哈密市典型煤矿区重金属污染特征、生态风险评价及来源解析

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00106

摘要/Abstract

摘要：

能源矿产资源的开发对区域生态环境通常造成不同程度污染，探明典型煤矿区重金属污染状况及其来源，可为区域土壤污染防治和绿色矿山建设提供有效建议。对哈密市典型煤矿区及周边水体、植被和土壤砷（As）、镉（Cd）、钴（Co）、铬（Cr）、铜（Cu）、锰（Mn）、镍（Ni）、铅（Pb）、锌（Zn）、铁（Fe）含量进行测定，系统分析重金属含量特征和空间分布规律，基于单因子污染指数、内梅罗综合污染指数、地累积指数和潜在生态风险指数分析哈密市典型煤矿区土壤重金属污染程度和潜在生态风险，并采用多元分析方法和正定矩阵因子分解受体模型（PMF）定量识别土壤重金属可能的污染来源。结果表明：研究区重金属元素存在不同程度累积和富集，在各个矿区分布极不均匀。单因子污染指数和内梅罗综合污染指数表明研究区As、Cu、Zn富集程度最高，地累积指数表明所有元素基本处于未污染水平，As、Co、Cu是研究区生态风险的主导因子，3种元素累积风险贡献率大于77%；多元分析和PMF定量源分析结果显示研究区重金属主要来源（贡献率）为交通运输和自然来源混合源（34.57%）、工业排放源（18.39%）、与成土母质相关的自然来源（18.24%）、交通运输源（16.67%）、煤矿开采源（12.13%）。

关键词: 能源矿产开发, 重金属, 污染特征, 生态风险, 来源解析

Abstract:

The development of energy and mineral resources often leads to varying degrees of pollution in the regional ecological environment. Evaluating the status and sources of heavy metal pollution in typical coal mining areas can provide valuable insights for soil pollution prevention and the construction of green mines. This study measured the concentrations of ten metal elements （As， Cd， Co， Cr， Cu， Mn， Ni， Pb， Zn， Fe） in water， vegetation and soil samples collected from typical coal mining areas and their surrounding regions in Hami. The spatial distribution and concentration levels of these metals were systematically analyzed using pollution indexes， the Nemerow Integrated Pollution Index， the Geo-accumulation Index and the Potential Ecological Risk Index. This study assessed the degree of heavy metal pollution and potential ecological risk in the soil of the typical coal mining area in the Hami. Multivariate analysis and the postive matrix factorization （PMF） model were used to identify potential pollution sources of soil heavy metal pollution. The results indicated that the enrichment of heavy metals varied across different mining areast. The pollution indexes and Nemerow Integrated Pollution Index revealed that As， Cu and Zn had the highest levels of enrichment in the study area. According to the Geo-accumulation Index， all the elements were generally at the unpolluted level. Additionally， our results implied that As， Co and Cu were the dominant contributors to ecological risk in the region， accounting for over 77% of the total cumulative risk. Multivariate analysis and the PMF model identified the primary sources of soil heavy metals as a mix of natural factors and transportation （34.57%）， industrial discharge （18.39%）， soil-forming parent materials （18.24%）， transportation （16.67%） and mining activities （12.13%）.

Key words: energy and mineral exploitation, heavy metals, pollution characteristics, ecological risk, source analysis

中图分类号:

李泽龙, 汪亘, 王永莉, 魏志福, 张婷, 马雪云, 张小梅, 陈建珍, 吴保祥, 吴应琴, 秦小光. 哈密市典型煤矿区重金属污染特征、生态风险评价及来源解析[J]. 中国沙漠, 2025, 45(2): 142-154.

Zelong Li, Gen Wang, Yongli Wang, Zhifu Wei, Ting Zhang, Xueyun Ma, Xiaomei Zhang, Jianzhen Chen, Baoxiang Wu, Yingqin Wu, Xiaoguang Qin. Pollution characteristics，ecological risk assessment，and source analysis of heavy metals in the coal mining areas of Hami， Xinjiang， China[J]. Journal of Desert Research, 2025, 45(2): 142-154.

