阿爾祖娜·阿布力米提，王敬哲，王宏衛(wèi)，茹克亞·薩吾提，阿不都艾尼·阿不里，吾木提·艾山江

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新疆準(zhǔn)東礦區(qū)土壤與降塵重金屬空間分布及關(guān)聯(lián)性分析

阿爾祖娜·阿布力米提，王敬哲，王宏衛(wèi)※，茹克亞·薩吾提，阿不都艾尼·阿不里，吾木提·艾山江

（1. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2. 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046）

土壤重金屬與大氣降塵重金屬之間的關(guān)聯(lián)性可以反映重金屬污染的來(lái)源、土壤-大氣系統(tǒng)中重金屬的傳輸、遷移和擴(kuò)散特征。為了研究礦區(qū)表層土壤的污染狀況及與降塵重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的關(guān)聯(lián)性，該研究以新疆維吾爾自治區(qū)準(zhǔn)東礦區(qū)為研究靶區(qū)，利用2014年采集的51個(gè)表層土壤和大氣降塵樣品的室內(nèi)實(shí)測(cè)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，并基于此分析了樣品中6 種重金屬（As、Cu、Cr、Hg、Pb、Zn）的空間分布特征、地積累指數(shù)以及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；利用Pearson相關(guān)性分析矩陣和灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)表層土壤與大氣降塵中重金屬濃度的相關(guān)性和關(guān)聯(lián)度進(jìn)行探討。結(jié)果表明：1）準(zhǔn)東礦區(qū)表層土壤重金屬的分布狀況存在著明顯的空間差異，其中Hg的污染程度最嚴(yán)重，處于強(qiáng)-極強(qiáng)度污染，其潛在生態(tài)危害指數(shù)達(dá)到了較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Zn和Cu基本處于無(wú)污染狀態(tài)，屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；2）大氣降塵重金屬空間分布存在著明顯差異，降塵中的Zn處于極強(qiáng)度污染，Hg處于無(wú)污染狀態(tài)；3）Pearson相關(guān)分析與灰色關(guān)聯(lián)分析表明，準(zhǔn)東地區(qū)表層土壤與大氣降塵中6種重金屬的相關(guān)系數(shù)大小順序與關(guān)聯(lián)度排序結(jié)果一致，其中Hg和As元素具有較強(qiáng)的一致性，且具有相同的來(lái)源，說(shuō)明大氣降塵對(duì)表層土壤中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定影響。但因不同重金屬元素沉降特性不同，導(dǎo)致各元素之間的關(guān)聯(lián)度有所差異。

重金屬；土壤；沙塵；空間分布；地積累指數(shù)；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；關(guān)聯(lián)性分析

0 引 言

重金屬污染是指由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染，該污染具有范圍廣、持續(xù)久、難降解等特性[1]。當(dāng)前，工業(yè)化快速發(fā)展，受人類工業(yè)活動(dòng)及化石燃料等因素的影響，表層土壤與大氣降塵中的重金屬污染狀況越發(fā)嚴(yán)重[2]。礦區(qū)在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生易散性降塵，重金屬元素又會(huì)以降塵顆粒為載體進(jìn)行遷移，以干、濕沉降等形式進(jìn)入表層土壤。重金屬在土壤中富集會(huì)破壞土壤的理化性質(zhì)，對(duì)環(huán)境造成不可逆的污染進(jìn)而威脅人類健康[3-6]。因此，明確大氣降塵對(duì)區(qū)域表層土壤的重金屬元素的富集、空間分布、污染評(píng)價(jià)等產(chǎn)生的影響已成為近年來(lái)環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

