阿卜杜薩拉木·阿布都加帕爾，王宏衛(wèi)，楊勝天，劉香云

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.北京師范大學(xué)地理與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875)

煤炭資源的不斷開(kāi)采以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的快速發(fā)展在促進(jìn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也引起了一定程度的大氣污染、植被生長(zhǎng)受損和土壤質(zhì)量惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，尤其導(dǎo)致的土壤重金屬污染越來(lái)越嚴(yán)峻[1-3]。土壤重金屬污染是指不同人為活動(dòng)的影響下，污染源形成的重金屬元素通過(guò)沉降或淋溶等不同方式累積在土壤中，并使土壤本身存在的重金屬含量超出標(biāo)準(zhǔn)范圍而造成污染的過(guò)程[4-5]。重金屬元素具有易被富集、遷移緩慢、污染隱蔽、難以分解等特征，從而造成土壤環(huán)境的污染、生態(tài)系統(tǒng)的破壞等現(xiàn)象，甚至通過(guò)食物鏈直接或間接地威脅人體健康和生命安全[6-8]。土壤重金屬污染的日益突出逐漸引起了相關(guān)環(huán)境部門的高度重視，已成為全球性環(huán)境污染研究領(lǐng)域的主要熱點(diǎn)問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者利用統(tǒng)計(jì)學(xué)和不同污染評(píng)價(jià)方法對(duì)土壤重金屬污染特征、空間異質(zhì)性以及污染來(lái)源等方面開(kāi)展了不少工作。劉碩等[9]對(duì)龍口市北部的煤礦附近表層土壤重金屬元素的空間分布特征進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)研究區(qū)存在較嚴(yán)重的污染，污染主要分布在桑園、北皂和柳海等煤礦附近地區(qū)；高文文等[10]以安太堡煤礦周邊工業(yè)園為研究對(duì)象，采用內(nèi)梅羅指數(shù)、單因子指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)等污染評(píng)價(jià)方法，對(duì)研究區(qū)土壤重金屬的污染現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)土壤受到了不同程度的污染，其中Hg元素是主要的污染因子。但大多數(shù)研究只針對(duì)整體區(qū)域的重金屬污染特征，而對(duì)不同功能區(qū)污染程度和來(lái)源辨識(shí)方面相對(duì)比較稀少?；诖?，本文以準(zhǔn)東地區(qū)不同功能區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法定量分析了各區(qū)域污染特征及空間分布狀況，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)和污染負(fù)荷指數(shù)方法評(píng)價(jià)了其污染程度，并借用多元統(tǒng)計(jì)方法解析了主要污染來(lái)源，從而為準(zhǔn)東地區(qū)土壤重金屬污染防治、管理以及修復(fù)脆弱生態(tài)環(huán)境提供一定的理論參考和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)中部為古爾班通古特沙漠，西至烏魯木齊米東區(qū)，東至奇臺(tái)縣與蒙古交界，南與東天山山脈中低山區(qū)相接，北與卡拉麥里山自然保護(hù)區(qū)接壤，總面積約2.8×104km2。準(zhǔn)東地區(qū)海拔在350～2 800 m之間，地勢(shì)總體呈南北高、中間低凹形。研究區(qū)氣候極度干燥，常年少雨，光照豐富，晝夜溫差大，常年以西北風(fēng)為主，屬于中溫帶大陸性干旱沙漠氣候。土壤種類不多，發(fā)育程度緩慢，地表植被類型單調(diào)，物種單一，分布稀疏，常見(jiàn)的植被有蛇麻黃、梭梭、檉柳和琵琶柴等。

1.2 土壤樣品采集與測(cè)定

2016年10月14日～23日在準(zhǔn)東地區(qū)進(jìn)行了野外調(diào)查，為了準(zhǔn)確掌握研究區(qū)土壤污染狀況，采樣點(diǎn)布設(shè)在準(zhǔn)東地區(qū)不同小區(qū)域(圖1)。其中，A區(qū)為五彩灣煤礦周圍，B區(qū)為工業(yè)園密集的阜康市，C區(qū)為吉木薩爾和奇臺(tái)縣農(nóng)田附近。本研究共選取了168個(gè)土壤采樣點(diǎn)，并記錄其地理坐標(biāo)、植被覆蓋、風(fēng)向風(fēng)速以及周圍地理環(huán)境等輔助信息。以2 m×2 m正方形范圍為依據(jù)，在四個(gè)頂角和對(duì)角線交點(diǎn)等五處進(jìn)行采取0～20 cm表層土壤樣品，用四分法將五處的土樣均勻混合取1 kg左右，并裝入采樣袋備用重金屬元素含量的測(cè)定。