图/表 16

图1 研究区位置分布示意图注：基于新疆维吾尔自治区地理信息公共服务平台标准地图（审图号：新S（2023）127号）制作，底图边界无修改

Fig.1 Location distribution diagram of the study area

表1 采样点基本情况

Table 1 Basic information on the location of the sampling points of the study area

矿区	采样点位置信息	采样区域		采样数 /个
矿区	采样点位置信息	经度（E）/（°）	纬度（N)/（°）	采样数 /个
巴里坤	别斯库都克、吉郎德、黑眼泉等煤矿与天顺矿业等煤炭企业周边以及交通线路附近	91.89—92.31	44.24—44.41	40
淖毛湖	广汇白石湖露天煤矿、淖毛湖镇与附近工业园区、交通线路周边	94.21—95.03	43.71—43.96	9
三道岭	三道岭露天煤矿区、三道岭镇、附近煤炭企业、沿途交通线路周边	92.46—92.67	43.11—43.17	17
沙尔湖	沙尔湖煤矿及运煤道路周边	91.48—91.94	42.59—42.68	3
大南湖	大南湖二矿、煤炭企业、S235哈密-若羌段交通线周边，中煤哈密与运煤道路周边，中煤红星、徐矿集团等煤炭企业及周边灰场	92.96—93.72	42.27—42.47	33
野马泉	野马泉煤矿核心区、过渡区、自然背景区	95.24—95.27	42.32—42.36	5

表2 重金属污染评价方法和分级标准划分

Table 2 Evaluation methods and classification standards for heavy metal pollution

$P i$	$P N$	$I g e o$	污染程度分级
$P i$ ≤1	$P N$ ≤1	$I g e o$ ≤0	无
1< $P i$ ≤2	1< $P N$ ≤2	0< $I g e o$ ≤1	轻度
2< $P i$ ≤3	2< $P N$ ≤3	1< $I g e o$ ≤3	中度
$P i$ >3	$P N$ >3	3< $I g e o$ ≤5	重度
		$I g e o$ >5	极重度

表2 重金属污染评价方法和分级标准划分

Table 2 Evaluation methods and classification standards for heavy metal pollution

$P i$	$P N$	$I g e o$	污染程度分级
$P i$ ≤1	$P N$ ≤1	$I g e o$ ≤0	无
1< $P i$ ≤2	1< $P N$ ≤2	0< $I g e o$ ≤1	轻度
2< $P i$ ≤3	2< $P N$ ≤3	1< $I g e o$ ≤3	中度
$P i$ >3	$P N$ >3	3< $I g e o$ ≤5	重度
		$I g e o$ >5	极重度

表3 潜在生态风险评价分级标准

Table 3 Criterian of potential ecological risk assessment

$E i$	$P E R I$	生态危害程度分级
$E i$ ≤40	$P E R I$ ≤150	轻微
40< $E i$ ≤80	150< $P E R I$ ≤300	中度
80< $E i$ ≤160	300< $P E R I$ ≤600	强
160< $E i$ ≤320	$P E R I$ >600	极强
$E i$ >320

表3 潜在生态风险评价分级标准

Table 3 Criterian of potential ecological risk assessment

$E i$	$P E R I$	生态危害程度分级
$E i$ ≤40	$P E R I$ ≤150	轻微
40< $E i$ ≤80	150< $P E R I$ ≤300	中度
80< $E i$ ≤160	300< $P E R I$ ≤600	强
160< $E i$ ≤320	$P E R I$ >600	极强
$E i$ >320

表4 哈密市典型煤矿区周边水体和植物重金属含量统计

Table 4 Statistical table of heavy metal content in water bodies and plants around typical coal mine areas in Hami

