張海威，張 飛，夏 楠

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046)

準(zhǔn)東地區(qū)不同區(qū)域土壤重金屬關(guān)聯(lián)性分析及空間分布

張海威1，2，張 飛1，2，夏 楠1，2

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046)

本文以準(zhǔn)東地區(qū)的五彩灣、荒漠帶和將軍廟區(qū)域為研究靶區(qū)，運用多元統(tǒng)計分析及空間分析法，對準(zhǔn)東地區(qū)的五彩灣、荒漠帶和將軍廟區(qū)域之間的土壤重金屬進行關(guān)聯(lián)分析及空間分布。結(jié)果表明：Hg、As元素在這三個區(qū)域變幅較小，土壤重金屬含量較為集中，相比之下Cu、Cr、Pb和Zn元素變幅較大。由主成分分析得，這三個區(qū)域均提取了四個主成分；Hg、As、Cu、Cr、Pb和Zn元素是影響五彩灣與荒漠帶區(qū)域土壤重金屬含量的主要因素；As、Cu、Cr和Pb元素是影響將軍廟區(qū)域土壤重金屬含量的主要因素。通過對不同區(qū)域的土壤重金屬相關(guān)性分析得，五彩灣區(qū)域土壤Zn元素與將軍廟區(qū)域土壤Zn元素呈顯著性負相關(guān)，其中相關(guān)系數(shù)為-0.753，荒漠帶區(qū)域Cr元素與將軍廟區(qū)域的Hg、Cr元素均呈顯著性正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.776、0.751，顯著性水平相關(guān)p<0.01，荒漠帶區(qū)域的Cu元素與將軍廟的Pb元素具有顯著性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.792。進而對顯著性相關(guān)的元素進行擬合可知，將軍廟區(qū)域的Hg元素與荒漠帶地區(qū)的Cr元素三次擬合關(guān)系最好，相關(guān)系數(shù)R2=0.9491。各元素空間插值明顯，高值區(qū)域主要分布在五彩灣和將軍廟區(qū)域。

準(zhǔn)東地區(qū)；重金屬污染；關(guān)聯(lián)分析；空間分布

土壤是人類賴以生存的重要自然環(huán)境之一[1]，同人類的生產(chǎn)、生活有著密切關(guān)系，是動植物生存不可或缺的。土壤中重金屬長期的富集和遷移對人類健康和生態(tài)環(huán)境存在諸多危機和潛在的風(fēng)險[2]。近年來，隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展，煤田的開采導(dǎo)致重金屬成分進入土壤，土壤環(huán)境受到污染，承載力下降。而且重金屬是一類難降解、遷移性差、長期潛在的污染物。重金屬通過食物鏈進入人體，不僅危害健康，而且還會破壞土壤的理化性質(zhì)[3]。到目前為止，學(xué)者們對準(zhǔn)東煤田的土壤重金屬以及生態(tài)環(huán)境等相關(guān)方面已獲取較多研究成果，如黃曉梅[4]、孔利鋒等[5]、李長春等[6]對準(zhǔn)東煤田開采區(qū)做了一些研究，處理煤田固廢改變生態(tài)環(huán)境提出的方案和土壤重金屬污染以及變化等對于研究準(zhǔn)東煤田生態(tài)環(huán)境有著重要的意義。但尚缺乏不同區(qū)域間的土壤重金屬關(guān)聯(lián)性分析，尤其是新疆準(zhǔn)東煤礦的大興開采以來，大量重金屬通過各種途徑進入不同區(qū)域的土壤、植被體內(nèi)，從而導(dǎo)致土壤重金屬污染，引起生態(tài)破壞和環(huán)境污染等一系列問題，反映準(zhǔn)東生態(tài)環(huán)境及土壤的研究迫在眉睫。本研究基于2015年10月準(zhǔn)東地區(qū)土壤重金屬含量數(shù)據(jù)，分析了五彩灣、荒漠帶、將軍廟這三個區(qū)域的重金屬含量，及其它們之間的關(guān)聯(lián)性，并探討了各重金屬元素的空間分布，以期為準(zhǔn)東煤田的土壤重金屬污染的修復(fù)和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地東部總面積約13 200 km2，海拔300～600 m。準(zhǔn)東是我國重要的煤炭資源基地，煤炭資源預(yù)測儲量達3 900億t，是我國最大的整裝煤礦[7]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展該區(qū)域的生態(tài)問題日益嚴重，生態(tài)環(huán)境壓力也在增大。研究區(qū)主要是五彩灣、將軍廟兩個礦區(qū)，該區(qū)域?qū)俚湫偷臉O端暖溫帶干旱大陸性氣候，干旱少雨，日照時間長，熱量豐富，晝夜溫差大。多年平均氣溫6.9 ℃，多年平均降水量183.5 mm，多年平均蒸發(fā)量2 042.3 mm。該研究區(qū)的土壤類型主要有灰棕模土、荒漠風(fēng)沙土、石膏灰棕模土和荒漠堿土，土壤表層有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在2%以下[8]。

