礦業城市不同功能區表層土壤中微量元素分布特征研究

黎承高　劉英　阮景超等

摘 要：以安徽省淮南市田家庵區和大通區為例，采集不同功能區城市表層土壤樣品，測定其pH值、可溶性鹽含量，以及Hg、As、Pb、Cr、Cd等5種微量元素的含量，研究微量元素在礦業城市不同功能區表層土壤中的分布特征與污染現狀。結果表明：研究區域土壤總體上呈弱酸性，并具有累積性；在5個功能區中，土壤中5種微量元素含量由高到低依次為Cr、Pb、As、Cd、Hg，其中，As、Pb、Cr3種元素含量的內梅羅指數遠遠大于3，均屬重度污染，而Hg、Cd的內梅羅指數小于0.7，屬清潔。

關鍵詞：礦業城市；微量元素；土壤；功能區；淮南市

中圖分類號 X131 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）06-67-04

Trace Elements Distribution in Topsoil of Different Functional Zone from Mining City

——Taking Huainan City of Anhui Province as an Example

Li Chenggao et al.

（School of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232000，China）

Abstract：Taking Tianjia'an and Datong district of Huainan city of Anhui province as an example，collecting the citys surface soil samples of different function areas，and determinating of pH value，salt content，as well as the content of 5 trace elements-Hg，As，Pb，Cr and Cd，studing the trace elements in the mining city of different functional areas distribution character and pollution of the present situation of layer in the soil. The results show that： the regional soil shows generally weak acidic soil，part of trace elements in has been shown to influence from mining activities，and it is cumulative；In the five functional areas，the content of five trace elements in soil from high to low are Cr，Pb，As，Cd，Hg The As，Pb and Cr contents of three elements in the Nemero index are greater than 3，belonging to heavily polluted，while the Hg and Cd of the Nemero index is less than 0.7，which belongs to the cleaning.

Key words：Mining city；Trace elements；Soil；Functional areas；Huainan City

淮南市位于中國淮河的中游，安徽省中部偏北，是我國重要的能源型城市，是全國億噸煤炭基地之一，同時也是華東地區的火電基地，但由于長時間無節制的開采，目前淮南已轉變為能源枯竭型城市。在滿足了人們對能源需求的同時，采礦對環境的影響也逐漸暴露，包括水土流失、植被破壞、土壤中微量元素的改變等一系列重要的環境問題。特別是在煤炭的開采、堆放、洗滌過程中，一些重金屬元素隨著液體介質發生遷移和滲透進入到土壤中，進而影響土壤中微量元素的含量。因此，測定煤礦區土壤中微量元素的含量，對于研究采礦活動對土壤中微量元素含量影響，并研制解決采礦對環境的危害有重大作用。隨著土壤污染越來越嚴重，國內外學者對土壤微量元素污染都開展了研究。例如，國外對土壤質量評價的研究是從土壤物理性質、化學性質以及生物指標3個方面進行。在國外，Mast[1]等采用土壤質量指數法對印度半干旱區土壤質量進行評價的研究。在國內，相關學者專家也較早開始對土壤質量評價的研究，如張松濱等對救災土壤質量評價法中提出了基準分析法[2]，他們發現基準分析法適合于多測點的對比分析評價；南忠仁等研究了甘肅省白銀市土壤環境質量[3]，針對干旱區土壤中的微量元素進行評價，按微量元素含量把當地區域分為3個區，對于當地有色金屬業的合理布局和發展具有指導意義。我國學者對土壤評價的方法目前主要有參數法、污染指數法、景觀生態學法、地統計模型、人工神經網絡模型以及綜合指數法等。

本次研究的對象主要為淮南市田家庵區和大通區2個地區，因為這2個地區都曾經有過大量的采煤活動，采礦活動頻繁，環境響應較大，而且還有大量的煤矸石和粉煤灰長期堆放在土壤中，大量金屬元素已經滲透進去，對周圍水質、土壤、植被造成了一定的破壞。本次研究根據我國土壤環境質量指標（GB15618-2008）[4]，依據采樣區域面積較大、地勢不平坦、土壤不均勻的情況，運用蛇形分布進行采樣，運用相關儀器測出采樣區pH值以及可溶性鹽，對As、Hg、Cd、Pb、Cr等元素在礦區土壤中的含量進行測定，并運用各種數學方法和計算機軟件對數據進行處理分析，得出礦區土壤中上述元素的含量。通過對比分析，得出采礦活動對土壤中微量元素含量的影響，并進行土壤質量評價，從而對采礦活動進行整治提供依據，為今后淮南土壤以及生態環境質量的評價、微量元素污染物控制和治理以及未來工農業發展提供科學的理論依據，對淮南田家庵區和大通區今后的土壤整治以及開發規劃等具有重要的指導意義。

