Source Analysis and Spatial Distribution of Heavy Metals in Soil from Typical Open-pit Coal Mines in the Gobi Desert, Xinjiang

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2023.041

Abstract

Abstract:

Identifying the sources and spatial distribution characteristics of heavy metals in soil of typical opencast coal mines in Gobi desert is crucial in accurately judging and formulating soil pollution control programs. However, systematic research is still weak inadequate. In this study, 266 soil samples were systematically collected around typical coal mines in the Xinjiang Gobi Desert. Soil As, Cd, Co, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn contents and pH values were measured. By using descriptive statistical, correlation, cluster and principal component analyses and other multivariate geostatistical analysis methods,the soil heavy metal compositions were analyzed and the heavy metal source preliminarily identified. We used the absolute principal components-multiple linear regression receptor model(APCS-MLR) and inverse distance weighting method to quantify the contribution rate of each pollution source and the heavy metal spatial distribution patterns. The results show that:(1) The average soil pH is 8.31 in the study area, the contents of nine elements were lower than the threshold for agricultural and construction land, and also below the soil heavy metal background in Xinjiang. From the functional partitions, only the As, Cd, Cu, Ni and Pb contents in the waste sewage discharge area are higher than the Xinjiang background; Cr,Ni, Zn, Co, Cu, As and Cd have moderate or high correlations, Cd and Pb have moderate correlations, and Hg has weak correlations with the other eight elements. (2)Cr, Ni, Zn, Co, Cu, As and Cd have moderate or high correlations, Cd and Pb have moderate correlations, and Hg has weak correlations with the other eight elements.(3)The cluster analysis results divide the soil heavy metals into three categories: Cr-Ni-Zn-Co-Cu-As, Cd-Pb, and Hg. (4) Source analysis results show that the main heavy metal sources of local soil are parent material (50.902%), waste water and coal dust (31.507%).

Key words: heavy metals in soil, receptor-oriented model, source analysis, spatial distribution, Gobi Desert

CLC Number:

P595
X53

DUGUER Weiwei, SHI Haitao, XING Hao, LOU Xuecong, HU Hongli, BULONG Bate. Source Analysis and Spatial Distribution of Heavy Metals in Soil from Typical Open-pit Coal Mines in the Gobi Desert, Xinjiang[J]. Geoscience, 2023, 37(03): 790-800.

Figures/Tables 12

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元素 (参数)	最小值 (mg·kg^-1)	最大值 (mg·kg^-1)	平均值 (mg·kg^-1)	标准偏差 (mg·kg^-1)	变异系数	新疆背景值 (mg·kg^-1)	GB 15618-2018 (pH>7.5)(mg·kg^-1)	GB 36600-2018 (pH>7.5)(mg·kg^-1)
As	2.95	22.14	8.09	2.819	0.3487	11.20	25	60
Cd	0.03	0.43	0.1	0.050	0.5021	0.12	0.6	65
Co	4.40	21.90	8.56	2.614	0.3055	15.90	-	70
Cr	13.10	79.30	28.15	10.240	0.3637	49.30	250	-
Cu	8.94	52.60	17.97	6.958	0.3873	26.70	100	18000
Hg	0	0.13	0.01	0.010	1.4150	0.02	3.4	38
Ni	7.43	43.50	14.55	5.766	0.3964	25.20	190	900
Pb	10.10	48.70	15.16	4.029	0.2658	19.40	170	800
Zn	23.20	112.00	39.39	13.920	0.3534	68.80	300	-
pH	7.82	8.95	8.31	0.140	0.0168	-	-	-