1.2 試驗與材料

1.2.1 土壤樣品采集

2015年10月對準(zhǔn)東煤礦進行綜合調(diào)查，準(zhǔn)東煤礦共布設(shè)有46個樣點，用GPS對其進行坐標(biāo)定位，采樣點分布見圖1。每個采樣點采取三份表層0～10 cm的土壤土樣。對采樣點布置主要是在煤田開采區(qū)周邊，和一些地表遭到嚴重破壞得區(qū)域進行采集。

圖1 研究區(qū)采樣點分布圖

1.2.2 土壤樣品分析

對采集回來的土壤樣品進行自然風(fēng)干、剔除異物、磨碎過孔徑0.15 mm的尼龍篩等預(yù)處理[9-10]。處理后的土壤稱取0.5 g土壤樣品置于四氟乙烯干鍋中先加入9 mL濃鹽酸(HCI)，后加入3 mL濃硝酸(HNO3)加熱至蒸騰20 min，加入氫氟酸(HF)5 mL加熱30 min，然后再加入高氯酸(HClO4)3 mL，加熱蒸發(fā)至近干，加入稀硝酸(1∶10)10 mL，微沸15 min，取下冷卻，再用高純水定容至20 mL，共檢測6種重金屬元素：Zn、Cu、Cr、Hg、As和Pb。對汞和砷兩種元素進行測定主要是使用日立Z-2000型原子吸收分光光度計，原子熒光光譜法，對Zn、Cu、Cr和Pb等4種元素采用火焰原子吸收光譜法進行測定。對每個土壤樣品重復(fù)檢測三次。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

本研究中運用多元統(tǒng)計法，及采用了GIS的插值方法對土壤中重金屬含量的空間分布特征進行插值分析。研究中描述性統(tǒng)計分析在Sigmaplot12.5、MATLAB、origin9.1軟件中進行，GIS10.0制作空間插值圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同區(qū)域的土壤重金屬含量的統(tǒng)計描述

針對五彩灣、荒漠帶與將軍廟三個不同區(qū)域的土壤重金屬元素含量，進統(tǒng)計分析，如圖2所示。

圖2 不同區(qū)域的土壤重金屬含量描述統(tǒng)計(虛線代表新疆土壤重金屬背景值)

從圖2中可以看出五彩灣、荒漠帶和將軍廟三個區(qū)域土壤重金屬Hg元素含量相差不大，五彩灣與將軍廟區(qū)域的Hg元素變幅相對于荒漠帶區(qū)域較大，說明土壤Hg元素的含量可能受到煤田開采和人類活動的影響?；哪畮У耐寥繟s元素變幅較大，兩個礦區(qū)變幅較小。但As元素的含量遠超于背景值，說明該地區(qū)As元素含量過高，可能會影響到周圍環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)。五彩灣區(qū)域的土壤Cu和Cr元素含量相對于荒漠帶區(qū)域與將軍廟區(qū)域較少，但含量相差不大，說明不同區(qū)域的土壤重金屬Cu和Cr元素含量相對平穩(wěn)?；哪畮^(qū)域的土壤重金屬Pb元素變幅較大，均值均低于五彩灣與將軍廟區(qū)域。說明導(dǎo)致荒漠帶區(qū)域Pb元素的含量的不確定性因素較多，引起的變幅較大。將軍廟區(qū)域的Zn元素相比其余兩個區(qū)域變幅較小，含量比較集中，而荒漠帶區(qū)域與五彩灣區(qū)域Zn元素含量變幅較大，可能是由于這兩個區(qū)域土壤Zn元素的來源較多，引起的Zn元素含量突變。

