準(zhǔn)東煤區(qū)土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及空間分布特征

宋 佳，徐長春，羅映雪，楊媛媛

（新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830046）

土壤是人類賴以活動生存的環(huán)境因素之一，能直接或間接改變?nèi)祟惖纳钯|(zhì)量及生活方式［1］。土壤中的重金屬絕大部分來源于人類活動，如土壤侵蝕、交通運(yùn)輸、農(nóng)藥的使用、工業(yè)“三廢”、礦山開采及大氣顆粒物的沉降等一系列活動［2］。重金屬是具有毒素的元素類型之一，在土壤環(huán)境中能長時(shí)間保留在土壤中，很難被降解［3-4］，積累在土壤中的重金屬，經(jīng)過雨水的沖刷進(jìn)而進(jìn)入水體，從而嚴(yán)重危害動物、人體健康［5］。因此，近幾年土壤重金屬在污染評價(jià)、空間分布、特征分析、來源解析等方面的研究受到了廣泛關(guān)注［6-9］。

新疆準(zhǔn)東煤礦是新疆的重要資源之一，自煤礦開采以來，生態(tài)環(huán)境受到了極大的脅迫，直接影響到該地區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)環(huán)境。由于常年進(jìn)行采礦活動，煤炭中的重金屬污染物以不同的途徑進(jìn)入土壤，大氣環(huán)境污染嚴(yán)重，植被退化，從而增加了土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的概率。因此準(zhǔn)東煤田土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及生態(tài)修復(fù)迫在眉睫。

國內(nèi)眾多學(xué)者已對新疆準(zhǔn)東煤區(qū)的土壤重金屬來源及污染狀況進(jìn)行了研究，其中劉巍等對準(zhǔn)東煤田露天煤區(qū)土壤重金屬采用主成分分析法和內(nèi)梅羅指數(shù)法、地累積指數(shù)（（Igeo））法等方法，進(jìn)行了污染現(xiàn)狀評價(jià)與來源分析，并分析了準(zhǔn)東煤區(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)［10-11］。前人主要對當(dāng)?shù)氐闹亟饘傥廴緺顩r和來源進(jìn)行解析，對土壤生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行評價(jià)，但對該地區(qū)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究較少，因此筆者擬用單因子、地累積和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對新疆準(zhǔn)東煤區(qū)重金屬進(jìn)行研究，為新疆準(zhǔn)東煤區(qū)的生態(tài)治理提供合理的科學(xué)依據(jù)。

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，主要位于阜康地區(qū)，地處古爾班通谷沙漠北部。由于研究區(qū)常年進(jìn)行煤炭開采活動，生態(tài)環(huán)境極為脆弱且植被覆蓋度較少。研究區(qū)屬大陸性溫帶沙漠氣候，蒸降比大。礦區(qū)內(nèi)植被類型少，覆蓋度較低。植被生長矮小，大多為干旱性植被。常年風(fēng)沙較大，土壤鹽漬化較為嚴(yán)重。

1.2 土壤樣品采集及處理

2014年7月和2017年6月對準(zhǔn)東煤礦進(jìn)行總體調(diào)查，準(zhǔn)東煤區(qū)布設(shè)了27個(gè)采樣點(diǎn)，采集土壤樣點(diǎn)時(shí)，用手持式GPS（全球定位系統(tǒng)）儀器對采樣點(diǎn)進(jìn)行定位，采樣點(diǎn)分布情況見圖1。每個(gè)采樣點(diǎn)取表層0～10 cm的土壤，采樣點(diǎn)主要布置在煤田開采區(qū)周邊、工廠附近農(nóng)田、工業(yè)區(qū)周邊，以及生活區(qū)和辦公區(qū)周圍等。對野外采集回的土壤樣品進(jìn)行自然風(fēng)干、去除雜物、過篩。進(jìn)而使用日立Z-2000型原子吸收分光光度計(jì)對Hg、As 2種元素進(jìn)行檢測，使用火焰原子吸收機(jī)測量Zn、Cu、Cr、Pb元素含量。

