新疆准东煤田五彩湾露天矿区土壤重金属污染评估与分析.pdf

新疆准东煤田五彩湾露天矿区土壤重金属 污染评估与分析 * 李长春1， 2张光胜1姚峰2王宇1李昊东3 1． 河南理工大学， 河南 焦作 454001; 2． 中国科学院新疆生态与地理研究所， 乌鲁木齐 830011; 3． 广东华路交通科技有限公司， 广州 510420 摘要 以新疆准东煤田五彩湾露天矿区为研究靶区， 在研究区内的不同位置和不同深度处进行取样， 测量土壤中重金 属 Zn、 Cu、 Ni 和 Cr 的含量， 同时利用 GIS 技术生成 4 种重金属含量的空间分布图。首先分析了区域内 4 种重金属含 量的空间特征以及距矿区不同距离和不同高程处重金属含量特征， 最后进行重金属污染因子分析。结论为 区域内土 壤中 Cr 污染最为严重， 其次为 Zn、 Ni 和 Cu; 距离矿区不同距离和不同高程处重金属的含量存在差异， 其中 Cu 的含量 随距离和高程的变化不大; Ni 的含量随距离的增加而略微增大， 且含量与高程呈显著负相关; Zn 的含量随距离变化波 动较大， 与高程呈极显著正相关; Cr 的含量随距离增加呈现明显降低趋势， 并且其含量随高程变化波动较大;Cu 和 Ni 主要来源于土壤母质， Zn 的来源比较复杂， 自然因素对其贡献较大， 煤矿开采对 Zn 含量的影响较小， Cr 主要受煤矿开 采时煤尘和人为因素的影响。 关键词 重金属污染; 评估; 五彩湾露天矿区; 新疆准东煤田 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201407031 ASSESSMENT OF SOIL HEAVY METAL POLLUTION IN AＲEA OF XINGJIANG ZHUNDONG WUCAIWAN SUＲFACE COAL MINE Li Changchun1， 2Zhang Guangsheng1Yao Feng2Wang Yu1Li Haodong3 1． Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454001， China; 2． Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China; 3． Guangdong Hualu Transport Technology Co． ，Ltd，Guangzhou 510420，China AbstractThe area of Xinjiang Zhundong Wucaiwan surface coal mine was selected as the target region samples in different locations and depth were Chosen and the amounts of Zn， Cu， Ni and Cr in soil were measure． At the same time，the spatial distribution maps of each heavy metal amount based on Geographic Ination System were drawn． The spatial characteristics of each heavy metal amount were analysed and the characteristics of each heavy metal amount from different distance to mining area and different elevation were studied． Then the pollution factors of each heavy metal were also disscused． It was indicated that the pollution of chromium in study area soil was the most serious，followed by Zn，Ni and Cu． The amount of different heavy metal from different distance to mining area and different elevation was various． The amount of Cu was almost the same for different distance and elevation． The amount of Ni increased slightly with the distance increasing and had