淮南市礦區土壤Pb元素含量的空間分布特征

劉玉娟，陳 俊

(1.安徽工業經濟職業技術學院，安徽 合肥 230051；2.安徽省地質礦產勘查局325地質隊，安徽 淮北 235000)

0 引 言

土壤是人類生存與發展的基礎要素，也是自然地理環境的十分重要組成部分。隨著工業化的持續推進、城市污染的加劇以及農業生產中化學元素的大量使用，污染物通過多種途徑進入土壤。其中，礦業活動給生態和環境造成了嚴重的破壞，是土壤重金屬污染的重要來源。近年來，由礦業活動導致的土壤重金屬污染問題已經引起了國內外學者的廣泛關注。崔龍鵬等探討了采礦活動引起煤礦區土壤中重金屬污染的影響，周建民等分析了大寶山礦區周圍土壤中重金屬污染在空間上的分布特征，周東美等對銅礦區重金屬的污染分異規律進行了初步研究，Tavares等采用Kriging方法對Domingos礦區的重金屬污染情況進行了分析研究，Moore等對伊朗東部Miduk礦區的重金屬污染分布特征進行了分析評價。楊曉勇等對安徽淮南土壤污染開展全面性研究，李洪偉等 采用綜合評價法開展淮南新集礦區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作物中的重金屬元素分布。就目前而言，在淮南礦區土壤重金屬污染物的空間變異及空間結構等方面的研究還較少。因此，本文選擇以淮南市礦區土壤重金屬元素Pb為研究對象，采用地統計學分析方法，對其空間結構和分布特征進行分析研究，揭示礦區土壤重金屬Pb元素在空間上的分布特征，了解礦區污染狀況，分析污染形成原因，為淮南市的土壤環境質量評價做出基礎性工作。

1 材料與方法

1.1 樣品分析與樣本點分布

采集研究區0～20 cm的表層土壤，首先采用8×8 km的網格法進行采樣；隨后，根據研究區特有的采礦活動的特點，在重點區域(采礦礦區)采取選擇布點法進行采樣補測。兩次共采集樣本點269個。具體采樣分析方法按照《全國土壤污染狀況調查技術規定》進行，在此不作贅述，詳細樣品空間分布見圖1。元素Pb的測試采用X射線熒光光譜法。

1.2 數據處理

采用SPSS19.0軟件對淮南市礦區土壤重金屬元素Pb進行描述性統計分析(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檢驗表明，Pb呈對數正態分布。

圖1 研究區土壤重金屬樣品分布圖

1.3 評價標準及方法

以區域土壤元素背景值為基礎，同時將土壤基線值作為評價研究區土壤是否受到重金屬污染的標準。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)、《國家土壤環境質量標準》(GBl5618—1995)中的二級標準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、土壤是否嚴重污染，需要進行重金屬污染修復的標準。據此，將礦區土壤中重金屬Pb元素含量的污染嚴重的程度指標劃分為四個等級(見表2)，分為無積累、有積累、有污染、嚴重污染四類。

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬的空間結構分析

地統計學方法與描述性統計分析相比，可以最大限度的保留統計對象在空間上的變異信息，因此也能很好地描述本研究區中重金屬含量的空間變異 結構特征。由研究區重金屬元素Pb含量，優選出一個最精確的預測結果。優選預測結果的原則包括以下三個方面：

1)預測結果是無偏的，則標準化預測誤差值應接近于零；

2)預測結果的不確定性是有效的，則平均標準預測誤差和標準化預測誤差值越接近越好；

3)預測結果的標準誤差是有效的，那么均方根標準預測誤差越接近于1越好。

根據上述三條原則，獲得淮南礦區土壤重金屬Pb含量最優插值法及其半變異函數模型，得到的結果及相應參數見表3。

表1 研究區土壤重金屬元素Pb含量描述性統計結果(mg/kg)

表2 淮南礦區土壤重金屬Pb污染程度等級(重金屬含量單位mg/kg)

表3 Pb的半方差函數理論模型及相關參數

從表3可以看出，土壤元素Pb的半方差函數理論模型符合球面模型，元素Pb的半變異函數的 塊金值/基臺值(C0/C0+C)為56.31%，具有中等程度的空間相關性，說明Pb除了受自然因素的控制外，也受到人類活動的影響，如與工農業活動、城市化發展、礦業開采等人類活動有很大的聯系。

變程反映的是所研究的變量在空間上的自相關范圍大小，在本研究區內，土壤元素Pb的變程為3 559.09 m，這說明Pb在3 559.09 m范圍內具有空間自相關性。

2.2 土壤重金屬Pb的空間分布特征

采用ArcGIS地統計分析擴展模塊克里格最優插值對淮南表層土壤中Pb含量進行分析，半方差函數模型(球面模型)為計算模型，得到礦區土壤Pb元素污染程度的空間分布情況圖，見圖2。

圖2 淮南礦區土壤Pb元素污染評價圖

由圖2可知，礦區土壤中Pb元素的污染程度分為三級：有污染、有積累、無積累。其中“有污染”區域在空間上呈多區塊分布，在北部，分布于蒼溝—牛家橋—劉魏橋一帶，主體分布呈東西向延展；在東部，分布于金家嶺—舜耕山—幸福堤一線；在西南部，分布于西淝河一帶?！盁o積累”區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 淮南礦區土壤重金屬Pb來源分析

淮南是一個有著百年開采歷史的礦區城市，煤礦生產過程中產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年對阜新露天煤礦區進行生態風險分析中發現，煤礦開采活動會造成礦區土壤的重金屬污染。崔龍鵬等2004年對淮南市礦區土壤污染進行調查時發現，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。

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

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

3 結 語

1)淮南市礦區表層土壤重金屬元素Pb含量的統計結果表明，分析數據經對數轉換后服從正態分布，礦區土壤中采樣點的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)，采樣點的0.74%超過了《國家土壤環境質量標準》(GBl5618—1995)中的二級標準。

2)研究區土壤元素Pb的半方差函數理論模型符合球面模型，元素Pb的半變異函數的 塊金值/基臺值(C0/C0+C)為56.31%，具有中等程度的空間相關性。

3)采用簡單克里格插值得到了淮南市礦區表層土壤重金屬Pb元素污染程度空間分布圖，可知重金屬Pb“累積”和“有污染”的區域主要集中在在北部蒼溝—牛家橋—劉魏橋一帶，以及東部，分布于金家嶺—舜耕山—幸福堤一線。

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