經(jīng)過(guò)剔除土樣中雜質(zhì)進(jìn)行自然風(fēng)干，用干凈木棒研磨過(guò)1 mm孔徑篩子并稱取0.5000 g，按照相應(yīng)化學(xué)方法[11]準(zhǔn)備待測(cè)溶液，并送至新疆大學(xué)理化測(cè)試中心，利用全譜電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀來(lái)測(cè)試溶液中Zn、Cu、Cr、Hg、Pb和As等6種重金屬元素的含量。其中，As和Hg利用原子熒光光譜法測(cè)定，Zn、Cu、Cr和Pb利用火焰原子吸收光譜法測(cè)定，每個(gè)樣品進(jìn)行3次測(cè)定，取均值作為測(cè)定最終值。

1.3 污染評(píng)價(jià)方法

1.3.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)以單因子指數(shù)基礎(chǔ)上兼顧變量最大值和平均值的多因子環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[12]，它不僅可以指出污染貢獻(xiàn)突出的元素，也能夠總體評(píng)價(jià)不同元素對(duì)土壤環(huán)境造成的污染水平。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的計(jì)算公式見(jiàn)式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Pi為單因子指數(shù)；PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Ci為重金屬含量的實(shí)測(cè)值，mg/kg；Si為新疆背景值，mg/kg；max和ave分別為單因子指數(shù)的最大值和平均值。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Sketch map of study area and sampling sites

1.3.2 污染負(fù)荷指數(shù)

污染負(fù)荷指數(shù)是一種可以直觀反映各重金屬元素對(duì)土壤造成污染貢獻(xiàn)程度的方法。污染負(fù)荷指數(shù)計(jì)算步驟簡(jiǎn)單，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)通常選取研究區(qū)土壤背景值，從而可以準(zhǔn)確判斷人為污染狀況，卻忽略了不同污染源導(dǎo)致的差異性。污染負(fù)荷指數(shù)的計(jì)算公式見(jiàn)式(3)～(5)。

CFi=Ci/Si

(3)

(4)

(5)

式中：CFi為重金屬元素最高污染系數(shù)；Ci為重金屬含量的實(shí)測(cè)值，mg/kg；Si為新疆背景值，mg/kg；PLI為某點(diǎn)處的污染負(fù)荷指數(shù)；n為評(píng)價(jià)的重金屬元素類型；PLIzone為某區(qū)域的污染負(fù)荷指數(shù)，m為采樣點(diǎn)數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用Matlab 2012軟件實(shí)現(xiàn)土壤重金屬含量之間的相關(guān)性，借助ArcGIS 10.3軟件繪制了土壤重金屬含量的空間分布格局圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)特征

準(zhǔn)東地區(qū)不同區(qū)域土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)6種重金屬元素的含量大小為Cr>Zn>As>Cu>Pb>Hg，平均值分別為43.25～49.18 mg/kg、20.62～22.20 mg/kg、43.23～85.86 mg/kg、14.90～32.41 mg/kg、0.02～0.06 mg/kg和31.94～36.53 mg/kg，其中Zn和Cu平均值未超過(guò)新疆背景值[13]，但三個(gè)區(qū)內(nèi)Cr、Hg、As和Pb平均值不同程度上超過(guò)了背景值，超標(biāo)率在30%～100%之間，可知研究區(qū)土壤存在較嚴(yán)重的污染。對(duì)比不同區(qū)域的各元素含量可知：A區(qū)的Zn、Cr和Hg含量均大于B區(qū)和C區(qū)，說(shuō)明煤礦開(kāi)采活動(dòng)對(duì)土壤重金屬的累積存在較大影響；Cu和As在B區(qū)的含量大于A區(qū)和C區(qū)，而Pb元素含量為C區(qū)>B區(qū)>A區(qū)，說(shuō)明土壤環(huán)境的污染與工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)等人為因子也有密切關(guān)系。變異系數(shù)可以反映數(shù)據(jù)變量空間上的離散程度，用CV來(lái)表示：若CV<10%為弱變異性；10%≤CV≤100%為中度變異性；CV>100%為強(qiáng)度變異性[14]。研究區(qū)除Hg外，其他5種元素的變異系數(shù)在14%～59%之間，均呈中等空間變異性，表明Zn、Cu、Cr、Pb、和As的污染不僅受到結(jié)構(gòu)性因素影響，同時(shí)也受到隨機(jī)性因素的作用。

