露天礦周邊土壤重金屬分布特征與來源分析

摘" 要：在露天礦開采過程中，由于煤層中會含有一些重金屬，煤炭開采、運輸及產生的揚塵等作業活動有可能會對采坑周邊土壤產生污染和破壞。該文以某露天煤礦區周邊區域為研究對象，通過采樣與檢測Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd 6種重金屬元素的含量，對礦區及周邊牧場重金屬的空間分布特征進行研究。結果表明，研究區土壤重金屬Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd整體屬于安全水平。Cu、Ni、Cr和Cd的分布特征相似，呈現在露天煤礦區和西部、北部含量相對較高，在東部和南部含量相對較低的特征。Zn呈現在西部和北部及東部含量相對較高，南部和東北部的含量相對較低的特征。Pb呈現在西北部和東部2個監測點的含量相對較高，其余的地方則相對較低的特征。Cu、Ni、Cr和Cd具有較高的相關性，其累積可能來源于成土母質和畜牧、采礦活動，Zn和Pb具有中等的相關性，其累積可能來源于成土母質、交通運輸和石油開采活動。

關鍵詞：土壤；重金屬；空間分布；污染評價；來源分析

中圖分類號：X53" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0095-04

Abstract： In the process of open-pit mining， the coal seam contain some heavy metals， coal mining， transportation and dust may cause pollution and damage to the soil around the pit. In this paper， taking the surrounding area of an open-pit coal mining area as the research object， the spatial distribution characteristics of heavy metals in the mining area and surrounding pastures were studied by sampling and detecting the contents of six heavy metal elements： Cu， Ni， Zn， Pb， Cr and Cd. The results showed that the soil heavy metals Cu， Ni， Zn， Pb， Cr and Cd in the study area belonged to the safety level as a whole. The distribution characteristics of Cu， Ni， Cr and Cd are similar， showing that the content is relatively high in the open-pit coal mine area and in the west and north， and relatively low in the east and south. The content of Zn is relatively high in the west， north and east， and relatively low in the south and northeast. The content of Pb is relatively high in the northwest and east， and relatively low in the rest. Cu， Ni， Cr and Cd have high correlation， and their accumulation may come from the influence of soil parent material and animal husbandry and mining activities， while Zn and Pb have moderate correlation， and its accumulation may come from the influence of soil parent material， transportation and oil exploitation activities.

Keywords： soil; heavy metals; spatial distribution; pollution assessment; source analysis

土壤是生態環境重要的組成部分，也是人類賴以生存的基礎，但隨著經濟和工業的快速發展，大量的重金屬污染物通過各種途徑進入土壤環境，由于土壤重金屬污染具有富集性、持久性和隱蔽性的特點，對生態環境系統和人類都產生了較大影響，土壤重金屬污染問題已成為國內外學者關注的熱點[1]。為此，2016年國務院出臺了《土壤污染防治行動計劃》，要求對土壤污染進行風險管控，2018年8月生態環境部和國家市場監督管理總局發布了GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》，針對農用地土壤污染風險管控制定了風險篩選值和管制值。

土壤重金屬污染可能來自于區域地球化學與成土過程的自然影響和工礦企業及農業生產等人為活動的影響。目前，關于土壤重金屬污染評價的研究主要集中在污染程度評價[2-4]、風險評估[5-6]、重金屬污染空間分布[7-8]及污染源解析[9-13]等方面。

本文選擇某露天煤礦區周邊區域為研究對象，通過采樣與檢測Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd 6種重金屬元素的含量，對礦區及周邊牧場重金屬的空間分布特征進行了研究，并采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法評價污染程度，分析研究區域土壤重金屬的累積來源。該研究為露天煤礦區重金屬風險管控及安全管理提供科學依據，對當地牧業可持續發展具有重要意義。

1" 材料與方法

1.1" 研究區概況

該露天礦區地面標高為980～1 093 m，地勢為西北部高，東南部低（圖1）。屬于半干旱草原氣候，極端最高氣溫38.3 ℃，最低氣溫-42.4 ℃。氣溫-25 ℃以下平均每年發生40.15 d，年平均降水量為293.45 mm（1957—2004年），年平均蒸發量為1 794.64 mm（1974—2004年）。凍結期為每年的10月初至12月上旬，最大凍土深度為2.89 m（1969年），平均凍土深度為2.42 m。礦區東部、北部和西部均為牧區，其中距離礦區東部有錫林河流過。栗鈣土是該區域的主要土質類型，約25～35 cm厚，腐殖質含量在1.5%～3%之間。該地區栗鈣土多沙壤質地，砂性較重，易于遭受風蝕形成沙地。

1.2" 樣品采集與分析

為研究露天煤礦區及周邊牧區土壤重金屬分布特征，依據Google earth衛星影像，對礦區及周邊牧區分別進行密集取樣，采集時間為2017年12月，采樣點共計31個。采樣點采取隨機布點法布設，綜合考慮人口密度及工業企業分布等因素。選取0～30 cm深度的土壤，除去動植物殘體、碎石等雜物，采用四分法取樣。樣品經過風干與初篩后，取過100目篩子的土樣0.1 g，采用微波消解儀消解，消解液為HNO3-HCl-HF，消解后趕酸然后定容到100 mL，采用電感耦合等離子體質譜儀ICP-MS（SHIMADZU 2030）對重金屬元素Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd進行測定。同時做3組平行樣，取均值作為樣品重金屬的含量。