1.3 研究方法

1.3.1 單因子污染分析法 單因子污染分析法是單個(gè)重金屬元素層面的評價(jià)重金屬污染程度的方法。計(jì)算公式如下［12］：

式中：CF為單因子污染指數(shù)；Ci為污染物實(shí)測值，g/kg；SI為新疆土壤重金屬背景值，g/kg，本研究采用GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》指標(biāo)。

1.3.2 地累積指數(shù) 地累積指數(shù)法是德國學(xué)者M(jìn)uller提出的［13］，用于綜合分析土壤重金屬污染狀況。此法廣泛應(yīng)用在土壤重金屬評價(jià)領(lǐng)域，公式如下：

式中：Cn是元素n在重金屬中的含量；Bn代表該元素的地球化學(xué)背景值［10］；K為考慮不同地區(qū)巖石差異造成的背景系數(shù)變動（一般取1.5）。地累積評價(jià)指標(biāo)見表1。

表1 地累積評價(jià)指標(biāo)［14］

1.3.3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)表征方法 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)采用Rapant等提出的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（index of environmental risk，簡稱IER）進(jìn)行表征［15］。計(jì)算公式為：

式中：IERi代表第i個(gè)類型重金屬超過臨界限量的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；CAi代表第i個(gè)類型重金屬的含量（g/kg）；CRi代表第i個(gè)類型重金屬的限量臨界值（g/kg）；IER代表樣品的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。需要說明的是，如果CAi＜CRi，則定義IERi為0。

根據(jù)Rapant等劃分的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)［15］，筆者引用此標(biāo)準(zhǔn)來定量土壤中重金屬污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度，分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級［15］

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

本研究中運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)法及自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（self-organizingmap，簡稱SOM）、單因子污染分析法和地累積以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對土壤中的Zn、Cu、Cr、Hg、As、Pb進(jìn)行研究。采用單因子污染分析法、地累積和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分析準(zhǔn)東煤區(qū)土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)狀況。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、Pearson相關(guān)分析、PCA（主成分分析）均由SPSS20.0完成；數(shù)據(jù)記錄由Excel 2013完成；SOM算法由Matlab 2012實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量的統(tǒng)計(jì)描述

通過對比2014年和2017年土壤重金屬含量均值（表3）可以看出，土壤中2017年Zn元素含量比2014年減少了86.96%，2017年Hg元素含量比2014年減少了84.85%。而2017年As元素含量比2014年增加了154.56%，增加最明顯，但仍未超出新疆背景值。此外，Pb含量也有所增加，說明重金屬含量變化較為明顯。2014年除了Hg、Cr元素以外，其他元素含量均未超出新疆背景值，2017年僅Cr元素含量超出了新疆背景值，相對于2014年重金屬含量，2017年重金屬含量相對減少。

表3 土壤重金屬含量

由圖2可以看出，2014年研究區(qū)土壤Cr元素變異系數(shù)為59%，Hg的CV為184%，As的CV為76%，其中Cr與As元素（10% ＜CV＜100%）屬于中等變異，Hg（CV＝184%，＞100%）屬于高等變異。此外，土壤中Hg元素CV高于其他重金屬，表明土壤中Hg含量易受到人類活動和外界因素的影響。相比于2014年，2017年Hg元素的變異系數(shù)有所下降（CV＝92%），說明此期間研究區(qū)由于人類活動的影響，土壤Hg含量變化有所減少，此外Cr、Pb、As元素變異系數(shù)均有所下降，而Zn與Cu元素變異系數(shù)有所增加。從表3可以看出，2014年研究區(qū)土壤重金屬Cr、Hg元素含量超出了新疆背景值，2017年僅Cr元素含量超出新疆背景值，結(jié)合圖2，此變化受到自然因素的影響減少，受人類活動的影響增加，這與新疆“一帶一路”大背景下建設(shè)生態(tài)文明、加大環(huán)境保護(hù)力度有關(guān)。

