準東煤區土壤重金屬環境風險及空間分布特征

宋 佳，徐長春，羅映雪，楊媛媛

（新疆大學資源與環境科學學院，新疆烏魯木齊 830046）

土壤是人類賴以活動生存的環境因素之一，能直接或間接改變人類的生活質量及生活方式［1］。土壤中的重金屬絕大部分來源于人類活動，如土壤侵蝕、交通運輸、農藥的使用、工業“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，在土壤環境中能長時間保留在土壤中，很難被降解［3-4］，積累在土壤中的重金屬，經過雨水的沖刷進而進入水體，從而嚴重危害動物、人體健康［5］。因此，近幾年土壤重金屬在污染評價、空間分布、特征分析、來源解析等方面的研究受到了廣泛關注［6-9］。

新疆準東煤礦是新疆的重要資源之一，自煤礦開采以來，生態環境受到了極大的脅迫，直接影響到該地區的生態經濟環境。由于常年進行采礦活動，煤炭中的重金屬污染物以不同的途徑進入土壤，大氣環境污染嚴重，植被退化，從而增加了土壤重金屬環境風險的概率。因此準東煤田土壤重金屬環境風險及生態修復迫在眉睫。

國內眾多學者已對新疆準東煤區的土壤重金屬來源及污染狀況進行了研究，其中劉巍等對準東煤田露天煤區土壤重金屬采用主成分分析法和內梅羅指數法、地累積指數（（Igeo））法等方法，進行了污染現狀評價與來源分析，并分析了準東煤區周邊土壤重金屬與降塵重金屬的關系及污染風險［10-11］。前人主要對當地的重金屬污染狀況和來源進行解析，對土壤生態環境問題進行評價，但對該地區的環境風險評價研究較少，因此筆者擬用單因子、地累積和環境風險指數法對新疆準東煤區重金屬進行研究，為新疆準東煤區的生態治理提供合理的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆準噶爾盆地東部，海拔300～600 m，主要位于阜康地區，地處古爾班通谷沙漠北部。由于研究區常年進行煤炭開采活動，生態環境極為脆弱且植被覆蓋度較少。研究區屬大陸性溫帶沙漠氣候，蒸降比大。礦區內植被類型少，覆蓋度較低。植被生長矮小，大多為干旱性植被。常年風沙較大，土壤鹽漬化較為嚴重。

1.2 土壤樣品采集及處理

2014年7月和2017年6月對準東煤礦進行總體調查，準東煤區布設了27個采樣點，采集土壤樣點時，用手持式GPS（全球定位系統）儀器對采樣點進行定位，采樣點分布情況見圖1。每個采樣點取表層0～10 cm的土壤，采樣點主要布置在煤田開采區周邊、工廠附近農田、工業區周邊，以及生活區和辦公區周圍等。對野外采集回的土壤樣品進行自然風干、去除雜物、過篩。進而使用日立Z-2000型原子吸收分光光度計對Hg、As 2種元素進行檢測，使用火焰原子吸收機測量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重金屬元素層面的評價重金屬污染程度的方法。計算公式如下［12］：

式中：CF為單因子污染指數；Ci為污染物實測值，g/kg；SI為新疆土壤重金屬背景值，g/kg，本研究采用GB 15618—1995《土壤環境質量標準》指標。

1.3.2 地累積指數 地累積指數法是德國學者Muller提出的［13］，用于綜合分析土壤重金屬污染狀況。此法廣泛應用在土壤重金屬評價領域，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背景值［10］；K為考慮不同地區巖石差異造成的背景系數變動（一般取1.5）。地累積評價指標見表1。

表1 地累積評價指標［14］

1.3.3 環境風險表征方法 環境風險采用Rapant等提出的環境風險指數（index of environmental risk，簡稱IER）進行表征［15］。計算公式為：

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

根據Rapant等劃分的環境風險標準［15］，筆者引用此標準來定量土壤中重金屬污染的環境風險程度，分級標準見表2。

表2 環境風險指數分級［15］

1.4 數據處理與統計分析

本研究中運用多元統計法及自組織特征映射神經網絡技術（self-organizingmap，簡稱SOM）、單因子污染分析法和地累積以及環境風險指數對土壤中的Zn、Cu、Cr、Hg、As、Pb進行研究。采用單因子污染分析法、地累積和環境風險指數法分析準東煤區土壤重金屬環境風險狀況。數據的統計、Pearson相關分析、PCA（主成分分析）均由SPSS20.0完成；數據記錄由Excel 2013完成；SOM算法由Matlab 2012實現。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量的統計描述

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年研究區土壤Cr元素變異系數為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元素的變異系數有所下降（CV＝92%），說明此期間研究區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元素變異系數均有所下降，而Zn與Cu元素變異系數有所增加。從表3可以看出，2014年研究區土壤重金屬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”大背景下建設生態文明、加大環境保護力度有關。

從圖3可以看出，2014年的土壤重金屬質量分數較大，其中Cu、Hg元素2014年的土壤重金屬百分比達99%以上，2017年百分比在2%以下，說明在準東煤區Cu、Hg元素含量明顯下降；2014年Pb元素質量分數為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元素的質量分數均大于2017年。表明準東煤區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組；若分組過多，相似度高的部分樣本會被單獨分組或出現無效分組。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果為5×6，即30組（圖4-B）。

用SOM分組鄰域加權距離映射圖（圖4-A）表示相鄰分組的權重距離，并用顏色的深淺表示權重距離大小。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6個土壤屬性在30個分組中的權重以及各土壤屬性之間的內在相關性，本研究分析了6個土壤屬性的鄰域加權距離映射（圖4-C，圖中顏色的深淺代表數值的大小）。