项目		As	Cd	Co	Cr	Cu	Mn	Ni	Pb	Zn	Fe
大南湖水样	最大值/(mg·L^-1)	7.40	2.86	2.69	1.61	3.57	17.55	2.47	3.38	1.16	2.56
	最小值/(mg·L^-1)	0.00	1.91	2.45	1.47	2.75	2.87	2.14	2.06	0.40	1.94
	平均值/(mg·L^-1)	3.32	2.21	2.57	1.56	3.15	4.75	2.31	2.62	0.61	2.19
	标准差/(mg·L^-1)	2.70	0.29	0.07	0.05	0.25	4.84	0.11	0.43	0.24	0.18
	变异系数	0.81	0.13	0.03	0.03	0.08	1.02	0.05	0.16	0.39	0.08
巴里坤水样	最大值/(mg·L^-1)	8.05	1.96	2.66	1.60	3.58	3.11	2.45	3.37	0.83	2.14
	最小值/(mg·L^-1)	0.00	1.90	2.46	1.48	2.79	2.87	2.23	1.71	0.59	2.02
	平均值/(mg·L^-1)	3.54	1.93	2.58	1.56	3.28	2.91	2.37	2.58	0.70	2.10
	标准差/(mg·L^-1)	2.52	0.02	0.07	0.04	0.28	0.08	0.07	0.58	0.07	0.05
	变异系数	0.71	0.01	0.03	0.02	0.09	0.03	0.03	0.22	0.10	0.02
植物	最大值/(mg·kg^-1)	4.15	4.14	3.07	10.25	10.23	127.09	9.46	4.14	76.47	1 530.83
	最小值/(mg·kg^-1)	0.00	1.26	1.40	4.37	3.54	10.47	2.06	1.39	4.10	139.45
	平均值/(mg·kg^-1)	1.67	2.89	2.48	7.25	8.14	50.19	4.06	2.71	17.51	767.38
	标准差/(mg·kg^-1)	1.19	0.86	0.48	1.70	1.69	35.88	1.64	0.73	16.51	385.28
	变异系数	0.71	0.30	0.19	0.23	0.21	0.71	0.40	0.27	0.96	0.50

表5 哈密市典型煤矿区周边土壤重金属含量统计

Table 5 Statistics of heavy metal content in soils around typical coal mining areas in Hami

矿区		As /（mg·kg^-1）	Co /（mg·kg^-1）	Cr /（mg·kg^-1）	Cu /（mg·kg^-1）	Mn /（mg·kg^-1）	Ni /（mg·kg^-1）	Pb /（mg·kg^-1）	Zn /（mg·kg^-1）	Fe /%
大南湖矿区（n=22）	最大值	55.98	25.20	91.26	74.52	705.60	41.58	24.12	93.42	17.14
	最小值	6.89	0.13	2.86	1.55	0.00	3.26	0.00	6.88	4.10
	平均值	30.74	13.61	46.50	27.49	431.67	23.59	6.53	45.53	11.68
	标准差	11.32	6.00	20.52	16.74	186.60	10.67	5.31	19.76	3.70
	变异系数	0.37	0.44	0.44	0.61	0.43	0.45	0.81	0.43	0.32
三道岭矿区（n=10）	最大值	50.04	24.12	77.04	66.60	748.80	40.14	36.36	157.32	2.25
	最小值	1.46	12.87	27.36	27.90	390.60	25.20	4.30	70.92	1.09
	平均值	29.94	18.22	54.04	38.41	543.24	33.16	12.80	95.65	1.65
