秦皇島廟溝鐵礦區域土壤重金屬污染分布特征研究

彭帥 張鑒達 董依欣 趙文英 王紅營 邱夢如 胡國云 常春平

摘要：在廟溝鐵礦4個區域（排土場、尾礦庫、采礦場和生活區）采集土壤樣品50個，以Cd、Cu、Pb、Zn為目標元素，采用ICP-AES電感耦合等離子體原子發射光譜法測定元素含量，借助反距離加權插值法揭示該區域表層土壤中重金屬元素的空間分布特征，并通過內梅羅綜合指數法對區域重金屬污染進行評價。結果表明，4種元素富集程度為Cd>Cu>Pb>Zn，且Cd、Pb、Zn 3種元素間在空間分布上具有相似性和伴生規律；廟溝鐵礦4個區域的綜合污染評價指數分別為采礦場1.67、排土場2.63、尾礦庫1.81、生活區1.41；由于常年主導風向的影響，礦區土壤重金屬元素在東北西南一線的呈帶狀分布，尾礦庫區域重金屬的平均含量及污染程度均為下風向的東北方向最大，上風向的西南方向最小。

關鍵詞：土壤重金屬；分布特征；評價；廟溝鐵礦

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：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

礦區周邊土壤重金屬污染已經成為重要的環境污染問題[1]。礦山開采、選礦、排土等工序，以及尾礦和廢石的露天堆放以不同形式造成周邊土壤中重金屬的富集和遷移，也導致礦區土壤重金屬元素的空間分布差異[2]。學者從地球化學、金屬元素動態變化、重金屬釋放和遷移機制等途徑研究礦山土壤重金屬污染的污染特征和遷移機制[3-6]，而基于GIS技術對土壤重金屬空間分布進行研究能在一定程度上克服重金屬元素空間變異的復雜性，直觀地表現土壤重金屬的分布特征[7，8]。

目前，國內采用GIS技術對土壤重金屬空間分布特征的研究主要集中在城市、農田、工廠等區域[9-11]，針對礦山區域的研究則較少。本研究利用ArcGIS中反距離加權插值（IDW）模塊對廟溝鐵礦采礦場、排土場、尾礦庫和生活區4個區域土壤中重金屬含量進行空間分析和污染評價，從而揭示廟溝鐵礦區域土壤重金屬的水平空間分布規律和污染狀況，旨在為廟溝礦區的土壤重金屬污染治理和生態環境修復提供科學依據。

1 研究區概況

廟溝鐵礦位于秦皇島市青龍滿族自治縣祖山鎮西南4.5 km處，建于1987年，主要礦藏為磁鐵礦、少量褐鐵礦。廟溝鐵礦礦區內地層總體為單斜構造，巖層走向北北東，兩線以南傾向西，兩線以北傾向東，傾角70°～84°，局部直立。礦區所在區域屬暖溫帶大陸性季風氣候，雨水豐富，常年主導風向為西南風。土壤類型以棕壤土為主，分布在山麓和嶺根地帶，成土母巖為洪積物，淋溶淀積層較厚，富含鐵錳結核，通體呈棕或棕褐色，無石灰反應。礦區周邊無其他工礦企業，土壤pH 6.5～7.8。根據鐵礦石成分與研究區土壤重金屬含量背景值，本研究選取有色金屬礦區易超標的4種元素Cd、Cu、Pb、Zn作為研究的目標元素。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

根據廟溝鐵礦的功能分區，分別對采礦場（M1）、排土場（M2）、尾礦庫（M3）和生活區（M4）進行采樣，尾礦庫在西北、東北、東南、西南4個方向按由近及遠設置樣點16個。采礦場、排土場、生活區根據實地情況，采用隨機布點的方式，分別布設采樣點數為7個、14個、14個。所有樣點用不銹鋼土鉆采集深度為0～20 cm表層土壤樣本，每個點混合采樣1.0 kg，用四分法取0.5 kg裝入密封樣品袋帶回。采樣布點見圖1。

2.2 土壤樣品的處理與分析

土壤樣品經自然風干后，除去樣品中的石塊、植物根莖等雜物，然后采用四分法取混合樣磨碎過100目土壤篩。樣品經過前期預處理后，準確稱取0.100 g，置于聚四氟乙烯罐中，加入5 mL硝酸、2 mL氫氟酸，放于北京普利泰科儀器有限公司生產的ST-60型自動消解儀中于140 ℃加熱1 h，加入1 mL高氯酸后升溫到160 ℃加熱1 h，升溫到180 ℃加熱45 min后取下回流漏斗，趕酸至近干。冷卻后用去離子水定容至25 mL待測，采用ICP-AES電感耦合等離子體原子發射光譜法測定元素含量。數據分析采用Excel2010軟件和SPSS19.0軟件。

