天山北坡經(jīng)濟(jì)帶土壤重金屬來源及污染評(píng)價(jià)

葉盼青 ,阿不都艾尼·阿不里 ,2*,孫小麗 ,哈力旦·艾賽都力 (.新疆大學(xué)地理與遙感科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046； 2.新 新新新生態(tài)學(xué)博士后流動(dòng)站,新疆 烏魯木齊 830046)

土壤重金屬污染為土壤污染主要形式,由于重金屬污染具有不可逆性、耐久性和難恢復(fù)性等特征,土壤重金屬污染已成為全世界亟待解決的難題[1-2].土壤中的重金屬不僅會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞,還會(huì)通過食物鏈逐級(jí)富集傳遞,影響動(dòng)物和人類的健康[3-6].為了及時(shí)阻斷污染源頭,制定有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)緩解措施,必須在掌握土壤環(huán)境質(zhì)量狀況的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開展土壤污染溯源和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作[7-8].

目前關(guān)于土壤重金屬來源解析的方法有多元統(tǒng)計(jì)分析法[9-10]、同位素分析法[11]以及受體模型法等.受體模型通過受體和污染源樣品的化學(xué)組分分析來確定污染源對(duì)受體的貢獻(xiàn)值,具有不需要分析污染物的遷移轉(zhuǎn)化路徑等優(yōu)點(diǎn),解決了擴(kuò)散模型難以解決的問題,得到了廣泛的應(yīng)用.常用的受體模型法包括絕對(duì)主成分得分-多元線性回歸法(APCS-MLR)[12]、UNMIX模型[13]、正定矩陣因子分析法(PMF)以及化學(xué)質(zhì)量平衡模型法(CMB)[14]等.其中PMF與UNMIX是源解析應(yīng)用最為廣泛的受體模型,也是美國(guó)環(huán)保總署(USEPA)推薦使用的方法.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用受體模型對(duì)土壤中重金屬的來源做了諸多研究,有學(xué)者單獨(dú)使用一種受體模型對(duì)土壤重金屬來源進(jìn)行源解析[15-20],有學(xué)者聯(lián)合使用多種受體模型進(jìn)行源解析提高分析準(zhǔn)確率[21-24],還有學(xué)者利用受體模型結(jié)合其他方法如PCA、地球化學(xué)基線進(jìn)行重金屬來源解析[25-26],均得到較理想的結(jié)果.

天山北坡經(jīng)濟(jì)帶是絲綢之路中面向中亞通向歐洲的重要樞紐,是全疆經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá),城鎮(zhèn)分布最密集的地區(qū)[27].據(jù)統(tǒng)計(jì),全疆 68%生產(chǎn)總值都來源于此地區(qū).因此,密集的工業(yè)生產(chǎn)和人類活動(dòng)過程向此地區(qū)土壤中排放了大量的污染物,導(dǎo)致了該區(qū)域土壤重金屬的積累,對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來一定的威脅.本文以天山北坡中受影響最為強(qiáng)烈的奇臺(tái)、吉木薩爾、阜康等地區(qū)為研究對(duì)象,系統(tǒng)測(cè)定了表層土壤中Zn、Cu、Pb、Hg、Cr、As和Cd含量,采用PMF與PCA法對(duì)土壤中重金屬的來源進(jìn)行定量分析,并利用潛在生態(tài)污染法(Hakanson法)對(duì)重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià).為天山北坡土壤重金屬污染的預(yù)警、治理及管理監(jiān)督提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)包含天山北坡的阜康、奇臺(tái)、吉木薩爾和米東,其位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣(圖1),該區(qū)域位于歐亞大陸腹地,遠(yuǎn)離海洋,屬典型的極端干旱大陸性氣候.冬季長(zhǎng)而嚴(yán)寒,夏季短而炎熱,春秋季節(jié)不明顯,干旱少雨,日照充足,熱量豐富,晝夜溫差大,春秋季多風(fēng),平均氣溫 7.0℃,多年平均降水量 183.5mm,多年平均蒸發(fā)量 2042.3mm.其南部是全疆城鎮(zhèn)最密集的區(qū)域,有大量的工礦企業(yè)以及發(fā)達(dá)的路網(wǎng);其北部有準(zhǔn)東煤田,準(zhǔn)東煤田是我國(guó)目前最大的整裝煤田,是我國(guó)能源規(guī)劃跨境區(qū)外送電、送氣的重要能源基地[28],其開發(fā)利用對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)有重要的意義.但有研究表明,隨著煤炭資源的開發(fā)利用,其產(chǎn)生的重金屬元素甚至?xí)?duì)礦區(qū) 100km外的地區(qū)產(chǎn)生十分嚴(yán)重的影響[29].此外該區(qū)域植被以抗旱植物為主,生態(tài)環(huán)境極度脆弱.

