准东矿区土壤重金属污染分析及其来源解析

杨 磊，熊黑钢

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆大学绿洲生态教育部 重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆农业大学管理学院，新疆 乌鲁木齐 830052； 4.北京联合大学应用文理学院，北京 100083)

ThesoilheavymetalpollutionanalysisandsourceapportionmentinZhundongminingarea

YANG Lei1，2，3，XIONG Heigang1，2，4

(1.College of Resources & Environmental Science，Xinjiang University，Urumqi 830046，China； 2.Key Laboratory of Oasis Ecology，Xinjiang University,Urumqi 830046，China； 3.College of Management，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China； 4.College of Arts and Sciences，Beijing Union University，Beijing 100083，China)

Abstract:Heavy metals are one of the important factors that affect soil fertility and soil environment.This paper selects the Zhundong of eastern area at Fukang mine area as the study area，based on the determination of heavy metals in soil，the distribution characteristics and spatial distribution of heavy metals in different layers were analyzed.Factor analysis and multiple linear regression (FA-MLR) were used to analyze the source of heavy metals and the contribution rate of each source.The results show that the mine soil heavy metals Cu and Zn elements without heavy metal pollution and the occurrence of the phenomenon of loss；the elements of Cr and Pb have slight heavy metal pollution and have slight enrichment；heavy metals pollution occurred in As and Hg elements，and heavy pollution occurred.FA-MLR Analysis shows 90.31% of the Hg comes from coal combustion，43.5% of Pb comes from transportation，and 21.69% of As comes from atmospheric dust，the main sources of Cu and Cr were coal dust，and their contribution rates were 63.29% and 83.67% respectively，including 30.67% of the Cu comes from the soil parent material，and 76.01% of the Zn comes from the soil parent material.The contribution rate of main heavy metals mine in Zhundong from high to low are the source of coal combustion，coal dust，soil，dust and air transportation.There is an unknown source of heavy metals in soils other than Zn.In conclusion，FA-MLR could successfully identify the sources of heavy metals and compute contribution rate of heavy metals，all these information could be a reference for heavy metal pollution control.

Keywords：Zhundong mining area；heavy metal；pollution analysis；pollution source analysis

0 引 言

土壤是人类赖以生存、发展的基础，不仅是地球的重要自然资源之一，还是整个生态系统的生命线。大规模露天煤矿的开采，加重了区域土壤重金属污染，成为区域所面临的重要环境问题之一[1-2]。由于新疆准东煤矿的相继开采，大量重金属污染物通过多种途径进入土壤，从而导致土壤重金属污染，造成环境污染、生态破坏等一系列问题。因此对新疆准东地区进行重金属污染研究对环境治理及生态修复具有重要的意义。

目前，对准东矿区重金属的研究主要集中在重金属的空间分布和污染评价方面[3-5]，而对重金属的来源分析研究相对缺乏。准东矿区土壤分布着大量的重金属，其中煤炭的燃烧、大气降尘、煤尘和交通运输等成为重金属污染的潜在来源。多元统计已运用于污染物的来源分析研究[6-7]，但运用于准东矿区的研究相对较少，其方法包括因子分析(factor analysis，FA) 和多元线性回归分析(multiple linear regression，MLR)。重金属来源的辨别和贡献分析对其污染防治有着重要意义。

试验选取准东矿区周边农田和荒地等作为研究区域，以不同分层土壤(0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm) 为研究对象，采用FA方法对准东矿区区域土壤进行重金属来源辨别，在FA方法基础上使用MLR方法对各来源进行定量模拟，并对模拟效果进行检验，旨在研究准东矿区区域的重金属来源和各来源的贡献比率，为重金属污染防治提供有利参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆准噶尔盆地东部，海拔300～600 m。研究区示意图及采样点分布见图1。该区域地处欧亚大陆腹地，远离海洋属典型的极端干旱大陆性气候。冬季长而寒冷，夏季短而炎热，春秋季节不明显，干旱少雨，日照充足，热量丰富，昼夜温差大，春秋季多风。据吉木萨尔县气象站统计资料，研究区多年平均气温7.0 ℃，多年平均降水量约180 mm，多年平均蒸发量约2 000 mm；日照总时数2 800～3 000 h；全年主导风向为西北风，一般风力3～5级，多年平均风速2.0 m/s，最大风速为15 m/s，起沙风速为4.0 m/s，沙尘暴日数约45 d[8]，多年平均气温6.9 ℃。该地区的土壤类型主要有灰棕模土、荒漠风沙土、石膏灰棕模土和荒漠碱土，土壤表层有机质质量分数在2%以下[9]。