從圖3可以看出，2014年的土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，其中Cu、Hg元素2014年的土壤重金屬百分比達(dá)99%以上，2017年百分比在2%以下，說明在準(zhǔn)東煤區(qū)Cu、Hg元素含量明顯下降；2014年P(guān)b元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34%，而2017年為66%，說明Pb元素相對含量在增加；2014年的土壤Zn與Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于2017年。表明準(zhǔn)東煤區(qū)2014—2017年土壤重金屬含量除了Pb元素外均呈減少趨勢。

2.2 土壤重金屬SOM分析

由分組結(jié)果（圖4）可知，如果分組過少，會造成部分差異性較大的土壤樣本被分到同一個(gè)組；若分組過多，相似度高的部分樣本會被單獨(dú)分組或出現(xiàn)無效分組。綜合考慮樣本的相似性和分組的有效性，本研究最后確定分組結(jié)果為5×6，即30組（圖4-B）。

用SOM分組鄰域加權(quán)距離映射圖（圖4-A）表示相鄰分組的權(quán)重距離，并用顏色的深淺表示權(quán)重距離大小。顏色的深淺代表2組土壤之間的差異程度，顏色越淺，差異越小，反之則越大。為了能更清晰地表達(dá)6個(gè)土壤屬性在30個(gè)分組中的權(quán)重以及各土壤屬性之間的內(nèi)在相關(guān)性，本研究分析了6個(gè)土壤屬性的鄰域加權(quán)距離映射（圖4-C，圖中顏色的深淺代表數(shù)值的大小）。

通過比較各土壤屬性鄰域加權(quán)距離映射圖可以看出，不同的土壤屬性之間呈正相關(guān)、負(fù)相關(guān)或無顯著相關(guān)性。土壤重金屬As與Cu之間呈正相關(guān)關(guān)系，表明重金屬Cu元素隨著As元素含量的增加而增加。元素SOM權(quán)重圖的高低，說明重金屬來源的差異性的大小。從金屬元素權(quán)重圖可以看出，As和Cu元素的相似性較高，說明這2種元素具有相似的來源。同理可得Pb和Zn具有較高的相似度，表明Pb、Zn元素可能同源。

2.3 土壤重金屬污染評價(jià)

2.3.1 單因子污染評價(jià) 單因子污染統(tǒng)計(jì)分析（圖5）可知在0～10 cm的表層土壤中，2014年土壤Cr元素含量的單因子污染指數(shù)均值超過1，2017年Cr、Hg和As 3種土壤重金屬含量的單因子污染指數(shù)均超出1，存在污染風(fēng)險(xiǎn)，說明2014年后的3年里Hg和As元素含量有所增加，其中As元素在煤炭中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在地殼中的含量，主要來源可能是大量煤炭燃燒，表明該地區(qū)近3年并未對Hg和As元素來源進(jìn)行控制和治理；此外，Zn和Cu元素均未出現(xiàn)污染狀況，說明多年來準(zhǔn)東煤區(qū)的開采并未引起土壤中Zn和Cu元素含量的增加；Pb元素含量從2014年到2017年變化不大，均未超過分界線，也均未發(fā)生富集現(xiàn)象。綜上所述，2014年至2017年3年中研究區(qū)土壤污染狀況整體無改良趨勢，準(zhǔn)東煤田除常年煤炭開采外還伴隨著一系列的煤電、煤化工等生產(chǎn)活動，這些活動均會引起大氣降塵中Hg和As重金屬含量升高［11-12］，2017年Hg和As元素發(fā)生富集現(xiàn)象（圖5-B），進(jìn)一步說明2014年以來準(zhǔn)東煤區(qū)煤炭的連續(xù)開采導(dǎo)致使該地區(qū)的Hg和As元素含量增加。

