准东露天煤田周边土壤重金属污染及潜在生态风险

刘芳，塔西甫拉提·特依拜，依力亚斯江·努尔麦麦提，高宇潇，阿不都艾尼，夏楠，杨春

1. 新疆大学资源与环境科学学院//绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046 2. 新疆应用职业技术学院园林系，新疆 奎屯 833200

准东露天煤田周边土壤重金属污染及潜在生态风险

刘芳1,2，塔西甫拉提·特依拜1*，依力亚斯江·努尔麦麦提1，高宇潇1，阿不都艾尼1，夏楠1，杨春1

1. 新疆大学资源与环境科学学院//绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046 2. 新疆应用职业技术学院园林系，新疆 奎屯 833200

通过采集准东露天煤田周边土壤样品，测定了各样品中的Zn、Cu、Cr、Pb、Hg、As 6种重金属含量，采用多元统计分析、地积累指数法及生态风险指数法分析了研究区4个方向（西北、东北、西南和东南）土壤重金属的污染特征、土壤重金属的污染程度和潜在生态风险，为该区域土壤重金属污染研究提供完善和补充，并为矿区周边生态环境修复提供依据。结果表明：研究区土壤中6种重金属的平均含量均未超过国家二级标准（GB15618─1995），但Cr、Hg和As的平均值分别是新疆土壤元素背景值的1.729、3.706、2.844倍。重金属的来源可分为3类，Pb在因子3中的荷载量为0.945，可能来源于地质背景；Cr与Hg在因子2中的荷载量为0.729与0.885，可能来源于人为污染；Zn、Cu和As在因子1中的荷载量为0.867、0.892和0.477，来源可能是人类活动和自然背景的复合。Zn、Cu和Pb在每个方向上的平均含量均小于0，处于无污染程度；Cr的平均值为0.208，属于“轻度-中等污染”；Hg在东北、西南和东南3个方向上的值超过1，在西北方向上的值为0.442，平均值为1.116，达到“中等污染”程度；As在东北方向上的值为1.103，在其他3个方向上的值大于0小于1，平均值为0.919，属于“轻度-中等污染”。研究区4个方向的潜在生态风险指数（RI）的顺序为东南>东北>西南>西北，平均生态风险指数为176.122，属于“强烈生态危害”程度。研究表明：研究区土壤重金属潜在生态风险较高，应加强污染预防和治理；研究区已受到了Cr、Hg和As的污染，其中Hg的污染程度最高，应重点关注和防治。

土壤；重金属污染；潜在生态风险；新疆准东煤田

与井工煤矿相比，露天煤矿有着安全高效、生产能力大、回采率高等优点（张峰伟等，2014；王韶辉等，2014；高雅等，2014）。但是，露天煤矿开采对开采区生态环境的改变很大，不仅破坏矿区原有地形、地貌、植被等自然景观，而且将不同深度岩层中的重金属元素由地下转至地表，改变了它们迁移的地球化学条件，致使矿区及周边土壤、空气、水源受到重金属污染（白润才等，2013）。因此，深入研究煤田及其周边土壤重金属污染特征是非常必要的。

国内外学者的研究成果表明潜在生态风险评价是了解研究区土壤重金属污染状况的一个重要手段。例如，马建华等（2011）对城市幼儿园地表灰尘重金属污染及潜在生态风险进行研究；石占飞等（2013）对神木矿区土壤重金属的含量特征及潜在风险进行研究评价；Md Saiful Islam et al.（2015）对孟加拉国不同城市用地中有害元素的潜在生态风险评价；海米提·依米提等（2014）对焉耆盆地土壤重金属潜在生态风险评价；韩平等（2015）对北京顺义区土壤的潜在生态风险评价。

近年来，关于新疆准东露天煤田（以下简称准东煤田）土壤重金属污染的研究大多仅限于五彩湾矿区土壤中Zn、Cu、Ni、Cr 4种重金属元素的来源及空间分布特征，而对矿区周边土壤中Hg、As、Pb等重金属的污染状况及潜在生态风险研究目前还未见报道。例如，姚峰等（2013）对准东煤田土壤重金属来源与污染评价；李长春等（2014）对新疆准东煤田五彩湾露天矿区土壤重金属污染评估与分析。因此本文选取准东煤田及周边为研究区，测量土壤样品中Zn、Cu、Cr、Pb、Hg、As 6种元素的含量，运用多元统计分析方法、地积累指数法和潜在生态风险指数法，分析以上6种重金属元素的污染来源、积累特征和潜在生态风险，为完善该区域土壤重金属污染评价提供补充，并为矿区周边生态环境修复提供依据。