图1 研究区示意图及采样点分布图

1.2 试验与材料

1.2.1 土壤样品采集

2017年5月对准东煤矿进行综合调查，准东五彩湾煤矿共采集36个样点，用GPS对其进行坐标定位，采样点分布见图1。每个采样点采取三层0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm的土壤土样。采样点主要布置在煤田开采区周边，还有一些分布在工厂附近的农田和国道旁的荒地等。

1.2.2 土壤样品分析

对采集回来的土壤样品进行自然晾干，然后碾磨，过筛去除杂质后，取0.5 g土壤样品置于四氟乙烯干锅中先加入9 mL浓盐酸(HCI)，其次加入3 mL浓硝酸(HNO3)加热至蒸腾20 min，然后加入氢氟酸(HF)5 mL加热30 min，再加入高氯酸(HClO4) 3 mL，加热蒸发至近干，最后加入稀硝酸(1∶10) 10 mL，微沸15 min后取下冷却，并用高纯水定容至20 mL，共检测6种重金属元素：Zn、Cu、Cr、Hg、As和Pb。对Hg和As两种元素进行测定主要是使用日立Z-2000型原子吸收分光光度计，原子荧光光谱法；对Zn、Cu、Cr和Pb等4种元素采用火焰原子吸收光谱法进行测定;对每个土壤样品重复检测三次。

1.3 数据统计与分析

准东矿区采集自不同区域的土壤层(0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm) 之间重金属含量差异分析采用非参数的两两比较法。运用因子分析(FA)辨别重金属来源，结合多元线性回归(MLR) 模拟重金属各来源贡献率[6-7]。所有统计均采用SPSS19完成。

2 结果与分析

2.1 表层重金属含量的统计分析

针对准东地区土壤重金属元素含量进行统计分析(表1)。从表1可知Hg元素的变异系数最大，其余重金属元素变异系数均小于50，说明Hg元素变异程度较大，受到的影响因素较多。

表1 不同土壤层重金属含量描述统计

注：新疆背景值资料来源于文献[8]。

准东地区不同土壤层的重金属As元素含量相差不大，总体在1.54～43.69 μg/g之间，但土壤各层重金属含量均超出了新疆背景值11.2 μg/g，说明准东矿区As的含量严重超标，土壤受到污染。各层土壤Cr元素含量在0.02～0.11 mg/g，略高于重金属背景值，10～20 cm层土壤重金属均值最高，但这三层相差不大。各层土壤Cu元素含量在0.01～0.03 μg/g之间，数值较松散，均值未超出新疆背景值，说明该地区的Cu元素还没对当地土壤造成污染。Hg元素各土壤层的含量较集中，总体超过了新疆背景值，各层土壤重金属含量相差不明显。Pb元素不同层也都超出了新疆土壤重金属标准值。各层土壤中元素Zn含量在0.01～0.11 mg/g之间，10～20 cm含量略高，均低于背景值0.068 mg/g。

总体来看，Zn与Cu元素含量均值并未超出新疆背景值，只是存在某些点的含量过高，As、Cr、Hg和Pb元素均超标，说明影响准东矿区土壤理化性质及土壤生态安全的主要是这四个元素。