2.2 土壤重金屬含量的空間分布特征

利用ArcGIS空間插值模塊繪制了準(zhǔn)東地區(qū)土壤重金屬含量空間分布格局，結(jié)果見(jiàn)圖2。從A區(qū)重金屬元素的空間分布特征來(lái)看：Zn、Cu和As的空間分布存在一定的規(guī)律性和相似性，總體呈從西北到東南遞減的變化趨勢(shì)，高值出現(xiàn)在五彩灣露天煤礦周圍和道路兩邊，低值出現(xiàn)在研究區(qū)東南部的荒漠類草地自然保護(hù)區(qū)北緣，可知污染不僅與成土母質(zhì)等自然因子有關(guān)，同時(shí)也受到煤炭開(kāi)采活動(dòng)的影響；Pb和Cr也具有較相似的分布特征，其高值出現(xiàn)在火燒山煤礦產(chǎn)業(yè)帶以及煤炭加工廠周邊，低值則分布在研究區(qū)東北部人類活動(dòng)稀疏的卡拉麥里山附近，說(shuō)明污染受到煤礦開(kāi)采和煤炭運(yùn)輸?shù)热祟惢顒?dòng)的影響較明顯。B區(qū)Zn、Cr和Cu高濃度值分布在阜康市的大小工業(yè)園附近，低值出現(xiàn)農(nóng)業(yè)平原區(qū)，而As和Pb高濃度含量出現(xiàn)在煤電煤化工廠周邊以及公路兩側(cè)，表明污染與自然和隨機(jī)因子的雙重作用有關(guān)。相對(duì)C區(qū)來(lái)看，Zn、Cu、Hg和Cr的空間分布呈現(xiàn)“西高東低”的分布規(guī)律，高值主要分布在吉木薩爾縣農(nóng)田周圍的小型工廠或煤炭堆積區(qū)附近，而As在奇臺(tái)縣東部的農(nóng)田耕地出現(xiàn)高濃度值，可知污染一定程度上受到了農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響。

表1 研究區(qū)土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)

圖2 研究區(qū)土壤重金屬含量空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of soil heavy metals in the study area

2.3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

計(jì)算研究區(qū)土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，Zn和Cu的單因子指數(shù)在0.63～0.83之間，均未超過(guò)最低污染等級(jí)范圍，其污染處在警戒狀態(tài)；As、Hg和Cr的單因子指數(shù)分別在2.97～3.26、0.93～3.13和0.88～1.74之間，污染程度處在輕微至重度污染，且均值都超出土壤背景值，說(shuō)明該三種元素是危害土壤環(huán)境質(zhì)量的主要污染因子。從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)來(lái)看，Zn和Cu處于警戒和輕微污染水平，Hg和Cr在A區(qū)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為2.96和4.45，分別呈現(xiàn)中度和重度污染水平，但在B區(qū)和C區(qū)屬于輕微污染，說(shuō)明該兩個(gè)元素的污染受到煤炭開(kāi)采的影響較明顯，As在A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的污染指數(shù)分別為4.05、4.65、4.15，均屬于重度污染，可見(jiàn)該元素在各區(qū)內(nèi)都存在較嚴(yán)重的污染，這主要與自然和人為因素的共同影響有關(guān)。

