繆成波 于萌 盧剛 劉君洋 楊建軍

摘要：為研究干旱區(qū)露天煤礦——新疆準(zhǔn)東北山煤礦降塵中6種重金屬元素[鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鐵（Fe）、錳（Mn）、鎳（Ni）]的分布特征及其來源，在北山煤礦下風(fēng)向布設(shè)49個(gè)降塵缸，分3個(gè)時(shí)間段收集113個(gè)降塵樣品，采用原子吸收儀測定降塵中的6種重金屬元素含量，分析其分布特征，并結(jié)合聚類分析和因子分析對(duì)研究區(qū)降塵重金屬來源進(jìn)行探討。結(jié)果表明，（1）北山煤礦降塵中重金屬元素平均含量表現(xiàn)為Fe>Mn>Zn>Cu>Ni>Pb，其中Fe、Mn、Ni元素屬于中度變異，Pb、Cu、Zn元素屬于高度變異。（2）Pb元素在四號(hào)堆煤廠及停車場周邊含量較高，Cu元素的高值區(qū)主要分布于采煤區(qū)的下風(fēng)向，而Zn、Fe、Mn、Ni元素的高值區(qū)比較分散，主要位于研究區(qū)中部及東部。（3）Fe、Mn、Ni元素主要來源于成土母質(zhì)，Cu元素主要受礦山開采活動(dòng)影響，Pb元素主要來自交通車輛尾氣及輪胎磨損，而Zn元素的來源不確定。（4）北山煤礦大氣降塵中重金屬元素主要來源及其貢獻(xiàn)率依次為成土母質(zhì)貢獻(xiàn)率為48.40%，礦山開采活動(dòng)的影響貢獻(xiàn)率為23.55%，交通車輛尾氣及輪胎磨損貢獻(xiàn)率為17.16%，其他源貢獻(xiàn)率約為10.89%。研究結(jié)果顯示，重金屬元素空間分布有所差異，主要來源為土壤成土母質(zhì)、礦山開采活動(dòng)、交通車輛尾氣及輪胎磨損。

關(guān)鍵詞：露天煤礦;降塵;重金屬;新疆準(zhǔn)東;來源分析

中圖分類號(hào)：X53;X752文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）22-0295-06

作者簡介：繆成波（1992—），男，甘肅景泰人，碩士研究生，主要從事水土保持與荒漠化治理研究。E-mail：miaochbo729@163.com。

通信作者：楊建軍，博士，副教授，主要從事干旱區(qū)水土保持與荒漠化防治研究。E-mail：yjjdfly@sina.com。

干旱荒漠區(qū)易遭受風(fēng)蝕揚(yáng)塵的危害，而露天煤礦的開采、存儲(chǔ)、運(yùn)輸以及煤電化工企業(yè)等人為因素造成的工業(yè)廢氣、汽車尾氣和煤粉顆粒則加劇了區(qū)域揚(yáng)塵污染。揚(yáng)塵作為環(huán)境中除土壤外重金屬的主要賦存介質(zhì)，吸附著大量的重金屬污染物[1-2]，重金屬通過大氣沉降等途徑持續(xù)輸入到地表環(huán)境中，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了負(fù)面影響[3-4]，也可以通過人體皮膚及呼吸系統(tǒng)造成人體功能性障礙和不可逆的損傷[5-6]。因此，研究大氣降塵中重金屬的分布特征及其來源具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)環(huán)境中的重金屬進(jìn)行了大量研究，包括重金屬的污染水平[7]、分布特征[8-9]、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[10-11]以及源解析[12-13]等。研究區(qū)主要包括城市[14]、道路[15]、水體[16]及工農(nóng)業(yè)[17-18]集中區(qū)域等，而針對(duì)干旱區(qū)露天煤礦揚(yáng)塵中重金屬的研究較少。為此，本研究以新疆準(zhǔn)東北山露天煤礦為研究區(qū)，在下風(fēng)向區(qū)域布設(shè)降塵缸采集降塵，測定其中的鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鐵（Fe）、錳（Mn）、鎳（Ni）等6種重金屬的含量，通過多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合研究區(qū)工業(yè)布局、交通等因素綜合分析降塵中的重金屬來源，以期為研究區(qū)揚(yáng)塵重金屬污染治理提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