1.2 樣本采集與含量檢測(cè)

1.2.1 樣品采集 2019年7月,在對(duì)研究區(qū)進(jìn)行綜合調(diào)查的基礎(chǔ)上,進(jìn)行采樣,使用棋盤式采樣法,使采樣點(diǎn)盡量均勻分布在研究區(qū),采樣時(shí)依據(jù)對(duì)角線法先設(shè)置采樣樣方,樣方大小確定為10m×10m.每個(gè)樣方按對(duì)角線采集 5個(gè)樣品,采集時(shí)只取表層土壤(0～20cm深度),將樣方內(nèi)5個(gè)樣本混合均勻,作為該采樣點(diǎn)的一個(gè)代表性樣本,用干凈自封袋保存,每個(gè)代表性樣本采約1kg原始土壤樣品.用GPS進(jìn)行定位,記錄該采樣點(diǎn)經(jīng)緯度,整個(gè)研究區(qū)共采集了 171個(gè)樣本.采樣點(diǎn)在研究區(qū)內(nèi)的分布狀況見圖1.采回的土壤樣本在通風(fēng)避光的實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后進(jìn)行預(yù)處理,首先將土壤樣本中的石塊、植物雜質(zhì)、塑料碎片等雜質(zhì)篩去,接著將土壤磨碎,過100目篩,為避免在磨碎過程中帶入其他雜質(zhì),本次實(shí)驗(yàn)采用剛玉研缽進(jìn)行研磨,最后取約100g土壤用于測(cè)定重金屬元素含量指標(biāo).

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)示意Fig.1 Sketch map of the study area

1.2.2 重金屬含量檢測(cè) 取預(yù)處理后的0.5g土壤樣品置于四氟乙烯干鍋中先加入9mL濃鹽酸(HCl),再加入3mL濃硝酸(HNO3)加熱至沸騰保持20min,然后加入氫氟酸(HF)5mL加熱30min,再加入3mL高氯酸(HClO4),加熱至全部溶解,最后加入 10mL稀硝酸,以微沸狀態(tài)溶解15min后冷卻,并用高純水定容到 20mL,對(duì) Zn、Cu、Cr、Hg、As、Pb和 Cd7種元素進(jìn)行檢測(cè).使用原子熒光光譜法檢測(cè)(東京日立高科技公司)Hg和As;采用火焰原子吸收光譜法(東京日立高科技公司日立 Z-2000型原子吸收分光光度計(jì))對(duì)Zn、Cu、Cr、Cd和Pb5種重金屬元素進(jìn)行測(cè)定.分析過程以國(guó)家土壤一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSS-1)為質(zhì)控標(biāo)樣,所有元素的回收率均在(100±10)%范圍內(nèi).

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 統(tǒng)計(jì)分析 利用Excel2019統(tǒng)計(jì)171個(gè)樣點(diǎn)土壤重金屬的均值、最大值、最小值、方差、變異系數(shù)、偏度系數(shù)和峰度系數(shù);利用Origin2021計(jì)算和繪制不同重金屬元素之間的相關(guān)性系數(shù)圖;PCA基于SPSS26實(shí)現(xiàn).

