宿州市西城区灵璧石加工地周边表层土壤重金属污染情况分析及评价

汪 玲,冯松宝,闵 宁

(宿州学院 资源与与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

安徽省宿州市不仅是两淮煤矿的重要组成部分[1]，也是灵璧石的产地。灵璧石具有非常高的观赏价值和收藏价值，被誉为我国四大观赏石之首。随着人们生活水平的提高，藏石者也越来越多，使得灵璧石的市场需求也在不断的增加，因此带动着灵璧石的开采和加工产业的迅猛发展[2]。灵璧石主要矿物成份为方解石，灵璧石中含有镍、铬等微量元素[3]。在灵璧石加工的过程中会产生粉尘，这些粉尘颗粒不仅含有灵璧石中的微量元素，还可吸附环境中的重金属元素，因其具有沉降速度快、影响范围广等特点，因而对周边土壤中重金属进行检测也成为评判区域生态环境质量的一项重要指标。

近年来，很多学者对宿州市土壤中的重金属元素进行了相关研究，研究的内容为：土壤重金属元素化学基线[1]、河流周边土壤[4]、城区主干道两侧土壤[5]、耕地土壤[6]、煤矿区农田土壤[7-9]、河流底泥[10]等。但是并没有灵璧石加工对周边土壤重金属元素影响的相关报道。因此，本试验选取的采样地点位于宿州市天下第一石·文博城(以下简称为“灵璧石文博城”)周边，该地紧邻宿州市陈河水源保护区，因此对其周边土壤进行重金属检测显得十分必要。

图1 采样点分布图

本文通过实地采样和测试分析，评估灵璧石文博城附近土壤中重金属元素的污染现状，利用数理统计手段，对土壤中重金属元素的来源进行初步分析，并对重金属污染进行评价。以期为水源地重金属污染的分析和修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

宿州市位于安徽省淮北平原北部(东经116°09'-118°10'、北纬33°18'-34°38')，属于典型的暖温带半湿润季风气候。宿州市灵璧石文博城位于宿州市市中心正南方，北邻外环南路，西邻陈河，东邻淮海南路，南邻五里庄，其中，陈河是宿州市水源保护区，外环南路和淮海南路车流量比较大，灵璧石文博城主要是以加工、出售灵璧石为主。

1.2 采样与前处理

2019年7月在研究区域内用GPS对采样点进行定位，共设置了22个采样点(如图1)。采样区域位于陈河边的灵璧石文博城周边，每间隔100m布置一采样点。由于其南边为五里庄，道路地面已经全部硬化，因此仅对灵璧石文博城三面和中间部分的土壤进行了采样，采样的深度为0～15 cm，用四分法将采取的样品取回后自然风干，去除树根等杂物并进行研磨后过100目尼龙筛，将处理好的样品放入已经编号的聚乙烯样品袋中备用。

1.3 样品的测试与数据处理

样品测试由安徽省煤矿勘探工程技术研究中心实验室承担。采用XRF荧光光谱仪和ICP-MS，获得重金属的含量数据。为了控制样品测量的准确性，每测定四个样品就要进行一次校正并且回测一次土壤标准样品标准值(GSS-16)，最终测试的数据用Excel和Spss软件进行分析。

1.4 土壤重金属评价方法

因采样点分布范围小，所以本文只采用单因子指数法来分别评价单个重金属元素的污染状况。单因子指数法的计算公式为：Pi=Ci/Si，其中，Pi为土壤中污染物i的污染指数，Ci为土壤中污染物的实测浓度，Si为土壤中污染物的评价标准，本文采用的标准为安徽省土壤元素含量背景值。杨胜香[11]根据Pi的值将污染的等级划分为5类:Pi≤0.7为安全，0.73为重污染。

2 结果与分析

2.1 重金属含量结果

依据测试结果，将宿州煤矿区大气降尘中八种重金属元素的含量的测定值和统计特征值列于表1。依据表1的特征值可以看出：(1)测得的土壤中重金属的平均含量由多到少分别为Mn、Cr、Pb、Cu、As、Co、Ni、Cd，其中测得的Co、Cr、Pb、As、和Cd的平均值分别为10.95、66.69、35.73、15.16和0.22 mg·kg-1都超过了安徽省土壤背景值，分别高出背景含量的1.03倍、1.05倍、1.35倍、1.66倍和3.27倍。Mn、Cu、Ni均未超出背景。(2)变异系数(coefficient of variation，CV)可以用来表征数据的离散程度[12]。根据变异系数的数值高低可以将变异系数分为高度变异(CV>0.36)、中等变异(0. 16