北山露天煤礦以煤炭、煤電、煤化工為主要建設(shè)開發(fā)項(xiàng)目，地處準(zhǔn)噶爾盆地東部、卡拉麥里西南山前戈壁荒漠帶。該區(qū)域整體呈北高南低，海拔為560～620m，屬于典型的極端干旱暖溫帶大陸性氣候，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，多年平均風(fēng)速為2.0～3.7m/s，夏季炎熱干燥，冬季寒冷少雪，晝夜溫差大，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，年均氣溫為7.0℃，多年平均降水量為183.5mm、平均蒸發(fā)量為2042.3mm。土壤以荒漠風(fēng)沙土、灰漠土及鹽堿土為主，植被稀少、類型單一，主要以蒙古類型的灌木和半灌木為主。

1.2樣品采集與處理

樣品采集時(shí)間為2018年7—8月，以北山露天煤礦為中心（圖1），綜合考慮地形地貌、工廠布局及運(yùn)輸?shù)缆肺廴驹捶植嫉纫蛩?，按照均勻布設(shè)和重點(diǎn)布設(shè)的原則，在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向布設(shè)了49個(gè)降塵收集器，分3個(gè)時(shí)段采集了113個(gè)降塵樣品。

在實(shí)驗(yàn)室將收集器內(nèi)的樣品刷下后風(fēng)干，去除昆蟲、葉子等雜物，用瑪瑙研缽將樣品研磨粉碎，過100目尼龍篩備用。使用PerkinElmerAA900系列原子吸收儀測定重金屬元素含量。采用HNO3-H2SO4-HClO4法消煮制備待測樣品，所有使用藥品均采用優(yōu)級(jí)純，同時(shí)制備3份無土樣的全程序試劑空白溶液。測定樣品前對(duì)各元素做校準(zhǔn)曲線，相關(guān)系數(shù)r≥0.999，采用土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品（GSS-1）進(jìn)行質(zhì)量控制，誤差在5%以內(nèi)。

1.3數(shù)據(jù)處理

在ArcMap10.4軟件中利用反距離權(quán)重法進(jìn)行空間分析，研究重金屬含量空間分布特征。運(yùn)用層序聚類分析（HCA）進(jìn)行定性源解析，通過對(duì)具有相似性的變量進(jìn)行重復(fù)聚類，以降低各個(gè)類組間的相似性[19]，并利用R語言使用heatmap軟件包進(jìn)行二維層序聚類分析，采用離差平方和法（Wardsmethod）及歐氏距離進(jìn)行聚類分析。參考楊麗萍等的方法[20-21]進(jìn)行因子分析，對(duì)實(shí)測元素含量進(jìn)行運(yùn)算，求出公因子數(shù)的因子載荷矩陣來反映因子與變量間的親疏關(guān)系，并結(jié)合研究區(qū)的具體情況，獲得主要污染來源及其貢獻(xiàn)率[22]。采用SPSS19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析。

2結(jié)果與分析

2.1降塵中重金屬含量特征

由表1可知，6種重金屬含量的極值分布范圍較廣，平均含量從大到小表現(xiàn)為Fe>Mn>Zn>Cu>Ni>Pb;其中，F(xiàn)e含量平均值最大，Pb含量平均值最小，分別為116.396、0.184mg/kg，各重金屬元素含量的差異較大。偏度為0.31～4.52，均大于0，算術(shù)平均值大于相應(yīng)的中位數(shù)，表明6種重金屬元素的含量值傾向于平均數(shù)的右側(cè)分布。變異系數(shù)可以反映重金屬含量受人為活動(dòng)的影響，變異系數(shù)越大，人為活動(dòng)干擾越強(qiáng)烈[23]。變異程度可分為3類[24]，變異系數(shù)<15%為輕度變異，變異系數(shù)介于15%～35%之間為中度變異，變異系數(shù)>35%為高度變異。本研究區(qū)重金屬含量變異系數(shù)大小表現(xiàn)為Pb>Cu>Zn>Mn>Fe>Ni，其中Pb、Cu、Zn屬于高度變異，F(xiàn)e、Mn、Ni屬于中度變異，表明Pb、Cu、Zn等3種元素含量差異較大，受人類活動(dòng)影響明顯，存在明顯的空間差異。