新疆準(zhǔn)東礦區(qū)擁有預(yù)測(cè)資源量高達(dá)3 900億t的煤田，是迄今發(fā)現(xiàn)的特大整裝煤田。受極端自然條件及人類開(kāi)采活動(dòng)的影響，土壤重金屬污染問(wèn)題十分突出，生態(tài)環(huán)境面臨嚴(yán)峻威脅[7-9]。姚峰[10-12]等對(duì)于準(zhǔn)東礦區(qū)重金屬污染情況已經(jīng)開(kāi)展了一定的研究。但是這些研究主要關(guān)注土壤或大氣降塵中重金屬的時(shí)空分布特征，并利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。而礦區(qū)方面此外還有少量對(duì)大氣降塵重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的研究，以及重金屬在植物中的富集效應(yīng)等[13-15]。但受人類開(kāi)采活動(dòng)的影響，開(kāi)采區(qū)等區(qū)域表層土壤稀薄，極易受到大氣降塵的影響。針對(duì)表層土壤重金屬與大氣降塵重金屬之間關(guān)聯(lián)性的研究鮮有報(bào)道。基于此，本研究采用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)表層土壤及降塵中的重金屬進(jìn)行污染程度研究和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并利用反距離插值法進(jìn)行空間表征，結(jié)合Pearson相關(guān)分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)準(zhǔn)東礦區(qū)表層土壤及大氣降重金屬塵間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究，以期為區(qū)域的重金屬污染與防治，生態(tài)功能修復(fù)等提供一定的科學(xué)參考與數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于新疆吉木薩爾縣城北，西起昌吉回族自治州阜康市，東到木壘縣老君廟，北至卡拉麥里山南麓，南接古爾班通古特沙漠，地理坐標(biāo)為88°36￠～90°10￠E，44°10￠～45°10￠N，總面積約11 213 km2。地貌類型主要為戈壁灘平原地貌，地形平坦開(kāi)闊，南部為山區(qū)，中部是平原，北部延伸至古爾班通古特沙漠，總體地勢(shì)南高北低[16]。區(qū)域氣候?yàn)榈湫偷臉O端干旱大陸氣候，氣候干旱、降水稀少，晝夜溫差大。年平均氣溫7.6 ℃，區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，區(qū)內(nèi)無(wú)常年水流，地表植被覆蓋度低。研究區(qū)的土壤類型以灰褐色及褐色的荒漠土、石膏灰棕漠土、荒漠堿土為主，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足2%，受強(qiáng)風(fēng)作用的影響，區(qū)域表層土壤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)極低，土壤平均粒徑較粗，主要由細(xì)砂組成[17]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

2.1.1 土壤樣品采集

土壤樣品的采樣時(shí)間為2014年7月。針對(duì)礦區(qū)開(kāi)采情況、研究區(qū)主要土壤類型、地形地貌、典型景觀特征及可達(dá)性等因素，選取五彩灣礦區(qū)為中心，向西北、東北、西南、東南4個(gè)方向共布設(shè)51個(gè)采樣單元（圖1）。采樣單元覆蓋了準(zhǔn)東礦區(qū)的開(kāi)采區(qū)域、煤電煤化工廠、排土場(chǎng)、煤矸石堆場(chǎng)等作業(yè)區(qū)域，具有一定代表性。由于研究區(qū)土壤層較薄，依據(jù)采樣單元的實(shí)際狀況劃分0～10 cm深度為表層土壤，并采用3點(diǎn)混合法進(jìn)行樣品采集，共獲取51個(gè)土壤樣品。

圖1 研究區(qū)示意圖及采樣點(diǎn)分布圖

2.1.2 大氣降塵樣品采集

依據(jù)土壤樣點(diǎn)的位置及研究區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向等，共設(shè)置51個(gè)大氣降塵收集器，使其與土壤采樣單元一一對(duì)應(yīng)，并于2014年5月至12月，對(duì)大氣降塵進(jìn)行連續(xù)性收集。降塵收集器放置在距離地面約 2.0 m處，每個(gè)降塵收集器放置3個(gè)降塵缸，每個(gè)降塵缸的規(guī)格為高20 cm，直徑18 cm。為了防止降塵量受到風(fēng)沙的影響，上面放置不銹鋼漏斗，采樣期內(nèi)的干濕沉降樣品的采集采用干法收集，將降塵樣品用裝有超純水的氣壓噴壺沖洗到采樣瓶中，沖洗至降塵缸內(nèi)無(wú)明顯顆粒為止，并繼續(xù)用于后續(xù)降塵的收集。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將采樣瓶中所收集到的樣品倒入培養(yǎng)皿中，蒸干后得到大氣降塵樣品。為使數(shù)據(jù)更客觀且具有代表性，將3個(gè)降塵缸內(nèi)的降塵進(jìn)行充分混合后，取平均值作為該采集點(diǎn)的降塵量，并進(jìn)行重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定。