1.3.2 重金屬源解析 本文使用PMF模型對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行來源解析,PMF通過US-EPA開發(fā)的EPA-PMF5.0軟件來實(shí)現(xiàn)[30],其原理如下:

Y是由m個(gè)采樣點(diǎn),n種重金屬元素構(gòu)成的矩陣.原數(shù)據(jù)矩陣Y(m × n)可以表示為:

式中:X(m × t)是因子貢獻(xiàn)矩陣,F(t × n )為來源成分譜,E(m × n )為殘差矩陣.

在殘差矩陣E中,每一個(gè)殘差項(xiàng)eij定義為:

式中:Yij表示第i樣本第j個(gè)元素的濃度;Xir代表來源r對(duì)第i個(gè)樣品的貢獻(xiàn);Frj為來源r中第j個(gè)元素的來源成分譜矩陣;r代表重金屬?gòu)?到t個(gè)來源;Eij為殘差矩陣.

PMF的中心思想是在非負(fù)條件約束下,確定一個(gè)目標(biāo)函數(shù) Q,通過多線性引擎多次迭代,確定最佳因子貢獻(xiàn)矩陣X與來源分析譜F.

式中:uij(mg/kg)代表第i個(gè)樣品中第j種元素的不確定性.重金屬元素濃度如果小于等于方法檢出限(MDL)計(jì)算公式為(4),如果元素含量高于MDL,則計(jì)算公式為(5):

式中:RSD為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,C(mg/kg)為重金屬測(cè)定濃度值,各重金屬的MDL取值如下:Zn=0.5mg/kg,Cu=1mg/kg,Cr=5mg/kg,Pb=0.2mg/kg,Hg=0.005mg/k g,As=0.01mg/kg,Cd=0.05mg/kg.

1.3.3 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)天山北坡表層土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià).該方法綜合考慮了重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效益和毒理效應(yīng)[31].潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由單項(xiàng)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)相加而成,而計(jì)算單項(xiàng)重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)又需要先計(jì)算單項(xiàng)重金屬污染指數(shù).因而,計(jì)算方法如下:

(1)單項(xiàng)重金屬污染指數(shù):

式中:Ci為重金屬i實(shí)測(cè)值;Bni為重金屬元素i的背景值;具體各值參照表3.

(2)單項(xiàng)重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù):

式中:Tr為重金屬毒性響應(yīng)系數(shù),本文參考沉積學(xué)毒性系數(shù)[32],即 Zn為1,Cu為5,Cr為2,Pb為5,Hg為40,As為10,Cd為30.

(3)綜合潛在生態(tài)污染指數(shù)

式中:Er為單項(xiàng)重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù).

單項(xiàng)重金屬元素的潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表參照表1.

表1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等級(jí)Table 1 Grades of the potential ecological risk index

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì)

從表2中可知,研究區(qū)土壤中Zn、Cu、Cr、Pb、Hg、As和 Cd平均值分別為55.34,27.16,37.31,79.60,0.03,89.38,5.75mg/kg,除 Zn和 Cr之外,其他元素平均值均不同程度超過新疆土壤重金屬背景值,其中Pb的平均值是新疆土壤背景值的4.1倍,Hg的均值達(dá)土壤背景值的約2倍,As的均值是土壤背景值的約8倍,Cd的均值竟達(dá)土壤背景值的約48倍,且所有重金屬元素的最大值都超過了背景值,其中Zn和Cu的正偏度系數(shù)和豐度系數(shù)都較大,說明在研究區(qū)存在Zn和Cu異常高的區(qū)域.變異系數(shù)(CV)可以反映各樣點(diǎn)重金屬含量的平均變異程度,CV＜15%表示弱變化,15≤CV≤36表示中等變化,CV＞36表示高變化,本研究區(qū)中重金屬元素的變異系數(shù)均大于24%,表明研究區(qū)的部分區(qū)域土壤重金屬受人類活動(dòng)影響較大;此外與國(guó)家農(nóng)用地土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)篩選值相比,所有樣點(diǎn)的Zn、Cr和Hg濃度均未超出國(guó)家土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值(以下簡(jiǎn)稱篩選值),Cu與Pb均值未超出篩選值,但有部分樣點(diǎn)污染較嚴(yán)重,超出篩選值,As平均值超出篩選值的3.09倍,污染最為嚴(yán)重的Cd超出篩選值的19.17倍.以上描述性統(tǒng)計(jì)特征顯示,在研究區(qū)內(nèi)土壤不同程度受到重金屬的污染,其中Pb、As和Cd的污染非常嚴(yán)重,需要引起重視.

