干旱區(qū)露天煤礦降塵重金屬分布特征及來源分析

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個降塵缸，分3個時間段收集113個降塵樣品，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研究區(qū)降塵重金屬來源進行探討。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率依次為成土母質(zhì)貢獻率為48.40%，礦山開采活動的影響貢獻率為23.55%，交通車輛尾氣及輪胎磨損貢獻率為17.16%，其他源貢獻率約為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、交通車輛尾氣及輪胎磨損。

關(guān)鍵詞：露天煤礦;降塵;重金屬;新疆準東;來源分析

中圖分類號：X53;X752文獻標志碼：A

文章編號：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)蝕揚塵的危害，而露天煤礦的開采、存儲、運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)域揚塵污染。揚塵作為環(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，對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了負面影響[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)者對環(huán)境中的重金屬進行了大量研究，包括重金屬的污染水平[7]、分布特征[8-9]、風(fēng)險評價[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，而針對干旱區(qū)露天煤礦揚塵中重金屬的研究較少。為此，本研究以新疆準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)項目，地處準噶爾盆地東部、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)向為西北風(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、工廠布局及運輸?shù)缆肺廴驹捶植嫉纫蛩兀凑站鶆虿荚O(shè)和重點布設(shè)的原則，在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向布設(shè)了49個降塵收集器，分3個時段采集了113個降塵樣品。

在實驗室將收集器內(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)級純，同時制備3份無土樣的全程序試劑空白溶液。測定樣品前對各元素做校準曲線，相關(guān)系數(shù)r≥0.999，采用土壤標準樣品（GSS-1）進行質(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)重法進行空間分析，研究重金屬含量空間分布特征。運用層序聚類分析（HCA）進行定性源解析，通過對具有相似性的變量進行重復(fù)聚類，以降低各個類組間的相似性[19]，并利用R語言使用heatmap軟件包進行二維層序聚類分析，采用離差平方和法（Wardsmethod）及歐氏距離進行聚類分析。參考楊麗萍等的方法[20-21]進行因子分析，對實測元素含量進行運算，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率[22]。采用SPSS19.0對數(shù)據(jù)進行因子分析。

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的影響，變異系數(shù)越大，人為活動干擾越強烈[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)分布面積相對較小。Pb元素在四號堆煤廠及停車場周邊含量較高，說明其受到運輸車輛的影響。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位和重金屬元素含量為目標進行聚類，具有相同或相似含量特征和來源的采樣點會被聚為一類，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個區(qū)域中的49個降塵采樣點被聚集在4個類組中。在各重金屬目標物中，F(xiàn)e、Mn、Ni聚為一類，Cu和Zn聚為一類，Pb單獨為一類，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，需對標準化數(shù)據(jù)進行Kaiser-Meyer-Olkin（KMO）檢驗和Bartletts球形檢驗，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檢驗值為0.696（>50%），Bartletts球形檢驗的近似卡方值為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（即累積方差貢獻率）達到85%及以上，則提取因子方差貢獻率越大，說明該因子相對所有評價因素的重要程度越大[26]。根據(jù)表4可知，當(dāng)因子個數(shù)為3時，累積方差貢獻率為89.11%，此時的原始數(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，并分別命名為a1、a2、a3。

根據(jù)相關(guān)研究[15-16]可知，對于未受污染區(qū)域一般采用初始成份矩陣就能較好地解釋實際情況，而對于污染地區(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。通過對研究區(qū)降塵重金屬含量數(shù)據(jù)進行因子分析，主要提取3個不同的主因子，其累計貢獻率達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的貢獻率達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對大氣降塵重金屬的貢獻率為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煤土路，在風(fēng)力及運輸車輛的作用下產(chǎn)生大量的無組織塵排放[28]，同時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。因此本研究認為Fe、Mn和Ni元素主要來源于成土母質(zhì)，對研究區(qū)降塵中重金屬來源的貢獻率達48.40%。大量研究表明[33-34]，Cu、Zn元素受到礦山開采活動的影響較為強烈，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輸過程中會產(chǎn)生大量的煤粉灰塵，加之礦物風(fēng)化侵蝕，其中吸附的Cu元素揚起之后沉降至地表，由此認為Cu、Zn元素主要來源于煤礦開采活動，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)存在大量的大型運輸車輛，其機械排放的廢氣及輪胎磨損等較常見，因此認為Pb元素必然極大地受到交通運輸?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元素受人為活動影響最為明顯。（2）Pb元素在四號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率：成土母質(zhì)貢獻率為48.40%，礦山開采活動貢獻率為23.55%，交通車輛尾氣及輪胎磨損貢獻率為17.16%，其他源貢獻率為10.89%。

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