宋 佳,徐長(zhǎng)春,羅映雪,楊媛媛
(新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆烏魯木齊 830046)
土壤是人類(lèi)賴以活動(dòng)生存的環(huán)境因素之一,能直接或間接改變?nèi)祟?lèi)的生活質(zhì)量及生活方式[1]。土壤中的重金屬絕大部分來(lái)源于人類(lèi)活動(dòng),如土壤侵蝕、交通運(yùn)輸、農(nóng)藥的使用、工業(yè)“三廢”、礦山開(kāi)采及大氣顆粒物的沉降等一系列活動(dòng)[2]。重金屬是具有毒素的元素類(lèi)型之一,在土壤環(huán)境中能長(zhǎng)時(shí)間保留在土壤中,很難被降解[3-4],積累在土壤中的重金屬,經(jīng)過(guò)雨水的沖刷進(jìn)而進(jìn)入水體,從而嚴(yán)重危害動(dòng)物、人體健康[5]。因此,近幾年土壤重金屬在污染評(píng)價(jià)、空間分布、特征分析、來(lái)源解析等方面的研究受到了廣泛關(guān)注[6-9]。
新疆準(zhǔn)東煤礦是新疆的重要資源之一,自煤礦開(kāi)采以來(lái),生態(tài)環(huán)境受到了極大的脅迫,直接影響到該地區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)環(huán)境。由于常年進(jìn)行采礦活動(dòng),煤炭中的重金屬污染物以不同的途徑進(jìn)入土壤,大氣環(huán)境污染嚴(yán)重,植被退化,從而增加了土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的概率。因此準(zhǔn)東煤田土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及生態(tài)修復(fù)迫在眉睫。
國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者已對(duì)新疆準(zhǔn)東煤區(qū)的土壤重金屬來(lái)源及污染狀況進(jìn)行了研究,其中劉巍等對(duì)準(zhǔn)東煤田露天煤區(qū)土壤重金屬采用主成分分析法和內(nèi)梅羅指數(shù)法、地累積指數(shù)((Igeo))法等方法,進(jìn)行了污染現(xiàn)狀評(píng)價(jià)與來(lái)源分析,并分析了準(zhǔn)東煤區(qū)周邊土壤重金屬與降塵重金屬的關(guān)系及污染風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。前人主要對(duì)當(dāng)?shù)氐闹亟饘傥廴緺顩r和來(lái)源進(jìn)行解析,對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行評(píng)價(jià),但對(duì)該地區(qū)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究較少,因此筆者擬用單因子、地累積和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)新疆準(zhǔn)東煤區(qū)重金屬進(jìn)行研究,為新疆準(zhǔn)東煤區(qū)的生態(tài)治理提供合理的科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地東部,海拔300~600 m,主要位于阜康地區(qū),地處古爾班通谷沙漠北部。由于研究區(qū)常年進(jìn)行煤炭開(kāi)采活動(dòng),生態(tài)環(huán)境極為脆弱且植被覆蓋度較少。研究區(qū)屬大陸性溫帶沙漠氣候,蒸降比大。礦區(qū)內(nèi)植被類(lèi)型少,覆蓋度較低。植被生長(zhǎng)矮小,大多為干旱性植被。常年風(fēng)沙較大,土壤鹽漬化較為嚴(yán)重。
2014年7月和2017年6月對(duì)準(zhǔn)東煤礦進(jìn)行總體調(diào)查,準(zhǔn)東煤區(qū)布設(shè)了27個(gè)采樣點(diǎn),采集土壤樣點(diǎn)時(shí),用手持式GPS(全球定位系統(tǒng))儀器對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行定位,采樣點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖1。每個(gè)采樣點(diǎn)取表層0~10 cm的土壤,采樣點(diǎn)主要布置在煤田開(kāi)采區(qū)周邊、工廠附近農(nóng)田、工業(yè)區(qū)周邊,以及生活區(qū)和辦公區(qū)周?chē)?。?duì)野外采集回的土壤樣品進(jìn)行自然風(fēng)干、去除雜物、過(guò)篩。進(jìn)而使用日立Z-2000型原子吸收分光光度計(jì)對(duì)Hg、As 2種元素進(jìn)行檢測(cè),使用火焰原子吸收機(jī)測(cè)量Zn、Cu、Cr、Pb元素含量。
1.3.1 單因子污染分析法 單因子污染分析法是單個(gè)重金屬元素層面的評(píng)價(jià)重金屬污染程度的方法。計(jì)算公式如下[12]:
式中:CF為單因子污染指數(shù);Ci為污染物實(shí)測(cè)值,g/kg;SI為新疆土壤重金屬背景值,g/kg,本研究采用GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》指標(biāo)。
1.3.2 地累積指數(shù) 地累積指數(shù)法是德國(guó)學(xué)者M(jìn)uller提出的[13],用于綜合分析土壤重金屬污染狀況。此法廣泛應(yīng)用在土壤重金屬評(píng)價(jià)領(lǐng)域,公式如下:
式中:Cn是元素n在重金屬中的含量;Bn代表該元素的地球化學(xué)背景值[10];K為考慮不同地區(qū)巖石差異造成的背景系數(shù)變動(dòng)(一般取1.5)。地累積評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表1。
表1 地累積評(píng)價(jià)指標(biāo)[14]
1.3.3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)表征方法 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)采用Rapant等提出的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(index of environmental risk,簡(jiǎn)稱IER)進(jìn)行表征[15]。計(jì)算公式為:
式中:IERi代表第i個(gè)類(lèi)型重金屬超過(guò)臨界限量的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);CAi代表第i個(gè)類(lèi)型重金屬的含量(g/kg);CRi代表第i個(gè)類(lèi)型重金屬的限量臨界值(g/kg);IER代表樣品的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。需要說(shuō)明的是,如果CAi<CRi,則定義IERi為0。
根據(jù)Rapant等劃分的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)[15],筆者引用此標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定量土壤中重金屬污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。
表2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)[15]
本研究中運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)法及自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(self-organizingmap,簡(jiǎn)稱SOM)、單因子污染分析法和地累積以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)土壤中的Zn、Cu、Cr、Hg、As、Pb進(jìn)行研究。采用單因子污染分析法、地累積和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分析準(zhǔn)東煤區(qū)土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)狀況。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、Pearson相關(guān)分析、PCA(主成分分析)均由SPSS20.0完成;數(shù)據(jù)記錄由Excel 2013完成;SOM算法由Matlab 2012實(shí)現(xiàn)。
通過(guò)對(duì)比2014年和2017年土壤重金屬含量均值(表3)可以看出,土壤中2017年Zn元素含量比2014年減少了86.96%,2017年Hg元素含量比2014年減少了84.85%。而2017年As元素含量比2014年增加了154.56%,增加最明顯,但仍未超出新疆背景值。此外,Pb含量也有所增加,說(shuō)明重金屬含量變化較為明顯。2014年除了Hg、Cr元素以外,其他元素含量均未超出新疆背景值,2017年僅Cr元素含量超出了新疆背景值,相對(duì)于2014年重金屬含量,2017年重金屬含量相對(duì)減少。
表3 土壤重金屬含量
由圖2可以看出,2014年研究區(qū)土壤Cr元素變異系數(shù)為59%,Hg的CV為184%,As的CV為76%,其中Cr與As元素(10% <CV<100%)屬于中等變異,Hg(CV=184%,>100%)屬于高等變異。此外,土壤中Hg元素CV高于其他重金屬,表明土壤中Hg含量易受到人類(lèi)活動(dòng)和外界因素的影響。相比于2014年,2017年Hg元素的變異系數(shù)有所下降(CV=92%),說(shuō)明此期間研究區(qū)由于人類(lèi)活動(dòng)的影響,土壤Hg含量變化有所減少,此外Cr、Pb、As元素變異系數(shù)均有所下降,而Zn與Cu元素變異系數(shù)有所增加。從表3可以看出,2014年研究區(qū)土壤重金屬Cr、Hg元素含量超出了新疆背景值,2017年僅Cr元素含量超出新疆背景值,結(jié)合圖2,此變化受到自然因素的影響減少,受人類(lèi)活動(dòng)的影響增加,這與新疆“一帶一路”大背景下建設(shè)生態(tài)文明、加大環(huán)境保護(hù)力度有關(guān)。