表2 土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistical results of the soil heavy metals

2.2 重金屬元素相關(guān)性分析

從表3可知,研究區(qū)內(nèi)的 Zn與 Cu、Cr、Pb、Hg有極顯著正相關(guān)關(guān)系,其中Zn與Cr之間相關(guān)性系數(shù)達(dá) 0.49,二者相關(guān)關(guān)系很強(qiáng)(P＜0.01),表明二者可能具有相似的地球化學(xué)行為或污染來源.Cu與Cr和Hg有極顯著正相關(guān)關(guān)系,與As有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明二者可能有拮抗作用,Cr與 Hg有極顯著的正相關(guān)關(guān)系,與 As有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,Cd與其他重金屬相關(guān)性不高.相關(guān)性系數(shù)顯示,研究區(qū)內(nèi)重金屬來源多且復(fù)雜,不同重金屬來源還需要進(jìn)一步分析.

表3 土壤重金屬相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of heavy metals in soil

2.3 土壤重金屬來源分析

將主成分分析與PMF模型相結(jié)合,定量確定土壤重金屬的來源和貢獻(xiàn)率.將重金屬點(diǎn)位含量數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S檢驗(yàn),Cr、Hg、As和Cd的sig＞0.05,表明其符合正態(tài)分布,其余 3種元素不符合正態(tài)分布,對(duì)其進(jìn)行對(duì)數(shù)變換后再進(jìn)行 K-S檢驗(yàn),Kaiser-Meyer-Olkin測(cè)試結(jié)果為0.68,Bartlett球形度測(cè)試為P＜0.01,表明此時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA結(jié)果是可靠的,提取PCA中特征值大于1的前5個(gè)主成分,占總方差的91.54%,其成分矩陣見表4,其中PC1主要包括Zn、Cu、Cr和Hg,占總方差的43.85%;PC2主要包括Zn、Pb、As和Cd,占總方差的18.27%;PC3的Cd負(fù)載較高,占總方差的12.89%;PC4上的Hg和As負(fù)載最高,占總方差貢獻(xiàn)率的9.08%;PC5上的Pb、Hg負(fù)載較高,占總方差貢獻(xiàn)率的7.45%.

表4 成分矩陣Table 4 Matrix of the factor analyzes

PC1主要反映了Zn、Cu、Cr和Hg的組分信息,根據(jù)相關(guān)性來看,Zn-Cu-Cr-Hg之間存在著極顯著的相關(guān)性關(guān)系,其來源很可能是相同的,且除Hg之外其他元素在土壤中濃度的均值均小于背景值,在以往研究中,表明Hg主要來自有色金屬冶煉和煤炭燃燒[34-36],一方面研究區(qū)處于準(zhǔn)東煤礦南緣,煤炭開采會(huì)造成周邊地區(qū)土壤Hg污染,另一方面研究區(qū)內(nèi)煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)并且有眾多的煤場(chǎng)煤礦和火電站,因此PC1很有可能是煤炭燃燒源.