2.2 重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

2.2.1 土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

對(duì)之前處理好的土壤樣品進(jìn)行重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定，委托新疆大學(xué)理化測(cè)試中心進(jìn)行檢測(cè)，共檢測(cè)6種重金屬元素：汞（Hg）、砷（As）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鉻（Cr）。檢測(cè)步驟如下：稱取樣品0.200 g，首先加入9 mL濃鹽酸后，再添加3 mL的濃硝酸，使用電熱板加熱至沸騰20 min后，再滴入5 mL氫氟酸進(jìn)行加熱30 min后，加入3 mL的高氯酸加熱至全部溶解，最后滴入10 mL稀硝酸（10%）以微沸狀態(tài)加熱溶解15 min后，獲得澄清液并將其定容至20 mL。Pb、Cu、Zn、Cr采用火焰原子吸收光譜法進(jìn)行檢測(cè)，Hg和As使用原子熒光光譜法檢測(cè)。取待測(cè)塵樣0.500 g，同樣使用上述方法測(cè)得降塵中Zn、Cu、Cr、Pb、Hg和As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)3次。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

2.3.1 空間分析

空間分析較為常用的插值方法有普通克里金插值法、指示克里金插值法和反距離插值法等[18]。本文利用ArcGis10.1軟件，選取反距離插值法對(duì)表層土壤重金屬和大氣降塵重金屬的空間分布特征進(jìn)行研究分析。

2.3.2 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法最早是由德國(guó)科學(xué)家Muller提出，地積累指數(shù)可以分級(jí)評(píng)價(jià)土壤中重金屬的污染程度[19]。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于同時(shí)考慮到了人類活動(dòng)對(duì)土壤產(chǎn)生的影響和自然成巖作用所引起的土壤背景值的變化[20]。地積累指數(shù)公式為

式中，geo為地積累指數(shù)；C為元素的實(shí)測(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；B為土壤元素的背景值，mg/kg。評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 基于土壤重金屬地積累指數(shù)的污染程度分級(jí)

2.3.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

與一般運(yùn)動(dòng)相同，在輪滑運(yùn)動(dòng)中，初學(xué)者都會(huì)因?yàn)閷?duì)輪滑知識(shí)掌握不夠，輪滑技巧不夠扎實(shí)，技術(shù)不夠熟練而引起一些身體的損傷。常見(jiàn)輪滑運(yùn)動(dòng)中的損傷大概有扭傷、摔傷、撞傷以及高難度輪滑技巧使用中經(jīng)常出現(xiàn)的肌肉拉傷等，運(yùn)動(dòng)損傷的部位通常都是手腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)。在學(xué)生學(xué)習(xí)輪滑運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些部位和關(guān)節(jié)的損傷較為明顯，有時(shí)甚至?xí)筋^部，在失去平衡作用下，頭磕碰到地面造成輕微頭部撞傷現(xiàn)象，因此輪滑課程是一項(xiàng)非常容易受傷的運(yùn)動(dòng)課程。

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是根據(jù)瑞典科學(xué)家Hankason提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法來(lái)評(píng)價(jià)土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的典型方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于考慮到了重金屬區(qū)域背景值之間的差異，以及重金屬在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[21]。以新疆土壤重金屬背景值為參考，對(duì)研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并進(jìn)行了評(píng)價(jià)。單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為

表2 重金屬生物毒性響應(yīng)系數(shù)

表3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法定量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色系統(tǒng)理論認(rèn)為變量之間的關(guān)聯(lián)度是非對(duì)稱性的，可以較為客觀的反映系統(tǒng)中變量間的灰色關(guān)系?；疑P(guān)聯(lián)分析的基本原理是對(duì)反映各因素變化特性的數(shù)據(jù)序列所進(jìn)行幾何比較，幾何形狀越接近，則變化趨勢(shì)也越接近，其關(guān)聯(lián)度也越大，而關(guān)聯(lián)度用于描述因素間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小和次序。該方法對(duì)所采集樣本的數(shù)量和分布規(guī)律無(wú)過(guò)多要求，相較于傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，灰色關(guān)聯(lián)分析考慮到了變量的方向性與非對(duì)稱性，可以更加科學(xué)、準(zhǔn)確地反映各變量間的空間分布關(guān)系[22]。理想評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)列為

被評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)列為

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式為

灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式為

3 結(jié)果與分析

3.1 表層土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)描述性統(tǒng)計(jì)

