孫小麗，阿不都艾尼·阿不里,4，哈力旦·艾賽都力，葉盼青

(1.新疆大學(xué)地理與遙感科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆綠洲生態(tài)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；4.新疆大學(xué)生態(tài)學(xué)博士后流動站，新疆 烏魯木齊 830046)

煤炭是我國主要的民用能源，在國民經(jīng)濟發(fā)展中有舉足輕重的作用。 隨著工業(yè)快速發(fā)展，對煤炭的需求日益增加，使得煤炭資源被大量開采，而在開采、運輸煤炭過程中有大量重金屬通過各種途徑進入土壤中并隨之積累[1-3]，最終隨著食物鏈沉積在人體和生物體內(nèi)，威脅人類健康和整個生態(tài)系統(tǒng)[4]。土壤中的各種重金屬也會在水的淋溶和風(fēng)的侵蝕作用下進入水環(huán)境和大氣中[5]，直接破壞飲用水的質(zhì)量，加劇空氣污染，進一步對人類的健康構(gòu)成嚴重威脅。因此，土壤重金屬污染問題已成為國內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注的問題。

新疆準東煤田是我國最大的整裝煤田，主要由五彩灣礦區(qū)、西黑山礦區(qū)、大井礦區(qū)、將軍廟礦區(qū)組成，是新疆乃至全國煤炭資源蘊藏最豐富的地區(qū)[6]。五彩灣露天煤礦雖然地處干旱區(qū)荒漠戈壁地帶，生態(tài)基礎(chǔ)特別脆弱，卻是新疆煤電煤化工產(chǎn)業(yè)的主要基地[7]。

近些年來，五彩灣礦區(qū)的各種煤炭開采活動促進了該地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，但也導(dǎo)致了一系列生態(tài)環(huán)境問題，其中重金屬污染問題是該地區(qū)比較重要的環(huán)境問題。李喬等[8]的研究結(jié)果表明該地區(qū)重金屬Cd和Hg存在不同程度的污染，其他金屬均不存在污染，且綜合潛在風(fēng)險很高。阿爾祖娜·阿布力米提等[9]研究表明準東地區(qū)土壤中Hg元素的污染程度最嚴重，處于強-極強度污染狀態(tài)。李長春等[10]定性地解析了該地區(qū)土壤中重金屬Zn、Cu、Ni和Cr等元素的污染來源，但未做出定量化的結(jié)果。劉巍等[11]的研究表明準東地區(qū)土壤重金屬污染元素主要為Cr、Hg、As。許紫峻等[12]發(fā)現(xiàn)準東地區(qū)煤礦開采活動引起了周邊環(huán)境重金屬鎘的污染，鎘污染雖未達到致病致癌水平，但相關(guān)部門應(yīng)引起足夠重視。阿卜杜薩拉木·阿布都加帕爾等[13]的研究結(jié)果表明準東地區(qū)Cr、Pb、Hg和As等元素均值都超出了新疆土壤背景值，且超標率在30%～100%之間，存在較嚴重的污染，Zn和Cu元素污染處在警戒水平?？桌h等[14]的研究結(jié)果表明受礦區(qū)煤礦開采影響，Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險在下風(fēng)向顯著增強。FENG等[15]研究發(fā)現(xiàn)準東煤田周圍土壤中存在著Hg、Zn、Cr、Pb等各種重金屬不同程度的污染問題，該區(qū)域重金屬Hg、Cr嚴重超標。雖然上述系列研究中都涉及到了該區(qū)域土壤中的重金屬來源，但對于該區(qū)域土壤重金屬污染來源定量化方面的研究卻鮮有報道。因此，本文選擇了五彩灣露天煤礦周圍的土壤，利用不同的污染評價方法，對該區(qū)域土壤中重金屬的污染狀況做出了評價，并結(jié)合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法計算出該區(qū)域土壤中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險，最終利用PMF模型對不同污染來源及其貢獻率進行定性定量解析，以期為該區(qū)域土壤中重金屬的主要污染來源作定量判斷，也為該區(qū)域的土壤重金屬污染監(jiān)測與預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

