准格尔旗铧尖地区土壤重金属地球化学特征及污染评价

Geochemical Characteristics and Pollution Evaluation of Heavy Metals in Soil in Huajian Area of Zhungeer Banner

摘要: 为了解准格尔旗铧尖地区土壤重金属空间分布及污染情况，采用公里网格法对研究区布设土壤样品点位，对铧尖地区As、Hg、Cu、Pb、Ni、Cd、Zn七种重金属元素进行了测定分析，并运用多元统计法、富集指数法、内梅罗综合污染指数法以及潜在生态风险指数法研究了研究区土壤重金属污染程度。结果表明：研究区Pb、Cd元素平均含量分别为内蒙古土壤元素背景值1.83、3.02倍，显著富集；同时Pb、Cd元素两种元素变异系数大于1，属超强变异元素。As、Hg、Cu、Zn属强变异元素，Ni元素属弱变异元素；Pb、Zn、Cd三种具显著相关性，Hg与Cu具显著相关性，推测其分别具有同源性或同期性，出现不同种元素间协同污染的概率较大；As、Hg、Cu、Pb、Cd、Zn六种元素污染程度均达到严重污染，只有Ni元素为轻度污染；Cd元素潜在生态风险指数平均值最高(89.6381)，评价结果为较重危害水平；其余六种元素按潜在生态风险指数依次为Hg > As > Pb > Ni > Cu > Zn，评价结果为轻微危害；研究区内五处中高风险区为采矿活动在地表径流作用下元素富集的结果。

Abstract: In order to understand the spatial distribution and pollution of heavy metals in Huajian area of Zhungeer Banner, this study adopted the kilometer grid method to set up soil sample sites, determined and analyzed seven heavy metal elements (As, Hg, Cu, Pb, Ni, Cd, Zn) in Huajian area, and studied the pollution degree of the study area by multivariate statistical method, enrichment index method, Nemero comprehensive pollution index method and potential ecological risk index method. The results showed that the average contents of Pb and Cd elements in the study area were 1.83, 3.02 times higher than those of soil elements in Inner Mongolia, respectively, and were significantly enriched, while the coefficients of variation of Pb and Cd elements were more than 1, indicating that they belonged to super-strong variation elements. As, Hg, Cu and Zn belong to strong variation elements, Ni elements belong to weak variation elements, Pb, Zn and Cd have significant correlation, Hg and Cu have significant correlation, it is speculated that they have homology or synchronization respectively, and there is a high probability of synergistic pollution among different elements. The pollution degree of As, Hg, Cu, Pb, Cd and Zn all reached serious pollution, only Ni element was slightly polluted. The average value of potential ecological risk index of Cd element is the highest (89.6381), and the evaluation result is more serious; the order of potential ecological risk index of the other six elements is Hg > As > Pb > Ni > Cu > Zn, and the evaluation result is slight hazard; five medium and high risk areas in the study area are the result of element enrichment of mining activities under the action of surface runoff.

1. 引言

重金属元素具污染范围广、持续时间长、污染隐蔽性、无法被生物降解等理化性质，在一定的地质–人为作用下，重金属元素会产生运输、富集，在破坏表土生态环境系统的基础上，通过地表植被进一步富集，最终会在高等动物的食物链中富集，对生命安全构成重大威胁。采矿活动是造成土壤重金属污染的主要原因之一，除了剥离表层土壤以改变原有景观外，采矿过程中会产生大量的固体废物堆积，这将导致重金属元素通过风化和淋滤作用而释放出来，并伴随着地表径流向周围的土壤或水体迁移 [1] ，由此造成一系列生态环境问题，因此，选择合适的方法对矿区土壤重金属污染做出合理的评价，可以为指导地方政府了解土地资源破坏现状、合理规划土地资源利用和居民安置提供最直观的理论支持。

2. 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯市准格尔旗西部铧尖地区(图1)，夹持于准格尔召和暖水镇之间，位于准格尔煤田最北端，土壤贫瘠，渗透力差，大陆性气候特点明显，具有干旱、少雨、多风、多发性暴雨等特点 [2] ，强风和较大温差等不良因素造成了严重的水土流失 [3] ，严重的水土流失使该地区草场和良田大面积减少，侵蚀沟发育，宜林地面积不断减少，制约了该地区农牧业发展。研究区西南部准格尔召方向为准格尔煤田，采矿活动最为活跃，西北部及中部另有煤矿三处，煤矿矿山占地类型主要为排土场、工业广场、采坑 [4] ，大部分排土场已完成覆绿，地貌景观恢复较好。煤矿开采过程中会产生大量煤矸石堆积，在重力和浸出作用下，煤矸石中富集的重金属离子会沿着地表径流迁移到集水区并积聚，污染土壤和水体，进而威胁居民的健康。