對(duì)所有采樣點(diǎn)表層土壤中所含的6種重金屬進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，平均值顯示質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的是Cr，平均值達(dá)到了87.63mg/kg，質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的是Hg，平均值為0.07mg/kg。重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均值為Cr>Zn>As>Cu>Pb>Hg，由表4可知，Cr、Pb、As這3種元素的平均值超過(guò)了新疆昌吉州土壤背景值，統(tǒng)計(jì)顯示Hg和As的最大值超過(guò)了新疆昌吉州背景值的5倍。因此應(yīng)將Hg和As作為該區(qū)域的重點(diǎn)治理對(duì)象。

表4 研究區(qū)土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)描述性統(tǒng)計(jì)

3.2 表層土壤重金屬空間分布特征分析

利用測(cè)得的6種重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)合通過(guò)反距離插值法對(duì)表層土壤的重金屬污染情況進(jìn)行空間表征，結(jié)合研究區(qū)示意圖（圖1）可知Hg的高值區(qū)主要集中在煤礦開(kāi)采區(qū)域，包括煤化工廠和周邊的排土場(chǎng)、煤矸石堆場(chǎng)等，在此基礎(chǔ)上根據(jù)前人研究成果可初步推斷出粉塵、矸石堆等可能是Hg的主要污染來(lái)源[23]。由圖2a可知，As污染的高值區(qū)主要在五彩灣和將軍廟礦區(qū)周圍，其濃度達(dá)到了89.72mg/kg；而低值區(qū)位于卡拉麥里山附近和研究區(qū)南部沙漠邊緣，因此可以認(rèn)為As在準(zhǔn)東的富集和分布是受到自然和人為因素的共同影響。Cr元素的富集區(qū)主要在道路兩側(cè)和將軍廟礦區(qū)及其以西的工業(yè)區(qū)等人為活動(dòng)頻繁的地帶，說(shuō)明Cr的產(chǎn)生與采礦活動(dòng)和其他人類生活生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)。由于采礦區(qū)地形呈半盆地狀，人類開(kāi)采活動(dòng)時(shí)向東、西和北3個(gè)方向擴(kuò)散的煤塵受地形阻礙而沉降下來(lái)[24]。此外，由于重金屬Pb和Cr在煤塵中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，導(dǎo)致該區(qū)域成為Pb和Cr的富集區(qū)。通過(guò)空間分析還發(fā)現(xiàn)，表層土壤的Cu和Zn的空間分布趨勢(shì)基本一致，這可能是因?yàn)镃u和Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)除了受到煤礦和其他能源生產(chǎn)活動(dòng)的影響外，更多受到土壤母質(zhì)、地形、地貌、等非人為因素的影響，因此其分布范圍較廣[25]。此外，Hg和Cr在空間分布上有所相似，其高值區(qū)均位于道路兩側(cè)，而As和Hg的空間分布也存在一些重合區(qū)域。

圖2 研究區(qū)表層土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖

3.3 表層土壤重金屬地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

基于實(shí)測(cè)表層土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)及地累積指數(shù)計(jì)算公式，得到每個(gè)采樣點(diǎn)的污染水平，并計(jì)算出該點(diǎn)的污染水平在所有樣點(diǎn)污染等級(jí)中所占的比例，從而得出研究區(qū)土壤中各個(gè)重金屬元素的污染率（表5）。表中所示為表層土壤中不同重金屬污染等級(jí)及所占比例，由表可知，Zn、Cu、Pb 3種元素的污染程度最輕，為無(wú)污染級(jí)別；Cr元素最高污染等級(jí)為3級(jí)，屬于中度污染，其中無(wú)污染、輕-中度污染和中度污染的頻率為43%、43%、10%，可以看出Cr元素的污染程度比較分散。Hg元素最高污染等級(jí)為6，即強(qiáng)-極強(qiáng)度污染，在其余污染等級(jí)也有大量分布，同時(shí)Hg在無(wú)污染狀態(tài)下的比例也占了42%，可以看出Hg在很大程度上受到了人為因素的影響。由As元素的地積累指數(shù)表明As在輕-中度污染到中度污染范圍內(nèi)的比例占到了90%，其污染范圍較廣，污染程度較重。

表5 表層土壤重金屬元素污染率

表6為研究區(qū)表層土壤重金屬的單個(gè)因子潛在危害指數(shù)。其中，Hg元素在表層土壤中的潛在危害指數(shù)達(dá)到了133.2，處于較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Zn、Cu、Cr、Pb、As這5種元素的潛在危害指數(shù)均低于40，為輕微潛在生態(tài)危害，表明在表層土壤中這5種元素的潛在生態(tài)危害處于較低水平且屬于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