2.2降塵重金屬空間分布特征

從圖2可以看出，Pb、Zn、Fe、Mn元素含量高值區(qū)占研究區(qū)大部分面積，其余元素含量的高值區(qū)分布面積相對(duì)較小。Pb元素在四號(hào)堆煤廠及停車場周邊含量較高，說明其受到運(yùn)輸車輛的影響。Cu元素含量的高值區(qū)主要分布于采煤區(qū)的下風(fēng)向，說明其受到采礦活動(dòng)的影響。而Zn、Fe、Mn、Ni元素含量的高值區(qū)具有一定的相似性，其分布較分散，占據(jù)研究區(qū)中偏東的大部分區(qū)域。

2.3礦區(qū)降塵中重金屬來源分析

2.3.1降塵重金屬的層序聚類分析

本研究利用聚類分析分別以采樣點(diǎn)位和重金屬元素含量為目標(biāo)進(jìn)行聚類，具有相同或相似含量特征和來源的采樣點(diǎn)會(huì)被聚為一類，而被聚為一類的重金屬元素可能具有相同或相似的來源[25]。由圖3可知，研究區(qū)4個(gè)區(qū)域中的49個(gè)降塵采樣點(diǎn)被聚集在4個(gè)類組中。在各重金屬目標(biāo)物中，F(xiàn)e、Mn、Ni聚為一類，Cu和Zn聚為一類，Pb單獨(dú)為一類，被聚集為一類的重金屬元素可能來自相同或相似的污染源。

2.3.2降塵重金屬因子分析

因子分析法使用前，需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行Kaiser-Meyer-Olkin（KMO）檢驗(yàn)和Bartletts球形檢驗(yàn)，以確定數(shù)據(jù)是否適合做因子分析。通過表2分析結(jié)果可知，KMO檢驗(yàn)值為0.696（>50%），Bartletts球形檢驗(yàn)的近似卡方值為170.899，其伴隨概率為0.000<0.05。而表3結(jié)果顯示，公因子方差提取值均大于0.7，其中Pb、Cu的提取值都大于0.9，Zn、Fe、Ni的信息提取值也大于0.8，由此可知，在對(duì)本研究區(qū)降塵重金屬含量數(shù)據(jù)處理過程中信息提取率較高，只有極少數(shù)的信息丟失，適合采用因子分析法。

提取主因子的特征值在全部特征值之和中所占的比例（即累積方差貢獻(xiàn)率）達(dá)到85%及以上，則提取因子方差貢獻(xiàn)率越大，說明該因子相對(duì)所有評(píng)價(jià)因素的重要程度越大[26]。根據(jù)表4可知，當(dāng)因子個(gè)數(shù)為3時(shí)，累積方差貢獻(xiàn)率為89.11%，此時(shí)的原始數(shù)據(jù)信息丟失較少，因子分析效果較為理想，因此主因子設(shè)置為3個(gè)，并分別命名為a1、a2、a3。

根據(jù)相關(guān)研究[15-16]可知，對(duì)于未受污染區(qū)域一般采用初始成份矩陣就能較好地解釋實(shí)際情況，而對(duì)于污染地區(qū)選用經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的載荷矩陣解釋能更好地說明環(huán)境問題，并且通過方差最大化正交旋轉(zhuǎn)法旋轉(zhuǎn)初始因子負(fù)荷矩陣，因子變量更具有可解釋性，命名清晰性更高[27]。由于本研究區(qū)周邊大氣污染較為嚴(yán)重[28]，因此選用旋轉(zhuǎn)后的載荷矩陣（表5）探討該區(qū)域的污染來源。通過對(duì)研究區(qū)降塵重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，主要提取3個(gè)不同的主因子，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)89.11%，可以很好地解釋污染來源信息。

