大氣降塵來源。Pb元素是交通運輸主要標志性污染物來源[18]，準東礦區長年開采，常年車流量大，交通運輸頻繁，所以該因子可以代表交通運輸來源，即F5為交通運輸來源。本文基于前人研究的基礎，對重金屬污染來源進行了可能性分析，經因子分析所得的主要因子與重金屬來源建立了合理的聯系。

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比率，具體模擬過程參見文獻[7]。表5為各主因子對不同重金屬元素貢獻的比率，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測含量間的比值，這一比值均接近于1，而模擬值和實際值之間的相關系數(R2)都達到了極顯著水平(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率，結果見表5。這里，大于1%的數值按原值保留，小于1%的數值說明貢獻很小可忽略不計，此處記為0，以“—”表示。由于大多數重金屬的5個主因子貢獻率之和小于100%，表明仍有其他污染貢獻存在，將其稱作不確定因子，并以US表示。

從表5可知，在準東礦區，Hg元素的主要來源為煤炭燃燒，煤炭燃燒貢獻率為90.31%，交通運輸貢獻了1.5%；交通運輸(F5)提供了Pb元素43.5%的來源，因此交通運輸是Pb元素的主要來源，同時煤塵提供了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，其貢獻率分別為63.29%和83.67%，其中針對Cu元素土壤母質貢獻了30.67%；Pb元素的主要來源為交通運輸，43.5%的Pb元素來源于交通運輸，煤塵貢獻了5.63%；Zn元素的主要來源為土壤母質，76.01%的Zn元素來源于土壤母質，煤塵、大氣降塵和交通運輸分別貢獻了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測重金屬含量比值。

多元線性回歸的結果表明，準東礦區主要重金屬元素貢獻率由高到低的來源依次是煤炭燃燒、煤塵、土壤母質、交通運輸和大氣降塵。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，有待后續研究。

3 結 語

在新疆準東地區，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比率。準東礦區土壤重金屬主要來源于煤塵、大氣降塵、煤炭燃燒、土壤母質和交通運輸。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。本研究結果將為準東礦區土壤重金屬污染防治提供有利的參考。