PC2在Pb、Cd和Zn上載荷比較高,有研究表明,機(jī)動(dòng)車燃油以及尾氣的排放會(huì)帶來以上 3種重金屬[37],研究區(qū)內(nèi)分布著G216國(guó)道、京新高速、省道等眾多道路,準(zhǔn)東煤礦開采運(yùn)輸需要大量的運(yùn)煤車,大型貨車出入頻繁,此外本研究區(qū)人口稠密,車流量大,故高強(qiáng)度的人類活動(dòng)和頻繁的交通運(yùn)輸是導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)Pb等重金屬元素超標(biāo)的原因,橡膠與地面摩擦?xí)a(chǎn)生Zn,因而PC2代表交通來源.

PC3主要載荷元素是Cd,其載荷達(dá)到了0.8以上,其余元素的載荷都很小,Cd在PC2上也有較高的載荷,說明除PC2交通來源之外Cd還有其他來源,有學(xué)者研究表明Cd一方面主要來自于工礦企業(yè)和工業(yè)排放[38-39],本研究區(qū)內(nèi)工礦業(yè)發(fā)達(dá),有眾多的工礦業(yè)企業(yè),這些工業(yè)活動(dòng)不可避免會(huì)排放大量的Cd;另一方面,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施用化肥會(huì)造成土壤 Cd累積[40],本次研究一部分采樣點(diǎn)位于農(nóng)田,這可能是Cd超標(biāo)的重要原因.從研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況來看,PC3極有可能是工農(nóng)業(yè)活動(dòng).

PC4主要載荷元素是As與Hg,研究區(qū)內(nèi)和周邊常年進(jìn)行煤炭開采,除此以外還伴隨著一系列的煤電、煤化工等,這些活動(dòng)均會(huì)引起大氣降塵中Hg和As含量升高.此外有研究表明As可能與煤灰沉降有關(guān)[41-42],Hg主要來源于燃煤,故PC4很可能是大氣沉降源.

PC5在各個(gè)重金屬元素上載荷均不高,故成分5可能代表母質(zhì)和成土過程等地質(zhì)背景產(chǎn)生的重金屬,可解釋為自然來源.

為進(jìn)一步明確研究區(qū)土壤中各重金屬的來源貢獻(xiàn),進(jìn)一步采用正定矩陣因子模型(PMF)對(duì)7種重金屬元素進(jìn)行定量源解析.此過程基于EPA PMF5.0軟件實(shí)現(xiàn),將元素濃度和不確定度導(dǎo)入PMF模型,在PMF擬合計(jì)算過程中,因?yàn)樵赑CA中已經(jīng)表明可能來源有5個(gè),故因子個(gè)數(shù)設(shè)定為5,根據(jù)S/N設(shè)置重金屬的權(quán)重,0＜S/N＜1為弱, S/N＞1為強(qiáng), S/N=0為壞,點(diǎn)擊運(yùn)行,Qrobust與 Qtrue為PMF中衡量模型擬合度的參數(shù),此時(shí)模型運(yùn)行結(jié)果見表5,R2在 0.42～1之間,Qrobust/Qtrue之間趨于收斂,殘差在-3～3之間,表明此時(shí)模型結(jié)果能很好的解釋土壤重金屬來源.

表5 PMF模型參數(shù)Table 5 Parameter of the PMF model

根據(jù)模型推薦,將最佳運(yùn)行次數(shù)為15次作為最終結(jié)果.由PMF運(yùn)行結(jié)果可知(圖2).

圖2 PMF運(yùn)行結(jié)果Fig.2 PMF running results

因子 1載荷比較大的重金屬元素有As(72.9%)、Pb(25.8%)、Hg(19.5%)和 Cd(5.0%),其中As的因子1載荷超過了72.9%,在以往研究表明,As、Pb、Hg和Cd主要來源于工業(yè)排放、機(jī)動(dòng)車輛和燃煤,大氣是重金屬?gòu)奈廴驹崔D(zhuǎn)移的重要途經(jīng),通過大氣重金屬甚至能擴(kuò)散到100km以外,在研究區(qū)內(nèi)常年盛行西北風(fēng),這與研究區(qū)內(nèi)重金屬含量西北低東南高一致,因此因子 1表示由于混合污染導(dǎo)致的大氣沉降源.