a1因子中，F(xiàn)e、Mn和Ni元素具有較大的因子載荷，其載荷量分別為0.899、0.856、0.935，因此這3種元素可以較好地反映該因子的污染來源信息，a1的貢獻(xiàn)率達(dá)48.40%。a2因子中Cu元素的載荷量最高，其載荷量為0.972，因此認(rèn)為該元素的污染來源信息可以很好地被第二因子反映，a2的貢獻(xiàn)率為23.55%。a3因子中Pb元素的載荷量最高，其載荷量為0.991，可以說明其可以很好地反映該因子的來源，而整個(gè)礦區(qū)內(nèi)降塵中重金屬元素Pb屬于高度變異，表明Pb元素受人為因素影響較大，a3對(duì)大氣降塵重金屬的貢獻(xiàn)率為17.16%。

3討論

本研究區(qū)重金屬元素中Pb、Cu、Zn屬于高度變異，F(xiàn)e、Mn、Ni屬于中度變異，表明不同區(qū)域Pb、Cu、Zn等3種元素含量差異較大，受人類活動(dòng)影響明顯，存在明顯的空間差異。聚類分析與因子分析結(jié)果具有相似性，結(jié)果表明Fe、Mn和Ni元素的來源具有相似性，Cu元素與Zn元素具有同源性，Pb元素來源獨(dú)特。Facchinelli等通過研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e、Mn及Ni元素的來源多受巖石風(fēng)化、自然土壤的影響[29-30];也有研究者發(fā)現(xiàn)，成土母質(zhì)極大地影響了Fe、Mn和Ni元素的形成與聚集[31-32]。研究區(qū)內(nèi)有大量的排土場及未鋪裝的運(yùn)煤土路，在風(fēng)力及運(yùn)輸車輛的作用下產(chǎn)生大量的無組織塵排放[28]，同時(shí)因其地處干旱荒漠區(qū)，風(fēng)蝕劇烈，大量巖石被風(fēng)化侵蝕，成為Fe、Mn和Ni元素的主要來源。因此本研究認(rèn)為Fe、Mn和Ni元素主要來源于成土母質(zhì)，對(duì)研究區(qū)降塵中重金屬來源的貢獻(xiàn)率達(dá)48.40%。大量研究表明[33-34]，Cu、Zn元素受到礦山開采活動(dòng)的影響較為強(qiáng)烈，本研究中Cu元素的高值區(qū)主要分布于采煤區(qū)的下風(fēng)向，露天煤礦在開采和運(yùn)輸過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤粉灰塵，加之礦物風(fēng)化侵蝕，其中吸附的Cu元素?fù)P起之后沉降至地表，由此認(rèn)為Cu、Zn元素主要來源于煤礦開采活動(dòng)，這與姚峰等之前在該研究區(qū)中研究的結(jié)果[35]相似。Pb元素作為典型的汽車排放元素[36]，礦區(qū)內(nèi)存在大量的大型運(yùn)輸車輛，其機(jī)械排放的廢氣及輪胎磨損等較常見，因此認(rèn)為Pb元素必然極大地受到交通運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>

4結(jié)論

本研究通過分析探討干旱區(qū)露天煤礦降塵中6種重金屬元素的含量、分布特征及其來源，得出以下結(jié)論：（1）降塵中重金屬平均含量表現(xiàn)為Fe>Mn>Zn>Cu>Ni>Pb，其中Fe、Mn、Ni屬于中度變異，Pb、Cu、Zn屬于高度變異，其中Pb元素受人為活動(dòng)影響最為明顯。（2）Pb元素在四號(hào)堆煤廠及停車場周邊含量較高，Cu元素的高值區(qū)主要分布于采煤區(qū)的下風(fēng)向，而Zn、Fe、Mn、Ni元素的高值區(qū)較為分散，主要位于研究區(qū)中部及東部。（3）北山煤礦大氣降塵中重金屬元素主要來源及其貢獻(xiàn)率：成土母質(zhì)貢獻(xiàn)率為48.40%，礦山開采活動(dòng)貢獻(xiàn)率為23.55%，交通車輛尾氣及輪胎磨損貢獻(xiàn)率為17.16%，其他源貢獻(xiàn)率為10.89%。

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