從圖3可以看出,2014年的土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,其中Cu、Hg元素2014年的土壤重金屬百分比達(dá)99%以上,2017年百分比在2%以下,說(shuō)明在準(zhǔn)東煤區(qū)Cu、Hg元素含量明顯下降;2014年P(guān)b元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34%,而2017年為66%,說(shuō)明Pb元素相對(duì)含量在增加;2014年的土壤Zn與Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于2017年。表明準(zhǔn)東煤區(qū)2014—2017年土壤重金屬含量除了Pb元素外均呈減少趨勢(shì)。
由分組結(jié)果(圖4)可知,如果分組過(guò)少,會(huì)造成部分差異性較大的土壤樣本被分到同一個(gè)組;若分組過(guò)多,相似度高的部分樣本會(huì)被單獨(dú)分組或出現(xiàn)無(wú)效分組。綜合考慮樣本的相似性和分組的有效性,本研究最后確定分組結(jié)果為5×6,即30組(圖4-B)。
用SOM分組鄰域加權(quán)距離映射圖(圖4-A)表示相鄰分組的權(quán)重距離,并用顏色的深淺表示權(quán)重距離大小。顏色的深淺代表2組土壤之間的差異程度,顏色越淺,差異越小,反之則越大。為了能更清晰地表達(dá)6個(gè)土壤屬性在30個(gè)分組中的權(quán)重以及各土壤屬性之間的內(nèi)在相關(guān)性,本研究分析了6個(gè)土壤屬性的鄰域加權(quán)距離映射(圖4-C,圖中顏色的深淺代表數(shù)值的大?。?/p>
通過(guò)比較各土壤屬性鄰域加權(quán)距離映射圖可以看出,不同的土壤屬性之間呈正相關(guān)、負(fù)相關(guān)或無(wú)顯著相關(guān)性。土壤重金屬As與Cu之間呈正相關(guān)關(guān)系,表明重金屬Cu元素隨著As元素含量的增加而增加。元素SOM權(quán)重圖的高低,說(shuō)明重金屬來(lái)源的差異性的大小。從金屬元素權(quán)重圖可以看出,As和Cu元素的相似性較高,說(shuō)明這2種元素具有相似的來(lái)源。同理可得Pb和Zn具有較高的相似度,表明Pb、Zn元素可能同源。
2.3.1 單因子污染評(píng)價(jià) 單因子污染統(tǒng)計(jì)分析(圖5)可知在0~10 cm的表層土壤中,2014年土壤Cr元素含量的單因子污染指數(shù)均值超過(guò)1,2017年Cr、Hg和As 3種土壤重金屬含量的單因子污染指數(shù)均超出1,存在污染風(fēng)險(xiǎn),說(shuō)明2014年后的3年里Hg和As元素含量有所增加,其中As元素在煤炭中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)在地殼中的含量,主要來(lái)源可能是大量煤炭燃燒,表明該地區(qū)近3年并未對(duì)Hg和As元素來(lái)源進(jìn)行控制和治理;此外,Zn和Cu元素均未出現(xiàn)污染狀況,說(shuō)明多年來(lái)準(zhǔn)東煤區(qū)的開(kāi)采并未引起土壤中Zn和Cu元素含量的增加;Pb元素含量從2014年到2017年變化不大,均未超過(guò)分界線,也均未發(fā)生富集現(xiàn)象。綜上所述,2014年至2017年3年中研究區(qū)土壤污染狀況整體無(wú)改良趨勢(shì),準(zhǔn)東煤田除常年煤炭開(kāi)采外還伴隨著一系列的煤電、煤化工等生產(chǎn)活動(dòng),這些活動(dòng)均會(huì)引起大氣降塵中Hg和As重金屬含量升高[11-12],2017年Hg和As元素發(fā)生富集現(xiàn)象(圖5-B),進(jìn)一步說(shuō)明2014年以來(lái)準(zhǔn)東煤區(qū)煤炭的連續(xù)開(kāi)采導(dǎo)致使該地區(qū)的Hg和As元素含量增加。
2.3.2 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià) 地累積指數(shù)[13]能夠有效判別土壤中重金屬污染程度的強(qiáng)弱并用于劃分污染程度表[16-20],研究區(qū)2014年和2017年土壤中每種重金屬的地累積指數(shù)值的范圍和平均值見(jiàn)圖6。由地累積指數(shù)可知,2014年重金屬污染的強(qiáng)弱順序?yàn)锳s>Zn>Cr>Cu>Pb>Hg。2017年土壤重金屬污染程度依次為Pb>As>Cr>Zn>Cu>Hg。從圖6可以看出,2014年6種土壤重金屬中只有As元素出現(xiàn)重金屬污染現(xiàn)象,其余重金屬的地累積指數(shù)大部分處于0以下,說(shuō)明未出現(xiàn)污染狀況,Zn、Cr、Cu、Pb、Hg地累積指數(shù)只有個(gè)別異常點(diǎn)大于0(圖6-A)。而2017年土壤重金屬As與Pb元素出現(xiàn)嚴(yán)重污染現(xiàn)狀,說(shuō)明3年來(lái)煤區(qū)的開(kāi)采導(dǎo)致土壤重金屬As與Pb元素出現(xiàn)富集現(xiàn)象;2017年的Cr元素達(dá)中度污染狀況,相對(duì)于2014年土壤重金屬污染情況,污染程度有所增加;Zn和Cu元素也出現(xiàn)污染狀況,說(shuō)明煤區(qū)的開(kāi)采還在持續(xù)影響著土壤重金屬環(huán)境(圖6-B)。從地累積指數(shù)可知,Hg元素并未出現(xiàn)污染狀況,研究表明,煤炭燃燒是Hg的主要來(lái)源[11-12],而2014年和2017年的地累積指數(shù)變化不明顯,可推測(cè)煤炭燃燒工廠做了一些排廢處理,因此地表土壤重金屬含量無(wú)顯著增加,沒(méi)有發(fā)生污染狀況。