因子2在Hg(76.8%)、Cu(51.9%)、Cr(51.5%)和Zn(24.0%)上的載荷較高,其中因子2在Hg上的載荷達(dá)到了 76.8%,相關(guān)研究表明土壤中 Hg來源與煤炭有關(guān),研究區(qū)北部是準(zhǔn)東煤礦且研究區(qū)亦有煤礦企業(yè),煤炭開采利用會(huì)造成煤矸石的大量堆積,這些堆積的煤矸石中的重金屬元素會(huì)轉(zhuǎn)移到土壤中,本次采樣時(shí)發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)部有堆煤場(chǎng),部分區(qū)域表層土壤有煤灰覆蓋的情況,研究區(qū)南部有全疆最密集的城市群,城市的發(fā)展需要大量的電力做支撐,研究區(qū)內(nèi)部有眾多的熱電廠和能源企業(yè),故因子2代表燃煤源,本結(jié)果與其他學(xué)者研究結(jié)果相一致[43].

因子 3 在 Pb(63.6%)、Cr(41.2%)、Cd(31.5%)、Cu(30.6%)與 Zn(22.8%)上載荷比較高,Pb作為交通來源的識(shí)別性元素,自2000年后我國(guó)已禁止向燃油添加含Pb防爆劑,但由于Pb半衰期長(zhǎng),之前汽車尾氣排放的Pb仍滯留在土壤[44],此外無鉛汽油仍含有少量的Pb,故尾氣仍會(huì)排放Pb,最后剎車片磨損、燃料燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)均會(huì)有不同程度的Pb排放.汽車制動(dòng)過程中剎車片的摩擦,發(fā)動(dòng)機(jī)部件的磨損和燃料或汽油泄漏、輪胎磨損與道路交通設(shè)施的磨損,會(huì)排放Cr、Cd、Cu與Zn等元素[45],研究區(qū)中有眾多的道路,是全疆重要的交通樞紐,一方面準(zhǔn)東煤田運(yùn)煤會(huì)頻繁出入大型貨車,另一方面南部小型機(jī)動(dòng)車活動(dòng)頻繁,會(huì)導(dǎo)致以上重金屬在土壤中積累,因此因子3代表交通運(yùn)輸源排放的重金屬.

因子 4 在 Cd(55.3%)、As(15.6%)、Zn(6.7%)上有載荷,在Hg與Cu上載荷比較低,均小于3.7%.Cd與As在研究區(qū)中污染很嚴(yán)重,平均值超過了背景值的48倍,As的平均值超過了背景值的9倍,Cd、As的污染與工業(yè)污染、生活污染有關(guān).研究區(qū)內(nèi)部及周邊已形成了一個(gè)連續(xù)的工業(yè)產(chǎn)業(yè)帶,從西到東為頭屯河工業(yè)區(qū)、八鋼工業(yè)區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)工業(yè)園、北區(qū)工業(yè)園、米泉華凌工業(yè)園、米東工業(yè)區(qū),南部準(zhǔn)東礦區(qū)是國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),煤化工、煤電冶、新材料和煤炭等工業(yè)活動(dòng).此外,研究區(qū)有著頻繁的農(nóng)業(yè)活動(dòng),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不合理的施用化肥,會(huì)造成 Cd超標(biāo).因此因子4是工農(nóng)業(yè)排放.

因子 5 在 Zn(45.5%)、Cu(13.9%)、As(11.5%)、Pb(10.6%)和 Cr(7.3%)均有載荷,Zn、Cu與 Cr均值均小于新疆土壤重金屬背景值,Pb與As載荷均較低,證明因子 5與成土母質(zhì)和巖石風(fēng)化有關(guān),已有研究證明,土壤中Zn、Cu、Cr等重金屬受到成土過程的影響[46].因子 5代表自然來源,這與其他學(xué)者對(duì)于準(zhǔn)東重金屬Zn的來源研究一致[47].

