准东煤区土壤重金属环境风险及空间分布特征

宋 佳，徐长春，罗映雪，杨媛媛

（新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046）

土壤是人类赖以活动生存的环境因素之一，能直接或间接改变人类的生活质量及生活方式［1］。土壤中的重金属绝大部分来源于人类活动，如土壤侵蚀、交通运输、农药的使用、工业“三废”、矿山开采及大气颗粒物的沉降等一系列活动［2］。重金属是具有毒素的元素类型之一，在土壤环境中能长时间保留在土壤中，很难被降解［3-4］，积累在土壤中的重金属，经过雨水的冲刷进而进入水体，从而严重危害动物、人体健康［5］。因此，近几年土壤重金属在污染评价、空间分布、特征分析、来源解析等方面的研究受到了广泛关注［6-9］。

新疆准东煤矿是新疆的重要资源之一，自煤矿开采以来，生态环境受到了极大的胁迫，直接影响到该地区的生态经济环境。由于常年进行采矿活动，煤炭中的重金属污染物以不同的途径进入土壤，大气环境污染严重，植被退化，从而增加了土壤重金属环境风险的概率。因此准东煤田土壤重金属环境风险及生态修复迫在眉睫。

国内众多学者已对新疆准东煤区的土壤重金属来源及污染状况进行了研究，其中刘巍等对准东煤田露天煤区土壤重金属采用主成分分析法和内梅罗指数法、地累积指数（（Igeo））法等方法，进行了污染现状评价与来源分析，并分析了准东煤区周边土壤重金属与降尘重金属的关系及污染风险［10-11］。前人主要对当地的重金属污染状况和来源进行解析，对土壤生态环境问题进行评价，但对该地区的环境风险评价研究较少，因此笔者拟用单因子、地累积和环境风险指数法对新疆准东煤区重金属进行研究，为新疆准东煤区的生态治理提供合理的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆准噶尔盆地东部，海拔300～600 m，主要位于阜康地区，地处古尔班通谷沙漠北部。由于研究区常年进行煤炭开采活动，生态环境极为脆弱且植被覆盖度较少。研究区属大陆性温带沙漠气候，蒸降比大。矿区内植被类型少，覆盖度较低。植被生长矮小，大多为干旱性植被。常年风沙较大，土壤盐渍化较为严重。

1.2 土壤样品采集及处理

2014年7月和2017年6月对准东煤矿进行总体调查，准东煤区布设了27个采样点，采集土壤样点时，用手持式GPS（全球定位系统）仪器对采样点进行定位，采样点分布情况见图1。每个采样点取表层0～10 cm的土壤，采样点主要布置在煤田开采区周边、工厂附近农田、工业区周边，以及生活区和办公区周围等。对野外采集回的土壤样品进行自然风干、去除杂物、过筛。进而使用日立Z-2000型原子吸收分光光度计对Hg、As 2种元素进行检测，使用火焰原子吸收机测量Zn、Cu、Cr、Pb元素含量。

1.3 研究方法

1.3.1 单因子污染分析法 单因子污染分析法是单个重金属元素层面的评价重金属污染程度的方法。计算公式如下［12］：

式中：CF为单因子污染指数；Ci为污染物实测值，g/kg；SI为新疆土壤重金属背景值，g/kg，本研究采用GB 15618—1995《土壤环境质量标准》指标。

1.3.2 地累积指数 地累积指数法是德国学者Muller提出的［13］，用于综合分析土壤重金属污染状况。此法广泛应用在土壤重金属评价领域，公式如下：

式中：Cn是元素n在重金属中的含量；Bn代表该元素的地球化学背景值［10］；K为考虑不同地区岩石差异造成的背景系数变动（一般取1.5）。地累积评价指标见表1。

表1 地累积评价指标［14］

1.3.3 环境风险表征方法 环境风险采用Rapant等提出的环境风险指数（index of environmental risk，简称IER）进行表征［15］。计算公式为：