五彩灣礦區(qū)位于新疆昌吉州吉木薩爾縣，屬新疆準東煤田西部的獨立含煤盆地。該地區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷臉O端干旱大陸氣候，常年以西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，冬季長而嚴寒，夏季短而炎熱，春秋季節(jié)不明顯，干旱少雨，日照充足(年日照時間達2 500～3 500 h)，熱量豐富，晝夜溫差較大，春秋季風(fēng)多[16]。

1.2 樣品采集與研究方法

1.2.1 土壤樣本采集

野外采集樣本的工作流程按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)和《區(qū)域地球化學(xué)勘查規(guī)范》進行，利用GPS儀記錄采樣點位的坐標數(shù)據(jù)和高程，樣本均采自0～20 cm的表層土壤。研究區(qū)采樣點的分布圖如圖1所示。將在野外采集的土壤樣本在實驗室進行預(yù)處理工作，首先在室內(nèi)自然風(fēng)干，去除雜物及碎石子后過2 mm尼龍篩網(wǎng)，并稱取約0.5 g土壤樣品，而后用瑪瑙研缽體進一步研磨，并再次過100 mm尼龍篩混合后備用。

圖1 研究區(qū)采樣點分布示意圖Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

1.2.2 土壤樣本重金屬含量的測定

測定過程：使用硝酸-鹽酸-氫氟酸-高氯酸的混合酸體系進行消解，利用火焰原子吸收光譜法對Cr、Zn、Pb和Cu進行測定(日立Z-2000型)，再用原子熒光光譜法檢測土壤中的As和Hg。

1.3 研究方法

1.3.1 地累積指數(shù)

地累積指數(shù)(geo-accumulation index，Igeo)是由德國科學(xué)家Muller于1969年提出，也被稱為Muller指數(shù)，用于定量評價研究區(qū)土壤重金屬污染程度和定義研究區(qū)重金屬污染等級的重要指標[17]，近年來被廣泛應(yīng)用于重金屬污染研究中。地累積指數(shù)不僅能夠評價地質(zhì)作用在自然變化過程中參照背景值的變化[18]，也考慮到了人為因素對土壤重金屬積累的影響，此種方法是土壤污染評價中常用的評價指標之一[19]。地累積指數(shù)分級標準見表1。

表1 地累積指數(shù)分級標準Table 1 Classification standard of geo-accumulation index

地累積指數(shù)計算見式(1)。

Igeo=log2[Ci/(1.5×BEn)]

(1)

式中：Ci為土壤重金屬元素i的實際測量濃度值；BEn為新疆土壤重金屬背景值。

1.3.2 潛在風(fēng)險指數(shù)

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)是用于評估土壤重金屬的潛在風(fēng)險、生態(tài)敏感性[20]及其毒性[21-22]的重要指標，它可以評估單個污染物的污染程度[23]，也可以反映出多種混合污染物的污染狀況[24]。

潛在風(fēng)險指數(shù)計算見式(2)和式(3)。

(2)

(3)

1.3.3 正定矩陣因子分析模型

正定矩陣因子分析模型(PMF)是1994年由Paatero等提出的分析多變量因素的工具[25-28]。這是一種被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染來源解析的因子分析受體模型，與傳統(tǒng)的因子分析模型相比，它是在偏最小二乘回歸算法和迭代算法的基礎(chǔ)上改進的一種模型，將受體原始數(shù)據(jù)矩陣分解為因子貢獻矩陣和因子分布矩陣[29-33]。

PMF模型計算見式(4)。

(4)

式中：i為樣本個數(shù)；j為元素數(shù)量；Xij為第i個樣品中的第j個重金屬濃度(i=1，2，…，n；j=1，2，…，n)；gik為源k對樣品i的相對貢獻；fkj為元素j在源上的含量；eij為殘差矩陣。

通過分解PMF模型原始矩陣X得到最優(yōu)矩陣G和F，使目標函數(shù)Q達到最小化。目標函數(shù)Q計算見式(5)。

(5)