1.3" 土壤重金屬污染評價方法

參照生態環境部和國家市場監督管理總局發布的GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》，對土壤重金屬污染進行評價。具體采用土壤污染風險篩選值中利用類型為“其他”且pH＞7.5的標準值對Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd進行評價。

1.3.1" 單因子污染指數法

單因子污染指數法是用來評價土壤中單一污染物的污染程度。其計算公式如下[7]

Pi= ，

式中：Pi為污染物i的單因子污染指數；Ci為污染物i的實測濃度，mg/kg；Si為評價標準中污染物i的濃度限值，mg/kg。

當Pi≤1.0時，土壤未受污染；當Pi＞1.0時，土壤受到污染，Pi值越大，土壤受到的污染程度越嚴重。

1.3.2" 內梅羅綜合污染指數法

內梅羅綜合污染指數法綜合考慮單因子污染指數的平均值和最大值，可以全面反映土壤中各污染物的綜合污染水平，突出污染嚴重的污染物造成的環境影響。計算公式如下

P綜= ，

式中：Pave為土壤中不同污染物的單因子污染指數的平均值；Pmax為土壤不同污染物單因子污染指數的最大值。

1.4" 數據處理

數據采用SPSS 25.0統計軟件進行經典統計分析；采用Origin 8.5繪制土壤重金屬含量及污染指數差異性；采用Sufer 13.0軟件分析土壤重金屬含量空間分布特征。

2" 結果與討論

2.1" 土壤重金屬含量統計分析

土壤中重金屬Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd含量描述性統計分析，由圖2所示，土壤中6種重金屬的平均含量為Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞Pb＞Cd。Cu的含量分布范圍為1.871～48.520 mg/kg，Ni的含量分布范圍為0.432～60.840 mg/kg，Zn的含量分布范圍為24.990～77.673 mg/kg，Pb的含量分布范圍為0.025～30.880 mg/kg，Cr的含量分布范圍為1.866～126.200 mg/kg，Cd的含量分布范圍為0.228～0.760 mg/kg。

土壤中重金屬元素的變異系數反映了其空間變異程度，變異系數越大，空間分布上的差異也越大[7]。本場地重金屬元素的變異系數為Pb＞Ni＞Cr＞Cu＞Cd＞Zn。其中，重金屬Pb的變異系數高達144.87%，Ni、Cr和Cu的變異系數均在65%以上，說明Pb、Ni、Cr和Cu的空間分布上存在較大差異。這主要是由于該研究區域存在牧區草場、露天煤礦、蔬菜基地及干涸河道4種區域類型，成土母質和人類活動對土壤中重金屬含量存在一定的影響[11]，從而導致Pb、Ni、Cr和Cu在空間分布上存在較大的差異性。

2.2" 土壤重金屬空間分布特征

為了直觀地反映研究區域中土壤重金屬的空間分布特征，采用Sufer 13.0和克里金插值法對Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd 6種元素的含量進行等值線繪制，結果如圖3所示。研究區內Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd的含量都低于GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》的標準值。其中，Cu、Ni、Cr和Cd的分布特征相似，均呈現北部和西部高、南部和東部低的趨勢。在露天煤礦區和西部、北部牧區草場Cu、Ni、Cr和Cd的含量相對較高，在東部河道區域和南部蔬菜基地Cu、Ni、Cr和Cd的含量相對較低。Zn、Pb則呈現出不同的分布特征，西部和北部牧區草場及東部河道區域Zn的含量相對較高，南部蔬菜基地和東北部草場Zn的含量相對較低。西北部牧區草場和東部河道區域2個監測點Pb的含量相對較高，其余的地方則相對較低。研究區域內大部分地區Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd重金屬含量超過了當地土壤背景值，含量較高區域集中在采礦、畜牧及河道區域附近。由于土壤重金屬的分布主要受成土母質和人類活動的影響，因此，推測該區域重金屬含量及空間分布受二者的綜合影響。

3" 結論

1）研究區土壤重金屬Cu、Ni、Zn、Pb、Cr和Cd的單因子污染指數Pi均值和內梅羅綜合指數P綜都小于1，整體屬于安全水平，重金屬含量符合GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》標準。

2）Cu、Ni、Cr和Cd的分布特征相似，呈現在露天煤礦區和西部、北部牧區草場含量相對較高，在東部河道區域和南部蔬菜基地含量相對較低的特征。Zn呈現在西部和北部牧區草場及東部河道區域含量相對較高，南部蔬菜基地和東北部草場的含量相對較低的特征。Pb呈現在西北部牧區草場和東部河道區域2個監測點的含量相對較高，其余的地方則相對較低的特征。

3）Cu、Ni、Cr和Cd具有較高的相關性，其累積可能來源于成土母質和畜牧、采礦活動，Zn和Pb具有中等的相關性，其累積可能來源于成土母質、交通運輸和石油開采活動。

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