表6 表層土壤重金屬污染程度及潛在危害指數(shù)分析

3.4 大氣降塵中重金屬元素的分布特征

表7為計(jì)算得到準(zhǔn)東大氣降塵重金屬的geo。由表可知，大氣降塵重金屬平均geo指數(shù)為Zn>Cr>Cu>As>Pb> Hg，Zn為主要污染因子重金屬，且其地積累指數(shù)達(dá)到了5.67，屬于極強(qiáng)度污染狀態(tài)。Hg的污染級(jí)別為0，可視為無(wú)污染。Cu、Pb、As這3種重金屬均處于一級(jí)輕度-中度污染。得出的大氣降塵重金屬的geo與降塵重金屬濃度結(jié)果相一致。由表8可知研究區(qū)Zn元素平均值超出全國(guó)土壤背景值的80多倍，說(shuō)明研究區(qū)Zn污染的狀況十分嚴(yán)重，應(yīng)被重點(diǎn)關(guān)注并進(jìn)行專項(xiàng)治理。

表7 大氣降塵重金屬地積累指數(shù)

表8 大氣降塵重金屬平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全國(guó)土壤背景值

對(duì)6種大氣降塵重金屬的濃度進(jìn)行插值，得到降塵重金屬污染的空間分布（圖3），Li等的研究指出，汽車尾氣排放等交通運(yùn)輸活動(dòng)是Cu、Zn和Pb等多種重金屬的重要來(lái)源可作為交通污染的指示元素[26]。結(jié)合研究區(qū)示意圖（圖1）可知，Zn、Cu、Cr這3種重金屬主要來(lái)自金屬冶煉等工業(yè)活動(dòng)，其主要分布在研究區(qū)北部、西北部地區(qū)的礦區(qū)和大型金屬冶煉制造業(yè)地帶，且污染嚴(yán)重。As的主要人為來(lái)源是金屬冶煉和煤的燃燒[27]，其分布的高值區(qū)主要位于將軍廟煤礦區(qū)附近。影響大氣降塵Pb空間分布的主要原因是煤的燃燒和車輛尾氣排放[28]。Pb、Hg、As的主要富集地帶共同位于將軍廟煤礦區(qū)和交通線路交匯處，且有小范圍高值區(qū)出現(xiàn)在北部五彩灣礦區(qū)及其周邊地區(qū)。

圖3 研究區(qū)大氣降塵重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖

3.5 表層土壤重金屬與大氣降塵的關(guān)聯(lián)性分析

Pearson相關(guān)系數(shù)是衡量定距變量間的線性關(guān)系的常用方法，其取值范圍為-1～1[29]。表層土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與大氣降塵的相關(guān)性見(jiàn)表9。由表可知，6種重金屬在表層土壤與降塵中的相關(guān)系數(shù)大小順序?yàn)锳s>Hg>Cr>Cu>Pb>Zn，As在降塵與表層土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有較高的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.660，證明了表層土壤中的As是通過(guò)降塵進(jìn)入表層土壤而非自然成土過(guò)程[30]。降塵中的As與表層土壤中的Hg具有很高的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為0.720，說(shuō)明這2種元素具有較好的伴生關(guān)系，其來(lái)源可能一致。而表層土壤中Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與大氣降塵中Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性最低，且呈負(fù)相關(guān)，這可能是受到降塵收集容器鍍鋅防銹層的影響，造成數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定的偏差。