2.3.2 地累積指數(shù)法評價(jià) 地累積指數(shù)［13］能夠有效判別土壤中重金屬污染程度的強(qiáng)弱并用于劃分污染程度表［16-20］，研究區(qū)2014年和2017年土壤中每種重金屬的地累積指數(shù)值的范圍和平均值見圖6。由地累積指數(shù)可知，2014年重金屬污染的強(qiáng)弱順序?yàn)锳s＞Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Hg。2017年土壤重金屬污染程度依次為Pb＞As＞Cr＞Zn＞Cu＞Hg。從圖6可以看出，2014年6種土壤重金屬中只有As元素出現(xiàn)重金屬污染現(xiàn)象，其余重金屬的地累積指數(shù)大部分處于0以下，說明未出現(xiàn)污染狀況，Zn、Cr、Cu、Pb、Hg地累積指數(shù)只有個(gè)別異常點(diǎn)大于0（圖6-A）。而2017年土壤重金屬As與Pb元素出現(xiàn)嚴(yán)重污染現(xiàn)狀，說明3年來煤區(qū)的開采導(dǎo)致土壤重金屬As與Pb元素出現(xiàn)富集現(xiàn)象；2017年的Cr元素達(dá)中度污染狀況，相對于2014年土壤重金屬污染情況，污染程度有所增加；Zn和Cu元素也出現(xiàn)污染狀況，說明煤區(qū)的開采還在持續(xù)影響著土壤重金屬環(huán)境（圖6-B）。從地累積指數(shù)可知，Hg元素并未出現(xiàn)污染狀況，研究表明，煤炭燃燒是Hg的主要來源［11-12］，而2014年和2017年的地累積指數(shù)變化不明顯，可推測煤炭燃燒工廠做了一些排廢處理，因此地表土壤重金屬含量無顯著增加，沒有發(fā)生污染狀況。

2.4 重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)測度

根據(jù)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)公式可知，土壤重金屬Zn、Cu和Pb元素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較低，說明這3種指數(shù)對環(huán)境影響較小；而Hg、As元素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)相對于其他4個(gè)土壤重金屬元素要高，說明其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率較大。2014年Cr、Hg和As元素的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)比2017年的高，說明環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率減少，而2017年土壤重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均較低（圖7），說明該年土壤整體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低。

基于Rapant等提出的IER和前人研究得出的重金屬污染評價(jià)參數(shù)［21］以及相應(yīng)的臨界風(fēng)險(xiǎn)限量（表4）定量分析準(zhǔn)東煤區(qū)土壤重金屬產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)特征。由環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與樣品的頻率分布（圖8）可知，2014年樣品中，無環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為61.2%，低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為10.34%，中等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為24.56%，高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為0.86%，極高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為3.01%，說明準(zhǔn)東煤區(qū)土壤重金屬污染產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)比較低。2017年樣品中，無環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為66.98%，低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為11.0%，中等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為16.74%，高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為1.91%，極高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)級別的比例為3.34%，其中無環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)比例為66.98%，高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和極高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)比例為5.25%，比2014年增加1.38百分點(diǎn)，說明近3年土壤中某些污染嚴(yán)重的重金屬風(fēng)險(xiǎn)在升高，相關(guān)環(huán)保部門應(yīng)針對能夠帶來重金屬污染高風(fēng)險(xiǎn)的單位進(jìn)行監(jiān)管，并對嚴(yán)重污染區(qū)域進(jìn)行修復(fù)。綜上所述，從2014年至2017年無環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的頻率有所提高，但不明顯，中等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)頻率有所下降，其余環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)頻率變化不大，說明該地區(qū)的重金屬污染狀況并未得到改善且環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低。

2.5 重金屬空間分布分析

本研究將2014年與2017年的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，進(jìn)而分析其空間特征。在準(zhǔn)東煤區(qū)，包含工廠、生活區(qū)、農(nóng)田區(qū)等區(qū)域研究煤區(qū)土壤重金屬分布及污染狀況很有必要。從圖9可以看出，空間分布趨勢基本一致的土壤重金屬為Zn、Cu，這2個(gè)元素高值主要分布在煤區(qū)，工業(yè)區(qū)重金屬分布較少，污染程度一般。研究區(qū)的東部與東北部為Zn重金屬含量重度污染區(qū)，主要由于這附近分布著電廠和一些工業(yè)帶。