1 試驗方法

1.1 采樣點位置 調查區位于淮南市田家庵區和大通區，該地區夏季盛行東南風，冬季盛行北風，全年平均氣溫較高，且四季差別大，季度降水分布不均。地形為丘陵地帶，屬于江淮丘陵的一部分，淮河南岸由東至西隆起不連續的地山丘陵，環山為一斜坡地帶，斜坡地帶以下交錯銜接洪沖積二級階地，舜耕山以北二級階地以下是淮河沖積一級階地，一級階地以下是淮河高位漫灘，漫灘以下是淮河濱河淺灘?；春右员逼皆貐^為河間淺洼平原，主要土壤有雞肝土、棕色石灰土、紫色土、潮土、淤土及硅質黃棕壤。將淮南市分為工業區（外窯村、前源村、馬廟等7個采樣點），風景區（張小圩、連崗、小東崗等5個采樣點），農村區（楊郢、孤堆、史院等11個采樣點），居民區（吳郢、馬廠集、松林村等8個采樣點），公共服務區（理工大、聯大、供電所等4個采樣點）5個主要功能區進行研究。由于研究區域面積較大，土壤分布不均勻，所以選用蛇形采樣法分別對5個功能區的土壤進行采樣，共選取35個采樣點（圖1）。

1.2 樣品采集 按照《土壤環境質量監測技術規范》[5]的規定確定監測單元，參照“一般要求每個監測單元最少應設3個點，在實驗區域內，根據土地利用方式和地形確定了約5個監測單元，在每個監測單元內，為避免土壤的不均勻和消除偶然誤差采用蛇形采樣法采集7個0～20cm的表層土壤樣品，并作為一個監測點，每個樣品都采用GPS定位。具體方法：用鐵鍬除去表層3～5cm的土壤后，將環刀放上，換刀柄套在環刀上，用鐵鍬挖出，然后用刀子整平環刀上下口處，蓋上蓋子即可，然后做好標記裝袋帶回實驗室。

1.3 實驗方法 pH值測定用pH計，水溶性鹽用烘干稱重法，微量元素中As和Hg測定應用原子熒光分光光度計法，Cd、Cr、Pb測定應用原子吸收分光光度計法。微量元素測定實驗在華東冶金地質勘查局中心實驗室完成。

2 結果與分析

2.1 pH值與可溶性鹽分布特征 對所有采樣樣品進行pH值和可溶性鹽測定，根據測定結果得出各個功能區pH平均值，且將各功能區pH平均值作柱狀圖，如圖2。由圖2可知：pH值含量從高到低依次為工業區、居民區、農村區、公共服務區、風景區，其值分別為6.84、6.61、6.54、6.33、6.23。35個采樣點pH平均值均在6～7，平均pH值為6.55，說明土壤偏酸性。根據測定結果求各個功能區水溶性鹽平均值，將各功能區水溶性鹽平均值作柱狀圖，如圖3。由圖3可知：水溶性鹽平均值的含量從高到低的功能區依次為居民區、風景區、農村區、公共服務區、工業區，其值分別為3.67%、3.53%、2.05%、1.50%、1.31%。

2.2 微量元素分布特征 依據微量元素含量實驗結果，單純從元素上比較可知，微量元素含量從高到低依次為Cr、Pb、As、Cd、Hg。依據實驗數據計算各城市功能區的相關微量元素的樣本數、最大值、最小值、平均值、方差（表1），從表1可知：在工業區As的平均值為14.02，均方差為5.43；Hg的平均值為0.18，均方差為0.09；Pb平均值為25.01，均方差為5.18；Cd平均值為0.28，均方差為0.12；Cr平均值為50.01，均方差為6.52；其他功能區在表1中均可一一呈現。As含量在工業區最高，在居民區最低；Cd含量在工業區最高，在公共服務區最低；Cr含量在風景區最高，在農村區最低；Hg含量在居民區最高，在公共服務區最低；Pb含量在公共服務區最高，在居民區最低。