表1 采样点表层土壤中重金属元素的统计特征值

2.2 重金属元素之间的相关性分析

对土壤重金属元素进行相关性分析可以衡量重金属元素之间的密切程度以及来源辨识[7-8]，利用spss软件分析的结果如表2。从表2可以看出Cr-Ni、Pb-Mn、Pb-Co、Pb-As、Mn-Co之间成显著正相关，其中Pb与Mn的相关性系数最大达到0.746。Cr和Ni之间的关联性比较强，说明这两种元素具有同一来源，这也与林跃胜[15]和吕建树[16]研究保持一致。Cr和Ni的来源可能和灵璧石加工过程产生的粉尘有关。而Pb和Mn这两种重金属元素均与Co呈现出很高的相关性系数，由此可以推测出Pb、Mn、Co这三种重金属元素的污染源可能相同。

表2 采样点表层土壤重金属含量的相关性分析

2.3 主成分分析

通过主成分分析可以在多个变量中找到起主导作用的因素。对检测出的八种重金属元素进行主成分分析，其中，KMO取样适切性量数为0.552>0.5，巴特利特球形度检验显著性为0.001<0.05，这说明可以进行主成分分析。通过剔除主成分中特征值小于1的因子之后可以得到4个因子如表3所示。从表3中可以看出这四种主成分的累计方差贡献率达到了84.112%，即表示这4种主成分包含了这八种元素所能反映出大部分土壤中重金属的特征信息。第一成分方差贡献率为34.662%，其中Co在第一成分上有较大的载荷为0.909，而Mn和Pb的载荷次之。第二成分中起主导作用的是As；第三成分中主导因素有Cr和Ni；第四成分中起到主导作用的是Cu，因此结合表3可以得知推测出Cr和Ni的来源相似。

表3 采样点表层土壤中重金属元素旋转后的成分矩阵

2.4 重金属污染评价

由表4可以得出这八种重金属污染的程度是PCd(3.29)>PAs(1.61)>PPb(1.35)>PCr(1.05)>PCo(1.04)>PMn(0.9)>PCu(0.82)>PNi(0.46)。其中污染程度最高的是Cd属于重度污染，而且超标土样达到采样的土壤的100%，且Cd的污染指数的变异系数属于低度变异。污染程度最低的是Ni属于安全，但是其变异系数最大。另七种元素的Pi值均低于2，故无中度污染。 Cr、As、Pb和Co的Pi值在1～2之间属于轻度污染，这4种重金属污染指数的变异属于低度变异，其中Pb、Cd和As超标土样的比率也达到了100%。Cu和Mn的Pi在0.7～1.0之间属于警戒级，系数在0.16～0.36之间。

表4 采样点表层土壤中重金属元素单因子污染指数及污染等级

3 结论

(1)对22个采样点进行测试发现Cd的值超出安徽省土壤背景值3.27倍，通过统计和污染评价发现Cd的变异系数最小且属于重度污染，说明外界对Cd元素含量影响比较小，可能和环境中的土壤母质有关。

(2)通过相关性分析和主成分分析，可以得到Cr和Ni之间的关联性比较强，而且污染源相似这可能和灵璧石加工过程产生的粉尘有关。通过单因子指数对污染进行评价发现Cr和Ni的污染程度分别是轻度污染和安全级，即灵璧石加工对水源地的土壤污染影响较小。其中，Ni的变异系数达到0.91属于高度变异，这可能是Ni受土壤侵蚀和流失量大所引起的。

(3)在进行相关性分析是发现Co和Mn、Pb有很强的关联性，对八种重金属进行主成分分析时发现第一成分中Co的载荷最大达到0.909，而Mn、Pb的载荷也达到了0.733和0.628，由此可以推测出Co、Mn、Pb这三种重金属元素的污染源相同，这可能和采样点位于城市主干道，受城市交通影响而产生的污染有关。

(4)通过主成分分析得知As在第二成分中起主导作用，属于轻度污染，且样品超标率达到100%，其来源可能和煤矿开采等相关的矿业生产活动相关。