Figure 1. Traffic location map of the study area

图1. 研究区交通位置图

3. 样品与方法

3.1. 样品处理与分析测试

野外样品布设方式采用公里网格式分布，采样在设计采样点的表层土壤0~20 cm处采集，由四个子样等量混合组成一个样品，采集部位避开沟渠、林带、田埂、路边、旧机房、粪堆及微地形高低不平无代表性地段 [5] 。样品采集过程中避免与金属器具接触，每次取样前清洁取样工具以避免重样。样品干燥后用20目样筛充分过筛，四分法取要求重量样品，全程确保无污染、无重样。

样品测试单位由有计量资质的华北有色地质勘查局燕郊中心实验室承担，检测依据及仪器设备见(表1)。

Table 1. Instruments and equipment for the detection of heavy metal elements in the study area and their basis

表1. 研究区重金属元素检测仪器设备及依据

本次研究数据通过SPSS软件进行统计分析，运用ArcGIS软件处理成图。由于研究过程中未进行物源供给及流场分析，对污染源区讨论仅作定性直观讨论。

3.2. 研究方法及评价标准

3.2.1. 重金属污染物富集系数

$B_{富}=C_i/C_{背景}-1$ [6]

其中 $C_i$ 为实测值， $C_{背景}$ 为区域土壤元素背景值，本次研究以内蒙古地区土壤元素背景值为 $C_{背景}$ 值 [7] 。

3.2.2. 内梅罗综合污染指数法

$P_i=C_i/S_i;P_{综}={\left\{\left[{\left(C_i/S_i\right)}_{\max }^2+{\left(C_i/S_i\right)}_{ave}^2\right]/2\right\}}^{1/2}$ [8]

其中 $P_i$ 为第i重元素单项污染指数， $C_i$ 为第i种元素实测值， $S_i$ 为第i种元素待评价指标，参考内蒙古地区土壤元素背景值， $P_{综}$ 为第i种元素综合污染指数 [7] [9] [10] 。

3.2.3. 潜在生态风险指数法

$C_i^f=C_i^s/C_i^n$

$E_i^r=T_i^r\times C_i^f$ [11]

其中 $C_i^f$ 为第i种元素相对于参照标准的污染系数， $C_i^s$ 为第i种元素实测含量值， $C_i^n$ 为第i种元素参照标准，本次研究取内蒙古自治区土壤元素背景值为参照标准， $T_i^r$ 为第i种元素的毒性响应系数， $E_i^r$ 为第i种元素潜在生态风险指数 [10] [12] (表2)。

Table 2. Evaluation methods and corresponding evaluation index standards [6]

表2. 评价方法及相应评价指标标准 [6]

4. 结果与讨论

4.1. 元素分布特征

重金属元素平均含量依次为：As (8.50)、Hg (0.03)、Cu (16.83)、Pb (31.40)、Ni (23.36)、Cd (0.16)、Zn (61.61) (表3)。其中Pb元素平均含量约为内蒙古土壤元素背景值1.83倍，Cd元素约为3.02倍，As、Cu、Ni、Zn元素平均值高于内蒙古土壤元素背景值且低于全国土壤元素背景值，只有Hg元素既低于内蒙古背景值且低于全国背景值。

Table 3. List of characteristic parameters of heavy metal elements in the study area

表3. 研究区重金属元素特征参数一览表

依据标准差以及变异系数：Cd (2.25)、Pb (2.00)两种元素变异系数大于1 [13] ，属超强变异元素，As (0.80)、Hg (0.67)、Cu (0.54)、Zn (0.76)四种原素变异系数均大于0.5且小于1，属强变异元素，Ni (0.20)元素变异系数小于0.5，属弱变异元素。综，除Ni元素分布较为均匀外其余元素分布均较为离散，且Cd、Pb两种元素尤为明显，在排除强烈小范围地质作用影响因素外，其结果主要由人为扰动因素导致，结合该地区自然人文背景，推测其为煤矿开采改变地表土原始赋存状态导致元素迁移富集的结果是合理的 [14] 。

R型聚类分析是通过对变量的值进行相关性分析(图2)，按相关性大小将元素聚合成不同的类别，通过聚类分析能够较为准确的反应不同元素间的相关关系 [9] ，进而推测其是否具有相同或相似的来源以及在后期地质–人为作用情况下是否会发生协同作用导致元素迁移 [13] ，通过研究发现Pb、Zn、Cd三种具显著相关性(表4)，Hg与Cu具显著相关性、与上述三种元素相关性较为明显相关性较为明显，推测其分别具有同源性或同期性，结合几种元素变异系数同时增大，推测该地区不同重金属之间具良好的协同性，很可能会出现不同种元素间协同污染。研究区除Ni、As两种元素与其他元素间相关关系极弱外外，其他元素之间或多或少均具有一定的线性相关关系。