significant negative correlation with elevation． The amount of Zn fluctuated greatly with the distance change and had significant positive correlation with elevation． The amount of Cr decreased significantly with the distance to mining area increasing and fluctuated greatly with the elevation change． The pollution of Cu and Ni came mainly from soil parent material， and the source of Zn were relatively complex． The nature factors influenced greatly but that of coal mining was slight，the pollution factors of Cr mainly came from coal dust and human activities． Keywordsheavy metal pollution;assessment and analysis;Wucaiwan surface coal mine area;Xinjiang Zhundong coal field * “十二五” 科技支撑计划项目 2012BAJ23B04- 2 ; 新疆维吾尔自治区重点实验室项目 XJYS0205- 2013- 01 。 收稿日期 2013 －09 －22 241 环境工程 Environmental Engineering 0引言 我国是以煤炭为主要能源的国家， 煤炭开采对我 国国民经济发展做出了巨大贡献， 同时煤炭开采引发 了一系列生态环境问题。生态环境问题已经成为制 约矿区可持续发展乃至区域生态安全的重大隐 患 ［1- 3 ］。与井工开采相比， 露天煤矿开采对区域生态 环境改变更大， 对生态环境的破坏更为严重， 主要包 括地形地貌破坏、 重金属污染、 大气污染、 植被受损 等 ［4- 6 ］。露天煤矿开采过程中重金属污染主要表现为 煤矸石中的重金属元素由于风化、 自燃、 淋溶而迁移 到土壤中形成的污染， 致使土壤的功能不同程度受 损 ［7- 10 ］。研究重金属的污染程度及其空间特征， 分析 不同重金属元素的污染来源和影响因子， 对于露天矿 区重金属污染监测和治理， 促进矿区经济和环境协调 发展具有重要意义。 本文以位于西北干旱荒漠区的新疆准东煤田五 彩湾露天矿区为研究对象， 通过测量不同地点和不同 深度土壤中 Zn、 Cu、 Ni 和 Cr 的含量， 分析了以上 4 种 重金属元素的空间分布特征， 评价了其污染程度和影 响范围， 并分析其污染来源和影响因子， 以期为该区 域重金属污染监测和环境治理提供技术支撑。 1研究区概况 研究区位于新疆准噶尔盆地东部的奇台、 吉木萨 尔县境内， 隶属准东煤田五彩湾露天煤矿开采区。区 域内有 5 个正在开采的大型露天煤矿， 分别为湖北宜 化煤矿、 大成能源煤矿、 天池能源煤矿、 神华能源煤 矿、 神东天隆煤矿， 其中神华能源煤矿于 2006 年 9 月 开挖生产， 其他 4 家煤矿于 2009 年 47 月陆续开挖 生产， 区域含煤面积共 901. 05 km2， 煤炭资源储量为 3 900 亿 t， 占全疆储量的 17. 8。区域坐标为 88 4508″891258″E， 443802″445902″N， 海拔高 度为 300 ～600 m， 属大陆性暖温带极端干旱沙漠气 候。土壤主要是灰褐色与褐色的碳质土、 石膏土、 粗 砾石土， 土壤贫瘠， 有机质含量相当低， 含盐量较高。 区域内天然植被类型少、 结构单一， 植被生长矮小且 稀疏， 多为荒漠植被。 2数据与研究方法 在露天煤矿开采区内的不同地点和不同风向位 置处分别进行采样， 采样点的深度为0 ～10 cm 和10 ～ 20 cm， 共采集 40 个土壤样品， 同时用 GPS 记录每个 采样点的坐标位置和高程。将土壤样品在实验室内 进行自然风干， 除去杂质， 研磨并过 20 目筛后， 测定 Zn、 Cu、 Ni 和 Cr 的含量。 为了评价不同重金属的污染程度， 采用地质累积 指数法 ［11 ］作为评价土壤重金属污染程度的指标。该 方法不仅考虑了自然地理过程造成的背景值的影响， 同时充分注意了人类活动对重金属污染的影响。其 计算公式如下 I log2［ Ci/ KBi ］ 1 式中 Ci表示元素 i 在土壤中的含量; Bi 表示该元素 的背景值; K 表示调整系数， 一般取 1. 