秦皇岛庙沟铁矿区域土壤重金属污染分布特征研究

彭帅 张鉴达 董依欣 赵文英 王红营 邱梦如 胡国云 常春平

摘要：在庙沟铁矿4个区域（排土场、尾矿库、采矿场和生活区）采集土壤样品50个，以Cd、Cu、Pb、Zn为目标元素，采用ICP-AES电感耦合等离子体原子发射光谱法测定元素含量，借助反距离加权插值法揭示该区域表层土壤中重金属元素的空间分布特征，并通过内梅罗综合指数法对区域重金属污染进行评价。结果表明，4种元素富集程度为Cd>Cu>Pb>Zn，且Cd、Pb、Zn 3种元素间在空间分布上具有相似性和伴生规律；庙沟铁矿4个区域的综合污染评价指数分别为采矿场1.67、排土场2.63、尾矿库1.81、生活区1.41；由于常年主导风向的影响，矿区土壤重金属元素在东北西南一线的呈带状分布，尾矿库区域重金属的平均含量及污染程度均为下风向的东北方向最大，上风向的西南方向最小。

关键词：土壤重金属；分布特征；评价；庙沟铁矿

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）21-5246-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.011

Study on the Distribution Characteristic of Heavy Metals to the Soil

in Miaogou Iron Mining Area，Qinhuangdao

PENG Shuai1，ZHANG Jian-da1， DONG Yi-xin2，ZHAO Wen-ying3，WANG Hong-ying1，

QIU Meng-ru1，HU Guo-yun1，CHANG Chun-ping1

（1.College of Resource and Environment Sciences/Hebei Key Laboratory of Environment Change and Ecological Construction，Hebei Normal University， Shijiazhuang 050024，China；2. Hebei Institute of Communications， Shijiazhuang 050071，China；3. Hebei Environmental Monitoring Center Station， Shijiazhuang 050056，China）

Abstract： 50 soil samples were obtained from Miaogou surrounding regions. Taken Cd， Cu， Pb， Zn as the target elements were drug and be analyzed by ICP-AES. The spatial distribution characteristics of soil heavy metals in study region were uncovered by IDW. The author introduced single factor index and Nemertine comprehensive index method to evaluated heavy metal contaminated area. The results show that： 1.four kinds of element enrichment degree is Cd > Cu > Pb > Zn， and Cd， Pb，Zn has a similar associated rules in the spatial distribution； 2.the Nemerow index of Miaogou Iron Mine in different areas are：Mining field 1.67，dump 2.63，1.81 tailings，1.41 living area； 3.because of the influence of the perennial dominant wind direction，soil heavy metal elements in the zonal distribution of northeast and southwest line， the average content and pollution degree of heavy metal tailing area is northeast Southwest wind maximum， the wind direction on the minimum.

Key words： soil heavy metal； distribution； assessment；Miaogou iron mine

矿区周边土壤重金属污染已经成为重要的环境污染问题[1]。矿山开采、选矿、排土等工序，以及尾矿和废石的露天堆放以不同形式造成周边土壤中重金属的富集和迁移，也导致矿区土壤重金属元素的空间分布差异[2]。学者从地球化学、金属元素动态变化、重金属释放和迁移机制等途径研究矿山土壤重金属污染的污染特征和迁移机制[3-6]，而基于GIS技术对土壤重金属空间分布进行研究能在一定程度上克服重金属元素空间变异的复杂性，直观地表现土壤重金属的分布特征[7，8]。

目前，国内采用GIS技术对土壤重金属空间分布特征的研究主要集中在城市、农田、工厂等区域[9-11]，针对矿山区域的研究则较少。本研究利用ArcGIS中反距离加权插值（IDW）模块对庙沟铁矿采矿场、排土场、尾矿库和生活区4个区域土壤中重金属含量进行空间分析和污染评价，从而揭示庙沟铁矿区域土壤重金属的水平空间分布规律和污染状况，旨在为庙沟矿区的土壤重金属污染治理和生态环境修复提供科学依据。

1 研究区概况

庙沟铁矿位于秦皇岛市青龙满族自治县祖山镇西南4.5 km处，建于1987年，主要矿藏为磁铁矿、少量褐铁矿。庙沟铁矿矿区内地层总体为单斜构造，岩层走向北北东，两线以南倾向西，两线以北倾向东，倾角70°～84°，局部直立。矿区所在区域属暖温带大陆性季风气候，雨水丰富，常年主导风向为西南风。土壤类型以棕壤土为主，分布在山麓和岭根地带，成土母岩为洪积物，淋溶淀积层较厚，富含铁锰结核，通体呈棕或棕褐色，无石灰反应。矿区周边无其他工矿企业，土壤pH 6.5～7.8。根据铁矿石成分与研究区土壤重金属含量背景值，本研究选取有色金属矿区易超标的4种元素Cd、Cu、Pb、Zn作为研究的目标元素。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集

根据庙沟铁矿的功能分区，分别对采矿场（M1）、排土场（M2）、尾矿库（M3）和生活区（M4）进行采样，尾矿库在西北、东北、东南、西南4个方向按由近及远设置样点16个。采矿场、排土场、生活区根据实地情况，采用随机布点的方式，分别布设采样点数为7个、14个、14个。所有样点用不锈钢土钻采集深度为0～20 cm表层土壤样本，每个点混合采样1.0 kg，用四分法取0.5 kg装入密封样品袋带回。采样布点见图1。