表4 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的重金屬參數(shù)及其相應(yīng)的臨界風(fēng)險(xiǎn)限量［21］

Cr的重污染區(qū)位于216國道的西北部與五彩灣煤電工業(yè)帶附近，煤礦開采區(qū)處于輕度污染和中度污染之間。Pb高值區(qū)出現(xiàn)在五彩灣煤礦開采區(qū)北部及其周圍，主要因?yàn)樵谖廴緟^(qū)北面有煤炭加工廠，南方有冶煉廠，這些工廠均可能是污染物來源，這與姚峰等的觀點(diǎn)［22］一致。

Hg重金屬的高值區(qū)主要位于研究區(qū)東部，該地區(qū)煤礦開采活動較為強(qiáng)烈，且有大量煤矸石堆場，矸石堆中含有大量Hg元素，除此之外，來自礦石燃燒的煙塵也會帶來Hg污染，位于西北部的發(fā)電廠等工業(yè)帶也是污染源。土壤中As的最高值分布在五彩灣煤區(qū)偏南部和五彩灣工業(yè)帶北部，其中五彩灣煤區(qū)偏南部出現(xiàn)重污染狀況，因?yàn)橹苓叴嬖诎l(fā)電廠，此處是重要的As污染源。除以上工業(yè)活動外，還有一些人為因素造成不同區(qū)域重金屬污染程度不同，包括研究區(qū)內(nèi)人們生活中交通尾氣的排放、廢棄物的堆積等。

從圖9可以看出，6種重金屬含量高低值的分布具有較強(qiáng)隨機(jī)性，且在煤區(qū)、礦坑周圍、發(fā)電廠、矸石場、化工廠和公路2側(cè)等地方均出現(xiàn)重金屬的高值，出現(xiàn)高值主要是因?yàn)楣I(yè)區(qū)生產(chǎn)活動所產(chǎn)生的粉塵、原煤、矸石、覆土等污染物通過交通運(yùn)輸、加工、廢物處理等環(huán)節(jié)從地下遷移到地表，其次因風(fēng)速、風(fēng)向、降水等氣象因素導(dǎo)致大氣中污染物降落到地表，從而增加了土壤重金屬的含量。

3 結(jié)論

本研究通過對比2014、2017年準(zhǔn)東煤區(qū)土壤重金屬含量，并對不同年份的6種重金屬含量和污染程度進(jìn)行評價(jià)，分析了該地區(qū)2014、2017年的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)狀況。主要得出以下結(jié)論：

從土壤理化性質(zhì)分析可知，2017年土壤重金屬中Zn、Hg元素比2014年含量出現(xiàn)減少現(xiàn)象。Hg元素變異系數(shù)為184%，屬于高等變異。2017年相比2014年元素CV有所下降。

通過SOM分析可知，As與Cu之間呈正相關(guān)，As和Cu元素的相似性較高，Pb和Zn具有較高的相似度，表明As和Cu、Pb和Zn元素可能同源。

通過污染分析可知，2014年除Cr元素以外的元素含量均未超出新疆背景值。2017年土壤重金屬除Cr、Hg和As元素外其他重金屬均未出現(xiàn)污染狀況。由地累積指數(shù)可知，2014年重金屬污染的強(qiáng)弱順序?yàn)锳s＞Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Hg，2017年土壤重金屬污染程度依次為Pb＞As＞Cr＞Zn＞Cu＞Hg。

從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)測度可知，2014年樣品中屬無風(fēng)險(xiǎn)以上的比例接近61.2%；2017年土壤樣品中屬無風(fēng)險(xiǎn)的比例為66.98%。從2014年至2017年無環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的頻率有所提高，但不明顯，中等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)頻率有所下降，其余環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)頻率變化不大。