5。 根据计算出的地质累积指数， 将污染等级分为 6 级， 见表 1。 表 1污染等级划分 Table 1The division of pollution I 值 I ≤ 00 ＜ I ≤ 11 ＜ I ≤ 22 ＜ I ≤ 33 ＜ I ≤ 44 ＜ I ≤ 5I ＞ 5 污染等级无污染轻度 － 中等污染中等污染中等 － 强污染强污染强 － 极严重污染极严重污染 3结果及讨论 3. 1土壤重金属污染程度评价 利用新疆土壤环境背景值作为研究区土壤背景 值计算地质累积指数， 并按照污染程度的分级标准对 研究区土壤重金属污染进行分级， 进而评价 Zn、 Cu、 Ni 和 Cr 的污染程度。土壤背景值如表 2 所示， 研究 区 Zn、 Cu、 Ni 和 Cr 的污染程度评价结果如表 3 所示。 由表3 可知 研究区中的重金属 Zn 和 Cu 对土壤 无污染的频率分别为97和 98， 轻度 － 中度污染的 频率分别为3和2， 说明土壤中 Zn 和 Cu 污染相对 较轻; 土壤中 Ni 无污染的频率为 90， 轻度 － 中度污 表 2研究区土壤背景值 Table 2The background value of soil in research area mg/kg 元素最小值最大值平均值标准差 Zn21. 5153. 5661. 34 Cu6. 478. 4251. 45 Ni7. 486. 525. 21. 41 Cr12. 1137. 547. 91. 37 染的频率为10， 说明研究区土壤中 Ni 的污染程度为 中轻度污染; 土壤中 Cr 无污染、 轻度 － 中度污染和中 度污染的频率分别为 72、 22. 5和 5. 5， 说明研究 区土壤受到 Ni 的污染程度相对较重。 341 土 壤 修 复 Soil Ｒemediation 表 3研究区污染评价结果 Table 3The assessment result of pollution in research area 污染等级 污染频率/ ZnCuNiCr 无污染97989072 轻度 － 中度污染321022. 5 中度污染0005. 5 3. 2土壤重金属污染空间特征分析 根据各采样点土壤中 Zn、 Cu、 Ni 和 Cr 的含量， 采 用多元统计分析法进行统计， 分别计算不同采样深度 处重金属含量的最大值、 最小值、 平均值、 标准差和变 异系数， 结果见表 4。 表 4区域土壤中不同采样深度处重金属含量统计表 Table 4The amount of each heavy mental in different depthmg/kg 元素 采样深度/ cm 最大值/ mg kg －1 最小值/ mg kg －1 平均值/ mg kg －1标准差 变异 系数 Zn0 ～10148. 139. 584. 4825. 780. 31 10 ～2092. 046. 770. 0212. 980. 19 Cu0 ～1038. 714. 127. 715. 860. 21 10 ～2034. 413. 223. 025. 370. 23 Ni0 ～1070. 633. 745. 957. 330. 16 10 ～2048. 520. 534. 497. 280. 21 Cr0 ～10484. 050. 8103. 6273. 580. 71 10 ～20249. 644. 782. 1341. 930. 51 利用 GIS 技术， 结合表 4 中的重金属含量统计数 据， 生成 4 种重金属含量的空间分布图， 详见图 1。 图 1不同重金属含量空间分布 Fig． 1The spatial distribution maps of each heavy metal 计算研究区内离煤矿不同距离采样点的各重金 属含量的平均值， 结果如图 2 所示。 根据上述结果可知 1 土壤中 Zn 含量的标准差和变异系数的均值 分别为 19. 38 和 0. 25， 并且对于不同的采样深度， 含 量变化明显， 空间差异较大; 土壤中 Cu 和 Ni 含量的 标准差和变异系数的平均值分别为 5. 6、 7. 3 和 0. 22、 0. 19， 说明这 2 种元素垂直分布均匀， 空间差异 较小; 土壤中 Cr 含量的标准差和变异系数的平均值 分别为 57. 76 和 0. 61， 不同采样深度的差异也十分 441 环境工程 Environmental Engineering 图 2不同距离范围内重金属含量 Fig．2The amount of each heavy metal with himits of coal mining area 显著， 说明 Cr 含量的空间差异最大。 