2.2 土壤重金属污染分析

土壤中重金属污染程度可采用污染系数(Pi)来初步评价，即土壤中重金属元素i的实测值与该元素背景值比值，大于1表示该元素发生富集，否则就亏损[10]。本文选取背景值为新疆土壤重金属背景值，作者将不同层的土壤重金属样品进行求取平均值，然后进行污染系数计算。得出准东矿区Hg元素的Pi值均大于1，表层与第三层接近2，而中间层接近1，说明中间层土壤污染较为轻微，而表层与第三层重金属污染较为严重。且各层Pi值相差较大，说明不同层的重金属Hg受到的扰动较大。As元素的Pi值均大于3，说明准东矿区As重金属污染最为严重。Cr与Pb元素的Pi值均接近1，且不同层变化不大，说明该元素的污染状况较为轻微。Cu和Zn元素的Pi值均小于1，说明准东地区Cu和Zn元素发生亏损。不同层土壤重金属污染分析情况见图2。

综上所述，准东地区土壤重金属仅Cu和Zn元素未出现重金属污染且发生亏损现象；Cr和Pb元素存在轻微重金属污染且有轻微富集；As和Hg元素出现较为严重的重金属污染有重度富集。

2.3 重金属来源分析

利用因子分析，通过对各因子中变量的负载及相互联系可以推测出各重金属的可能来源[6，7，11-12]。本文选择准东地区土壤重金属进行因子分析-多元线性回归分析。

首先，进行Bartlett球度检验和KMO检验方法分析。在Bartlett球形检验中，概率为0.002小于显著性水平，拒绝原假设，与单位矩阵有显著差异，KMO为0.449，说明适合因子分析。其次采用主成分分析及方差极大化旋转方法，得到因子分析结果见表2。由表2可见，因子分析共提取了6个因子，其中影响准东地区土壤的5个主要因子 F1、F2、F3、F4和F5，相应的特征值分别为1.747、1.423、1.033、0.831与0.674，方差贡献率分别为 29.123%、23.720%、17.215%、13.850%和11.227%，累计方差贡献率达95.134%，所以本文选取5个主成分解释原始数据的绝大多数信息。

图2 不同层土壤重金属污染分析

因子初始特征值旋转前旋转后特征值方差百分比/% 累积贡献率/%特征值方差百分比/%累积贡献率/%特征值方差百分比/%累积贡献率/%11.74729.12329.1231.74729.12329.1231.68228.02828.02821.42323.72052.8421.42323.72052.8421.41423.55951.58731.03317.21570.0571.03317.21570.0571.10818.47070.05740.83113.85083.907——————50.67411.22795.134——————60.2924.866100.000——————

进而求解主成分的载荷矩阵(表3)，载荷系数越大表明其重金属元素对土壤环境影响越大，起主导作用。选取载荷系数最大的因子变量，其中第一主成分中的Cr元素和Cu元素、第二主成分中的Zn元素、第三主成分的Hg元素、第四主成分的As元素以及第五主成分的Pb元素，这6种重金属在各主要因子上的载荷及共同度见表3。此处共同度的作用来体现变量被提取的程度[13]，其中重金属Hg、As、Pb和Zn的共同度均达到98%以上，表明变量被提取的程度已很高；Cu和Cr的共同度达到85%以上，表明基本达到信息提取的程度。

对采样点的土壤重金属含量进行相关性分析，得到重金属含量相关系数矩阵，见表4。数据显示，Cr和Cu有较高的相关性且为极显著正相关(在0.01水平上为0.559)，可以基本认定为来自同一污染源。同时，Cu和Zn也具有一定相关性(在0.05水平下为0.375)。