灰色關(guān)聯(lián)分析法是依據(jù)2個(gè)變量變化的幾何形狀的相似程度，對(duì)數(shù)據(jù)序列所進(jìn)行幾何比較進(jìn)而判定兩者變化趨勢(shì)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。與Pearson相關(guān)分析不同，該方法突破了傳統(tǒng)分析方法中變量?jī)蓛蓪?duì)應(yīng)的框架，而是將各種不同變量置于同一系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行比較分析，強(qiáng)調(diào)若干個(gè)離散函數(shù)對(duì)一個(gè)離散函數(shù)遠(yuǎn)近的相對(duì)程度，如關(guān)聯(lián)程度的強(qiáng)弱與次序等；而因素之間的關(guān)聯(lián)度數(shù)值無(wú)實(shí)際意義[22]。因此，為進(jìn)一步深入探討6種大氣降塵重金屬元素在表層土壤與降塵中動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度，依據(jù)公式（7），計(jì)算表層土壤與大氣降塵中各元素的關(guān)聯(lián)度并進(jìn)行排序（表10），排序結(jié)果為As>Hg>Cr>Cu>Pb>Zn。其中，As的關(guān)聯(lián)度最高，Hg次之，說(shuō)明這2種元素關(guān)聯(lián)較為緊密，其在表層土壤及大氣降塵中的變化趨勢(shì)十分接近。而Zn的關(guān)聯(lián)度最低，表明Zn元素在表層土壤與大氣降塵中變化趨勢(shì)差異最大。此外，各元素關(guān)聯(lián)度之間存在一定差異，證明大氣降塵對(duì)表層土壤中不同重金屬元素的積累作用有所差別，這可能是受到元素沉降特性不同的影響，也與風(fēng)向、風(fēng)速等自然環(huán)境因素有關(guān)[31]。2種方法的分析結(jié)果均表明準(zhǔn)東地區(qū)表層土壤與大氣降塵中6種重金屬中，Hg和As元素具有較強(qiáng)的一致性，結(jié)合其空間分布情況可知，這2種元素在大氣與表層土壤中的變化趨勢(shì)高度相似（圖2、圖3）。

表9 土壤與降塵中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Pearson相關(guān)系數(shù)

表10 表層土壤與降塵重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)度排序

4 討 論

土壤重金屬與大氣降塵重金屬之間的關(guān)聯(lián)性可以反映重金屬污染的來(lái)源、土壤-大氣系統(tǒng)中重金屬的傳輸、遷移和擴(kuò)散特征。在以往的研究中，劉巍等[32]利用單因素方差分析等手段對(duì)降塵與表層土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，指出Zn、Cu、Gr和Pb這4種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著，而Hg和As這2種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著，認(rèn)為表層土壤和降塵中的Hg和As質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有一致性，并基于此推斷出了表層土壤中Hg和As可能來(lái)源于礦區(qū)采礦活動(dòng)。羅娜娜等[33]采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)北京城區(qū)大氣顆粒物與地表土壤重金屬元素之間進(jìn)行了關(guān)聯(lián)度分析，發(fā)現(xiàn)空氣降塵與表層土壤是高度關(guān)聯(lián)的，并指出土壤與大氣系統(tǒng)中重金屬關(guān)聯(lián)度受到主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速的影響。因此本研究結(jié)合了Pearson相關(guān)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)分析法，證明了研究區(qū)表層土壤與大氣降塵中的6種重金屬中，Hg和As元素具有較強(qiáng)的一致性，這與劉巍等[32]的研究結(jié)果相一致。相較于羅娜娜等[33]開(kāi)展于城市內(nèi)部的研究所得到的結(jié)論有所出入，其原因可能在于相較于城市建成區(qū)，準(zhǔn)東礦區(qū)重金屬的遷移擴(kuò)散更容易受復(fù)雜地形地貌、景觀特征、風(fēng)力風(fēng)向和人為采礦活動(dòng)的影響，尤其是礦區(qū)開(kāi)采強(qiáng)度不一、多大風(fēng)天氣會(huì)導(dǎo)致煤粉等污染物在大氣中的擴(kuò)散有所差異，因此準(zhǔn)東礦區(qū)大氣降塵對(duì)表層土壤的影響不均勻。結(jié)合研究區(qū)表層土壤與大氣中6種重金屬的空間分布狀況可知，就準(zhǔn)東礦區(qū)而言，Pearson相關(guān)分析法與灰色關(guān)聯(lián)分析法均適用于分析本區(qū)表層土壤-大氣系統(tǒng)中重金屬的關(guān)聯(lián)性。