	标准差	14.56	2.91	15.13	10.78	119.27	4.87	8.69	26.12	0.41
	变异系数	0.49	0.16	0.28	0.28	0.22	0.15	0.68	0.27	0.25
巴里坤矿区（n=28）	最大值	84.24	25.92	143.10	61.92	1 404.00	61.02	23.94	1591.20	1.77
	最小值	6.73	10.55	12.26	20.34	208.80	32.22	7.54	76.86	0.41
	平均值	40.05	19.37	68.08	46.86	798.30	43.77	14.39	278.60	1.15
	标准差	22.58	4.07	24.81	11.08	217.98	7.43	4.27	364.06	0.38
	变异系数	0.56	0.21	0.36	0.24	0.27	0.17	0.30	1.31	0.33
淖毛湖矿区（n=7）	最大值	64.62	24.12	95.04	132.66	1 130.40	48.78	41.04	657.00	2.74
	最小值	9.05	10.57	3.96	24.84	266.40	12.19	0.00	34.74	0.14
	平均值	35.78	18.01	60.22	60.04	702.77	32.34	13.12	226.13	1.52
	标准差	19.09	4.23	27.85	37.02	281.48	11.76	12.14	200.86	0.71
	变异系数	0.53	0.23	0.46	0.62	0.40	0.36	0.93	0.89	0.47
野马泉矿区（n=3）	最大值	47.52	20.34	64.80	54.54	723.60	55.80	25.20	132.12	2.11
	最小值	31.14	17.06	53.28	29.52	603.00	30.78	13.55	71.10	1.25
	平均值	37.58	18.98	57.11	39.47	667.35	40.86	18.81	100.89	1.65
	标准差	6.56	1.22	4.61	9.49	49.82	10.23	4.18	21.83	0.35
	变异系数	0.17	0.06	0.08	0.24	0.07	0.25	0.22	0.22	0.21
沙尔湖矿区（n=3）	最大值	52.92	77.04	88.20	228.6	802.80	77.04	20.34	1512.00	21.24
	最小值	46.98	20.52	66.78	31.14	457.20	23.58	11.18	75.96	1.67
	平均值	49.44	45.36	80.64	512.58	658.80	44.52	16.63	612.72	9.25
	标准差	2.53	23.58	9.81	547.20	146.85	23.31	3.94	639.85	8.58
	变异系数	0.05	0.52	0.12	1.07	0.22	0.52	0.24	1.04	0.93
哈密市（n=74）	最大值	84.24	77.04	143.10	228.60	1404.00	77.04	41.04	1591.20	21.24
	最小值	1.46	0.13	2.86	1.55	0.00	3.26	0.00	6.88	0.14
	平均值	35.76	18.40	58.94	43.00	633.06	35.13	12.05	183.56	1.61
	标准差	17.99	8.89	23.83	29.45	250.57	13.16	7.46	298.21	2.38
	变异系数	0.50	0.48	0.40	0.68	0.40	0.37	0.62	1.62	1.48
上地壳丰度^[24]		4.8	17.3	92	28	—	47	17	67	—
新疆土壤背景值^[15]		11.2	15.9	49.3	26.7	688	26.2	19.4	68.8	2.78
全国土壤背景值^[15]		11.2	12.7	61	22.6	583	26.9	26	74.2	2.94