2.4 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由表6可知,各重金屬的 Er大小順序?yàn)?Cd(1437.281)＞As(79.803)＞Hg(64.670)＞Pb(20.516)＞Cu(5.086)＞Cr(1.514)＞Zn(0.804).其中 Zn、Cu、Cr與Pb的 Er均為輕微風(fēng)險(xiǎn);Hg與 As分別有 7.60%、4.09%的點(diǎn)位處于輕微風(fēng)險(xiǎn),分別有73.68%、43.86%的點(diǎn)位處于中等污染程度18.71%、51.46%的點(diǎn)位處于高風(fēng)險(xiǎn)程度,其中As有一個(gè)點(diǎn)位Er處于很高風(fēng)險(xiǎn);Cd元素的Er均處于極高風(fēng)險(xiǎn)的程度.

表6 各重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Er的分布頻率Table 6 Distribution frequency of the potential ecological risk coefficient (Er) of single heavy metals

研究區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù) H介于472.006～2575.690,均值為1437.281,H的最小值也處于高風(fēng)險(xiǎn)的污染程度,且研究區(qū) H均值為極高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài),各重金屬對(duì)研究區(qū)總體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)H貢獻(xiàn)率依次是 Cd(89.29%),As(4.96%),Hg(4.02%),Pb(1.27%),Cu(0.32%),Cr(0.09%),Zn(0.05%),Cd是最主要的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)來源,其次是As、Hg,Pb、Cu、Cr和Zn的貢獻(xiàn)率較小,表明研究區(qū)Cd對(duì)生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)十分嚴(yán)重,因此生態(tài)環(huán)境保護(hù)部門高度重視Cd在土壤中積累,以及進(jìn)一步控制高污染工業(yè)對(duì)Cd的排放,研究區(qū)內(nèi)As與Hg潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也不容忽視,亦需要引起足夠重視.

3 結(jié)論

3.1 土壤重金屬統(tǒng)計(jì)性結(jié)果表明,研究區(qū)土壤除Zn、Cu、Cr含量均值未超過新疆背景值之外,Pb與Hg分別超過新疆土壤背景值的4.1倍與2倍,As與Cd分別超過新疆背景值的8倍與48倍;和國(guó)家農(nóng)用地土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)篩選值相比所有樣點(diǎn)的Zn、Cr和Hg濃度未超出國(guó)家土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值,Cu與Pb有部分樣點(diǎn)污染較嚴(yán)重,超出篩選值,As平均值超出篩選值的3.09倍,污染最為嚴(yán)重的Cd超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)篩選值的 19.17倍.表明研究區(qū)土壤受重金屬污染嚴(yán)重.

3.2 PCA和 PMF源解析結(jié)果顯示,研究區(qū)重金屬有大氣沉降源、燃煤源、交通運(yùn)輸源、農(nóng)工業(yè)排放和自然來源.Hg主要來源為燃煤,Pb主要與研究區(qū)交通運(yùn)輸有關(guān),As主要與大氣沉降有關(guān),Cd主要與農(nóng)工業(yè)排放有關(guān),Zn、Cu和Cr主要與自然因素有關(guān).

3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)表明,研究區(qū)Zn、Cu、Cr和Pb處于輕微污染狀態(tài),73.68%Hg處于中等風(fēng)險(xiǎn),18.71%處于高風(fēng)險(xiǎn),43.86%點(diǎn)位的As生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于中等風(fēng)險(xiǎn),51.46%處于高風(fēng)險(xiǎn),而全部點(diǎn)位的 Cd生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于極高風(fēng)險(xiǎn);綜合潛在指數(shù)指出,Cd是研究區(qū)污染最嚴(yán)重、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高的重金屬.