根據(jù)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)公式可知,土壤重金屬Zn、Cu和Pb元素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較低,說(shuō)明這3種指數(shù)對(duì)環(huán)境影響較?。欢鳫g、As元素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)相對(duì)于其他4個(gè)土壤重金屬元素要高,說(shuō)明其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率較大。2014年Cr、Hg和As元素的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)比2017年的高,說(shuō)明環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率減少,而2017年土壤重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均較低(圖7),說(shuō)明該年土壤整體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低。
基于Rapant等提出的IER和前人研究得出的重金屬污染評(píng)價(jià)參數(shù)[21]以及相應(yīng)的臨界風(fēng)險(xiǎn)限量(表4)定量分析準(zhǔn)東煤區(qū)土壤重金屬產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)特征。由環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與樣品的頻率分布(圖8)可知,2014年樣品中,無(wú)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為61.2%,低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為10.34%,中等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為24.56%,高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為0.86%,極高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為3.01%,說(shuō)明準(zhǔn)東煤區(qū)土壤重金屬污染產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)比較低。2017年樣品中,無(wú)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為66.98%,低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為11.0%,中等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為16.74%,高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的比例為1.91%,極高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的比例為3.34%,其中無(wú)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)比例為66.98%,高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和極高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)比例為5.25%,比2014年增加1.38百分點(diǎn),說(shuō)明近3年土壤中某些污染嚴(yán)重的重金屬風(fēng)險(xiǎn)在升高,相關(guān)環(huán)保部門(mén)應(yīng)針對(duì)能夠帶來(lái)重金屬污染高風(fēng)險(xiǎn)的單位進(jìn)行監(jiān)管,并對(duì)嚴(yán)重污染區(qū)域進(jìn)行修復(fù)。綜上所述,從2014年至2017年無(wú)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的頻率有所提高,但不明顯,中等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)頻率有所下降,其余環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)頻率變化不大,說(shuō)明該地區(qū)的重金屬污染狀況并未得到改善且環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低。
