淮南市礦區(qū)土壤Pb元素含量的空間分布特征

劉玉娟，陳 俊

(1.安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051；2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局325地質(zhì)隊(duì)，安徽 淮北 235000)

0 引 言

土壤是人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ)要素，也是自然地理環(huán)境的十分重要組成部分。隨著工業(yè)化的持續(xù)推進(jìn)、城市污染的加劇以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)元素的大量使用，污染物通過多種途徑進(jìn)入土壤。其中，礦業(yè)活動(dòng)給生態(tài)和環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，是土壤重金屬污染的重要來源。近年來，由礦業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致的土壤重金屬污染問題已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。崔龍鵬等探討了采礦活動(dòng)引起煤礦區(qū)土壤中重金屬污染的影響，周建民等分析了大寶山礦區(qū)周圍土壤中重金屬污染在空間上的分布特征，周東美等對(duì)銅礦區(qū)重金屬的污染分異規(guī)律進(jìn)行了初步研究，Tavares等采用Kriging方法對(duì)Domingos礦區(qū)的重金屬污染情況進(jìn)行了分析研究，Moore等對(duì)伊朗東部Miduk礦區(qū)的重金屬污染分布特征進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。楊曉勇等對(duì)安徽淮南土壤污染開展全面性研究，李洪偉等 采用綜合評(píng)價(jià)法開展淮南新集礦區(qū)土壤中重金屬元素分析，王興明、劉桂建等研究了淮南新莊孜煤礦矸石山土壤以及農(nóng)作物中的重金屬元素分布。就目前而言，在淮南礦區(qū)土壤重金屬污染物的空間變異及空間結(jié)構(gòu)等方面的研究還較少。因此，本文選擇以淮南市礦區(qū)土壤重金屬元素Pb為研究對(duì)象，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，對(duì)其空間結(jié)構(gòu)和分布特征進(jìn)行分析研究，揭示礦區(qū)土壤重金屬Pb元素在空間上的分布特征，了解礦區(qū)污染狀況，分析污染形成原因，為淮南市的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)做出基礎(chǔ)性工作。

1 材料與方法

1.1 樣品分析與樣本點(diǎn)分布

采集研究區(qū)0～20 cm的表層土壤，首先采用8×8 km的網(wǎng)格法進(jìn)行采樣；隨后，根據(jù)研究區(qū)特有的采礦活動(dòng)的特點(diǎn)，在重點(diǎn)區(qū)域(采礦礦區(qū))采取選擇布點(diǎn)法進(jìn)行采樣補(bǔ)測。兩次共采集樣本點(diǎn)269個(gè)。具體采樣分析方法按照《全國土壤污染狀況調(diào)查技術(shù)規(guī)定》進(jìn)行，在此不作贅述，詳細(xì)樣品空間分布見圖1。元素Pb的測試采用X射線熒光光譜法。

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS19.0軟件對(duì)淮南市礦區(qū)土壤重金屬元素Pb進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析(見表1)，可知土壤中元素Pb含量的范圍在0.18～840.276 mg/kg之間，平均值為50.522 mg/kg。礦區(qū)土壤中元素Pb含量的平均值超過了淮南市“十二五”期間研究所獲得的背景值(25.1 mg/kg)和元素Pb的土壤基線值(32.41 mg/kg)。K-S檢驗(yàn)表明，Pb呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

圖1 研究區(qū)土壤重金屬樣品分布圖

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法

以區(qū)域土壤元素背景值為基礎(chǔ)，同時(shí)將土壤基線值作為評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤是否受到重金屬污染的標(biāo)準(zhǔn)。本文研究選擇以淮南市“十二五”期間研究所獲得的背景值(25.1 mg/kg)、土壤基線值(32.41 mg/kg)、《國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GBl5618—1995)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別作為判斷土壤是否有重金屬積累、土壤是否受到重金屬污染、土壤是否嚴(yán)重污染，需要進(jìn)行重金屬污染修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此，將礦區(qū)土壤中重金屬Pb元素含量的污染嚴(yán)重的程度指標(biāo)劃分為四個(gè)等級(jí)(見表2)，分為無積累、有積累、有污染、嚴(yán)重污染四類。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬的空間結(jié)構(gòu)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與描述性統(tǒng)計(jì)分析相比，可以最大限度的保留統(tǒng)計(jì)對(duì)象在空間上的變異信息，因此也能很好地描述本研究區(qū)中重金屬含量的空間變異 結(jié)構(gòu)特征。由研究區(qū)重金屬元素Pb含量，優(yōu)選出一個(gè)最精確的預(yù)測結(jié)果。優(yōu)選預(yù)測結(jié)果的原則包括以下三個(gè)方面：

1)預(yù)測結(jié)果是無偏的，則標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)測誤差值應(yīng)接近于零；

2)預(yù)測結(jié)果的不確定性是有效的，則平均標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測誤差和標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)測誤差值越接近越好；

3)預(yù)測結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)誤差是有效的，那么均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測誤差越接近于1越好。

根據(jù)上述三條原則，獲得淮南礦區(qū)土壤重金屬Pb含量最優(yōu)插值法及其半變異函數(shù)模型，得到的結(jié)果及相應(yīng)參數(shù)見表3。

表1 研究區(qū)土壤重金屬元素Pb含量描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果(mg/kg)

表2 淮南礦區(qū)土壤重金屬Pb污染程度等級(jí)(重金屬含量單位mg/kg)