式中，Uij為第i個樣品中第j個元素含量的不確定性大小。該模型可以對每一個單獨的數(shù)據(jù)點進行權(quán)重處理，賦予每個數(shù)據(jù)點合適的不確定性大小，當元素的濃度低于或者等于相應(yīng)的方法檢出限(MDL)時，不確定度計算見式(6)，否則計算見式(7)。

Uij=5/6×MDL

(6)

(7)

式中：δ為相對標準偏差；?為化學(xué)元素的濃度，mg/kg；MDL為方法檢出限(Zn、Cu、Cr、Pb、Hg、As分別為0.01、0.02、0.02、0.06、0.01、1)，mg/kg。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文研究區(qū)采樣點分布圖在Arcgis 10.8軟件中完成；土壤重金屬元素含量、地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的描述性統(tǒng)計、相關(guān)性分析均在軟件Origin Pro 9.0 Pro和Excel 2019中完成；土壤重金屬的源解析在EPA-PMF 5.0軟件中進行計算。

2 結(jié)論與分析

2.1 土壤重金屬含量分析

表3為土壤重金屬含量統(tǒng)計分析。由表3可知，土壤中重金屬Zn、Cu、Cr、Pb、Hg和As的含量最大值和最小值的變化范圍分別為26.000～191.000 mg/kg、14.000～38.000 mg/kg、29.000～93.000 mg/kg、10.700～39.000 mg/kg、0.008～0.061 mg/kg和3.170～20.800 mg/kg，平均含量的大小順序為Zn>Cr>Cu>Pb>As>Hg，均未超過國家一級標準和國家二級標準，這6種元素的最大值也未超過國家二級標準；以新疆土壤背景值作為參照，土壤中重金屬Zn、Cu、Cr、Pb、Hg和As的平均含量均與土壤背景值相差不大，其中僅Zn、Pb、Hg和As超出了新疆背景值，且分別超出了1.01倍、1.20倍、1.15倍和1.94倍；Zn、Cr、Pb、Hg和As的偏度均呈現(xiàn)正值，表明這些重金屬元素在該區(qū)域內(nèi)均呈正偏態(tài)分布。

表3 土壤重金屬含量統(tǒng)計分析Table 3 Analysis of soil heavy metal content

變異系數(shù)可以獨立地反映不同元素分布的離散程度，也可以反映出元素之間的地質(zhì)區(qū)域差異性[36]。一般情況下，變異系數(shù)小的元素受地質(zhì)因素的影響較大，受人類活動干擾較小，而變異系數(shù)大的元素受人類活動干擾的影響較大。通過統(tǒng)計分析結(jié)果可以看出：該研究區(qū)土壤中重金屬含量變異系數(shù)的強度大小為Hg(181%)>As(41%)>Zn(32%)>Pb(28%)>Cr(25%)>Cu(23%)，其中，重金屬Hg的變異系數(shù)為181%，大于100%，具有特別強的變異性，說明重金屬Hg的空間分布受人類活動干擾的影響較大。通常，若重金屬的變異系數(shù)較大，其峰度值和偏度值也隨之較高，這進一步表明變異性增強是由人為因素導(dǎo)致[37-38]。所以，初步判斷Hg元素的變異性強主要受煤炭開采、運輸活動的影響；而As、Cr、Zn、Cu、Pb的變異系數(shù)的值均小于50%，表明這些元素變異性較弱。

