准东地区土壤重金属污染特征及来源分析

阿卜杜萨拉木·阿布都加帕尔，王宏卫，杨胜天，刘香云

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.北京师范大学地理与遥感科学学院，北京 100875)

煤炭资源的不断开采以及工农业生产活动的快速发展在促进区域社会经济发展的同时，也引起了一定程度的大气污染、植被生长受损和土壤质量恶化等一系列生态环境问题，尤其导致的土壤重金属污染越来越严峻[1-3]。土壤重金属污染是指不同人为活动的影响下，污染源形成的重金属元素通过沉降或淋溶等不同方式累积在土壤中，并使土壤本身存在的重金属含量超出标准范围而造成污染的过程[4-5]。重金属元素具有易被富集、迁移缓慢、污染隐蔽、难以分解等特征，从而造成土壤环境的污染、生态系统的破坏等现象，甚至通过食物链直接或间接地威胁人体健康和生命安全[6-8]。土壤重金属污染的日益突出逐渐引起了相关环境部门的高度重视，已成为全球性环境污染研究领域的主要热点问题。

目前，国内外诸多学者利用统计学和不同污染评价方法对土壤重金属污染特征、空间异质性以及污染来源等方面开展了不少工作。刘硕等[9]对龙口市北部的煤矿附近表层土壤重金属元素的空间分布特征进行了研究，结果发现研究区存在较严重的污染，污染主要分布在桑园、北皂和柳海等煤矿附近地区；高文文等[10]以安太堡煤矿周边工业园为研究对象，采用内梅罗指数、单因子指数和潜在生态危害指数等污染评价方法，对研究区土壤重金属的污染现状进行了评价，发现土壤受到了不同程度的污染，其中Hg元素是主要的污染因子。但大多数研究只针对整体区域的重金属污染特征，而对不同功能区污染程度和来源辨识方面相对比较稀少。基于此，本文以准东地区不同功能区域为研究对象，利用地统计学方法定量分析了各区域污染特征及空间分布状况，采用内梅罗综合污染指数和污染负荷指数方法评价了其污染程度，并借用多元统计方法解析了主要污染来源，从而为准东地区土壤重金属污染防治、管理以及修复脆弱生态环境提供一定的理论参考和技术指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区中部为古尔班通古特沙漠，西至乌鲁木齐米东区，东至奇台县与蒙古交界，南与东天山山脉中低山区相接，北与卡拉麦里山自然保护区接壤，总面积约2.8×104km2。准东地区海拔在350～2 800 m之间，地势总体呈南北高、中间低凹形。研究区气候极度干燥，常年少雨，光照丰富，昼夜温差大，常年以西北风为主，属于中温带大陆性干旱沙漠气候。土壤种类不多，发育程度缓慢，地表植被类型单调，物种单一，分布稀疏，常见的植被有蛇麻黄、梭梭、柽柳和琵琶柴等。

1.2 土壤样品采集与测定

2016年10月14日～23日在准东地区进行了野外调查，为了准确掌握研究区土壤污染状况，采样点布设在准东地区不同小区域(图1)。其中，A区为五彩湾煤矿周围，B区为工业园密集的阜康市，C区为吉木萨尔和奇台县农田附近。本研究共选取了168个土壤采样点，并记录其地理坐标、植被覆盖、风向风速以及周围地理环境等辅助信息。以2 m×2 m正方形范围为依据，在四个顶角和对角线交点等五处进行采取0～20 cm表层土壤样品，用四分法将五处的土样均匀混合取1 kg左右，并装入采样袋备用重金属元素含量的测定。

经过剔除土样中杂质进行自然风干，用干净木棒研磨过1 mm孔径筛子并称取0.5000 g，按照相应化学方法[11]准备待测溶液，并送至新疆大学理化测试中心，利用全谱电感耦合等离子体发射光谱仪来测试溶液中Zn、Cu、Cr、Hg、Pb和As等6种重金属元素的含量。其中，As和Hg利用原子荧光光谱法测定，Zn、Cu、Cr和Pb利用火焰原子吸收光谱法测定，每个样品进行3次测定，取均值作为测定最终值。