2 Zn、 Cu 和 Ni 元素的空间分布特征相似， 其高 值区主要分布在区域西北部和西南部等人为活动较 少的区域，其低值区主要位于开采区域及其附近区 域; Cr 含量的高值区主要集中在煤矿开采区、 堆渣 区、 工业区及其附近区域， 而低值区主要分布在人为 活动较少的区域; 重金属 Zn 含量的富集特征较明显， 重金属 Cu 和 Ni 的高值区域分布比较分散， 没有明显 的富集特征， 重金属 Cr 的高值区分布特征单一， 区域 集中明显， 富集特征显著。 3 Zn 含量在不同距离范围内总体呈现较大的波 动， 而 Cu 含量波动性不明显; Ni 含量离煤矿距离的 r 增加， 呈现逐渐增大的趋势， 但增大趋势不明显; C 的 含量随距煤矿距离的增大呈明显降低趋势， 离煤矿约 10 km 范围以外降低趋势逐渐趋于平缓。 3. 3土壤重金属污染因子分析 为了分析 Zn、 Cu、 Ni 和 Cr 在不同高程处的含量 特征， 对不同高程采样点的重金属含量进行分析， 具 体结果如图 3 所示。 图 3不同高程处重金属含量 Fig．3The contents of heavy metals with different elevation 由于研究区域处于干旱荒漠区， 简单将重金属污 染来源分为自然因子和人为因子， 自然因子主要包括 土壤母质特点和地形地貌特点， 人为因子主要包括研 究区内露天煤矿开采和运输中煤尘的掉落， 及工业区 污染物、 生产生活废弃物的堆积等。表 5 为 4 种重金 属污染因子的分析结果。 表 5不同重金属污染因子分析 Table 5The pollution factors of each heavy metal 因子 旋转前旋转后 ZnCuNiCr方差方差贡献率/ZnCuNiCr方差方差贡献率/ 因子 10. 79 0. 870. 550. 421. 8746. 700. 660. 830. 770. 061. 7243. 00 因子 2－0. 14 0. 090. 64－0. 761. 0225. 60－0. 46－0. 290. 35－0. 871. 1729. 30 公因子方差0. 650. 7680. 720. 762. 8972. 400. 650. 770. 720. 762. 8972. 40 上述结果可以看出 1 随着高程的增加， 土壤中 Zn 元素的含量呈波 动性上升趋势， 相关系数为 0. 676， 并且通过相关性 分析， 达到极显著性相关程度; Ni 元素的含量与高程 呈显著性负相关， 相关系数为 － 0. 458， 说明土壤中 Zn 和 Ni 的含量受区域地形变化的影响。其中 Zn 的 波动性较大， 这主要是由于 Zn 元素的来源不仅受自 然因素影响， 还受到煤矿开采的影响; Cu 元素的含量 随高程增大变化不显著; 由于受煤矿开采的影响， Cr 的含量随高程的变化呈现较大的波动性。 2 通过对研究区土壤重金属 Zn、 Cu、 Ni、 Cr 的变 量因子分析可知， 4 种重金属可以由 2 个公因子反映 其 72. 4的信息， 而且经过旋转前后总的方差累积 贡献率没有发生变化， 即总的信息量没有损失。从旋 转后因子的载荷量可知， 因子 1 的载荷量主要由 Cu 和 Ni 组成， 根据前述研究结果， Cu 和 Ni 在不同区域 其含量变化较为稳定， 说明其来源主要受土壤母质控 制; Zn 元素对因子 1 和因子 2 都有较高的载荷量， 分 别为 0. 66 和 0. 46， 说明 Zn 元素的来源比较复杂， 既 来源于土壤母质， 也受到外界环境的影响; 因子 2 的 载荷量主要由元素 Cr 组成， 根据 Cr 的含量具有强变 异性的特点， 证明其含量受外界影响比较大。 4结论 根据上述研究结果， 可以得到下列结论 1 通过对研究区重金属地质累积指数和污染范 围分析可知， 研究区土壤中 Cu 的污染较轻， 属于轻 541 土 壤 修 复 Soil Ｒemediation 度污染， 其次为 Zn 和 Ni， 土壤中 Cr 的污染程度最 高， 其从煤矿开采区约 7 km 范围内有不同程度的 污染。 2 通过对研究区土壤重金属空间分析可知， 距 离露天煤矿不同范围内重金属元素含量的变化情况 不同， 土壤中 Cu 的含量随距离没有明显变化， Ni 的 含量随距离的增加而略微增大， Zn 的含量在不同距 离范围内波动比较大， Cr 的含量随距离增加呈现明 显的降低趋势。对于不同高程， Cu 含量在不同高程 上没有显著性变化， Cr 含量随高程变化波动较大， Zn 含量与高程之间呈极显著性正相关， Ni 含量与高程 之间呈显著性负相关。 3 通过对研究区土壤重金属来源分析可知， 研 究区土壤中 Cu 和 Ni 主要来源于土壤母质， Zn 的来 源比较复杂， 自然因素对 Zn 的贡献较大， 煤矿开采对 Zn 含量的影响较小， 而土壤中 Cr 含量主要受煤矿开 采时煤尘和人为因素的影响。 