2.2 不同區(qū)域重金屬主成分分析

利用不同區(qū)域的土壤重金屬元素數(shù)據(jù)6個變量組成的數(shù)據(jù)矩陣，在origin9.1統(tǒng)計軟件下統(tǒng)計分析，然后根據(jù)累積貢獻率≥85%，提取出主成分，其特征值、貢獻率及累積貢獻率見圖3。

主成分分析表明，五彩灣、荒漠帶和將軍廟區(qū)域均提取了四個主成分，其特征值均大于0.7，其中五彩灣區(qū)域因子貢獻率分別為36.04%、26.33%、16.62%和12.8%，其累積貢獻率達91.79%；荒漠帶區(qū)域因子貢獻率分別為38.4%、32.29%、13.84%和11.8%，其累積貢獻率達96.33%；將軍廟區(qū)域因子貢獻率分別為36.4%、28.83%、17.12%和14.12%，其累積貢獻率達96.47%，表明前3個主成分提供了原始數(shù)據(jù)的足夠信息。進而求解主成分的載荷矩陣(表1)，荷載系數(shù)越大，其重金屬元素對土壤環(huán)境影響越大，起到主導(dǎo)作用。選取載荷系數(shù)最大的因子變量，其中五彩灣區(qū)域第一主成分中的Cr元素和As元素；第二主成分的Zn元素；第三主成分的Pb元素；第四主成分的Hg元素?；哪畮^(qū)域第一主成分中的Cu元素和As元素；第二主成分的Zn元素和Pb元素；第三主成分的Hg元素；第四主成分的Pb元素。將軍廟區(qū)域第一主成分中的Cr元素；第二主成分的Cu元素；第三主成分的As元素；第四主成分的Pb元素。綜合以上分析結(jié)果可得出，Hg、As、Cu、Cr、Pb和Zn元素是影響五彩灣與荒漠帶區(qū)域土壤重金屬含量的主要因素；As、Cu、Cr和Pb元素是影響將軍廟區(qū)域土壤重金屬含量的主要因素。

圖3 不同區(qū)域的土壤重金屬碎石圖及方差圖

因子五彩灣荒漠帶將軍廟PC1PC2PC3PC4PC1PC2PC3PC4PC1PC2PC3PC4Hg0.347-0.316-0.4970.691-0.130.3700.913-0.0440.498-0.4750.1740.213As0.563-0.209-0.141-0.3160.586-0.1400.2190.3860.2110.153-0.611-0.581Cu0.4660.4730.242-0.0570.644-0.0080.0600.1650.2440.6590.397-0.290Cr0.5840.0890.164-0.0690.4720.217-0.077-0.7110.6340.3120.1240.304Pb0.054-0.3890.8050.4060.0070.595-0.2560.542-0.1550.429-0.4790.664Zn-0.0350.688-0.0040.5000.0430.665-0.207-0.146-0.4710.1870.4410.007

2.3 不同區(qū)域重金屬相關(guān)性分析

為探討不同區(qū)域間的土壤重金屬關(guān)系，對五彩灣、將軍廟以及兩礦區(qū)中間的荒漠帶進行相關(guān)分析。如圖4所示：五彩灣土壤Zn元素與將軍廟土壤的Zn元素具有顯著性負相關(guān)，其中相關(guān)系數(shù)為-0.753顯著性水平相關(guān)p<0.01；說明五彩灣的土壤重金屬中Zn元素來源與將軍廟區(qū)域土壤Zn元素不同。將軍廟區(qū)域的重金屬與荒漠帶區(qū)域的土壤重金屬相關(guān)性一般，其中荒漠帶區(qū)域Cr元素與將軍廟區(qū)域的Hg、Cr元素均具有顯著性正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.776、0.751，均顯著性水平相關(guān)p<0.01；荒漠帶區(qū)域的Cu元素與將軍廟的Pb元素具有顯著性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.792，說明將軍廟區(qū)域的土壤重金屬與荒漠帶區(qū)域的土壤重金屬具有一定的關(guān)系，可能是由于將軍廟區(qū)域的土壤重金屬擴散到荒漠帶區(qū)域。而五彩灣區(qū)域的重金屬元素與荒漠帶區(qū)域的土壤重金屬沒有顯著性的關(guān)系，相關(guān)性也一般。綜上所述，這也說明荒漠帶區(qū)域的土壤重金屬與五彩灣區(qū)域的沒有關(guān)系，而與將軍廟區(qū)域的土壤重金屬有著某種關(guān)系。