土壤是是典型的開(kāi)放系統(tǒng)，其不僅與大氣存在物質(zhì)交流，也與水、巖石等非生物因素和土壤微生物等要素之間也存在物質(zhì)交換，污染物不僅隨著大氣傳輸而遷移擴(kuò)散，也會(huì)隨地表水的流動(dòng)和農(nóng)田灌溉等途徑在土壤中積累[34]。本研究初步探討了表層土壤與大氣系統(tǒng)間重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的相互作用與影響，但相關(guān)研究指出，區(qū)域的降塵量與人類生產(chǎn)活動(dòng)以及當(dāng)?shù)氐氖⑿酗L(fēng)向、降水量等氣候因子緊密相關(guān)[35]。此外，研究區(qū)表層土壤與降塵中的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)高值區(qū)均集中在煤礦開(kāi)采區(qū)、煤電煤化工廠、排土場(chǎng)等區(qū)域。礦區(qū)粉塵的來(lái)源十分復(fù)雜，包括開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的煤粉，由于不完全燃燒所產(chǎn)生的煙塵以及煤化產(chǎn)業(yè)排放的有害生產(chǎn)性粉塵等[23]。受人類工業(yè)活動(dòng)等因素的影響，這些區(qū)域原本稀薄的土壤層基本不復(fù)存在，土壤性狀、重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)等理化性質(zhì)極易受到大氣粉塵的影響，這些因素可能會(huì)造成研究結(jié)果產(chǎn)生一定誤差。因此，在今后的研究中將進(jìn)一步擴(kuò)大樣本數(shù)量，結(jié)合粉塵量這一重要因素對(duì)地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行分析，探討粉塵量對(duì)其造成的影響；并在此基礎(chǔ)上，將開(kāi)采區(qū)，排土場(chǎng)等與其他常規(guī)區(qū)域土壤做出劃分，進(jìn)行更為細(xì)致的理化測(cè)試分析，區(qū)分表層土壤與大氣粉塵，更為深入的探討大氣與土壤重金屬之間的關(guān)聯(lián)性，該研究可以為區(qū)域的重金屬污染與防治提供一定的科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié) 論

以新疆準(zhǔn)東礦區(qū)為研究靶區(qū)，利用51 個(gè)表層土壤及大氣降塵采樣點(diǎn)的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，研究了區(qū)域表層土壤及大氣降塵重金屬污染程度、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、空間分布狀況以及污染來(lái)源，并結(jié)合Pearson相關(guān)分析法與灰色關(guān)聯(lián)分析法探討了準(zhǔn)東礦區(qū)表層土壤重金屬與大氣降重金屬塵間的關(guān)聯(lián)性，得到以下結(jié)論：

1）表層土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間分布狀況表明，重金屬的高值區(qū)主要出現(xiàn)在公路附近、采礦區(qū)周圍以及五彩灣煤電化工工業(yè)帶附近，高值聚集區(qū)范圍比較廣；重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低值區(qū)主要分布在離煤礦較遠(yuǎn)的荒漠地帶。煤礦開(kāi)采活動(dòng)和其他工業(yè)生產(chǎn)對(duì)高值區(qū)的分布產(chǎn)生的影響最大，在整個(gè)研究區(qū)域中部，工業(yè)區(qū)和采礦區(qū)附近重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。

2）土壤重金屬地積累指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，Hg和As質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到中度和重度污染， Hg元素的污染在很大程度上受到了人為因素影響，其富集區(qū)域比較集中；As污染面積較廣，污染程度也較重。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和危害指數(shù)表明，在表層土壤中這5種元素的潛在生態(tài)危害處于較低水平且屬于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Hg元素在表層土壤中的潛在危害指數(shù)較高,達(dá)到了133.2，處于較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

3）大氣降塵研究表明，大氣中Zn和Cr的污染最為嚴(yán)重，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的Zn元素超出全國(guó)土壤背景值的80多倍，其地積累指數(shù)達(dá)到了5.67，處于極強(qiáng)度污染狀態(tài)。Zn和Cr的高值區(qū)主要集中在研究區(qū)北部、西北部地區(qū)的五彩灣煤電煤化工產(chǎn)業(yè)帶等工業(yè)園區(qū)，其來(lái)源可判斷為生產(chǎn)過(guò)程中的金屬冶煉。

4）Pearson相關(guān)分析與灰色關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果表明，準(zhǔn)東地區(qū)表層土壤與大氣降塵中6種重金屬的線性相關(guān)關(guān)系與幾何形狀的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度排序結(jié)果一致，即As>Hg>Cr>Cu>Pb>Zn。準(zhǔn)東地區(qū)表層土壤與大氣降塵中的6種重金屬中，Hg和As元素具有一致性，且具有相同的來(lái)源，說(shuō)明大氣降塵對(duì)表層土壤中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定影響。

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阿爾祖娜·阿布力米提，王敬哲，王宏衛(wèi)，茹克亞·薩吾提，阿不都艾尼·阿不里，吾木提·艾山江.新疆準(zhǔn)東礦區(qū)土壤與降塵重金屬空間分布及關(guān)聯(lián)性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(23)：259－266. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.034 http://www.tcsae.org