1.3 污染评价方法

1.3.1 内梅罗综合污染指数

内梅罗综合污染指数以单因子指数基础上兼顾变量最大值和平均值的多因子环境质量评价方法[12]，它不仅可以指出污染贡献突出的元素，也能够总体评价不同元素对土壤环境造成的污染水平。内梅罗综合污染指数的计算公式见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Pi为单因子指数；PN为内梅罗综合污染指数；Ci为重金属含量的实测值，mg/kg；Si为新疆背景值，mg/kg；max和ave分别为单因子指数的最大值和平均值。

图1 研究区及采样点分布图Fig.1 Sketch map of study area and sampling sites

1.3.2 污染负荷指数

污染负荷指数是一种可以直观反映各重金属元素对土壤造成污染贡献程度的方法。污染负荷指数计算步骤简单，评价标准通常选取研究区土壤背景值，从而可以准确判断人为污染状况，却忽略了不同污染源导致的差异性。污染负荷指数的计算公式见式(3)～(5)。

CFi=Ci/Si

(3)

(4)

(5)

式中：CFi为重金属元素最高污染系数；Ci为重金属含量的实测值，mg/kg；Si为新疆背景值，mg/kg；PLI为某点处的污染负荷指数；n为评价的重金属元素类型；PLIzone为某区域的污染负荷指数，m为采样点数量。

1.4 数据处理

通过SPSS 19.0统计软件进行数据处理，运用Matlab 2012软件实现土壤重金属含量之间的相关性，借助ArcGIS 10.3软件绘制了土壤重金属含量的空间分布格局图。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量的描述性统计特征

准东地区不同区域土壤重金属含量的描述性统计结果见表1。A区、B区和C区6种重金属元素的含量大小为Cr>Zn>As>Cu>Pb>Hg，平均值分别为43.25～49.18 mg/kg、20.62～22.20 mg/kg、43.23～85.86 mg/kg、14.90～32.41 mg/kg、0.02～0.06 mg/kg和31.94～36.53 mg/kg，其中Zn和Cu平均值未超过新疆背景值[13]，但三个区内Cr、Hg、As和Pb平均值不同程度上超过了背景值，超标率在30%～100%之间，可知研究区土壤存在较严重的污染。对比不同区域的各元素含量可知：A区的Zn、Cr和Hg含量均大于B区和C区，说明煤矿开采活动对土壤重金属的累积存在较大影响；Cu和As在B区的含量大于A区和C区，而Pb元素含量为C区>B区>A区，说明土壤环境的污染与工业生产和农业活动等人为因子也有密切关系。变异系数可以反映数据变量空间上的离散程度，用CV来表示：若CV<10%为弱变异性；10%≤CV≤100%为中度变异性；CV>100%为强度变异性[14]。研究区除Hg外，其他5种元素的变异系数在14%～59%之间，均呈中等空间变异性，表明Zn、Cu、Cr、Pb、和As的污染不仅受到结构性因素影响，同时也受到随机性因素的作用。

2.2 土壤重金属含量的空间分布特征

利用ArcGIS空间插值模块绘制了准东地区土壤重金属含量空间分布格局，结果见图2。从A区重金属元素的空间分布特征来看：Zn、Cu和As的空间分布存在一定的规律性和相似性，总体呈从西北到东南递减的变化趋势，高值出现在五彩湾露天煤矿周围和道路两边，低值出现在研究区东南部的荒漠类草地自然保护区北缘，可知污染不仅与成土母质等自然因子有关，同时也受到煤炭开采活动的影响；Pb和Cr也具有较相似的分布特征，其高值出现在火烧山煤矿产业带以及煤炭加工厂周边，低值则分布在研究区东北部人类活动稀疏的卡拉麦里山附近，说明污染受到煤矿开采和煤炭运输等人类活动的影响较明显。B区Zn、Cr和Cu高浓度值分布在阜康市的大小工业园附近，低值出现农业平原区，而As和Pb高浓度含量出现在煤电煤化工厂周边以及公路两侧，表明污染与自然和随机因子的双重作用有关。相对C区来看，Zn、Cu、Hg和Cr的空间分布呈现“西高东低”的分布规律，高值主要分布在吉木萨尔县农田周围的小型工厂或煤炭堆积区附近，而As在奇台县东部的农田耕地出现高浓度值，可知污染一定程度上受到了农业活动的影响。