1 研究区概况

准东煤田地处准噶尔盆地东部，卡拉麦里山南麓，位于吉木萨尔、奇台和木垒三县境内，北纬44°30′至45°00′之间，东经89°00′至90°20′之间，海拔300～600 m，总面积约11213 km2；属典型的极端干旱沙漠气候区，多年平均降水量183.5 mm；昼夜温差大，多年平均气温7.0 ℃；全年主导风向为西北风，多风沙，平均风速2.0 m·s-1；土壤贫瘠，有机质含量低，属于碱性土壤；天然植被多为荒漠植被，矮小且稀疏，区域内没有林地和农田，草地面积很小。

2 材料与方法

2.1 样本采集

准东煤田包括5大矿区，其中位于煤田西部的五彩湾矿区开采时间较早。在综合考虑研究区地貌、土壤、风向、开采情况和交通网络等因素的基础上，确定以开采较早的五彩湾矿区为中心，分 4个方向（西北、东北、西南、东南）由近及远呈辐射状取周边土样，样点遍及5个矿区（图1）。共设52个采样点。于2014年7月进行土壤样品采集，每个取样点以GPS精确定位，用不锈钢铲采集0～30 cm的表层土壤。

图1 研究区采样点分布示意图Fig. 1 Map of sampling sites of study area

2.2 样品处理与重金属含量测定

剔除土壤样品杂质，置于阴凉通风处自然风干，用木质工具磨碎，过0.2 mm孔径筛，密封保存。称取土壤样品0.5000 g，置于聚四氟乙烯坩埚中，用王水—氢氟酸—高氯酸组成的混合酸体系进行消解，蒸至近干后，用体积分数为10%硝酸加热溶解，直至土壤消解至灰白色，消解液透明澄清为止，冷却后再用高纯水定容至20 mL。Hg和As采用原子荧光法检测，Cu、Cr、Pb、Zn采用火焰原子吸收法检测，每个样品做3次重复测定，取平均值。重测定过程采用国家土壤标准物质（GSBZ 50012─88）进行质量控制。

2.3 污染评价方法

2.3.1 地积累指数法

该方法由德国科学家Műller（1969）提出，可以定量评价沉积物中的重金属污染的程度（柴世伟等，2006；彭景等，2007）。采用Forstner et al.（1981）对重金属污染程度的划分标准（表 1），以评价土壤中重金属的污染程度及分级情况。地积累指数表达公式如下（郭笑笑等，2011）：

表1 地积累指数分级标准Table 1 Criteria for index of geo-accumulation

式中，Igeo为地积累指数；Ci为元素i在土壤中的含量实测值；Ci为元素i的土壤背景值，本文采n用中国环境监测总站（2011）公布的新疆土壤元素背景值。

2.3.2 潜在生态风险指数法

该方法由瑞典科学家Håkanson（1980）提出，可以定量评估土壤或者沉积物中的各种重金属的联合潜在生态危害，也可以反映单个元素的污染水平（吕建树等，2012）。采用马建华等（1981）对潜在生态风险指数的分级标准（表 2）判别生态风险水平。其计算公式如下（郭笑笑等，2011）：

表2 潜在生态风险指数分级标准Table 2 Criteria for potential ecological risk index

式中，RI为土壤重金属的潜在生态风险指数；Ei为重金属i的潜在生态风险系数；Ti为重金属ir r的毒性响应系数，Zn、Cu、Cr、Pb、Hg、As的毒性系数分别为1，5，2，5，40，10（徐争启等，2008）；C ri为重金属i相对于沉积物背景值的污染系数；Ci为重金属i的实测含量； Cni为重金属i的背景值，取新疆土壤元素背景值。

2.3.3 数据处理与分析

采用Excel 2003、Spss 19.0统计软件，运用相关分析和因子分析分析东煤田土壤中 6种重金属的赋存特征和来源。采用Matlab 7.0软件计算地积累指数和潜在生态风险指数，评价准重金属污染状况。