(注：*.在0.05水平上顯著相關(guān))圖4 不同區(qū)域的土重金屬相關(guān)性圖

為了進一步了解不同區(qū)域間土壤重金屬之間的關(guān)系，一是針對不同區(qū)域的采樣點不同，隨機選取各區(qū)域10個采樣點進行擬合，探討存在某種關(guān)系；二是針對圖5中不同區(qū)域的土壤重金屬具有顯著性相關(guān)，首先選取不同區(qū)域間相關(guān)性的土壤重金屬元素，再將不同區(qū)域的土壤重金屬元素進行三次函數(shù)擬合。從圖5中可以看出，將軍廟區(qū)域的Hg元素與荒漠帶地區(qū)的Cr元素三次擬合關(guān)系最好，且呈顯著性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2=0.949 1。五彩灣區(qū)域的Zn元素與將軍廟的Zn元素三次擬合關(guān)系其次，相關(guān)系數(shù)R2=0.609 5。其中將軍廟區(qū)域的Cr元素與荒漠帶區(qū)域的Cr元素三次擬合關(guān)系一般，相關(guān)系R2=0.433 7。

2.4 土壤重金屬含量空間分布特征分析

從圖6可知，土壤重金屬中Zn和Cu元素空間分布趨勢基本一致，這兩個元素高值主要分布在五彩灣礦區(qū)，以及五彩灣礦區(qū)的周邊的工業(yè)區(qū)、電廠、生活區(qū)和農(nóng)田等地方為低值區(qū)域，所以可以看出，煤炭重金屬含量對周圍土地是有一定影響，但還需后期進一步驗證。其中將軍廟礦區(qū)的周邊的土壤Zn和Cu含量一般，相對于五彩灣礦區(qū)周邊含量較低。煤礦、電廠、生活區(qū)等區(qū)域?qū)n 和Cu含量有一定的影響，土壤、地形、母質(zhì)、地貌、風(fēng)向、風(fēng)速等自然因素也會對這兩種元素的分布也有影響。

Cr的高值區(qū)域位于卡拉麥里山的南部，五彩灣煤礦以西的工業(yè)區(qū)和將軍廟礦區(qū)的東南方向區(qū)域。五彩灣礦區(qū)與將軍廟礦區(qū)中間地帶的荒漠區(qū)Cr的含量相對于Pb的含量較高?；哪畢^(qū)的等大部分區(qū)域的Pb的含量均較低。Pb的高值出現(xiàn)在五彩灣開采礦區(qū)的西北部以及周圍，以及將軍廟礦區(qū)?？赡苁怯捎谖宀蕿车V區(qū)的西北面有煤炭加工廠，南面有冶煉廠，這些工廠的都有可能是Pb元素的來源，使得區(qū)域形成Pb和Cr 的高濃度區(qū)與姚峰等[11]觀點一致。

圖5 不同區(qū)域的土壤重金屬之間的關(guān)系

圖6 土壤重金屬含量空間分布

Hg元素高值區(qū)域主要位于五彩灣礦區(qū)的西邊和將軍廟礦區(qū)，將軍廟礦區(qū)近幾年來開采較為強烈，將軍廟礦區(qū)周邊的煤矸石堆場，矸石堆中含有大量Hg元素，這些都有可能是引起土壤Hg元素含量較高的原因。土壤中As的最高值分布在五彩灣礦區(qū)西南部和東北部，可能是由于人類活動較強引起的礦區(qū)周邊土壤As元素含量較高。將軍廟礦區(qū)As含量也是相對較高的，荒漠區(qū)As元素的含量相對于Hg元素含量較低，說明Hg元素含量分布較廣，As元素含量較為集中，進一步說明As元素擴散的較慢。