2.3 微量元素污染評價 通過土壤中微量元素含量的測定，可以反映土壤微量元素的污染特征。本次研究采用一種綜合評價方法即內梅羅綜合污染指數模型，采用這種模型綜合考慮了采樣區最大污染物含量和平均含量，以更好的說明整個區域的土壤質量現狀。經過計算與分析得出結果，詳見表2。從表2可知，在工業區、居民區、風景區、農村區、公共服務區5個大區中，As、Cr、Pb3種元素含量的內梅羅指數遠遠大于3，均屬重度污染，而Hg和Cd的內梅羅指數小于0.7，均屬清潔。該結果可以為土壤改良提供基礎資料，為有關部門治理土壤環境提供依據。

3 結論

（1）就土壤中pH分析可知，pH都略小于7，土壤呈弱酸性；就水溶性鹽含量而言，在5個功能區中居民區含量最高，工業區含量最低。

（2）在5個功能區中，土壤中5種微量元素含量由高到低依次為Cr、Pb、As、Cd、Hg。As含量在工業區最高，在居民區最低；Cd含量在工業區最高，在公共服務區最低；Cr含量在風景區最高，在農村區最低；Hg含量在居民區最高，在公共服務區最低；Pb含量在公共服務區最高，在居民區最低。

（3）通過內梅羅污染指數模型可知，采樣區5個功能區As、Cr、Pb指數高，屬嚴重污染；Cd、Hg指數較低，屬清潔。

參考文獻

[1]Snith JL.Defining Soil Quality for a Sustainable Environment[J].Soil Science Society of Ameriea，Ine，Madison，Wiseonsin USA，1994：149-157.

[2]張松濱.土壤環境質量評價中的基準分析法[J]，農業環保，1990，9（2）：43-45

[3]南忠仁.甘肅省白銀市中心區土壤環境質量評價[J].西北師范大學學報（自然科學版），1994，30（1）：83-55.

[4]國家環境保護局.GB15618-2008土壤環境質量指標[S].北京：中國標準出版社，1995.

[5]《土壤環境質量監測技術規范》HJ/T 166-2004 2004-12-09.

[6]蔡峰，李澤功，林柏泉，等.淮南礦區煤矸石中微量元素的研究[J].煤炭學報，2008，33（8）.

[7]寇士偉，蔡素英，張博，等.云浮礦區土壤Cd、Pb形態分布及潛在生態風險評價[J].暨南大學學報（自然科學版），2011，32（1）：48-52.

[8]盧嵐嵐，劉桂建，王興明，等.淮南顧橋礦土壤環境中微量元素的分布及其生態風險評價[J].中國科學技術大學學報，2014，44（2）.

[9]李洪偉.淮南礦區土壤重金屬污染的初步調查研究[D]. 淮南：安徽理工大學，2006.

[10]后文廣，江聰世，熊慶文，等.基于GIS的土壤質量評價[J].武漢大學學報（信息科學報），2003，28（1）：60-64.

[11]肖智，劉志偉，畢華.土壤微量元素污染研究述評[J].安徽農業科學，2010，38（33）：18812-18815.

[12]中國環境監測總站.中國土壤元素背景值[M].北京：中國環境科學出版社，2008.

[13]王潤福，曹金亮.煤礦區土壤環境質量評價[J].水文地質工程地質，2008，4：120-122，125.

[14]汪景寬，趙永存，張旭東，等.海倫縣土壤微量元素含量的空間變異性研究[J].土壤通報，2003，34（5）：398-403.

[15]李朝奎，王利東，李吟，等.土壤微量元素污染評價方法研究進展[J].礦產與地質，2011，25（2）：172-176。

[16]崔龍鵬，白建峰，史永紅，等.采礦活動對煤礦區土壤中重金屬污染研究[J].土壤學報，2004，41（6）：896-904.

[17]張明亮，王海霞.煤礦區矸石山周邊土壤重金屬污染特征與規律[J].水土保持學報，2007，21（4）：189-192.

[18]唐修義，黃文輝.煤中微量元素及其研究意義[J]，中國煤田地質，2002，24（S1）.

[19]孫賢斌.淮南市土壤重金屬污染生態研究[D].淮南：安徽理工大學，2003.

[20]白建峰，史永紅，崔龍鵬，等.煤矸石堆積對礦區土壤中重金屬的影響[J].安徽理工大學學報（自然科學版），2004，24（增刊）：l0-15. （責編：張宏民）