表5 哈密市典型煤矿区周边土壤重金属含量统计

Table 5 Statistics of heavy metal content in soils around typical coal mining areas in Hami

矿区		As /（mg·kg^-1）	Co /（mg·kg^-1）	Cr /（mg·kg^-1）	Cu /（mg·kg^-1）	Mn /（mg·kg^-1）	Ni /（mg·kg^-1）	Pb /（mg·kg^-1）	Zn /（mg·kg^-1）	Fe /%
大南湖矿区（n=22）	最大值	55.98	25.20	91.26	74.52	705.60	41.58	24.12	93.42	17.14
	最小值	6.89	0.13	2.86	1.55	0.00	3.26	0.00	6.88	4.10
	平均值	30.74	13.61	46.50	27.49	431.67	23.59	6.53	45.53	11.68
	标准差	11.32	6.00	20.52	16.74	186.60	10.67	5.31	19.76	3.70
	变异系数	0.37	0.44	0.44	0.61	0.43	0.45	0.81	0.43	0.32
三道岭矿区（n=10）	最大值	50.04	24.12	77.04	66.60	748.80	40.14	36.36	157.32	2.25
	最小值	1.46	12.87	27.36	27.90	390.60	25.20	4.30	70.92	1.09
	平均值	29.94	18.22	54.04	38.41	543.24	33.16	12.80	95.65	1.65
	标准差	14.56	2.91	15.13	10.78	119.27	4.87	8.69	26.12	0.41
	变异系数	0.49	0.16	0.28	0.28	0.22	0.15	0.68	0.27	0.25
巴里坤矿区（n=28）	最大值	84.24	25.92	143.10	61.92	1 404.00	61.02	23.94	1591.20	1.77
	最小值	6.73	10.55	12.26	20.34	208.80	32.22	7.54	76.86	0.41
	平均值	40.05	19.37	68.08	46.86	798.30	43.77	14.39	278.60	1.15
	标准差	22.58	4.07	24.81	11.08	217.98	7.43	4.27	364.06	0.38
	变异系数	0.56	0.21	0.36	0.24	0.27	0.17	0.30	1.31	0.33
淖毛湖矿区（n=7）	最大值	64.62	24.12	95.04	132.66	1 130.40	48.78	41.04	657.00	2.74
	最小值	9.05	10.57	3.96	24.84	266.40	12.19	0.00	34.74	0.14
	平均值	35.78	18.01	60.22	60.04	702.77	32.34	13.12	226.13	1.52
	标准差	19.09	4.23	27.85	37.02	281.48	11.76	12.14	200.86	0.71
	变异系数	0.53	0.23	0.46	0.62	0.40	0.36	0.93	0.89	0.47
野马泉矿区（n=3）	最大值	47.52	20.34	64.80	54.54	723.60	55.80	25.20	132.12	2.11
	最小值	31.14	17.06	53.28	29.52	603.00	30.78	13.55	71.10	1.25
	平均值	37.58	18.98	57.11	39.47	667.35	40.86	18.81	100.89	1.65
	标准差	6.56	1.22	4.61	9.49	49.82	10.23	4.18	21.83	0.35
	变异系数	0.17	0.06	0.08	0.24	0.07	0.25	0.22	0.22	0.21
沙尔湖矿区（n=3）	最大值	52.92	77.04	88.20	228.6	802.80	77.04	20.34	1512.00	21.24
	最小值	46.98	20.52	66.78	31.14	457.20	23.58	11.18	75.96	1.67
	平均值	49.44	45.36	80.64	512.58	658.80	44.52	16.63	612.72	9.25
	标准差	2.53	23.58	9.81	547.20	146.85	23.31	3.94	639.85	8.58
	变异系数	0.05	0.52	0.12	1.07	0.22	0.52	0.24	1.04	0.93
哈密市（n=74）	最大值	84.24	77.04	143.10	228.60	1404.00	77.04	41.04	1591.20	21.24
	最小值	1.46	0.13	2.86	1.55	0.00	3.26	0.00	6.88	0.14
	平均值	35.76	18.40	58.94	43.00	633.06	35.13	12.05	183.56	1.61
	标准差	17.99	8.89	23.83	29.45	250.57	13.16	7.46	298.21	2.38
	变异系数	0.50	0.48	0.40	0.68	0.40	0.37	0.62	1.62	1.48
上地壳丰度^[24]		4.8	17.3	92	28	—	47	17	67	—
新疆土壤背景值^[15]		11.2	15.9	49.3	26.7	688	26.2	19.4	68.8	2.78
全国土壤背景值^[15]		11.2	12.7	61	22.6	583	26.9	26	74.2	2.94

表6 哈密市典型煤矿区周边土壤重金属污染评价指数

Table 6 Evaluation index of soil heavy metal pollution around typical coal mine area in Hami

指数	As	Co	Cr	Cu	Mn	Ni	Pb	Zn	Fe
$P i$	3.19	1.16	1.20	1.61	0.92	1.34	0.62	2.67	0.58
$P i$	重度	轻度	轻度	轻度	无	轻度	无	中度	无
$P N$	5.78	3.52	2.22	6.16	1.58	2.29	1.56	16.46	5.42
$P N$	重度	重度	中度	重度	轻度	中度	轻度	重度	重度
$I g e o$	0.85	-0.56	-0.52	-0.15	-0.81	-0.30	-1.51	-0.02	-1.73
$I g e o$	轻度	无	无	无	无	无	无	无	无

表6 哈密市典型煤矿区周边土壤重金属污染评价指数

Table 6 Evaluation index of soil heavy metal pollution around typical coal mine area in Hami

指数	As	Co	Cr	Cu	Mn	Ni	Pb	Zn	Fe
$P i$	3.19	1.16	1.20	1.61	0.92	1.34	0.62	2.67	0.58
$P i$	重度	轻度	轻度	轻度	无	轻度	无	中度	无
$P N$	5.78	3.52	2.22	6.16	1.58	2.29	1.56	16.46	5.42
$P N$	重度	重度	中度	重度	轻度	中度	轻度	重度	重度
$I g e o$	0.85	-0.56	-0.52	-0.15	-0.81	-0.30	-1.51	-0.02	-1.73
$I g e o$	轻度	无	无	无	无	无	无	无	无