2.4 污染負(fù)荷指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)土壤重金屬的最高污染系數(shù)和污染負(fù)荷指數(shù)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，A區(qū)Hg的污染系數(shù)最大，其次是As和Cr；B區(qū)和C區(qū)污染系數(shù)較高的是As和Pb，最小的是Zn，可知這三種元素導(dǎo)致的污染貢獻(xiàn)較為明顯，但三個(gè)區(qū)域存在一定的差異，可能具有不同的污染來(lái)源。A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的土壤重金屬污染負(fù)荷指數(shù)分別為1.69、1.15和1.08，均在1～2之間，均屬于中度污染，其不同區(qū)域大小排序?yàn)锳區(qū)>B區(qū)>C區(qū)，表明五彩灣露天煤礦的煤炭開(kāi)采對(duì)當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘傥廴镜挠绊懕容^大，同時(shí)天山北坡工、農(nóng)業(yè)活動(dòng)也對(duì)準(zhǔn)東地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量造成了不同程度的影響，應(yīng)引起重視。

表2 土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合污染污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3 不同區(qū)域土壤重金屬元素CF、LPI及LPIzone對(duì)比圖Fig.3 Comparison chart of CF、LPI and LPIzone of soil heavy metals in the different regions

2.5 土壤重金屬污染來(lái)源分析

2.5.1 土壤重金屬相關(guān)性分析

污染來(lái)源相似的重金屬元素之間存在較好的線性相關(guān)關(guān)系。利用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)準(zhǔn)東地區(qū)不同區(qū)域的6種重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析。由圖4可知，研究區(qū)內(nèi)Cu、Zn、As和Cr相互之間均呈現(xiàn)高度顯著相關(guān)性，其中Cu與Zn和As的相關(guān)性最高，A區(qū)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.83(p<0.01)，說(shuō)明這三種元素可能具有相似的污染來(lái)源；除C區(qū)Hg與Cu外，Hg與其他5種元素之間相關(guān)性程度不明顯，表明該元素的污染來(lái)源可能較為復(fù)雜；同樣Pb與各元素之間均顯著不相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)普遍小于0.4(p<0.05)，表明Pb與其他元素的污染來(lái)源不同或存在獨(dú)特的污染源。

圖4 不同區(qū)域土壤重金屬相關(guān)性系數(shù)Fig.4 Correlation coefficient of soil heavy metals in the different region(注：**為在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*為在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān))

表3 研究區(qū)土壤重金屬最大方差法旋轉(zhuǎn)成分矩陣

Table 3 Rotated component matrix according to varimax normalized of soil heavy metals

區(qū)域成分ZnCuCrPbHgAs特征值方差貢獻(xiàn)率/%累積貢獻(xiàn)率/%F10.890.930.59-0.01-0.160.642.4440.6540.65A區(qū)F2-0.040.050.63-0.310.88-0.361.3923.1663.81F3-0.08-0.07-0.120.93-0.120.311.0116.6780.48B區(qū)F10.830.880.76-0.130.43-0.792.8547.5647.56F2-0.170.150.060.850.720.311.3823.1370.69C區(qū)F10.710.930.930.460.69-0.923.7963.1263.12F20.55-0.16-0.180.81-0.610.021.3823.1486.26

2.5.2 土壤重金屬主成分分析

通過(guò)SPSS軟件對(duì)不同區(qū)域的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行了主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

A區(qū)主要提取了3個(gè)不同的主成分，其中F1、F2和F3的方差貢獻(xiàn)率分別為40.65%、23.16%和16.67%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了80.48%，能夠解析污染來(lái)源信息。第一主成分中Zn、Cu和As的荷載量分別為0.89、0.93和0.64，并且這三種元素相互間相關(guān)性較高，可能來(lái)自相同污染源，五彩灣露天煤礦開(kāi)采對(duì)土壤環(huán)境影響較大，而Zn和Cu卻未超出新疆背景值，主要受土壤母質(zhì)等自然條件的影響，說(shuō)明第一成分為自然因子，但As已超過(guò)背景值，不僅受成土母質(zhì)的控制，礦業(yè)活動(dòng)影響也比較明顯。第二主成分Cr和Hg的荷載量為0.63和0.88，造成的污染貢獻(xiàn)率較大且含量均值遠(yuǎn)超出背景值范圍，說(shuō)明人為因子為主導(dǎo)作用，污染源可能為煤矸石和煤化工廠產(chǎn)生的固態(tài)廢物。第三主成分Pb元素因子荷載量為0.93，并Pb與其他元素之間沒(méi)有顯著相關(guān)性，說(shuō)明具有獨(dú)立的污染源，污染主要來(lái)自風(fēng)力影響飛落的粉煤灰和煤炭運(yùn)輸交通排放的廢氣。