2.2 地累積指數(shù)和潛在風(fēng)險指數(shù)分析

圖2為研究區(qū)重金屬地累積指數(shù)。由圖2可知，研究區(qū)土壤中Zn、Cu、Cr、Hg和As的含量都較低，處于無污染狀態(tài)，Pb的地累積指數(shù)為8，屬于極強污染狀態(tài)，表明該地區(qū)Pb在土壤中有一定的積累，對土壤造成了一定的危害。而潛在風(fēng)險指數(shù)(Eir)結(jié)果(表4)表明，Zn、Cu、Cr、Pb和As表現(xiàn)出低微的潛在風(fēng)險水平，幾乎不存在潛在污染風(fēng)險；而Hg的潛在風(fēng)險指數(shù)高達66.90，潛在的污染風(fēng)險較高；Hg元素的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)(表5)為7 870.59，Cu的為101.16，兩者的差值甚大，表明土壤中Hg元素存在較大的潛在風(fēng)險。總體來說，該區(qū)域內(nèi)重金屬Hg和Pb存在一定程度的積累，對土壤在一定程度上造成了危害。

圖2 研究區(qū)重金屬地累積指數(shù)Fig.2 Geo-accumulation index of heavy metals in the study area

表4 地累積指數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)和綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)描述性統(tǒng)計特征Table 4 Statistical characteristics of soil accumulation index,potential ecological risk index and comprehensive ecological risk index

表5 研究區(qū)重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)Table 5 Comprehensive ecological risk index of heavy metals in the study area

2.3 相關(guān)性分析

相關(guān)性一般指的是兩個變量元素之間的源關(guān)聯(lián)程度[39]，可以反映出不同重金屬元素之間的來源聯(lián)系及其污染源的相似度[40-41]。為了更好地判斷研究區(qū)土壤中Zn、Cu、Cr、Pb、Hg和As等6種重金屬的來源，對6種重金屬含量進行相關(guān)性分析。若各個元素之間具有顯著正相關(guān)，表明各元素之間具有相似的污染來源或者富集、遷移等地球化學(xué)行為；若各個元素之間具有顯著負相關(guān)，說明各個元素之間來源差異性較大。通過計算結(jié)果可以看出，該研究區(qū)土壤中重金屬Zn-Cu、Cu-Cr、Cu-As的相關(guān)系數(shù)分別為0.65、0.34、0.33，表明土壤中元素Zn和Cu、Cu和Cr兩兩之間具有相關(guān)性，它們之間可能具有相似的污染來源；而重金屬Hg和Cu的相關(guān)系數(shù)為-0.049，呈負相關(guān)，表明它們之間的來源不相似(圖3)。

圖3 土壤重金屬相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlation coefficient of heavy metals in soil

2.4 土壤重金屬污染來源解析

本文使用PMF模型來解析研究區(qū)土壤6種重金屬可能的污染來源。首先對樣本進行解析，并評估了6種重金屬元素的貢獻比重。表6和圖4分別給出了6種重金屬元素的污染源以及相應(yīng)的貢獻比例。由表6可知，因子1主要載荷的重金屬元素為Cu和Cr，載荷率分別為28.8%和22.9%，而對Zn、Pb、As的載荷率都相對較低；因子2主要載荷的金屬元素是As，載荷率達71.9%；因子3載荷率最高的金屬元素為Hg，荷載率為79.9%，其次為金屬元素Pb(54%)；因子4主要載荷的金屬元素為Cr，載荷率為36.3%；因子5載荷率較大的金屬元素為Zn(29.3%)和Pb(21.9%)；因子6貢獻率較大的金屬元素是Cu(39.7%)和Zn(30.9%)。

表6 研究區(qū)土壤重金屬污染貢獻率Table 6 Contribution rate of soil heavy metal pollution in the study aera 單位：%

圖4 研究區(qū)重金屬不同污染源總貢獻率Fig.4 Total contribution rate of different heavy metal pollution sources in the study area

