呼伦贝尔露天煤矿堆土场外围牧场土壤的重金属污染评价

杨晓刚，胡 冰，庄 洋，包 蕾，乌仁其其格＊

（1.呼伦贝尔学院生命与环境科学学院，内蒙古呼伦贝尔021008；2.内蒙古额尔古纳国家湿地公园管理局，内蒙古额尔古纳022250）

呼伦贝尔露天煤矿堆土场外围牧场土壤的重金属污染评价

杨晓刚1，胡 冰1，庄 洋1，包 蕾2，乌仁其其格1＊

（1.呼伦贝尔学院生命与环境科学学院，内蒙古呼伦贝尔021008；2.内蒙古额尔古纳国家湿地公园管理局，内蒙古额尔古纳022250）

为露天煤矿矿区的土壤改良与修复提供依据，采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法与Hakanson潜在生态指数法相结合对呼伦贝尔市东明露天煤矿堆土场外围东南侧牧场土壤Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg等7种重金属的含量特征、污染程度与潜在生态风险进行研究，同时运用相关分析及主成分分析探讨牧场土壤重金属的主要来源。结果表明：牧场土壤7种重金属含量与国家土壤环境质量标准（GB15618—1995）二级标准相比均未超过规定限值，与内蒙古土壤重金属背景值相比，Zn和Pb的含量均超标，超标率为5.56%和83.33%。牧场土壤7种重金属的单项污染指数均＜1，土壤污染等级为清洁；综合污染指数＜0.7，土壤污染等级为安全。Cd的潜在生态危害系数平均值为53.04（＞40），呈中等生态危害程度，其他金属均为低生态危害程度；7种重金属综合潜在生态危害指数平均为86.43（＜90），呈轻微生态危害程度。主要贡献因子是Cd。Cu、Zn、Cd与Pb及As与Hg具有相同来源的可能性大，Cr具有单独的污染来源。

煤矿堆土场；牧场；土壤；重金属污染；污染评价；呼伦贝尔；内蒙古

随着经济的发展，矿产资源在国民经济和社会发展中占有举足轻重的地位［1］。露天煤矿是把煤层上方的表土和岩层剥离之后进行采掘的煤矿，其剥离的土壤堆积形成一定规模的外排土场。堆土场不仅占用大量土地，同时对周围的生态环境也造成了一定的污染［2］。堆土场的土壤在风力和雨水冲刷作用下，其重金属逐渐迁移到周围环境中，重金属的迁移往往具有隐蔽性、复杂性和不可逆性等特征，对人类健康产生直接或间接的影响［3-5］。阿不都艾尼·阿不里等［6］采用内梅罗指数法、地质累积指数法和潜在生态危害指数法对准东矿区土壤Zn、Cu、Cr、Pb、Hg和As等6种重金属进行评价，并利用分层比较、降尘法以及距离分析结合统计分析法对金属污染来源进行分析。刘巍等［7］采取描述统计、主成分分析和污染评价方法对准东煤田露天矿区煤矸石堆场周围不同距离土壤中Zn、Cu、Cr、Hg、As和Pb的含量及其污染特征及来源进行分析与评价。王贵等［8］以神华准能黑岱沟露天煤矿为例，研究土壤重金属Cu、Cr、Pb、Zn和Cd含量特征，并进行土壤环境污染评价。樊文华等［9］采用Hakanson潜在生态风险指数研究了安太堡露天煤矿复垦土壤重金属Cd、Cr、Cu、Pb、Hg和As等的污染程度及潜在的生态危害性。葛元英等［10］采用单因子指数法结合Hakanson生态风险指数法对平朔安太堡露天煤矿排土场复垦土壤重金属Hg、As、Cr、Cd和Pb的污染程度及其对土壤潜在的生态风险进行评价。马从安等［11-12］研究发现，重金属Cd是胜利露天煤矿土壤重金属污染的主要因子。呼伦贝尔地区煤层较浅，多以露天煤矿为主，目前有关该地区露天煤矿堆土场外围土壤重金属污染的研究未见报道。鉴于此，笔者依据相关国家标准，选取呼伦贝尔东明露天煤矿堆土场外围东南侧牧场土壤为研究对象，分析土壤Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg等7种重金属的含量特征，旨在为矿区的土壤改良与修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市陈巴尔虎旗东明煤矿（119°39′319″E～119°39′780″E，49°24′117″N～49°24′191″N）。该地属温带大陆季风气候，年降水量250～400mm，年均温-3～0℃，年蒸发量为降水量的2～7倍。光、热和风能资源丰富，年均风速3.0～4.6m/s，无霜期80～120d。群落以为羊草（Leymuschinensis）建群种，主要伴生种有贝加尔针茅（StipabaicalensisRoshev）、糙隐子草（Cleistogenessquarrosa）和冾草（Koeleriacrista）等。