图2 研究区土壤重金属单因子污染指数评价结果

Fig.2 Evaluation results of the pollution index for soil heavy metals in the study area

图3 研究区土壤重金属地累积指数评价结果

Fig.3 Evaluation results of geo-accumulation index for soil heavy metals in the study area

表7 研究区土壤重金属潜在生态风险评价

Table 7 Assessment of potential ecological risks of soil heavy metals in the study area

指标	重金属元素 $E r i$								$P E R I$
指标	As	Co	Cr	Cu	Mn	Ni	Pb	Zn	$P E R I$
最大值	75.22	58.14	5.81	42.81	2.04	14.70	10.58	23.13	146.25
最小值	1.30	0.10	0.12	0.29	0.26	0.62	0.25	0.10	7.71
平均值	31.93	13.89	2.39	8.05	0.93	6.70	3.19	2.67	69.75
标准差	16.06	6.71	0.97	5.51	0.35	2.51	1.88	4.33	27.02
变异系数	0.50	0.48	0.41	0.68	0.38	0.37	0.59	1.62	0.39
>轻微生态危害风险点数/个	21	1	0	1	0	0	0	0
超标率/%	28.38	1.4	0	1.4	0	0	0	0
$E r i$ 对 $P E R I$ 贡献率/%	45.78	19.91	3.43	11.54	1.34	9.61	4.57	3.83

表7 研究区土壤重金属潜在生态风险评价

Table 7 Assessment of potential ecological risks of soil heavy metals in the study area

指标	重金属元素 $E r i$								$P E R I$
指标	As	Co	Cr	Cu	Mn	Ni	Pb	Zn	$P E R I$
最大值	75.22	58.14	5.81	42.81	2.04	14.70	10.58	23.13	146.25
最小值	1.30	0.10	0.12	0.29	0.26	0.62	0.25	0.10	7.71
平均值	31.93	13.89	2.39	8.05	0.93	6.70	3.19	2.67	69.75
标准差	16.06	6.71	0.97	5.51	0.35	2.51	1.88	4.33	27.02
变异系数	0.50	0.48	0.41	0.68	0.38	0.37	0.59	1.62	0.39
>轻微生态危害风险点数/个	21	1	0	1	0	0	0	0
超标率/%	28.38	1.4	0	1.4	0	0	0	0
$E r i$ 对 $P E R I$ 贡献率/%	45.78	19.91	3.43	11.54	1.34	9.61	4.57	3.83

图4 研究区土壤各重金属间相关性矩阵

Fig.4 Correlation plot of soil heavy metals in the study area

表8 提取主成分矩阵及解释方差

Table 8 Extract component matrix and explained variance

因子载荷	提取主成分矩阵									初试特征值	方差贡献率/%	累积方差贡献率/%
因子载荷	Co	Cr	Ni	Mn	Cu	Pb	As	Fe	Zn	初试特征值	方差贡献率/%	累积方差贡献率/%
PC1	0.905	0.806	0.783	0.770	0.755	0.670	0.554	0.589		4.557	50.629	50.629
PC2								-0.676	0.663	1.544	17.159	67.788

图5 研究区表层土壤重金属元素主成分分析

Fig.5 The plot of principal components analysis for heavy metals in the surface soil of the study area

表9 实测值与PMF模型预测值拟合结果

Table 9 Fitting results between measured value and predicted value based on PMF model

元素	拟合回归方程	R²
As	y=0.99x+0.03	0.99
Co	y=0.67x+5.48	0.81
Cr	y=0.98x+0.95	0.99
Cu	y=0.08x+34.59	0.48
Mn	y=0.99x+2.88	0.99
Ni	y=0.90x+2.70	0.87
Pb	y=0.96x+0.46	0.99

图6 研究区土壤重金属PMF源贡献解析率

Fig.6 Contribution analysis rate of soil heavy metal PMF sources in the study area

图7 研究区土壤重金属PMF分析污染源成分谱

Fig.7 Factor profiles and source contributions of heavy metals based on PMF in the study area

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