元素 (参数)	最小值 (mg·kg^-1)	最大值 (mg·kg^-1)	平均值 (mg·kg^-1)	标准偏差 (mg·kg^-1)	变异系数	新疆背景值 (mg·kg^-1)	GB 15618-2018 (pH>7.5)(mg·kg^-1)	GB 36600-2018 (pH>7.5)(mg·kg^-1)
As	2.95	22.14	8.09	2.819	0.3487	11.20	25	60
Cd	0.03	0.43	0.1	0.050	0.5021	0.12	0.6	65
Co	4.40	21.90	8.56	2.614	0.3055	15.90	-	70
Cr	13.10	79.30	28.15	10.240	0.3637	49.30	250	-
Cu	8.94	52.60	17.97	6.958	0.3873	26.70	100	18000
Hg	0	0.13	0.01	0.010	1.4150	0.02	3.4	38
Ni	7.43	43.50	14.55	5.766	0.3964	25.20	190	900
Pb	10.10	48.70	15.16	4.029	0.2658	19.40	170	800
Zn	23.20	112.00	39.39	13.920	0.3534	68.80	300	-
pH	7.82	8.95	8.31	0.140	0.0168	-	-	-

功能分区	元素	As	Cd	Co	Cr	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn
露天矿坑	平均值	7.506	0.106	7.354	22.712	19.155	0.010	11.650	16.022	34.988
	最大值	22.14	0.43	15.9	34	51	0.131	19.4	48.7	72.8
	最小值	4.52	0.03	4.4	13.1	8.94	0	7.48	10.8	24.3
	标准偏差	3.317	0.079	1.798	4.355	7.441	0.020	2.122	8.013	9.140
	变异系数	0.442	0.741	0.244	0.192	0.388	1.949	0.182	0.500	0.261
	样本数量	32	32	32	32	32	32	32	32	32
废污水排放区	平均值	12.72	0.18	13.29	48.65	30.41	0.017	26.65	19.97	68.76
	最大值	21.20	0.33	20.40	79.30	52.60	0.04	43.50	27.20	112.00
	最小值	5.77	0.06	5.54	16.4	10.8	0	9.03	11.7	26.20
	标准偏差	5.61	0.09	5.26	23.05	15.17	0.01	13.26	5.52	31.98
	变异系数	0.44	0.53	0.40	0.47	0.50	0.81	0.50	0.28	0.47
	样本数量	20	20	20	20	20	20	20	20	20
生活区	平均值	7.25	0.09	8.09	25.77	15.60	0.01	13.57	14.87	38.50
	最大值	9.08	0.11	8.99	30.7	18.1	0.02	16	15.9	44.1
	最小值	6.05	0.07	6.89	23.2	13.5	0	11.6	14.3	35.1
	标准偏差	1.61	0.02	1.08	4.27	2.33	0.01	2.24	0.90	4.89
	变异系数	0.22	0.22	0.13	0.17	0.15	1.00	0.16	0.06	0.13
	样本数量	3	3	3	3	3	3	3	3	3
煤电厂	平均值	8.10	0.10	8.63	28.59	16.29	0.00	14.76	14.86	39.87
	最大值	9.96	0.13	10	33.8	19.4	0.01	18	16.4	47.1
	最小值	5.89	0.07	7.6	24.1	13.9	0	12.4	13.6	35
	标准偏差	1.50	0.02	0.90	3.98	2.04	0.01	2.19	0.93	5.12
	变异系数	0.18	0.22	0.10	0.14	0.13	1.03	0.15	0.06	0.13
	样本数量	10	10	10	10	10	10	10	10	10
灰场	平均值	8.624	0.088	9.2405	30.605	17.305	0.005	15.645	15.185	39.33
	最大值	11	0.11	12.9	36.8	20.4	0.01	17.8	17	48.1
	最小值	6.3	0.07	7.52	22.3	12.3	0	10	13.8	33.6
	标准偏差	1.25	0.01	1.13	3.70	1.90	0.01	1.79	0.88	4.01
	变异系数	0.15	0.14	0.12	0.12	0.11	1.03	0.11	0.06	0.10
	样本数量	21	21	21	21	21	21	21	21	21
新疆背景值		11.2	0.12	15.9	49.3	26.7	0.017	25.2	19.4	68.8
GB 15618-2018(pH>7.5)		25	0.6	-	250	100	3.4	190	170	300
GB 36600-2018(pH>7.5)		60	65	70	-	18000	38	900	800	-