表1 研究区土壤重金属含量的描述性统计

图2 研究区土壤重金属含量空间分布图Fig.2 Spatial distribution map of soil heavy metals in the study area

2.3 内梅罗综合污染指数评价结果

计算研究区土壤重金属内梅罗综合污染指数，结果见表2。由表2可知，Zn和Cu的单因子指数在0.63～0.83之间，均未超过最低污染等级范围，其污染处在警戒状态；As、Hg和Cr的单因子指数分别在2.97～3.26、0.93～3.13和0.88～1.74之间，污染程度处在轻微至重度污染，且均值都超出土壤背景值，说明该三种元素是危害土壤环境质量的主要污染因子。从内梅罗综合污染指数来看，Zn和Cu处于警戒和轻微污染水平，Hg和Cr在A区内梅罗综合污染指数为2.96和4.45，分别呈现中度和重度污染水平，但在B区和C区属于轻微污染，说明该两个元素的污染受到煤炭开采的影响较明显，As在A区、B区、C区的污染指数分别为4.05、4.65、4.15，均属于重度污染，可见该元素在各区内都存在较严重的污染，这主要与自然和人为因素的共同影响有关。

2.4 污染负荷指数评价结果

研究区土壤重金属的最高污染系数和污染负荷指数结果见图3。由图3可知，A区Hg的污染系数最大，其次是As和Cr；B区和C区污染系数较高的是As和Pb，最小的是Zn，可知这三种元素导致的污染贡献较为明显，但三个区域存在一定的差异，可能具有不同的污染来源。A区、B区、C区的土壤重金属污染负荷指数分别为1.69、1.15和1.08，均在1～2之间，均属于中度污染，其不同区域大小排序为A区>B区>C区，表明五彩湾露天煤矿的煤炭开采对当地土壤重金属污染的影响比较大，同时天山北坡工、农业活动也对准东地区土壤环境质量造成了不同程度的影响，应引起重视。

表2 土壤重金属内梅罗综合污染污染指数评价结果

图3 不同区域土壤重金属元素CF、LPI及LPIzone对比图Fig.3 Comparison chart of CF、LPI and LPIzone of soil heavy metals in the different regions

2.5 土壤重金属污染来源分析

2.5.1 土壤重金属相关性分析

污染来源相似的重金属元素之间存在较好的线性相关关系。利用Pearson相关系数对准东地区不同区域的6种重金属含量数据进行了相关性分析。由图4可知，研究区内Cu、Zn、As和Cr相互之间均呈现高度显著相关性，其中Cu与Zn和As的相关性最高，A区的相关系数达到0.83(p<0.01)，说明这三种元素可能具有相似的污染来源；除C区Hg与Cu外，Hg与其他5种元素之间相关性程度不明显，表明该元素的污染来源可能较为复杂；同样Pb与各元素之间均显著不相关，其相关系数普遍小于0.4(p<0.05)，表明Pb与其他元素的污染来源不同或存在独特的污染源。

图4 不同区域土壤重金属相关性系数Fig.4 Correlation coefficient of soil heavy metals in the different region(注：**为在0.01水平(双侧)上显著相关；*为在0.05水平(双侧)上显著相关)

表3 研究区土壤重金属最大方差法旋转成分矩阵

Table 3 Rotated component matrix according to varimax normalized of soil heavy metals

区域成分ZnCuCrPbHgAs特征值方差贡献率/%累积贡献率/%F10.890.930.59-0.01-0.160.642.4440.6540.65A区F2-0.040.050.63-0.310.88-0.361.3923.1663.81F3-0.08-0.07-0.120.93-0.120.311.0116.6780.48B区F10.830.880.76-0.130.43-0.792.8547.5647.56F2-0.170.150.060.850.720.311.3823.1370.69C区F10.710.930.930.460.69-0.923.7963.1263.12F20.55-0.16-0.180.81-0.610.021.3823.1486.26