3 结果与讨论

3.1 土壤重金属含量描述性统计

由描述性统计结果（表 3）可知，6种重金属含量的平均值均未超过土壤环境质量二级标（GB15618─1995）；Zn、Cu、Pb的平均值未超过新疆背景值，但 Cr、Hg、As的平均值分别达到82.253、0.063和31.853 mg·kg-1，高于新疆土壤元素背景值49.300、0.017和11.200 mg·kg-1，表明研究区可能受到了不同程度的污染；Cr、Hg、As的最大值超过国家二级标准，分别达到234.19、0.74、244.35 mg·kg-1，表明研究区局部地区受到了较重污染；As的平均值和最大值均超过国家二级标准，表明研究区局部范围受到了严重污染。根据 Wilding对变异程度的分类（汪东华，2010），Zn的变异系数为28.3%，属于中等变异（15%36%），其中Hg的变异系数远超过其他元素，说明这种元素分布较不均匀，可能受人为影响。与姚峰等（2013）对准东五彩湾矿区土壤重金属含量研究结果不同的是，本研究中Cu变异系数较大，Zn的平均含量未超过新疆土壤元素背景值，可能是因为本研究区域并不仅限于五彩湾矿区，Zn和Cu含量在不同距离范围内总体呈现较大波动；不过Zn具有较高程度的变异，Cu的平均含量未超过新疆壤元素背景值，Cr的平均含量超过新疆土壤元素背景值，与姚峰等（2013）的分析结果较为一致。

表3 研究区土壤重金属含量描述性统计Table 3 Descriptive statistics of heavy metal concentrations in soils of the studied areas

3.2 土壤重金属判源分析

根据6种元素之间的Pearson相关性分析结果可知（表4），Zn、Cu和As之间存在显著相关性（P=0.000），表明可能有相同的来源；Hg与Cr之间在显著相关性（P=0.000），与其它4种元素之间呈负相关，可能来源相同；Pb与Hg、Cr呈负相关，与其他Zn、Cu和As的相关性均较弱。为了更精确判别6种元素之间的来源和联系，可以通过进一步的因子分析。

表4 土壤重金属元素两两之间的相关系数Table 4 correlation coefficients of heavy metal contents in soils of study area

表5 因子分析总方差解释Table 5 Total variance explanation of factor analysis

研究数据经Bartlett球体检验，相伴概率为0，小于显著性水平0.05，且KMO检验值为0.565，适合作因子分析（汪东华，2010）。通过对Zn、Cu、Cr、Pb、Hg、As共6个变量的因子分析（表5）可知，3个公因子可以解释其 72.971%的信息，而且旋转前后总的方差累积贡献率没有发生变化，满足因子分析的原则。

研究区处于干旱荒漠区，受外界影响因素较少，重金属主要来源于土壤母质等自然因子、露天煤矿开采和运输的人为因子，以及自然因子和人为因子组合而成的复合因子。由因子荷载矩阵（表6）可以看出，Pb在因子3中的荷载量为0.945，明显高于在其它2个因子中的荷载量，与其他元素的相关性较低，且变异性小，区域浓度变化较为稳定，与人类活动关系不密切，说明其来源主要受土壤母质控制，主要来源于自然因子；Cr和Hg在因子2中的荷载量较高，相关性较强，变异系数较大，且在煤矿区域附近明显富集，主要来源于人为因子；Cu、Zn和As在因子1中的荷载量分别为0.867、0.892和0.477，均高于其他2个因子的荷载量，表明其来源比较复杂，可能受到人为因子和自然因子的复合影响。

表6 因子荷载矩阵Table 6 Component matrixes

由于准东煤田主要可采煤层分布于内陆湖相沉积的西山窑组中，As主要以硫化物、粘土矿物和碎屑矿物形式存在于煤中，平均含量低于 2 mg·kg-1，最大含量为5.6 mg·kg-1，均小于新疆土壤元素背景值和国家土壤质量二级标准（庄新国，2013；陈新蔚等，2013），并且As在因子3中的也有较高的荷载量，表明影响As来源的复合因子中，人为因子影响较少，自然因子影响较多。