功能分区	元素	As	Cd	Co	Cr	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn
露天矿坑	平均值	7.506	0.106	7.354	22.712	19.155	0.010	11.650	16.022	34.988
	最大值	22.14	0.43	15.9	34	51	0.131	19.4	48.7	72.8
	最小值	4.52	0.03	4.4	13.1	8.94	0	7.48	10.8	24.3
	标准偏差	3.317	0.079	1.798	4.355	7.441	0.020	2.122	8.013	9.140
	变异系数	0.442	0.741	0.244	0.192	0.388	1.949	0.182	0.500	0.261
	样本数量	32	32	32	32	32	32	32	32	32
废污水排放区	平均值	12.72	0.18	13.29	48.65	30.41	0.017	26.65	19.97	68.76
	最大值	21.20	0.33	20.40	79.30	52.60	0.04	43.50	27.20	112.00
	最小值	5.77	0.06	5.54	16.4	10.8	0	9.03	11.7	26.20
	标准偏差	5.61	0.09	5.26	23.05	15.17	0.01	13.26	5.52	31.98
	变异系数	0.44	0.53	0.40	0.47	0.50	0.81	0.50	0.28	0.47
	样本数量	20	20	20	20	20	20	20	20	20
生活区	平均值	7.25	0.09	8.09	25.77	15.60	0.01	13.57	14.87	38.50
	最大值	9.08	0.11	8.99	30.7	18.1	0.02	16	15.9	44.1
	最小值	6.05	0.07	6.89	23.2	13.5	0	11.6	14.3	35.1
	标准偏差	1.61	0.02	1.08	4.27	2.33	0.01	2.24	0.90	4.89
	变异系数	0.22	0.22	0.13	0.17	0.15	1.00	0.16	0.06	0.13
	样本数量	3	3	3	3	3	3	3	3	3
煤电厂	平均值	8.10	0.10	8.63	28.59	16.29	0.00	14.76	14.86	39.87
	最大值	9.96	0.13	10	33.8	19.4	0.01	18	16.4	47.1
	最小值	5.89	0.07	7.6	24.1	13.9	0	12.4	13.6	35
	标准偏差	1.50	0.02	0.90	3.98	2.04	0.01	2.19	0.93	5.12
	变异系数	0.18	0.22	0.10	0.14	0.13	1.03	0.15	0.06	0.13
	样本数量	10	10	10	10	10	10	10	10	10
灰场	平均值	8.624	0.088	9.2405	30.605	17.305	0.005	15.645	15.185	39.33
	最大值	11	0.11	12.9	36.8	20.4	0.01	17.8	17	48.1
	最小值	6.3	0.07	7.52	22.3	12.3	0	10	13.8	33.6
	标准偏差	1.25	0.01	1.13	3.70	1.90	0.01	1.79	0.88	4.01
	变异系数	0.15	0.14	0.12	0.12	0.11	1.03	0.11	0.06	0.10
	样本数量	21	21	21	21	21	21	21	21	21
新疆背景值		11.2	0.12	15.9	49.3	26.7	0.017	25.2	19.4	68.8
GB 15618-2018(pH>7.5)		25	0.6	-	250	100	3.4	190	170	300
GB 36600-2018(pH>7.5)		60	65	70	-	18000	38	900	800	-

元素	旋转前因子		旋转后因子
元素	F1	F2	F1	F2
As	0.840	-0.170	0.782	0.351
Cd	0.774	0.540	0.315	0.890
Co	0.905	-0.280	0.899	0.299
Cr	0.918	-0.296	0.919	0.293
Cu	0.914	0.111	0.678	0.622
Hg	0.551	0.249	0.303	0.523
Ni	0.937	-0.285	0.928	0.314
Pb	0.715	0.585	0.241	0.891
Zn	0.957	-0.146	0.864	0.438
方差贡献率(%)	71.237	11.172	50.902	31.507
累积方差贡献率(%)	71.237	82.409	50.902	82.409