参考文献 ［1］屠世浩， 陈宜先． 煤矿开采对环境的影响及其对策研究［J］． 矿 业研究与开发， 23 4 6- 10． ［2］耿殷明， 姜福兴． 我国煤炭矿区生态环境问题分析［J］． 煤矿环 境保护， 2002 6 5- 9． ［3］田彩霞， 宋晓梅． 论我国煤矿环境问题及对策［J］． 矿业安全 与环保， 2004， 31 2 45- 48． ［4］赵浩， 白润才， 曲叶明． 露天煤矿绿色开采技术［J］． 矿业工程 研究， 2010， 26 3 19- 22． ［5］孙芳， 高优娜， 郝琳， 等． 露天煤矿开采酿成的环境问题及防护 对策［J］． 北方环境， 28 6 63- 64． ［6］白润才， 白羽， 刘光伟． 露天煤矿环境问题及解决办法［J］． 露 天采矿技术， 2013 2 74- 77． ［7］马从安， 王启瑞， 才庆祥． 大型露天煤矿重金属污染评价［J］． 矿业安全与环保， 2007， 34 4 38- 38． ［8］王启瑞， 才庆祥， 马从安， 等． 露天煤矿重金属污染评价［J］． 煤炭科学技术， 2006， 34 10 72- 74． ［9］程建华， 陆兆华， 范英宏． 露天煤矿生态风险评价方法［J］． 生 态学报， 2004， 24 12 2945- 2950． ［ 10］易秀， 陈生婧． 污染损失率法在土壤重金属污染评价中的应用 ［J］． 干旱区资源与环境， 2012， 26 12 64- 67． ［ 11］Muller G． Index of geoaccumulation in sediments of the Ｒhine river ［J］． Geojournal， 1969， 2 3 108- 113． 第一作者 李长春 1976 － ， 男， 副教授， 博士， 主要从事灾害通感监测 与评估研究与教学工作。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 lichangchun610126． com 上接第 118 页 参考文献 ［1］王宇卓，聂永丰，任连海． 我国食品废物处理概况及管理对策 探讨［J］． 环境科学动态， 2004 3 34- 35． ［2］谢炜平，梁彦杰，何德文， 等． 餐厨垃圾资源化技术现状及研 究进展［J］． 环境卫生工程， 2008， 16 2 43- 45， 48． ［3］韩怀芬，金漫彤， 迟春娟， 等． 适合我国国情的城市生活垃圾 处理方法［J］． 环境污染与防治， 2000， 22 6 40- 41． ［4］高关， 董雅文，金浩波， 等． 城市垃圾处理与管理对策研究 ［J］． 城市环境与城市生态， 2000， 13 2 39- 41． ［5］刘秀梅，聂俊华，王庆仁． 多种微生物复合的微生态制剂研究 进展［J］． 中国生态农业学报， 2002， 10 4 80- 83． ［6］席北斗，刘鸿亮，黄国和， 等． 复合微生物菌剂强化堆肥技术 研究［J］． 环境污染与防治， 2003， 25 5 262- 264． ［7］Stabnikova O，Ding H B，Tay J H，et al．Biotechnology for aerobic conversion of food waste into organic fertilizer［J］． Waste Management and Ｒesearch， 2005， 23 39- 47． ［8］Tiquia S M，Tam N F Y． Fate of nitrogen during composting of chicken litter［J］． Environmental Pollution， 2000，110 3 535- 541． ［9］Magneschi L，Perata P． Ｒice germination and seeding growth in the absence of oxygen［J］． Annals of Botany，2009，10318l- 196． ［ 10］Chanyasak V，Kubota H． Carbon/organic nitrogen ratio in water extract as measure of composting degradation［J］．JournaI of Fermentation Technology， 1981， 59 215- 219． ［ 11］朱凤香，王卫平，杨友坤， 等． 固体废弃物堆肥的腐熟度评价 指标［J］． 浙江农业科学， 2010 1 159- 163． 第一作者 林山杉 1965 － ， 女， 教授， 博士。linss071 nenu． edu． cn 641 环境工程 Environmental Engineering