Aerzuna Abulimiti, Wang Jingzhe, Wang Hongwei, Rukeye Sawut, Abdugheni Abliz, Umut Hasan. Spatial distribution analysis of heavy metals in soil and atmospheric dust fall and their relationships in Xinjiang Eastern Junggar mining area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 259－266. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.034 http://www.tcsae.org com

Spatial distribution analysis of heavy metals in soil and atmospheric dust fall and their relationships in Xinjiang Eastern Junggar mining area

Aerzuna Abulimiti, Wang Jingzhe, Wang Hongwei※, Rukeye Sawut, Abdugheni Abliz, Umut Hasan

(1.830046,; 2.830046,)

Heavy metal pollution is the representative environmental pollution which is caused by heavy metals or their compounds. It has wide range, long duration, non-degradability, and some other features. The accumulation of heavy metals in soil will destroy the physical and chemical properties of soil, cause irreversible pollution of environment, and further threaten human health. For mining area, influenced by human exploitation, the top soil is thin and is easily affected by atmospheric dust fall. The relationship between soil heavy metals and atmospheric dust fall could reflect the sources of heavy metals pollution. Furthermore, the transport, migration and diffusion characteristics of heavy metals in the soil-atmosphere system could be revealed through the analysis of it. Existing work has mostly focused on only top soil, which might ignore the influence of dust reduction.Therefore, this study aimed to investigate the pollution status of heavy metals in the surface soil and their relevance with atmospheric dust fall. With 51 surface soil samples and 51 atmospheric dust fall samples collected from Eastern Junggar coal mining area in Xinjiang Uygur Autonomous Region, China, the contents of 6 kinds of heavy metals (As, Cu, Cr, Hg, Pb, and Zn) in the samples were measured in the laboratory. The geo-accumulation could be used to evaluate the pollution degree of heavy metals in soil. The potential ecological risk index takes into account the difference of the background values of heavy metals and the migration and transformation of heavy metals in the environment. The descriptive statistics of heavy metals in surface soil were carried out. Secondly, the spatial distribution, geo-accumulation, and potential ecological risk index of heavy metal from surface soil and atmospheric dust fall were analyzed. The outcomes of the analysis of them were described by ArcGIS 10.1 spatial analysis with inverse distance weighted (IDW) interpolation method. Subsequently, the correlation between surface soil and atmospheric dust fall was analyzed by Pearson correlation analysis and grey correlation analysis. Pearson correlation coefficient has been widely used to measure the linear relationship between fixed distance variables, and the value range is from -1 to 1; the greater the absolute value, the stronger the correlation. For the grey relational analysis, if the correlation degree was greater than 0.6, the 2 factors could be regard as being correlated significantly. The results showed that: 1) There were significant spatial distinctions between 6 kinds of heavy metal elements (As, Cu, Cr, Hg, Pb, and Zn) in surface soil. The pollution level of Hg was the most serious, which could be regard as the strong polar pollution, and its potential ecological risk index reached a high ecological risk. The Zn and Cu were basically in a state of no pollution, and they were at a slight ecological risk. 2) There were obvious differences in the spatial distribution of heavy metals in atmospheric dust fall. The Zn in atmospheric dust fall was in pollution with extreme intensity, while Hg was in no pollution state. 3) Pearson correlation coefficients showed that Hg and As in the atmospheric dust fall were significantly related to the As in soil, and the correlation coefficients reached 0.72 and 0.66, separately. The results of grey correlation degree showed that the relevance between heavy metal in surface soil and atmospheric dust was notable, but varied among 6 kinds of heavy metal elements. The amount of local dust was related to human production activities and local climatic factors closely, i.e., prevailing winds and precipitation. Therefore, in further research, the size of samples will be expanded, and this important factor will be used to analyze the spatial distribution, geo-accumulation, and potential ecological risk index of heavy metals, and explore the impact of dust on it.

heavy metals; soil; dust; spatial distribution; Geo-accumulation; potential ecological risk index; correlation analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.034

X51；X53

A

1002-6819(2017)-23-0259-08

2017-07-07

2017- 10-26

國(guó)家自然科學(xué)基金（U1603241、51704259、41705032、41761077）；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金（2016D01C053）

阿爾祖娜·阿布力米提，主要從事干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境方向研究。Email：aerzuna@163.com

王宏衛(wèi)，教授，主要從事干旱區(qū)綠洲生態(tài)環(huán)境與人文影響研究。Email：wanghw_777@163.