B區(qū)主要提取兩個(gè)不同主成分F1和F2，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到70.69%，同樣可以足夠解釋污染源特征信息。第一主成分中Zn、Cu、Cr和As的荷載量均較高，且彼此之間存在較好的相關(guān)性，可以判別為同一個(gè)污染源，其中Zn、Cu和Cr未超過(guò)土壤背景值，污染受到土壤類型和成土母質(zhì)等自然因子的影響為主導(dǎo)作用；而As的均值明顯超標(biāo)背景值范圍，污染程度比較嚴(yán)重，說(shuō)明同時(shí)受自然和人為等復(fù)合因子的影響，污染源可能主要來(lái)自于工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)污灌。第二主成分中Pb和Hg荷載量分別為0.85和0.72，并與其他元素之間均沒(méi)有存在顯著相關(guān)性，污染分布主要出現(xiàn)在公路兩邊和工廠附近區(qū)域，初步判別污染源為人為因子，其中，Hg主要來(lái)自阜康市的大小企業(yè)排出的廢氣及生活垃圾焚燒，Pb污染來(lái)源可能為交通運(yùn)輸汽車尾氣排放和輪胎的磨損。

C區(qū)同樣提取兩個(gè)主成分，F(xiàn)1和F2的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86.26%，能夠更好地揭示主要污染源信息。第一主成分中Zn、Cu和Cr的因子荷載量依次為0.71、0.93和0.93，As因子荷載量為-0.92，且彼此之間呈現(xiàn)一定的線性相關(guān)關(guān)系，可能來(lái)自相同的污染源，其中Zn、Cu和Cr平均值基本上未超出新疆土壤背景值，主要受成土母質(zhì)和土壤理化性質(zhì)等自然因子的影響，As存在較高的非正荷載量，其均值遠(yuǎn)高于背景值且導(dǎo)致的農(nóng)田土壤污染比較嚴(yán)重，說(shuō)明除了自然因子外，同時(shí)受到人為因子的協(xié)同影響，其主要污染源為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的含As化肥原料。第二主成分中荷載量較高的是Hg和Pb，Hg的貢獻(xiàn)率達(dá)到63.12%，由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響下該兩種元素對(duì)土壤環(huán)境造成了較嚴(yán)重的污染，其中Hg主要來(lái)源于農(nóng)用施肥農(nóng)藥和污泥，Pb由大型農(nóng)業(yè)機(jī)械輪胎磨損和畜禽糞便為主要的污染源。

3 結(jié) 論

1) 研究區(qū)Cr、Pb、Hg和As均值超出新疆土壤背景值，超標(biāo)率在30%～100%之間，存在較嚴(yán)重的污染，變異系數(shù)均大于15%，屬于中等空間變異性，可知污染同時(shí)受到自然因子和人為因子的雙重影響。

2) 從污染評(píng)價(jià)結(jié)果可知，不同區(qū)內(nèi)Zn和Cu污染處在警戒水平，Cr和Hg在A區(qū)屬于中度和重度污染，在B區(qū)和C區(qū)均屬于輕微污染，而As三個(gè)區(qū)內(nèi)均處在重度污染，不同區(qū)域污染大小依次為A區(qū)>B區(qū)>C區(qū)?？傮w上As、Cr、Pb和Hg對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量造成的污染貢獻(xiàn)較大，應(yīng)引起重視。

3) Zn、Cu、Cr和As間相關(guān)性較高，Pb與其他元素均沒(méi)有顯著相關(guān)性，其中Zn和Cu污染來(lái)自成土母質(zhì)，Pb污染源可能為交通尾氣排放和輪胎磨損，而Cr和As一定程度上受到了煤炭開(kāi)采、工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)等人為污染的影響。