從圖6土壤重金屬含量的空間分布圖來看，6種重金屬含量的高低值均有在礦區(qū)及荒漠區(qū)出現(xiàn)，具有較強的隨機性特征。五彩灣礦區(qū)及五彩灣礦區(qū)周邊、荒漠區(qū)、將軍廟礦區(qū)周邊等地均出現(xiàn)土壤重金屬的低值和高值，出現(xiàn)高值主要位于工業(yè)區(qū)生產(chǎn)活動中心、廢物的處理廠等各種人類活動的聚集地，所引起的重金屬含量分布較為集中。土壤重金屬的分布還受到風(fēng)速，風(fēng)向，地形，水文等自然因素的影響導(dǎo)致了土壤重金屬的積累，改變了原有土壤的重金屬的分布特征和土壤性質(zhì)。綜上所述，人類活動較強的區(qū)域土壤重金屬的空間分布較為集中；人類活動較弱的地方，重金屬空間分布隨機性較強。

3 結(jié) 論

1)由統(tǒng)計分析可知五彩灣、荒漠帶與將軍廟區(qū)域土壤重金屬含量相差不大，且不同區(qū)域之間重金屬元素存在區(qū)域特性。

2)由主成分分析可知Hg、As、Cu、Cr、Pb和Zn元素是五彩灣與荒漠帶區(qū)域土壤重金屬含量的主要元素；As、Cu、Cr和Pb元素是影響將軍廟區(qū)域土壤重金屬的主要因素。

3)對五彩灣、荒漠帶與將軍廟區(qū)域土壤重金屬元素之間存在顯著的三次擬合關(guān)系。其中將軍廟區(qū)域的Hg元素與荒漠帶地區(qū)的Cr元素三次擬合關(guān)系最好，相關(guān)系數(shù)R2=0.949 1；五彩灣區(qū)域的Zn元素與將軍廟的Zn元素三次擬合關(guān)系其次，相關(guān)系數(shù)R2=0.609 5。

4)根據(jù)準(zhǔn)東煤田土壤重金屬 Cr、As、Hg、Pb、Zn、Cu 空間分布圖可知：新疆準(zhǔn)東五彩灣區(qū)域土壤重金屬Hg地域分布較多，高值區(qū)域較為集中，空間插值明顯；As和Pb元素含量一般，在空間表現(xiàn)上各個含量水平均有體現(xiàn)，整體分布范圍較為廣泛。

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Correlation analysis and spatial distribution of soil heavy metals with different regions in Zhundong area

ZHANG Haiwei1，2，ZHANG Fei1，2，XIA Nan1，2

(1.College of Resources & Environmental Science，Xinjiang University，Urumqi 830046，China；2.Key Laboratory of Oasis Ecology，Xinjiang University，Urumqi 830046，China)

In this paper，the Wucaiwan，desert zone and Jiangjun temple in Zhundong region was used as the research target and used multivariate statistical analysis and spatial analysis method for correlation analysis and spatial distribution of soil heavy metals between Wucaiwan，desert zone and Jiangjun temple in Zhundong.The results showed that the amplitude of Hg and As were low in these three region，soil heavy metal content was more concentrated，on the contrast，the amplitude of Cu，Cr，Pb and Zn were high.The three regions were extracted four principal components by PCA；Hg，As，Cu，Cr，Pb and Zn elements were the main factors that affected the contents of heavy metals in the soil area of the colorful Bay and the desert.As，Cu，Cr and Pb elements were the main factors that affected contents of heavy metals in Jiang Jun Temple.By analyzing the correlation of soil heavy metals in different regions，Zn elements in Wucaiwan were negatively correlated with Zn elements in Jiangjun temple，and the correlation coefficient was -0.753，Cr elements in the desert zone and Hg，Cr elements were significantly positive correlation in Jiangjun temple，the correlation coefficient were 0.776，0.751，significant level of correlation p<0.01，Cu elements in the desert zone and Pb elements had a significant positive correlation in Jiangjun temple，the correlation coefficient was 0.792.then the significant correlation elements were fitted，three fitting relation between Hg elements in Jiangjun temple and Cr elements in desert zone were the best，and the correlation coefficient R2=0.9491.The spatial interpolation of each element was obvious，and the high value area was mainly distributed in Wucaiwan and Jiangjun temple.

Zhundong area；heavy metal pollution；correlation analysis；spatial distribution

2017-01-10

國家科技支撐計劃項目資助(編號：2014BAC15B01)

張海威(1990-)，男，江蘇邳州人，碩士研究生，主要從事干旱區(qū)遙感應(yīng)用方面的研究，E-mail:1522634426@qq.com。

張飛，E-mail:zhangfei3s@163.com。

X53

A

1004-4051(2017)05-0074-07