淮南市矿区土壤Pb元素含量的空间分布特征

刘玉娟，陈 俊

(1.安徽工业经济职业技术学院，安徽 合肥 230051；2.安徽省地质矿产勘查局325地质队，安徽 淮北 235000)

0 引 言

土壤是人类生存与发展的基础要素，也是自然地理环境的十分重要组成部分。随着工业化的持续推进、城市污染的加剧以及农业生产中化学元素的大量使用，污染物通过多种途径进入土壤。其中，矿业活动给生态和环境造成了严重的破坏，是土壤重金属污染的重要来源。近年来，由矿业活动导致的土壤重金属污染问题已经引起了国内外学者的广泛关注。崔龙鹏等探讨了采矿活动引起煤矿区土壤中重金属污染的影响，周建民等分析了大宝山矿区周围土壤中重金属污染在空间上的分布特征，周东美等对铜矿区重金属的污染分异规律进行了初步研究，Tavares等采用Kriging方法对Domingos矿区的重金属污染情况进行了分析研究，Moore等对伊朗东部Miduk矿区的重金属污染分布特征进行了分析评价。杨晓勇等对安徽淮南土壤污染开展全面性研究，李洪伟等 采用综合评价法开展淮南新集矿区土壤中重金属元素分析，王兴明、刘桂建等研究了淮南新庄孜煤矿矸石山土壤以及农作物中的重金属元素分布。就目前而言，在淮南矿区土壤重金属污染物的空间变异及空间结构等方面的研究还较少。因此，本文选择以淮南市矿区土壤重金属元素Pb为研究对象，采用地统计学分析方法，对其空间结构和分布特征进行分析研究，揭示矿区土壤重金属Pb元素在空间上的分布特征，了解矿区污染状况，分析污染形成原因，为淮南市的土壤环境质量评价做出基础性工作。

1 材料与方法

1.1 样品分析与样本点分布

采集研究区0～20 cm的表层土壤，首先采用8×8 km的网格法进行采样；随后，根据研究区特有的采矿活动的特点，在重点区域(采矿矿区)采取选择布点法进行采样补测。两次共采集样本点269个。具体采样分析方法按照《全国土壤污染状况调查技术规定》进行，在此不作赘述，详细样品空间分布见图1。元素Pb的测试采用X射线荧光光谱法。

1.2 数据处理

采用SPSS19.0软件对淮南市矿区土壤重金属元素Pb进行描述性统计分析(见表1)，可知土壤中元素Pb含量的范围在0.18～840.276 mg/kg之间，平均值为50.522 mg/kg。矿区土壤中元素Pb含量的平均值超过了淮南市“十二五”期间研究所获得的背景值(25.1 mg/kg)和元素Pb的土壤基线值(32.41 mg/kg)。K-S检验表明，Pb呈对数正态分布。

图1 研究区土壤重金属样品分布图

1.3 评价标准及方法

以区域土壤元素背景值为基础，同时将土壤基线值作为评价研究区土壤是否受到重金属污染的标准。本文研究选择以淮南市“十二五”期间研究所获得的背景值(25.1 mg/kg)、土壤基线值(32.41 mg/kg)、《国家土壤环境质量标准》(GBl5618—1995)中的二级标准分别作为判断土壤是否有重金属积累、土壤是否受到重金属污染、土壤是否严重污染，需要进行重金属污染修复的标准。据此，将矿区土壤中重金属Pb元素含量的污染严重的程度指标划分为四个等级(见表2)，分为无积累、有积累、有污染、严重污染四类。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属的空间结构分析

地统计学方法与描述性统计分析相比，可以最大限度的保留统计对象在空间上的变异信息，因此也能很好地描述本研究区中重金属含量的空间变异 结构特征。由研究区重金属元素Pb含量，优选出一个最精确的预测结果。优选预测结果的原则包括以下三个方面：

1)预测结果是无偏的，则标准化预测误差值应接近于零；

2)预测结果的不确定性是有效的，则平均标准预测误差和标准化预测误差值越接近越好；

3)预测结果的标准误差是有效的，那么均方根标准预测误差越接近于1越好。

根据上述三条原则，获得淮南矿区土壤重金属Pb含量最优插值法及其半变异函数模型，得到的结果及相应参数见表3。

表1 研究区土壤重金属元素Pb含量描述性统计结果(mg/kg)

表2 淮南矿区土壤重金属Pb污染程度等级(重金属含量单位mg/kg)