2.3 土壤重金屬評價方法與標準

2.3.1 評價方法 采用單因子指數法和內梅羅綜合指數法對礦區土壤重金屬進行污染評價，具體方法參見文獻[12，13]。

2.3.2 評價標準 選用河北省土壤元素背景值作為評價標準，雖然土壤環境背景值只能代表土壤環境發展中一個階段的相對意義上的值，但土壤元素背景值依舊是區域土壤環境質量評價，特別是土壤污染綜合評價的重要標準[14]。參照單因子污染指數法和內梅羅綜合指數法分級方法，劃定土壤環境污染評價等級（表1）。

3 結果與分析

3.1 土壤重金屬元素含量描述統計

廟溝鐵礦區土壤重金屬含量見表2，礦區周邊土壤重金屬含量的均值全部高于河北省土壤環境背景值，元素按富集程度依次為Cd>Cu>Pb>Zn，Cd的含量的最大值達到了背景值的8倍，不同區域各元素平均含量值差異比較顯著。

3.2 土壤重金屬元素分布特征

3.2.1 土壤重金屬含量空間分析 根據各樣點土壤重金屬含量，應用ArcGIS 10.1軟件中的IDW（反距離加權插值法）空間插值模塊進行空間分析。反距離加權插值法是一種加權平均內插法，即認為所有樣點都對周邊區域產生影響，這種影響隨著距離增大而減小[15]。分析結果如圖2所示，排土場、尾礦庫區域含量較高，礦區土壤重金屬元素基本呈島狀分布。排土場區域Cd、Pb、Zn 3種元素呈現由區域中心向四周擴散的趨勢，這是由于該區域中心地勢高、四周坡度陡，雨水淋溶作用造成的。尾礦庫區域土壤重金屬元素含量見圖3所示，該區域Cd、Pb、Zn 3種元素表現出距離增加而含量減少的規律，Cu元素的這種規律并不明顯。尾礦庫不同方向上土壤重金屬含量：NE>NW>SE>SW，且4種元素的最大值均出現在東北方向上，表明常年主導風向西南風造成尾礦粉塵降落在下風向較多，重金屬富集最嚴重。4種元素在西北和西南方向500 m處采樣點均出現相對高值的情況，可能是由于西北、西南方向采樣點接近另一重要釋放源排土場邊界的緣故。

3.2.2 土壤重金屬元素相關性分析 使用SPSS 19.0統計軟件分析4種土壤重金屬含量的相關性（表3）。Cd、Pb、Zn 3種元素相關性呈顯著正相關，相關系數均在0.7以上，Cu與這3種元素的相關性不強，與徐爭啟[16]在攀枝花鐵礦區的研究結果一致。這可能是該區域地球化學元素背景和人為活動共同影響的結果。結合圖2可知，Cd、Pb、Zn 3種元素的空間分布具有極強的相似性，通過疊置分析發現3種元素含量在背景值兩倍以上的面積的重合率達到72.8%，說明這3種元素在空間分布上具有一定的伴生規律。

3.3 評價結果

由表4和圖4可知，單項污染指數表現為Cd>Cu>Pb>Zn，綜合指數評價結果排土場>尾礦庫>采礦場>生活區，所有區域的綜合指數均大于1.0。輕微污染區域為1 378 237 m2，占研究區總面積的40%，主要集中于生活區、采礦場南部和尾礦庫南部；中度污染區域為1 788 943 m2，占總面積的52%，整體在東北至西南一線呈帶狀分布；重度污染區域面積220 099 m2，占總面積的8%，集中于排土場中心。排土場是綜合污染指數最高的區域，達到2.63，這排土場地勢較高，受盛行偏西風影響，采礦場的重金屬粉塵隨著風力抬升，降落到排土場造成重金屬元素在該區域大量富集[17]。加之廢渣土常年露天堆放，造成周圍土壤釋富集大量的重金屬元素；其他3個區域的綜合污染指數處于1.0～2.0區間內，屬輕微污染水平。

4 結論

（1）土壤重金屬元素含量分布和評價結果表明，廟溝鐵礦區域土壤中Cd、Cu、Pb和Zn 4種重金屬均值全部超過背景值，最嚴重的區域為排土場，其次為尾礦庫、采礦場和生活區，富集程度差異較大。4種元素中，Cd元素污染貢獻最突出，90%的樣點單因子指數大于2，其次為Cu、Pb、Zn。