2.2 土壤样品的处理与分析

土壤样品经自然风干后，除去样品中的石块、植物根茎等杂物，然后采用四分法取混合样磨碎过100目土壤筛。样品经过前期预处理后，准确称取0.100 g，置于聚四氟乙烯罐中，加入5 mL硝酸、2 mL氢氟酸，放于北京普利泰科仪器有限公司生产的ST-60型自动消解仪中于140 ℃加热1 h，加入1 mL高氯酸后升温到160 ℃加热1 h，升温到180 ℃加热45 min后取下回流漏斗，赶酸至近干。冷却后用去离子水定容至25 mL待测，采用ICP-AES电感耦合等离子体原子发射光谱法测定元素含量。数据分析采用Excel2010软件和SPSS19.0软件。

2.3 土壤重金属评价方法与标准

2.3.1 评价方法 采用单因子指数法和内梅罗综合指数法对矿区土壤重金属进行污染评价，具体方法参见文献[12，13]。

2.3.2 评价标准 选用河北省土壤元素背景值作为评价标准，虽然土壤环境背景值只能代表土壤环境发展中一个阶段的相对意义上的值，但土壤元素背景值依旧是区域土壤环境质量评价，特别是土壤污染综合评价的重要标准[14]。参照单因子污染指数法和内梅罗综合指数法分级方法，划定土壤环境污染评价等级（表1）。

3 结果与分析

3.1 土壤重金属元素含量描述统计

庙沟铁矿区土壤重金属含量见表2，矿区周边土壤重金属含量的均值全部高于河北省土壤环境背景值，元素按富集程度依次为Cd>Cu>Pb>Zn，Cd的含量的最大值达到了背景值的8倍，不同区域各元素平均含量值差异比较显著。

3.2 土壤重金属元素分布特征

3.2.1 土壤重金属含量空间分析 根据各样点土壤重金属含量，应用ArcGIS 10.1软件中的IDW（反距离加权插值法）空间插值模块进行空间分析。反距离加权插值法是一种加权平均内插法，即认为所有样点都对周边区域产生影响，这种影响随着距离增大而减小[15]。分析结果如图2所示，排土场、尾矿库区域含量较高，矿区土壤重金属元素基本呈岛状分布。排土场区域Cd、Pb、Zn 3种元素呈现由区域中心向四周扩散的趋势，这是由于该区域中心地势高、四周坡度陡，雨水淋溶作用造成的。尾矿库区域土壤重金属元素含量见图3所示，该区域Cd、Pb、Zn 3种元素表现出距离增加而含量减少的规律，Cu元素的这种规律并不明显。尾矿库不同方向上土壤重金属含量：NE>NW>SE>SW，且4种元素的最大值均出现在东北方向上，表明常年主导风向西南风造成尾矿粉尘降落在下风向较多，重金属富集最严重。4种元素在西北和西南方向500 m处采样点均出现相对高值的情况，可能是由于西北、西南方向采样点接近另一重要释放源排土场边界的缘故。

3.2.2 土壤重金属元素相关性分析 使用SPSS 19.0统计软件分析4种土壤重金属含量的相关性（表3）。Cd、Pb、Zn 3种元素相关性呈显著正相关，相关系数均在0.7以上，Cu与这3种元素的相关性不强，与徐争启[16]在攀枝花铁矿区的研究结果一致。这可能是该区域地球化学元素背景和人为活动共同影响的结果。结合图2可知，Cd、Pb、Zn 3种元素的空间分布具有极强的相似性，通过叠置分析发现3种元素含量在背景值两倍以上的面积的重合率达到72.8%，说明这3种元素在空间分布上具有一定的伴生规律。

3.3 评价结果

由表4和图4可知，单项污染指数表现为Cd>Cu>Pb>Zn，综合指数评价结果排土场>尾矿库>采矿场>生活区，所有区域的综合指数均大于1.0。轻微污染区域为1 378 237 m2，占研究区总面积的40%，主要集中于生活区、采矿场南部和尾矿库南部；中度污染区域为1 788 943 m2，占总面积的52%，整体在东北至西南一线呈带状分布；重度污染区域面积220 099 m2，占总面积的8%，集中于排土场中心。排土场是综合污染指数最高的区域，达到2.63，这排土场地势较高，受盛行偏西风影响，采矿场的重金属粉尘随着风力抬升，降落到排土场造成重金属元素在该区域大量富集[17]。加之废渣土常年露天堆放，造成周围土壤释富集大量的重金属元素；其他3个区域的综合污染指数处于1.0～2.0区间内，属轻微污染水平。

4 结论

（1）土壤重金属元素含量分布和评价结果表明，庙沟铁矿区域土壤中Cd、Cu、Pb和Zn 4种重金属均值全部超过背景值，最严重的区域为排土场，其次为尾矿库、采矿场和生活区，富集程度差异较大。4种元素中，Cd元素污染贡献最突出，90%的样点单因子指数大于2，其次为Cu、Pb、Zn。