式中：IERi代表第i个类型重金属超过临界限量的环境风险指数；CAi代表第i个类型重金属的含量（g/kg）；CRi代表第i个类型重金属的限量临界值（g/kg）；IER代表样品的环境风险指数。需要说明的是，如果CAi＜CRi，则定义IERi为0。

根据Rapant等划分的环境风险标准［15］，笔者引用此标准来定量土壤中重金属污染的环境风险程度，分级标准见表2。

表2 环境风险指数分级［15］

1.4 数据处理与统计分析

本研究中运用多元统计法及自组织特征映射神经网络技术（self-organizingmap，简称SOM）、单因子污染分析法和地累积以及环境风险指数对土壤中的Zn、Cu、Cr、Hg、As、Pb进行研究。采用单因子污染分析法、地累积和环境风险指数法分析准东煤区土壤重金属环境风险状况。数据的统计、Pearson相关分析、PCA（主成分分析）均由SPSS20.0完成；数据记录由Excel 2013完成；SOM算法由Matlab 2012实现。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量的统计描述

通过对比2014年和2017年土壤重金属含量均值（表3）可以看出，土壤中2017年Zn元素含量比2014年减少了86.96%，2017年Hg元素含量比2014年减少了84.85%。而2017年As元素含量比2014年增加了154.56%，增加最明显，但仍未超出新疆背景值。此外，Pb含量也有所增加，说明重金属含量变化较为明显。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年仅Cr元素含量超出了新疆背景值，相对于2014年重金属含量，2017年重金属含量相对减少。

表3 土壤重金属含量

由图2可以看出，2014年研究区土壤Cr元素变异系数为59%，Hg的CV为184%，As的CV为76%，其中Cr与As元素（10% ＜CV＜100%）属于中等变异，Hg（CV＝184%，＞100%）属于高等变异。此外，土壤中Hg元素CV高于其他重金属，表明土壤中Hg含量易受到人类活动和外界因素的影响。相比于2014年，2017年Hg元素的变异系数有所下降（CV＝92%），说明此期间研究区由于人类活动的影响，土壤Hg含量变化有所减少，此外Cr、Pb、As元素变异系数均有所下降，而Zn与Cu元素变异系数有所增加。从表3可以看出，2014年研究区土壤重金属Cr、Hg元素含量超出了新疆背景值，2017年仅Cr元素含量超出新疆背景值，结合图2，此变化受到自然因素的影响减少，受人类活动的影响增加，这与新疆“一带一路”大背景下建设生态文明、加大环境保护力度有关。

从图3可以看出，2014年的土壤重金属质量分数较大，其中Cu、Hg元素2014年的土壤重金属百分比达99%以上，2017年百分比在2%以下，说明在准东煤区Cu、Hg元素含量明显下降；2014年Pb元素质量分数为34%，而2017年为66%，说明Pb元素相对含量在增加；2014年的土壤Zn与Cr元素的质量分数均大于2017年。表明准东煤区2014—2017年土壤重金属含量除了Pb元素外均呈减少趋势。

2.2 土壤重金属SOM分析

由分组结果（图4）可知，如果分组过少，会造成部分差异性较大的土壤样本被分到同一个组；若分组过多，相似度高的部分样本会被单独分组或出现无效分组。综合考虑样本的相似性和分组的有效性，本研究最后确定分组结果为5×6，即30组（图4-B）。

用SOM分组邻域加权距离映射图（图4-A）表示相邻分组的权重距离，并用颜色的深浅表示权重距离大小。颜色的深浅代表2组土壤之间的差异程度，颜色越浅，差异越小，反之则越大。为了能更清晰地表达6个土壤属性在30个分组中的权重以及各土壤属性之间的内在相关性，本研究分析了6个土壤属性的邻域加权距离映射（图4-C，图中颜色的深浅代表数值的大小）。