本研究將2014年與2017年的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,進(jìn)而分析其空間特征。在準(zhǔn)東煤區(qū),包含工廠、生活區(qū)、農(nóng)田區(qū)等區(qū)域研究煤區(qū)土壤重金屬分布及污染狀況很有必要。從圖9可以看出,空間分布趨勢(shì)基本一致的土壤重金屬為Zn、Cu,這2個(gè)元素高值主要分布在煤區(qū),工業(yè)區(qū)重金屬分布較少,污染程度一般。研究區(qū)的東部與東北部為Zn重金屬含量重度污染區(qū),主要由于這附近分布著電廠和一些工業(yè)帶。
表4 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重金屬參數(shù)及其相應(yīng)的臨界風(fēng)險(xiǎn)限量[21]
Cr的重污染區(qū)位于216國(guó)道的西北部與五彩灣煤電工業(yè)帶附近,煤礦開(kāi)采區(qū)處于輕度污染和中度污染之間。Pb高值區(qū)出現(xiàn)在五彩灣煤礦開(kāi)采區(qū)北部及其周?chē)?,主要因?yàn)樵谖廴緟^(qū)北面有煤炭加工廠,南方有冶煉廠,這些工廠均可能是污染物來(lái)源,這與姚峰等的觀點(diǎn)[22]一致。
Hg重金屬的高值區(qū)主要位于研究區(qū)東部,該地區(qū)煤礦開(kāi)采活動(dòng)較為強(qiáng)烈,且有大量煤矸石堆場(chǎng),矸石堆中含有大量Hg元素,除此之外,來(lái)自礦石燃燒的煙塵也會(huì)帶來(lái)Hg污染,位于西北部的發(fā)電廠等工業(yè)帶也是污染源。土壤中As的最高值分布在五彩灣煤區(qū)偏南部和五彩灣工業(yè)帶北部,其中五彩灣煤區(qū)偏南部出現(xiàn)重污染狀況,因?yàn)橹苓叴嬖诎l(fā)電廠,此處是重要的As污染源。除以上工業(yè)活動(dòng)外,還有一些人為因素造成不同區(qū)域重金屬污染程度不同,包括研究區(qū)內(nèi)人們生活中交通尾氣的排放、廢棄物的堆積等。
從圖9可以看出,6種重金屬含量高低值的分布具有較強(qiáng)隨機(jī)性,且在煤區(qū)、礦坑周?chē)?、發(fā)電廠、矸石場(chǎng)、化工廠和公路2側(cè)等地方均出現(xiàn)重金屬的高值,出現(xiàn)高值主要是因?yàn)楣I(yè)區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)所產(chǎn)生的粉塵、原煤、矸石、覆土等污染物通過(guò)交通運(yùn)輸、加工、廢物處理等環(huán)節(jié)從地下遷移到地表,其次因風(fēng)速、風(fēng)向、降水等氣象因素導(dǎo)致大氣中污染物降落到地表,從而增加了土壤重金屬的含量。
本研究通過(guò)對(duì)比2014、2017年準(zhǔn)東煤區(qū)土壤重金屬含量,并對(duì)不同年份的6種重金屬含量和污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià),分析了該地區(qū)2014、2017年的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)狀況。主要得出以下結(jié)論:
從土壤理化性質(zhì)分析可知,2017年土壤重金屬中Zn、Hg元素比2014年含量出現(xiàn)減少現(xiàn)象。Hg元素變異系數(shù)為184%,屬于高等變異。2017年相比2014年元素CV有所下降。
通過(guò)SOM分析可知,As與Cu之間呈正相關(guān),As和Cu元素的相似性較高,Pb和Zn具有較高的相似度,表明As和Cu、Pb和Zn元素可能同源。
通過(guò)污染分析可知,2014年除Cr元素以外的元素含量均未超出新疆背景值。2017年土壤重金屬除Cr、Hg和As元素外其他重金屬均未出現(xiàn)污染狀況。由地累積指數(shù)可知,2014年重金屬污染的強(qiáng)弱順序?yàn)锳s>Zn>Cr>Cu>Pb>Hg,2017年土壤重金屬污染程度依次為Pb>As>Cr>Zn>Cu>Hg。
從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)測(cè)度可知,2014年樣品中屬無(wú)風(fēng)險(xiǎn)以上的比例接近61.2%;2017年土壤樣品中屬無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的比例為66.98%。從2014年至2017年無(wú)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的頻率有所提高,但不明顯,中等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)頻率有所下降,其余環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)頻率變化不大。