金礦區(qū)土壤鉛和銅空間結(jié)構(gòu)及變異規(guī)律

石娟娟　趙艷玲　何廳廳等

摘要：以某金礦區(qū)周邊土壤重金屬Pb、Cu為研究對象，采用GIS、地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法對該研究區(qū)土壤重金屬的空間結(jié)構(gòu)及變異規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明：Pb、Cu含量均值分別為713.358、108.828 mg/kg，兩者的變異系數(shù)均大于1，屬于強(qiáng)變異。Pb、Cu的空間分布相關(guān)系數(shù)為0.978，達(dá)到極顯著相關(guān)水平，表現(xiàn)出極強(qiáng)的協(xié)同作用。Pb、Cu的含量分布均不符合正態(tài)分布，經(jīng)對數(shù)變換后，K-S值大于0.05，且P-P圖上2種重金屬的特征數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)直線趨勢。Pb、Cu存在半方差結(jié)構(gòu)，且二者的最優(yōu)擬合模型分別為指數(shù)模型、球狀模型。Pb、Cu的變程分別為450、236 m，Pb的變異程度強(qiáng)于Cu。二者的塊基比分別為0.51×10-3、0.11×10-2，均小于0.25，說明二者有很強(qiáng)的空間自相關(guān)性。Pb含量呈團(tuán)狀分布，Cu含量呈條帶狀分布，均表現(xiàn)出東南高、西北低的特征。

關(guān)鍵詞：空間結(jié)構(gòu)；空間插值；空間自相關(guān)性；重金屬污染

中圖分類號： X53；S127；X753 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0373-03

收稿日期：2013-10-24

基金項(xiàng)目：教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（編號：NCET-12-0964）。

作者簡介：石娟娟（1987—），女，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事國土資源遙感研究。E-mail：sjj090312@163.com。土壤重金屬容易通過揚(yáng)塵、植物、人類活動等途徑進(jìn)入人體，從而嚴(yán)重影響人類健康。除此之外，重金屬污染還具有環(huán)境危害持久性、地球化學(xué)循環(huán)性、生態(tài)風(fēng)險性等[1-3]。礦山開采是重金屬污染的重要來源，礦山開發(fā)過程中產(chǎn)生的大量廢棄物如尾礦、廢石隨處堆放，不僅占用大量土地，而且破壞堆置場原有的生態(tài)環(huán)境[4-5]。研究礦區(qū)重金屬的空間結(jié)構(gòu)及分布特征對于制定重金屬污染修復(fù)方案、提高土壤利用率具有重要意義。重金屬在土壤中的分布是不均一的、連續(xù)變化的，具有高度的空間變異性。傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析方法通常將土壤看作是一個獨(dú)立的均質(zhì)區(qū)域，通過土壤的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來描述土壤的空間變異，因此存在較多局限性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)能定量描述區(qū)域化變量空間的變異特征，克立格插值能可視化土壤特性空間分布格局，并為其空間預(yù)測提供最優(yōu)無偏估計(jì)[6]。Pb、Cu是土壤重金屬空間變異研究的重要對象。劉瓊峰等對城郊農(nóng)田土壤Pb、Cd的空間變異性研究發(fā)現(xiàn)，城市中人類活動在一定空間尺度內(nèi)對近郊區(qū)農(nóng)田土壤Pb、Cd含量有較大的影響，通過半方差函數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)空間變異由結(jié)構(gòu)性因素、隨機(jī)因素共同作用[7]。白曉宇等對銅陵礦區(qū)土壤重金屬元素的空間變異研究發(fā)現(xiàn)，銅陵礦區(qū)土壤重金屬As、Cd、Pb、Zn元素的變異函數(shù)表現(xiàn)為各向異性，其方向性主要受礦床分布控制[8]。本研究以金礦區(qū)周邊土壤重金屬Pb、Cu為材料，利用GIS、地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法對該礦區(qū)Pb、Cu的空間結(jié)構(gòu)及變異規(guī)律進(jìn)行分析，以期為該礦區(qū)Pb、Cu污染治理提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