表3 Pb的半方差函数理论模型及相关参数

从表3可以看出，土壤元素Pb的半方差函数理论模型符合球面模型，元素Pb的半变异函数的 块金值/基台值(C0/C0+C)为56.31%，具有中等程度的空间相关性，说明Pb除了受自然因素的控制外，也受到人类活动的影响，如与工农业活动、城市化发展、矿业开采等人类活动有很大的联系。

变程反映的是所研究的变量在空间上的自相关范围大小，在本研究区内，土壤元素Pb的变程为3 559.09 m，这说明Pb在3 559.09 m范围内具有空间自相关性。

2.2 土壤重金属Pb的空间分布特征

采用ArcGIS地统计分析扩展模块克里格最优插值对淮南表层土壤中Pb含量进行分析，半方差函数模型(球面模型)为计算模型，得到矿区土壤Pb元素污染程度的空间分布情况图，见图2。

图2 淮南矿区土壤Pb元素污染评价图

由图2可知，矿区土壤中Pb元素的污染程度分为三级：有污染、有积累、无积累。其中“有污染”区域在空间上呈多区块分布，在北部，分布于苍沟—牛家桥—刘魏桥一带，主体分布呈东西向延展；在东部，分布于金家岭—舜耕山—幸福堤一线；在西南部，分布于西淝河一带。“无积累”区域空间上主要分布于北部、东部、中部和西部，在北部主要沿茨淮新河呈带状分布；在东部，分布于卢家河—窑岗坝—泥河一线，总体呈北东向延伸；在中部，分布于岗河—友谊桥一带，总体呈北西—南东向。

2.3 淮南矿区土壤重金属Pb来源分析

淮南是一个有着百年开采历史的矿区城市，煤矿生产过程中产生的煤矸石含有重金属元素如Pb、Cd、Zn、Cu等，元素通过大气降水渗入土壤，形成土壤的重金属污染来源之一。

马喜君等2006年对阜新露天煤矿区进行生态风险分析中发现，煤矿开采活动会造成矿区土壤的重金属污染。崔龙鹏等2004年对淮南市矿区土壤污染进行调查时发现，采矿历史越长，矿井周围土壤中越加集中富集重金属元素，尤其这些元素有较强的迁移性，从而使煤矸石堆中的重金属不断向周围土壤迁移富集。

由矿区土壤重金属元素Pb污染评价图(图2)可反映出，淮南矿区土壤重金属元素Pb含量以及污染程度的分布。首先，Pb有污染区域主要位于研究区北部，此处有很多矿业开采及生产活动。其中潘一矿、潘三矿、潘四矿以及丁集矿井的采矿生产活动很大可能是Pb累积和污染的重要来源。

其次，在研究区东部，重金属元素Pb有污染区域分布在舜耕山—金家岭—淮南西站—田家庵港一带，这一带位于大通区和田家庵区范围内，人口密集，交通量大，车辆排放的尾气中产生大量的Pb元素，可能是此处Pb污染的重要来源。Celine Siu-lan Lee等在对香港公园土壤的重金属污染研究时发现，车辆排放是铅污染的主要人为来源。此外，大通区是淮南的报废煤矿区，土壤中重金属元素积累显著，该区域的重金属元素Pb在一定程度上也会受到之前采矿活动的影响。

3 结 语

1)淮南市矿区表层土壤重金属元素Pb含量的统计结果表明，分析数据经对数转换后服从正态分布，矿区土壤中采样点的58.7%超过了淮南市十二五期间研究所获得的背景值(25.1 mg/kg)，39.4%超过了土壤基线值(32.41 mg/kg)，采样点的0.74%超过了《国家土壤环境质量标准》(GBl5618—1995)中的二级标准。

2)研究区土壤元素Pb的半方差函数理论模型符合球面模型，元素Pb的半变异函数的 块金值/基台值(C0/C0+C)为56.31%，具有中等程度的空间相关性。

3)采用简单克里格插值得到了淮南市矿区表层土壤重金属Pb元素污染程度空间分布图，可知重金属Pb“累积”和“有污染”的区域主要集中在在北部苍沟—牛家桥—刘魏桥一带，以及东部，分布于金家岭—舜耕山—幸福堤一线。

4)综合来看，研究区重金属元素Pb的累积和污染有多种来源。其中采矿生产活动和汽车尾气的排放等与元素Pb的分布密切相关，可能是研究区Pb累积和污染的重要来源。