表3 Pb的半方差函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)

從表3可以看出，土壤元素Pb的半方差函數(shù)理論模型符合球面模型，元素Pb的半變異函數(shù)的 塊金值/基臺(tái)值(C0/C0+C)為56.31%，具有中等程度的空間相關(guān)性，說明Pb除了受自然因素的控制外，也受到人類活動(dòng)的影響，如與工農(nóng)業(yè)活動(dòng)、城市化發(fā)展、礦業(yè)開采等人類活動(dòng)有很大的聯(lián)系。

變程反映的是所研究的變量在空間上的自相關(guān)范圍大小，在本研究區(qū)內(nèi)，土壤元素Pb的變程為3 559.09 m，這說明Pb在3 559.09 m范圍內(nèi)具有空間自相關(guān)性。

2.2 土壤重金屬Pb的空間分布特征

采用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析擴(kuò)展模塊克里格最優(yōu)插值對(duì)淮南表層土壤中Pb含量進(jìn)行分析，半方差函數(shù)模型(球面模型)為計(jì)算模型，得到礦區(qū)土壤Pb元素污染程度的空間分布情況圖，見圖2。

圖2 淮南礦區(qū)土壤Pb元素污染評(píng)價(jià)圖

由圖2可知，礦區(qū)土壤中Pb元素的污染程度分為三級(jí)：有污染、有積累、無積累。其中“有污染”區(qū)域在空間上呈多區(qū)塊分布，在北部，分布于蒼溝—牛家橋—?jiǎng)⑽簶蛞粠В黧w分布呈東西向延展；在東部，分布于金家?guī)X—舜耕山—幸福堤一線；在西南部，分布于西淝河一帶。“無積累”區(qū)域空間上主要分布于北部、東部、中部和西部，在北部主要沿茨淮新河呈帶狀分布；在東部，分布于盧家河—窯崗壩—泥河一線，總體呈北東向延伸；在中部，分布于崗河—友誼橋一帶，總體呈北西—南東向。

2.3 淮南礦區(qū)土壤重金屬Pb來源分析

淮南是一個(gè)有著百年開采歷史的礦區(qū)城市，煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤矸石含有重金屬元素如Pb、Cd、Zn、Cu等，元素通過大氣降水滲入土壤，形成土壤的重金屬污染來源之一。

馬喜君等2006年對(duì)阜新露天煤礦區(qū)進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析中發(fā)現(xiàn)，煤礦開采活動(dòng)會(huì)造成礦區(qū)土壤的重金屬污染。崔龍鵬等2004年對(duì)淮南市礦區(qū)土壤污染進(jìn)行調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，采礦歷史越長，礦井周圍土壤中越加集中富集重金屬元素，尤其這些元素有較強(qiáng)的遷移性，從而使煤矸石堆中的重金屬不斷向周圍土壤遷移富集。

由礦區(qū)土壤重金屬元素Pb污染評(píng)價(jià)圖(圖2)可反映出，淮南礦區(qū)土壤重金屬元素Pb含量以及污染程度的分布。首先，Pb有污染區(qū)域主要位于研究區(qū)北部，此處有很多礦業(yè)開采及生產(chǎn)活動(dòng)。其中潘一礦、潘三礦、潘四礦以及丁集礦井的采礦生產(chǎn)活動(dòng)很大可能是Pb累積和污染的重要來源。

其次，在研究區(qū)東部，重金屬元素Pb有污染區(qū)域分布在舜耕山—金家?guī)X—淮南西站—田家庵港一帶，這一帶位于大通區(qū)和田家庵區(qū)范圍內(nèi)，人口密集，交通量大，車輛排放的尾氣中產(chǎn)生大量的Pb元素，可能是此處Pb污染的重要來源。Celine Siu-lan Lee等在對(duì)香港公園土壤的重金屬污染研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，車輛排放是鉛污染的主要人為來源。此外，大通區(qū)是淮南的報(bào)廢煤礦區(qū)，土壤中重金屬元素積累顯著，該區(qū)域的重金屬元素Pb在一定程度上也會(huì)受到之前采礦活動(dòng)的影響。

3 結(jié) 語

1)淮南市礦區(qū)表層土壤重金屬元素Pb含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，分析數(shù)據(jù)經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后服從正態(tài)分布，礦區(qū)土壤中采樣點(diǎn)的58.7%超過了淮南市十二五期間研究所獲得的背景值(25.1 mg/kg)，39.4%超過了土壤基線值(32.41 mg/kg)，采樣點(diǎn)的0.74%超過了《國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GBl5618—1995)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2)研究區(qū)土壤元素Pb的半方差函數(shù)理論模型符合球面模型，元素Pb的半變異函數(shù)的 塊金值/基臺(tái)值(C0/C0+C)為56.31%，具有中等程度的空間相關(guān)性。

3)采用簡單克里格插值得到了淮南市礦區(qū)表層土壤重金屬Pb元素污染程度空間分布圖，可知重金屬Pb“累積”和“有污染”的區(qū)域主要集中在在北部蒼溝—牛家橋—?jiǎng)⑽簶蛞粠В约皷|部，分布于金家?guī)X—舜耕山—幸福堤一線。

4)綜合來看，研究區(qū)重金屬元素Pb的累積和污染有多種來源。其中采礦生產(chǎn)活動(dòng)和汽車尾氣的排放等與元素Pb的分布密切相關(guān)，可能是研究區(qū)Pb累積和污染的重要來源。