該研究區(qū)屬暖溫帶大陸性雨熱同季的季風(fēng)性干旱氣候，溫差較大，降水較少，氣候比較干燥。受成土母質(zhì)、外界環(huán)境影響，該區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)和類型差別較大，由南向北大體可分為棕壤、褐土、沙黏土、壚土4種土壤。

1.2樣品采集與分析

采用網(wǎng)格法布設(shè)采樣點(diǎn)，采集耕作層（0～20 cm）的土壤樣品，除去雜草、草根、礫石等雜物。每采樣點(diǎn)以1點(diǎn)為中心，在周圍50 m范圍內(nèi)采集3處子樣，通過混合四分法，保留 1 kg 樣品，裝入布袋。采樣、樣品保存、樣品處理過程中均采用非金屬容器，避免樣品污染。布設(shè)土壤采樣點(diǎn)時綜合考慮研究區(qū)成土母質(zhì)、土壤類型、地形條件等因素，采用網(wǎng)格法、分層抽樣法進(jìn)行設(shè)計(jì)。野外樣品采集過程中利用1 ∶50 000地形圖、 GPS進(jìn)行定位，并根據(jù)實(shí)地情況進(jìn)行調(diào)整，共獲得46個土壤樣點(diǎn)（圖1）。

采集的土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，用木棒研碎，過20目篩。室內(nèi)用高鋁缽粉碎均勻，待樣品粒度達(dá)到一定程度后過100目篩。采用等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測定土壤樣品中Pb、Cu 2種重金屬的含量。測定結(jié)果如表1所示。

1.3方法

地統(tǒng)計(jì)學(xué)也被稱為地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)，是以具有空間分布特點(diǎn)的區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以半方差函數(shù)為基本工具，運(yùn)用克里格插值法，對自然現(xiàn)象的空間變異問題進(jìn)行分析研究[9]。本研究采用SPSS19.0軟件對Pb、Cu的空間含量分布進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)并剔除異常值，采用GS+9.0進(jìn)行模型最優(yōu)擬合，最后在ArcGIS9.3軟件中應(yīng)用Kriging插值模塊，輸入擬合參數(shù)，內(nèi)插生成土壤中Pb、Cu的空間含量分布圖。

3結(jié)論

本研究結(jié)果表明，Pb、Cu含量均值分別為713.358、108.828 mg/kg，均超過了國家土壤環(huán)境二級標(biāo)準(zhǔn)。兩者的變異系數(shù)均大于1，屬于強(qiáng)變異。Pb、Cu的空間分布相關(guān)系數(shù)為0.978，達(dá)到極顯著相關(guān)水平，表現(xiàn)出極強(qiáng)的協(xié)同作用，而非拮抗。Pb、Cu的含量分布均不符合正態(tài)分布，經(jīng)對數(shù)變換后，K-S值大于0.05，且P-P圖上2種重金屬的特征數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)直線趨勢，說明對數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，可用于地統(tǒng)分析。Pb、Cu存在半方差結(jié)構(gòu)，且二者的最優(yōu)擬合模型分別為指數(shù)模型、球狀模型。Pb、Cu的變程分別為450、236 m，Pb的變異程度強(qiáng)于Cu。二者的塊基比分別為 0.51×10-3、0.11×10-2，均小于0.25，說明二者有很強(qiáng)的空間自相關(guān)性，表明Pb、Cu的含量分布主要受人為活動的影響。Pb含量呈團(tuán)狀分布，Cu含量呈條帶狀分布，均表現(xiàn)出東南高、西北低的特征，高值區(qū)均分布在東南角的山前沖積斜塬地區(qū)，且空間變異主要發(fā)生在東南到西北的方向。Pb的空間分布圖上圖斑數(shù)目要明顯多于Cu，這與Pb的強(qiáng)變異性密切相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：endprint

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