2.5.2 土壤重金属主成分分析

通过SPSS软件对不同区域的土壤重金属含量数据进行了主成分分析，结果见表3。

A区主要提取了3个不同的主成分，其中F1、F2和F3的方差贡献率分别为40.65%、23.16%和16.67%，累积贡献率达到了80.48%，能够解析污染来源信息。第一主成分中Zn、Cu和As的荷载量分别为0.89、0.93和0.64，并且这三种元素相互间相关性较高，可能来自相同污染源，五彩湾露天煤矿开采对土壤环境影响较大，而Zn和Cu却未超出新疆背景值，主要受土壤母质等自然条件的影响，说明第一成分为自然因子，但As已超过背景值，不仅受成土母质的控制，矿业活动影响也比较明显。第二主成分Cr和Hg的荷载量为0.63和0.88，造成的污染贡献率较大且含量均值远超出背景值范围，说明人为因子为主导作用，污染源可能为煤矸石和煤化工厂产生的固态废物。第三主成分Pb元素因子荷载量为0.93，并Pb与其他元素之间没有显著相关性，说明具有独立的污染源，污染主要来自风力影响飞落的粉煤灰和煤炭运输交通排放的废气。

B区主要提取两个不同主成分F1和F2，累积贡献率达到70.69%，同样可以足够解释污染源特征信息。第一主成分中Zn、Cu、Cr和As的荷载量均较高，且彼此之间存在较好的相关性，可以判别为同一个污染源，其中Zn、Cu和Cr未超过土壤背景值，污染受到土壤类型和成土母质等自然因子的影响为主导作用；而As的均值明显超标背景值范围，污染程度比较严重，说明同时受自然和人为等复合因子的影响，污染源可能主要来自于工业废水和农业污灌。第二主成分中Pb和Hg荷载量分别为0.85和0.72，并与其他元素之间均没有存在显著相关性，污染分布主要出现在公路两边和工厂附近区域，初步判别污染源为人为因子，其中，Hg主要来自阜康市的大小企业排出的废气及生活垃圾焚烧，Pb污染来源可能为交通运输汽车尾气排放和轮胎的磨损。

C区同样提取两个主成分，F1和F2的累积贡献率达到86.26%，能够更好地揭示主要污染源信息。第一主成分中Zn、Cu和Cr的因子荷载量依次为0.71、0.93和0.93，As因子荷载量为-0.92，且彼此之间呈现一定的线性相关关系，可能来自相同的污染源，其中Zn、Cu和Cr平均值基本上未超出新疆土壤背景值，主要受成土母质和土壤理化性质等自然因子的影响，As存在较高的非正荷载量，其均值远高于背景值且导致的农田土壤污染比较严重，说明除了自然因子外，同时受到人为因子的协同影响，其主要污染源为农业生产所需的含As化肥原料。第二主成分中荷载量较高的是Hg和Pb，Hg的贡献率达到63.12%，由于当地农业活动的影响下该两种元素对土壤环境造成了较严重的污染，其中Hg主要来源于农用施肥农药和污泥，Pb由大型农业机械轮胎磨损和畜禽粪便为主要的污染源。

3 结 论

1) 研究区Cr、Pb、Hg和As均值超出新疆土壤背景值，超标率在30%～100%之间，存在较严重的污染，变异系数均大于15%，属于中等空间变异性，可知污染同时受到自然因子和人为因子的双重影响。

2) 从污染评价结果可知，不同区内Zn和Cu污染处在警戒水平，Cr和Hg在A区属于中度和重度污染，在B区和C区均属于轻微污染，而As三个区内均处在重度污染，不同区域污染大小依次为A区>B区>C区。总体上As、Cr、Pb和Hg对土壤环境质量造成的污染贡献较大，应引起重视。

3) Zn、Cu、Cr和As间相关性较高，Pb与其他元素均没有显著相关性，其中Zn和Cu污染来自成土母质，Pb污染源可能为交通尾气排放和轮胎磨损，而Cr和As一定程度上受到了煤炭开采、工业生产和农业活动等人为污染的影响。