根據(jù)前人研究結(jié)果,五彩灣礦區(qū)Cr元素在土壤中積累的主要途徑是頻繁而大量的煤炭開采活動，工業(yè)活動產(chǎn)生的各種排放物也會造成Cr元素的污染。Cr元素與Cu元素的相關(guān)性比較顯著，在煤炭運輸過程中，機動車會排放Cu離子。因此，因子1代表的可能是工業(yè)排放源。劉巍等[42]對準東煤田土壤重金屬空間分布特征研究分析得出重金屬As通過降塵方式進入土壤中，而非自然源進入土壤。因此，因子2很有可能是大氣降塵源。表3中Hg的變異系數(shù)為181%，變異性強，表明人為因素對Hg元素的影響較大。李林等[43]研究表明重金屬元素Hg的主要來源途徑為煤炭燃燒與有色金屬冶煉，且化石燃料的燃燒對土壤中重金屬元素Hg的積累有很大的作用[44]，所以Hg元素的主要來源是燃煤源。根據(jù)前人的研究結(jié)果結(jié)合本文的分析可知因子3代表的可能是燃煤源。已有研究結(jié)果表明，礦區(qū)周圍土壤中Cr元素的富集主要由自然因素和人為因素共同作用形成[45]，除此之外，姚峰等[46]對新疆準東煤田五彩灣露天煤礦的土壤重金屬污染源進行分析時也發(fā)現(xiàn)Cr的污染主要是在開采煤炭過程中由人為活動所造成的，本研究的結(jié)果與上述研究結(jié)果一致，因此，因子4和因子1代表的是人為因素源或工業(yè)活動源。柴磊等[47]的研究結(jié)果表明，土壤中Pb的積累主要來自于交通運輸。本文研究區(qū)作為位居全國前列的煤炭資源開發(fā)區(qū)，在運輸煤炭時車流量大、汽車運輸頻率高，使得交通運輸成為Pb積累的主要途徑。因此，因子5代表的是交通運輸源。姚峰等[46]對新疆準東煤田五彩灣露天煤礦的土壤重金屬污染源進行解析發(fā)現(xiàn)Cu主要來源于土壤母質(zhì)，含量大小受人為活動影響較小。根據(jù)表5對重金屬含量描述性統(tǒng)計分析，Zn和Cu的平均含量與新疆背景值相差不大，說明Zn和Cu的主要來源是自然因素。因此，因子6代表的是自然因素。

上文分析得出研究區(qū)土壤中重金屬污染源的主要途徑有自然因素、工業(yè)排放、交通運輸、燃煤源、大氣降塵和人類活動，本文利用PMF模型計算出研究區(qū)土壤中6種重金屬來源的總貢獻率比例，這6種污染來源占的比例分別是20%、14%、14%、22%、20%和10%，其中大氣降塵、燃煤源、人類活動、交通運輸和工業(yè)排放都可以認為是人為因素，這五者總占比為80%，所以人類活動對土壤重金屬污染貢獻率最大(圖4)。

3 結(jié) 語

1) 研究區(qū)土壤中重金屬Zn、Pb、Hg和As超出了新疆背景值，分別超出了1.01倍、1.20倍、1.15倍和1.94倍，但未超過國家一級標準和國家二級標準；土壤中Hg元素的變異系數(shù)為181%(大于100%)，變異性強，受人類活動干擾的影響較大。

2) 地累積指數(shù)結(jié)果顯示：該研究區(qū)土壤重金屬Zn、Cu、Cr、Hg和As均未超標，處于無污染或低微污染狀態(tài)，而Pb屬于強度污染；潛在風(fēng)險指數(shù)結(jié)果表明重金屬Zn、Cu、Cr、Pb和As表現(xiàn)出較低的潛在風(fēng)險水平，Hg的潛在風(fēng)險程度為極高狀態(tài)。綜合生態(tài)風(fēng)險評估結(jié)果表明：研究區(qū)土壤中重金屬Pb和Hg存在一定的潛在生態(tài)風(fēng)險。

3) 利用正定矩陣因子分析模型(PMF)解析污染源結(jié)果表明：研究區(qū)土壤中Cr元素的污染來源途徑是工業(yè)排放和人為因素；As主要通過大氣降塵累積在土壤中；Hg元素的主要來源是燃煤源；Zn和Cu的主要受成土母質(zhì)等是自然因素的影響；交通運輸是Pb積累的主要來源；且自然因素、工業(yè)排放、交通運輸、燃煤源、大氣降塵和人類活動的貢獻率分別為20%、14%、14%、22%、20%和10%。