Figure 2. Tree diagram of cluster analysis of heavy metal elements in the study area

图2. 研究区重金属元素聚类分析树状图

Table 4. Correlation matrix of heavy metal elements in the study area

表4. 研究区重金属元素相关性矩阵

4.2. 污染评价

1) 内梅罗综合污染指数法：(表5)是在充分考虑单项元素污染指数最高值以及平均值的情况下，突出某一污染源对环境的影响和作用，能够较为全面反映土壤污染现状 [15] 。从数据分析结果来看，研究区内As、Hg、Cu、Pb、Cd、Zn六种元素污染程度均达到严重污染，只有Ni元素为轻度污染。

Table 5. Statistical table of Nemero comprehensive pollution index of heavy metals in the study area

表5. 研究区重金属内梅罗综合污染指数统计表

2) 潜在生态风险综合指数

潜在生态风险指数由Hakanson提出，其最鲜明的特点是将不同元素依据其毒性影响大小确定其唯一的系数，进而对不同类型土壤地区生态环境要素作出客观评价 [16] [17] ，为生态修复以及国土空间管控提供最为直观的一手数据。七种不同重金属元素毒性响应参数依次为As (10)、Hg (40)、Cu (5)、Pb (5)、Ni (5)、Cd (30)、Zn (1)，通过计算研究区内不同重金属潜在生态风险指数得出(表6)，Cd元素潜在生态风险指数平均值最高(89.6381)，评价结果为较重危害水平；其余六种元素按潜在生态风险指数依次为Hg > As > Pb > Ni > Cu > Zn，评价结果为轻微危害。

Table 6. Statistical table of potential ecological risk index of heavy metal elements in the study area

表6. 研究区重金属元素潜在生态风险指数统计表

4.3. 研究区污染评价

通过计算研究区重金属元素的污染系数方法将原始测试数据进行归一化，去除量纲，依据不同元素毒性响应参数确定其权重比例。本次评价主要基于Gis平台实现，根据评价模型，使用Gis平台图层叠加方法对各重金属元素基于权重进行加权叠加运算，得出研究区重金属元素综合污染评级图(图3)，共圈定出五处较高–高风险区。

4.4. 污染源区讨论

通过对研究区内其中重金属按毒性参数加权叠加运算后，共圈定出五处较高–高风险区(图4)，除五号风险区位于研究区边界处、缺乏完整样品信息对比，其余四个中高风险区均有相应的矿业活动区域相对应，且均处于其低坡度方向，推测其重金属污染与坡度具有一定耦合关系，矿业活动剥离地表土壤改变了原始地貌景观，大量煤矸石随处堆积于为易溶重金属淋溶随地表径流迁移的结果。

Figure 3. Comprehensive pollution rating map of heavy metal elements in the study area

图3. 研究区重金属元素综合污染评级图

Figure 4. Coupling relationship between heavy metal pollution and slope in the study area

图4. 研究区重金属污染与坡度耦合关系图

5. 结论

1) Pb、Cd元素平均含量分别为内蒙古土壤元素背景值1.83、3.02倍，Cd元素约为3.02倍，As、Cu、Ni、Zn元素平均值高于内蒙古土壤元素背景值且低于全国土壤元素背景值，只有Hg元素既低于内蒙古背景值且低于全国背景值；

2) Pb、Cd元素两种元素变异系数大于1，属超强变异元素。As、Hg、Cu、Zn四种原素变异系数均大于0.5且小于1，属强变异元素，Ni元素变异系数小于0.5，属弱变异元素；

3) Pb、Zn、Cd三种具显著相关性，Hg与Cu具显著相关性，推测其分别具有同源性或同期性，出现不同种元素间协同污染的概率较大；

4) 研究区内As、Hg、Cu、Pb、Cd、Zn六种元素污染程度均达到严重污染，只有Ni元素为轻度污染；

5) Cd元素潜在生态风险指数平均值最高(89.6381)，评价结果为较重危害水平；其余六种元素按潜在生态风险指数依次为Hg > As > Pb > Ni > Cu > Zn，评价结果为轻微危害；

6) 研究区内五处中高风险区为采矿活动在地表径流作用下元素富集的结果。

基金项目

中国地质调查局项目《鄂尔多斯市准格尔旗煤碳矿集区生态修复支撑调查》(编号：DD20208078)。

NOTES

^*通讯作者。