3.3 土壤重金属地积累指数评价

地积累指数分析结果（表7）表明，Zn、Cu和Pb在4个方向（西北、东北、西南、东南）上的地积累指数均小于0，污染级别为0级，处于无污染程度；Cr的平均值为0.208，污染级别为1级，属于“轻度-中等污染”，Zn、Cu和Cr的污染程度与李长春等（2014）对准东五彩湾煤矿土壤重金属的地积累指数评价结果相一致；Hg在东北、西南和东南3个方向上的值超过1，在西北方向上位0.442，平均值为1.116，污染级别为2级，达到“中等污染”程度；As在东北方向上的值为1.103，在其他3个方向上的值大于0小于1，平均值为0.919，污染级别为1级，属于“轻度-中等污染”。Zn、Cu、Pb和Cr在4个方向上的污染程度一致，Hg和As的污染程度在不同方向上呈现多级别化，可能与煤矿开采运输过程中煤尘降落以及常年主导风向等气象因素有关。

表7 土壤重金属地积累指数Table 7 Igeoof heavy metals in soils of study area

3.4 土壤重金属潜在生态风险评价

潜在生态风险指数评价结果（表 8）表明，4个方向上的Zn、Cu、Cr、Pb和As的单因子潜在生态风险系数均低于40.000，表明5种重金属在4个方向上的潜在生态危害程度都较低，属于“轻微生态危害”；Hg的单因子潜在生态风险系数在西北、东北、西南方向上超过80.000，属于“强烈生态危害”，在东南方向上超过 160.000，属于“很强烈生态危害”。4个方向的潜在生态风险指数（RI）顺序为东南>东北>西南>西北，其中西北为“中等生态危害”，东南、东北、西南为“强烈生态危害”。研究区平均潜在生态风险指数为176.122，属于“强烈生态危害”程度，高于同为西北地区的陕西神木煤矿周围土壤重金属平均潜在生态风险指数（石占飞等，2013）。

表8 土壤重金属潜在生态风险系数（Ei）和潜在生态风险指数评价（RI）Table 8 Potential ecological risk coefficients and risk indices of heavy metals in soil of study area

4 结论与讨论

4.1 讨论

对开采期一定范围内的土壤环境开展重金属污染监测和评价，对于了解和掌握荒漠露天煤矿开采造成的土壤污染情况十分重要。目前准东煤田土壤中关于Zn、Cu、Cr 3种重金属污染的研究较多，从重金属的来源和污染程度来看，研究一致认为Cr的来源主要受煤矿开采时煤尘和人为因素的影响，有一定程度的污染。但在Zn和Cu的变异程度上各研究结论有所不同，主要原因可能是受到研究区范围大小和采样点位置的影响，但较为一致的是Zn、Cu的来源主要是土壤母质，没有造成污染。本文研究表明Hg与Cr的来源类似，但Hg污染程度更强，这两种重金属对人体危害均十分严重，在煤矿开采过程中必须加强预防和治理。

从评价结果来看，本研究中Hg的污染程度为“中等污染”，而潜在生态风险却属于属于“强烈生态危害”。重金属的污染程度和潜在生态风险存在差异的主要原因是两种方法评价的侧重点不同，地积累指数法主要是在地质背景的基础上强调某种重金属污染的程度，而潜在生态风险不仅考虑了重金属的性质、在环境中的迁移转化规律，还引入了毒性响应，除了能为改善环境提供依据还能为人们的健康生活提供参考，使得评价更侧重于毒理方面，Hg的毒性很强，则潜在生态风险强烈。

从不同方向上来看，Hg、As和Cr在西南、东南、东北3个方向的污染程度均为Hg>As>Cr，而在西北方向上却是 As>Hg>Cr，这可能与该地区的主导风为西北风有关，煤尘随风向从西北部扩散到其他3个方向，从而造成土壤重金属污染。As含量在西北方向上高于Hg和Cr，可能和As来源有关，一方面来源于煤矿开采，另一方由于该地区土壤背景中As含量本身较高。

尽管目前针对准东土壤重金属在研究对象、研究方法和研究结论上有所不同，但不可否认准东露天煤矿开采已经造成部分重金属对周边土壤一定程度的污染，如果不及时采取措施，可导致与土壤紧密相关植物退化、大气污染乃至在此居住、工作的人类健康。因此，在后续研究中，应加强对区域土壤重金属的积累规律和本土植物对重金属富集性的研究，为该地区的生态环境监测与修复提供依据。

4.2 结论

（1）研究区土壤中6种重金属的平均含量均未超过国家二级标准（GB15618─1995），但Cr、Hg和As的平均含量均超过新疆土壤元素背景值。

（2）综合相关性分析和因子分析，可以将重金属的来源可分为 3类。Pb可能来源于地质背景；Cr与Hg可能来源于人为污染；Zn、Cu和As来源可能是人类活动和自然背景的复合。