通過比較各土壤屬性鄰域加權距離映射圖可以看出，不同的土壤屬性之間呈正相關、負相關或無顯著相關性。土壤重金屬As與Cu之間呈正相關關系，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

2.3.1 單因子污染評價 單因子污染統計分析（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均超出1，存在污染風險，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遠超過在地殼中的含量，主要來源可能是大量煤炭燃燒，表明該地區近3年并未對Hg和As元素來源進行控制和治理；此外，Zn和Cu元素均未出現污染狀況，說明多年來準東煤區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，也均未發生富集現象。綜上所述，2014年至2017年3年中研究區土壤污染狀況整體無改良趨勢，準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元素發生富集現象（圖5-B），進一步說明2014年以來準東煤區煤炭的連續開采導致使該地區的Hg和As元素含量增加。

2.3.2 地累積指數法評價 地累積指數［13］能夠有效判別土壤中重金屬污染程度的強弱并用于劃分污染程度表［16-20］，研究區2014年和2017年土壤中每種重金屬的地累積指數值的范圍和平均值見圖6。由地累積指數可知，2014年重金屬污染的強弱順序為As＞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元素出現重金屬污染現象，其余重金屬的地累積指數大部分處于0以下，說明未出現污染狀況，Zn、Cr、Cu、Pb、Hg地累積指數只有個別異常點大于0（圖6-A）。而2017年土壤重金屬As與Pb元素出現嚴重污染現狀，說明3年來煤區的開采導致土壤重金屬As與Pb元素出現富集現象；2017年的Cr元素達中度污染狀況，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元素也出現污染狀況，說明煤區的開采還在持續影響著土壤重金屬環境（圖6-B）。從地累積指數可知，Hg元素并未出現污染狀況，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，沒有發生污染狀況。

2.4 重金屬的環境風險測度

根據環境風險指數公式可知，土壤重金屬Zn、Cu和Pb元素環境風險指數較低，說明這3種指數對環境影響較小；而Hg、As元素環境風險指數相對于其他4個土壤重金屬元素要高，說明其環境風險發生的概率較大。2014年Cr、Hg和As元素的環境風險指數比2017年的高，說明環境風險發生的概率減少，而2017年土壤重金屬的環境風險指數均較低（圖7），說明該年土壤整體環境風險較低。

基于Rapant等提出的IER和前人研究得出的重金屬污染評價參數［21］以及相應的臨界風險限量（表4）定量分析準東煤區土壤重金屬產生的環境風險特征。由環境風險指數與樣品的頻率分布（圖8）可知，2014年樣品中，無環境風險的比例為61.2%，低環境風險的比例為10.34%，中等環境風險的比例為24.56%，高環境風險的比例為0.86%，極高環境風險的比例為3.01%，說明準東煤區土壤重金屬污染產生的環境風險比較低。2017年樣品中，無環境風險的比例為66.98%，低環境風險的比例為11.0%，中等環境風險的比例為16.74%，高環境風險的比例為1.91%，極高環境風險級別的比例為3.34%，其中無環境風險比例為66.98%，高環境風險和極高環境風險比例為5.25%，比2014年增加1.38百分點，說明近3年土壤中某些污染嚴重的重金屬風險在升高，相關環保部門應針對能夠帶來重金屬污染高風險的單位進行監管，并對嚴重污染區域進行修復。綜上所述，從2014年至2017年無環境風險的頻率有所提高，但不明顯，中等環境風險頻率有所下降，其余環境風險頻率變化不大，說明該地區的重金屬污染狀況并未得到改善且環境風險較低。

2.5 重金屬空間分布分析

本研究將2014年與2017年的數據進行平均，進而分析其空間特征。在準東煤區，包含工廠、生活區、農田區等區域研究煤區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個元素高值主要分布在煤區，工業區重金屬分布較少，污染程度一般。研究區的東部與東北部為Zn重金屬含量重度污染區，主要由于這附近分布著電廠和一些工業帶。

表4 環境風險評價的重金屬參數及其相應的臨界風險限量［21］

Cr的重污染區位于216國道的西北部與五彩灣煤電工業帶附近，煤礦開采區處于輕度污染和中度污染之間。Pb高值區出現在五彩灣煤礦開采區北部及其周圍，主要因為在污染區北面有煤炭加工廠，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［22］一致。

Hg重金屬的高值區主要位于研究區東部，該地區煤礦開采活動較為強烈，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，位于西北部的發電廠等工業帶也是污染源。土壤中As的最高值分布在五彩灣煤區偏南部和五彩灣工業帶北部，其中五彩灣煤區偏南部出現重污染狀況，因為周邊存在發電廠，此處是重要的As污染源。除以上工業活動外，還有一些人為因素造成不同區域重金屬污染程度不同，包括研究區內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隨機性，且在煤區、礦坑周圍、發電廠、矸石場、化工廠和公路2側等地方均出現重金屬的高值，出現高值主要是因為工業區生產活動所產生的粉塵、原煤、矸石、覆土等污染物通過交通運輸、加工、廢物處理等環節從地下遷移到地表，其次因風速、風向、降水等氣象因素導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 結論

本研究通過對比2014、2017年準東煤區土壤重金屬含量，并對不同年份的6種重金屬含量和污染程度進行評價，分析了該地區2014、2017年的環境風險狀況。主要得出以下結論：

從土壤理化性質分析可知，2017年土壤重金屬中Zn、Hg元素比2014年含量出現減少現象。Hg元素變異系數為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，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污染狀況。由地累積指數可知，2014年重金屬污染的強弱順序為As＞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。

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