通过比较各土壤属性邻域加权距离映射图可以看出，不同的土壤属性之间呈正相关、负相关或无显著相关性。土壤重金属As与Cu之间呈正相关关系，表明重金属Cu元素随着As元素含量的增加而增加。元素SOM权重图的高低，说明重金属来源的差异性的大小。从金属元素权重图可以看出，As和Cu元素的相似性较高，说明这2种元素具有相似的来源。同理可得Pb和Zn具有较高的相似度，表明Pb、Zn元素可能同源。

2.3 土壤重金属污染评价

2.3.1 单因子污染评价 单因子污染统计分析（图5）可知在0～10 cm的表层土壤中，2014年土壤Cr元素含量的单因子污染指数均值超过1，2017年Cr、Hg和As 3种土壤重金属含量的单因子污染指数均超出1，存在污染风险，说明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远远超过在地壳中的含量，主要来源可能是大量煤炭燃烧，表明该地区近3年并未对Hg和As元素来源进行控制和治理；此外，Zn和Cu元素均未出现污染状况，说明多年来准东煤区的开采并未引起土壤中Zn和Cu元素含量的增加；Pb元素含量从2014年到2017年变化不大，均未超过分界线，也均未发生富集现象。综上所述，2014年至2017年3年中研究区土壤污染状况整体无改良趋势，准东煤田除常年煤炭开采外还伴随着一系列的煤电、煤化工等生产活动，这些活动均会引起大气降尘中Hg和As重金属含量升高［11-12］，2017年Hg和As元素发生富集现象（图5-B），进一步说明2014年以来准东煤区煤炭的连续开采导致使该地区的Hg和As元素含量增加。

2.3.2 地累积指数法评价 地累积指数［13］能够有效判别土壤中重金属污染程度的强弱并用于划分污染程度表［16-20］，研究区2014年和2017年土壤中每种重金属的地累积指数值的范围和平均值见图6。由地累积指数可知，2014年重金属污染的强弱顺序为As＞Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Hg。2017年土壤重金属污染程度依次为Pb＞As＞Cr＞Zn＞Cu＞Hg。从图6可以看出，2014年6种土壤重金属中只有As元素出现重金属污染现象，其余重金属的地累积指数大部分处于0以下，说明未出现污染状况，Zn、Cr、Cu、Pb、Hg地累积指数只有个别异常点大于0（图6-A）。而2017年土壤重金属As与Pb元素出现严重污染现状，说明3年来煤区的开采导致土壤重金属As与Pb元素出现富集现象；2017年的Cr元素达中度污染状况，相对于2014年土壤重金属污染情况，污染程度有所增加；Zn和Cu元素也出现污染状况，说明煤区的开采还在持续影响着土壤重金属环境（图6-B）。从地累积指数可知，Hg元素并未出现污染状况，研究表明，煤炭燃烧是Hg的主要来源［11-12］，而2014年和2017年的地累积指数变化不明显，可推测煤炭燃烧工厂做了一些排废处理，因此地表土壤重金属含量无显著增加，没有发生污染状况。

2.4 重金属的环境风险测度

根据环境风险指数公式可知，土壤重金属Zn、Cu和Pb元素环境风险指数较低，说明这3种指数对环境影响较小；而Hg、As元素环境风险指数相对于其他4个土壤重金属元素要高，说明其环境风险发生的概率较大。2014年Cr、Hg和As元素的环境风险指数比2017年的高，说明环境风险发生的概率减少，而2017年土壤重金属的环境风险指数均较低（图7），说明该年土壤整体环境风险较低。