（3）Zn、Cu和Pb在每个方向上均处于无污染程度；Cr和As属于“轻度-中等污染”程度；Hg达到“中等污染”程度。表明研究区已受到了Cr、Hg和As的污染，其中Hg的污染程度最高，应重点关注和防治。

（4）生态风险评价结果显示，研究区4个方向的潜在生态风险指数（RI）顺序为东南>东北>西南>西北，平均生态风险指数为 176.122，属于“强烈生态危害”程度，应加强对研究区土壤重金属污染预防和治理。

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Pollution and Potential Ecological Risk of Soil Heavy Metals Around the Coalfield of East Junggar Basin

LIU Fang1,2, TASHPOLAT Tiyip1*, ILYAS Nurmamat1, GAO Yuxiao1, ABDUHENI1, XIA Nan1, YANG Chun1
1. College of Resources and Environment Science; Ministry of Education Key Laboratory of Oasis Ecology, Xinjiang University, Urumqi 830046, China 2. Department of Landscaping and Gardens, Xinjiang Applicational Vocational and Technical College, Kuitun 833200, China

Soil samples were collected around the opencast coalfield of Junggar, six types of heavy metal content of each sample such as, Zn, Cu, Cr, Pb, Hg, As was measured, a multivariate statistical analysis, geo-accumulation (Igeo) index and ecological risk index (RI) was adopted in order to evaluate the pollution characteristics, pollution degree and potential ecological risks of the heavy metals in 4 different directions (northwest, northeast, southwest and southeast), aiming to provide supplement and perfection for regional Heavy Metal pollution of soil and offer a reference for ecological environment restoration of mining areas.The results indicated that the average contents of these six selected heavy metals of soil samples were all less than the Environmental Quality Standards of China (GB15618─1995), however the contents of Cr, Hg and As were 1.729, 3.706 and 2.844 times of soil element background values of Xinjiang. The sources of these heavy metals could be divided into three categories, the third component matrix of Pb was 0.945, might be originated from geological background. The second component matrix of Cd and Hg were 0.729 and 0.885 respectively, might be come from anthropogenic pollution. The first component matrix of Zn, Cu and As were 0.867, 0.892, 0.477, the source might be from a composite of human activities and natural background. The average content of Zn, Cu and Pb in each direction were less than zero, belongs to a degree of no pollution. The average value of Cr was 0.208, which is a “slightly-moderate”pollution. Hg values in three directions (northeast, southwest and southeast) were the above one, only in the northwest direction was 0.442, with an average value of 1.116, which indicates “moderate pollution” level. The value of As in the northeast direction was 1.103, in the other three directions was greater than 0 and less than 1, with average value of 0.919, which suggested“slightly-moderate” pollution. The order of potential ecological risk index (RI) of the four directions was SE > NE> SW > NW, the average ecological risk index was 176.122, which indicated a extent of “strong ecological hazard” .Studies showed that: potential ecological risk of heavy metals in the study area was relatively high, hence it is vital that one should strengthen the prevention and control measures of pollution; the study area has been contaminated by the heavy metals including, Cr, Hg, and As, among them the pollution degree of Hg was the highest, therefore we should focus our attention on prevention and treatment of it.

soil; heavy metal pollution; potential ecological risk; coalfield of East Junggar

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.08.020

X53

A

1674-5906（2015）08-1388-06

刘芳，塔西甫拉提·特依拜，依力亚斯江·努尔麦麦提，高宇潇，阿不都艾尼，夏楠，杨春. 准东露天煤田周边土壤重金属污染及潜在生态风险[J]. 生态环境学报, 2015, 24(8): 1388-1393.

LIU Fang, TASHPOLAT Tiyip, ILYAS Nurmamat, GAO Yuxiao, ABDUHENI, XIA Nan, YANG Chun. Pollution and Potential Ecological Risk of Soil Heavy Metals Around the Coalfield of East Junggar Basin [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(8): 1388-1393.

国家科技支撑计划项目（2014BAC15B01）；教育部长江学者和创新团队（IRT1180）

刘芳（1982年生），女，讲师，工程师，博士研究生，主要从事生态规划与管理研究。E-mail: liufang821210@163.com *通信作者：塔西甫拉提·特依拜（1958年生），男（维吾尔族），教授。E-mail: tash@xju.edu.cn

2015-05-25