1.2 研究对象

内蒙古自治区呼伦贝尔市陈巴尔虎旗东明露天煤矿堆土场的外围东南侧牧场（以下称牧场）土壤。

1.3 样品采集与测试项目

由于呼伦贝尔地区常年风向为西北风向，同时根据堆土场的位置特点，于2013年8月15日在牧场偏东方向选取D1、D2和D33个样带，其中，D1为距离堆土场10m，D2为距离堆土场100m，D3为距离堆土场500m。3个样带内分别随机选取3个样方（1m×1m），每个样方内按对角线选取5个点作为采样点，然后分别采集0～30cm土壤样品；每个样方内5个采样点同一深度（0～30cm）土壤样品充分混合，采用四分法取土1kg放入布袋中，即得该样方同一深度土壤样品。将土壤样品放置于阴凉通风处自然风干，剔除样品中的植物根系等杂物，碾碎，过100目尼龙筛备用。

pH采用玻璃电极法测定；Cr、Cu和Zn采用火焰原子吸收分光光度法测定；Cd和Pb采用石墨炉原子吸收分光光度法测定；As和Hg采用原子荧光法测定。

1.4 评价方法与标准

为确定牧场土壤重金属污染潜在的生态危害效应，采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法［6-7］，根据土壤环境质量标准（GB15618—1995）二级标准值及HJ/T16—2004土壤环境监测技术规范（表1和表2）［8-9］，结合采用Hakanson潜在生态指数法，以内蒙古自治区土壤背景值（表3）［10-12］作为参比值对矿区堆土场外围牧场土壤重金属潜在生态危害进行评价。

表1 土壤重金属污染等级划分标准Table 1 Grading standard of soil heavy metal pollution

表2 土壤重金属污染的评价标准Table 2 Assessment criterion of soil heavy metal pollution

表3 重金属污染潜在生态危害的分级标准Table 3 Grading standard of potential heavy metal pollution ecological hazard

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2003统计数据，采用SAS9.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 东明煤矿堆土场外围牧场土壤重金属的含量

由表4可见，牧场土壤重金属Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg的含量分别为34.26mg/kg、 9.12mg/kg、37.09mg/kg、0.094mg/kg、18.19mg/kg、5.18mg/kg和15.61μg/kg。与国家土壤环境质量标准（GB15618—1995）二级标准相比，各重金属均未超过规定限值；与内蒙古土壤重金属背景值相比，土壤Zn和Pb的含量均超标，超标率分别为5.56%和83.33%。7种重金属含量的变异系数以Cd的最大，为36.17%；其他重金属的变异系数均较小，为5.40%～28.96%。

表4 东明煤矿堆土场外围牧场土壤重金属的含量及超标率Table 4 Content and exceeding standard rate of heavy metal in pasture soil around soil accumulated place of Dongming coal mine

2.2 牧场土壤重金属污染的单因子污染指数与综合污染指数

由表5可见，1）单项污染指数。牧场土壤重金属Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg的单项污染指数平均分别为0.17、0.09、0.15、0.31、0.06、0.17和0.03，均＜1，说明，土壤污染等级为清洁；但Cd的单项污染指数最大值（0.84）接近1。说明，Cd污染有增大的趋势。2）综合污染指数。牧场土壤重金属综合污染指数为0.24，变异系数为33.33%，综合污染指数＜0.7，说明，土壤污染等级为安全；但综合污染指数最大值（0.62）接近0.7。说明，土壤总体为安全，但最大值接近轻度污染水平，应引起重视。

表5 牧场土壤的重金属污染指数Table 5 Pollution index of heavy metal in pasture soil

2.3 牧场土壤重金属污染的潜在生态危害

由表6可见，1）潜在生态危害系数。牧场土壤重金属Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg的潜在生态危害系数平均为1.66、3.17、0.76、53.04、5.29、6.91和15.60。其中，Cd的潜在生态危害系数平均为53.04（＞40），呈中等生态危害程度，其最大值为141.91（＞80，＜160），呈较重生态危害程度。其他重金属平均值和最大值均未超过40，呈低生态危害程度。2）潜在生态危害指数。7种重金属综合的潜在生态危害指数平均值为86.43（＜90），呈轻微生态危害程度；而最大值为190.18（＞180，＜360），变异系数为30.19%，呈强生态危害指数。其中，Cd是主要贡献因子。