基于Rapant等提出的IER和前人研究得出的重金属污染评价参数［21］以及相应的临界风险限量（表4）定量分析准东煤区土壤重金属产生的环境风险特征。由环境风险指数与样品的频率分布（图8）可知，2014年样品中，无环境风险的比例为61.2%，低环境风险的比例为10.34%，中等环境风险的比例为24.56%，高环境风险的比例为0.86%，极高环境风险的比例为3.01%，说明准东煤区土壤重金属污染产生的环境风险比较低。2017年样品中，无环境风险的比例为66.98%，低环境风险的比例为11.0%，中等环境风险的比例为16.74%，高环境风险的比例为1.91%，极高环境风险级别的比例为3.34%，其中无环境风险比例为66.98%，高环境风险和极高环境风险比例为5.25%，比2014年增加1.38百分点，说明近3年土壤中某些污染严重的重金属风险在升高，相关环保部门应针对能够带来重金属污染高风险的单位进行监管，并对严重污染区域进行修复。综上所述，从2014年至2017年无环境风险的频率有所提高，但不明显，中等环境风险频率有所下降，其余环境风险频率变化不大，说明该地区的重金属污染状况并未得到改善且环境风险较低。

2.5 重金属空间分布分析

本研究将2014年与2017年的数据进行平均，进而分析其空间特征。在准东煤区，包含工厂、生活区、农田区等区域研究煤区土壤重金属分布及污染状况很有必要。从图9可以看出，空间分布趋势基本一致的土壤重金属为Zn、Cu，这2个元素高值主要分布在煤区，工业区重金属分布较少，污染程度一般。研究区的东部与东北部为Zn重金属含量重度污染区，主要由于这附近分布着电厂和一些工业带。

表4 环境风险评价的重金属参数及其相应的临界风险限量［21］

Cr的重污染区位于216国道的西北部与五彩湾煤电工业带附近，煤矿开采区处于轻度污染和中度污染之间。Pb高值区出现在五彩湾煤矿开采区北部及其周围，主要因为在污染区北面有煤炭加工厂，南方有冶炼厂，这些工厂均可能是污染物来源，这与姚峰等的观点［22］一致。

Hg重金属的高值区主要位于研究区东部，该地区煤矿开采活动较为强烈，且有大量煤矸石堆场，矸石堆中含有大量Hg元素，除此之外，来自矿石燃烧的烟尘也会带来Hg污染，位于西北部的发电厂等工业带也是污染源。土壤中As的最高值分布在五彩湾煤区偏南部和五彩湾工业带北部，其中五彩湾煤区偏南部出现重污染状况，因为周边存在发电厂，此处是重要的As污染源。除以上工业活动外，还有一些人为因素造成不同区域重金属污染程度不同，包括研究区内人们生活中交通尾气的排放、废弃物的堆积等。

从图9可以看出，6种重金属含量高低值的分布具有较强随机性，且在煤区、矿坑周围、发电厂、矸石场、化工厂和公路2侧等地方均出现重金属的高值，出现高值主要是因为工业区生产活动所产生的粉尘、原煤、矸石、覆土等污染物通过交通运输、加工、废物处理等环节从地下迁移到地表，其次因风速、风向、降水等气象因素导致大气中污染物降落到地表，从而增加了土壤重金属的含量。

3 结论

本研究通过对比2014、2017年准东煤区土壤重金属含量，并对不同年份的6种重金属含量和污染程度进行评价，分析了该地区2014、2017年的环境风险状况。主要得出以下结论：

从土壤理化性质分析可知，2017年土壤重金属中Zn、Hg元素比2014年含量出现减少现象。Hg元素变异系数为184%，属于高等变异。2017年相比2014年元素CV有所下降。

通过SOM分析可知，As与Cu之间呈正相关，As和Cu元素的相似性较高，Pb和Zn具有较高的相似度，表明As和Cu、Pb和Zn元素可能同源。

通过污染分析可知，2014年除Cr元素以外的元素含量均未超出新疆背景值。2017年土壤重金属除Cr、Hg和As元素外其他重金属均未出现污染状况。由地累积指数可知，2014年重金属污染的强弱顺序为As＞Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Hg，2017年土壤重金属污染程度依次为Pb＞As＞Cr＞Zn＞Cu＞Hg。

从环境风险测度可知，2014年样品中属无风险以上的比例接近61.2%；2017年土壤样品中属无风险的比例为66.98%。从2014年至2017年无环境风险的频率有所提高，但不明显，中等环境风险频率有所下降，其余环境风险频率变化不大。