表3 旋转因子载荷及共同度

表4 土壤重金属相关性矩阵

注：*表示0.05显著性水平检验；**表示0.01显著性水平检验。

对于准东矿区土壤重金属样品，F1中Cu和Cr有最高负载，分别为0.871和0.857，其中根据姚峰等[14]的研究结果可知，Cr元素主要受到煤炭开采过程中扩散的煤尘下渗引起土壤重金属Cr含量增加，又因为 Cu和Cr元素之间具有显著性相关(在0.01水平下为0.559)，说明 Cu和Cr元素来自同一个污染源，即F1可代表煤尘来源。根据描述统计表可以看出Zn元素的平均值未超过新疆背景值，最大值也未超出新疆背景值，说明土壤Zn元素处于亏损状态。可以认为准东地区土壤Zn元素主要来自于土壤母质，即F2可代表土壤母质来源。一些研究表明煤炭燃烧是Hg的主要来源[15-16]，所以本文认为F3可代表煤炭燃烧来源。郭欣等[17]研究结果表明煤燃烧释放的飞灰中 As元素占原煤含量的84.6%，且易于富集在灰尘中，随颗粒物远距离扩散，从而造成了研究区整体 As元素的污染． 因此可以推断As元素直接来源是大气降尘，最终来源是煤，此处本文认为F4可代表大气降尘来源。Pb元素是交通运输主要标志性污染物来源[18]，准东矿区长年开采，常年车流量大，交通运输频繁，所以该因子可以代表交通运输来源，即F5为交通运输来源。本文基于前人研究的基础，对重金属污染来源进行了可能性分析，经因子分析所得的主要因子与重金属来源建立了合理的联系。

2.4 重金属来源比率模拟分析

利用因子分析辨别重金属的可能来源后，因子分析-多元线性回归被用来模拟各来源的贡献比率，具体模拟过程参见文献[7]。表5为各主因子对不同重金属元素贡献的比率，其中E/O表示因子分析-多元线性回归所模拟的重金属含量与实测含量间的比值，这一比值均接近于1，而模拟值和实际值之间的相关系数(R2)都达到了极显著水平(P<0.01)。因此，因子分析-多元线性回归分析可以很好地模拟重金属来源。按照归一法取舍各主因子的贡献率，结果见表5。这里，大于1%的数值按原值保留，小于1%的数值说明贡献很小可忽略不计，此处记为0，以“—”表示。由于大多数重金属的5个主因子贡献率之和小于100%，表明仍有其他污染贡献存在，将其称作不确定因子，并以US表示。

从表5可知，在准东矿区，Hg元素的主要来源为煤炭燃烧，煤炭燃烧贡献率为90.31%，交通运输贡献了1.5%；交通运输(F5)提供了Pb元素43.5%的来源，因此交通运输是Pb元素的主要来源，同时煤尘提供了Pb元素5.63%的来源；As元素的主要来源为大气降尘，21.69%的As元素来源于大气降尘，9.72%的As元素来源于煤尘；Cu和Cr元素的主要来源为煤尘，其贡献率分别为63.29%和83.67%，其中针对Cu元素土壤母质贡献了30.67%；Pb元素的主要来源为交通运输，43.5%的Pb元素来源于交通运输，煤尘贡献了5.63%；Zn元素的主要来源为土壤母质，76.01%的Zn元素来源于土壤母质，煤尘、大气降尘和交通运输分别贡献了39.10%、16.03%和33.07%。

表5 各主因子对不同重金属元素的贡献水平

注：US为不确定因子百分比;E/O表示模拟重金属含量与实测重金属含量比值。

多元线性回归的结果表明，准东矿区主要重金属元素贡献率由高到低的来源依次是煤炭燃烧、煤尘、土壤母质、交通运输和大气降尘。各个重金属主要来源不同，不同重金属各来源的贡献率也同。其中Zn元素的不确定因子为0，其余重金属含量都存在不确定因子，说明除Zn元素以外的土壤重金属还有别的来源，有待后续研究。

3 结 语

在新疆准东地区，土壤重金属从因子分析得出五个主成分。利用因子分析-多元线性回归模型可以很好地辨别各种重金属来源，并能模拟出各来源的贡献比率。准东矿区土壤重金属主要来源于煤尘、大气降尘、煤炭燃烧、土壤母质和交通运输。其中Zn元素的来源，不存在不确定性，Hg、As、Cu、Cr、Pb元素还存在不确定的来源。本研究结果将为准东矿区土壤重金属污染防治提供有利的参考。