表6 牧场土壤重金属污染的潜在生态危害系数和危害指数Table 6 Potential ecological hazard coefficient and index of heavy metal pollution in pasture soil

2.4 牧场土壤重金属元素间的相关性

由表7可见，Cr与Cu、Cd和Pb的相关系数分别为0.44、0.40和0.53，差异不显著（P＞0.05）。Cu与Pb的相关系数为0.44，与Zn、As和Hg的相关系数分别为-0.36、-0.34和-0.36，差异不显著（P＞0.05）。Zn与Cd的相关系数为0.72，差异显著（P＜0.05）；与Pb的相关系数为0.50，差异不显著（P＞0.05）。Cd与Pb的相关系数为0.90，差异极显著（P＜0.01）。As与Hg的相关系数为0.95，差异极显著（P＜0.01）。

表7 牧场土壤重金属元素间的相关性Table 7 Correlations between different heavy metals in pasture soil

2.5 牧场土壤重金属元素的主成分分析

由表8可见，牧场土壤重金属受3个主成分控制，累计方差贡献率达90.95%。第1主成分的方差贡献率为38.65%，Cu、Zn、Cd和Pb在第一主成分上有较高的正载荷，分别为0.41、0.43、0.50和 0.53；第二主成分的方差贡献率为31.31%，As和Hg在第2主成分上有较高的正载荷，分别为0.69和0.65。第三主成分的方差贡献率为20.99%，Cr在第3主成分上有较高的正载荷，为0.69。

表8 堆土场外围牧场土壤重金属元素主成分分析Table 8 Principal component analysis of heavy metals in pasture soil around soil accumulated place of Dongming coal mine

3 结论与讨论

1）变异系数反映总体样本中各采样点的平均变异程度，一定区域内重金属含量的变异大小可反映该区域内重金属元素的分布和污染程度的差异［13］。研究结果表明，土壤重金属含量变异系数以Cd的最大，达36.17%；其他重金属的变异系数较小，在5.40%～28.96%。表明，土壤中Cd的分布差异较大，而土壤中Cr、Cu、Zn、Pb、As和Hg的分布较均匀，存在相似的污染程度。同时，与国家土壤环境质量标准（GB15618—1995）二级标准相比，牧场土壤各重金属含量均未超过规定限值；与内蒙古土壤重金属背景值相比，仅Zn和Pb的含量超标，超标率分别为5.56%和83.33%。

2）牧场土壤重金属Cr、Cu、Zn、Cd、Pb、As和Hg的单项污染指数均小于1，土壤污染等级呈清洁；综合污染指数小于0.7，土壤污染等级为安全。

3）重金属Cd的潜在生态危害系数平均值53.04（＞40），呈中等生态危害程度，最大值为141.91（＞80，＜160），呈较重生态危害程度。其他重金属的平均值和最大值均未超过40，呈低生态危害程度；7种重金属综合的潜在生态危害指数平均值为86.43（＜小于90），呈轻微生态危害程度，最大值190.18（＞180，＜360），呈强生态危害程度。主要贡献因子是Cd。

4）同一区域土壤重金属的来源可是单一的，也可是多种的。研究土壤重金属全量之间的相关性可以推测出重金属来源是否相同。如果重金属含量有显著的相关性，说明元素之间具有相同来源的可能性大，反之则表示来源不同［14］。研究结果表明，Cu、Zn、Cd与Pb，As与Hg具有相同来源的可能性大，Cr可能具有单独的污染来源。重金属来源的不同可能与堆土场东北侧为东明煤矿堆煤场有关。虽然煤矿采用了抑尘网防尘措施，但是仍有少量的煤尘漂浮进入堆土场研究区域，从而造成金属来源的不同。

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（责任编辑：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

内蒙古自治区地质勘查基金项目“内蒙古自治区海拉尔盆地群煤炭勘查开发对环境影响的现状调查”（12-3-MT04）

杨晓刚（1978-），男，副教授，硕士，从事环境保护与动物遗传育种研究。E-mail：yangxiaogang1978＠163.com

＊通讯作者：乌仁其其格（1963-），女，教授，博士，从事草原生态学研究。E-mail：wuren2004＠163.com

1001-3601（2016）09-0406-0152-05