礦業(yè)城市不同功能區(qū)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(qū)和大通區(qū)為例，采集不同功能區(qū)城市表層土壤樣品，測(cè)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(yè)城市不同功能區(qū)表層土壤中的分布特征與污染現(xiàn)狀。結(jié)果表明：研究區(qū)域土壤總體上呈弱酸性，并具有累積性；在5個(gè)功能區(qū)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(nèi)梅羅指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3，均屬重度污染，而Hg、Cd的內(nèi)梅羅指數(shù)小于0.7，屬清潔。

關(guān)鍵詞：礦業(yè)城市；微量元素；土壤；功能區(qū)；淮南市

中圖分類號(hào) X131 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(guó)淮河的中游，安徽省中部偏北，是我國(guó)重要的能源型城市，是全國(guó)億噸煤炭基地之一，同時(shí)也是華東地區(qū)的火電基地，但由于長(zhǎng)時(shí)間無節(jié)制的開采，目前淮南已轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉纯萁咝统鞘?。在滿足了人們對(duì)能源需求的同時(shí)，采礦對(duì)環(huán)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(huán)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(zhì)發(fā)生遷移和滲透進(jìn)入到土壤中，進(jìn)而影響土壤中微量元素的含量。因此，測(cè)定煤礦區(qū)土壤中微量元素的含量，對(duì)于研究采礦活動(dòng)對(duì)土壤中微量元素含量影響，并研制解決采礦對(duì)環(huán)境的危害有重大作用。隨著土壤污染越來越嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤微量元素污染都開展了研究。例如，國(guó)外對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究是從土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及生物指標(biāo)3個(gè)方面進(jìn)行。在國(guó)外，Mast[1]等采用土壤質(zhì)量指數(shù)法對(duì)印度半干旱區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究。在國(guó)內(nèi)，相關(guān)學(xué)者專家也較早開始對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究，如張松濱等對(duì)救災(zāi)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)法中提出了基準(zhǔn)分析法[2]，他們發(fā)現(xiàn)基準(zhǔn)分析法適合于多測(cè)點(diǎn)的對(duì)比分析評(píng)價(jià)；南忠仁等研究了甘肅省白銀市土壤環(huán)境質(zhì)量[3]，針對(duì)干旱區(qū)土壤中的微量元素進(jìn)行評(píng)價(jià)，按微量元素含量把當(dāng)?shù)貐^(qū)域分為3個(gè)區(qū)，對(duì)于當(dāng)?shù)赜猩饘贅I(yè)的合理布局和發(fā)展具有指導(dǎo)意義。我國(guó)學(xué)者對(duì)土壤評(píng)價(jià)的方法目前主要有參數(shù)法、污染指數(shù)法、景觀生態(tài)學(xué)法、地統(tǒng)計(jì)模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及綜合指數(shù)法等。

本次研究的對(duì)象主要為淮南市田家庵區(qū)和大通區(qū)2個(gè)地區(qū)，因?yàn)檫@2個(gè)地區(qū)都曾經(jīng)有過大量的采煤活動(dòng)，采礦活動(dòng)頻繁，環(huán)境響應(yīng)較大，而且還有大量的煤矸石和粉煤灰長(zhǎng)期堆放在土壤中，大量金屬元素已經(jīng)滲透進(jìn)去，對(duì)周圍水質(zhì)、土壤、植被造成了一定的破壞。本次研究根據(jù)我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)（GB15618-2008）[4]，依據(jù)采樣區(qū)域面積較大、地勢(shì)不平坦、土壤不均勻的情況，運(yùn)用蛇形分布進(jìn)行采樣，運(yùn)用相關(guān)儀器測(cè)出采樣區(qū)pH值以及可溶性鹽，對(duì)As、Hg、Cd、Pb、Cr等元素在礦區(qū)土壤中的含量進(jìn)行測(cè)定，并運(yùn)用各種數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出礦區(qū)土壤中上述元素的含量。通過對(duì)比分析，得出采礦活動(dòng)對(duì)土壤中微量元素含量的影響，并進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，從而對(duì)采礦活動(dòng)進(jìn)行整治提供依據(jù)，為今后淮南土壤以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)、微量元素污染物控制和治理以及未來工農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)的理論依據(jù)，對(duì)淮南田家庵區(qū)和大通區(qū)今后的土壤整治以及開發(fā)規(guī)劃等具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方法

1.1 采樣點(diǎn)位置 調(diào)查區(qū)位于淮南市田家庵區(qū)和大通區(qū)，該地區(qū)夏季盛行東南風(fēng)，冬季盛行北風(fēng)，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(xù)的地山丘陵，環(huán)山為一斜坡地帶，斜坡地帶以下交錯(cuò)銜接洪沖積二級(jí)階地，舜耕山以北二級(jí)階地以下是淮河沖積一級(jí)階地，一級(jí)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^(qū)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(zhì)黃棕壤。將淮南市分為工業(yè)區(qū)（外窯村、前源村、馬廟等7個(gè)采樣點(diǎn)），風(fēng)景區(qū)（張小圩、連崗、小東崗等5個(gè)采樣點(diǎn)），農(nóng)村區(qū)（楊郢、孤堆、史院等11個(gè)采樣點(diǎn)），居民區(qū)（吳郢、馬廠集、松林村等8個(gè)采樣點(diǎn)），公共服務(wù)區(qū)（理工大、聯(lián)大、供電所等4個(gè)采樣點(diǎn)）5個(gè)主要功能區(qū)進(jìn)行研究。由于研究區(qū)域面積較大，土壤分布不均勻，所以選用蛇形采樣法分別對(duì)5個(gè)功能區(qū)的土壤進(jìn)行采樣，共選取35個(gè)采樣點(diǎn)（圖1）。

1.2 樣品采集 按照《土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[5]的規(guī)定確定監(jiān)測(cè)單元，參照“一般要求每個(gè)監(jiān)測(cè)單元最少應(yīng)設(shè)3個(gè)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，根據(jù)土地利用方式和地形確定了約5個(gè)監(jiān)測(cè)單元，在每個(gè)監(jiān)測(cè)單元內(nèi)，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(gè)0～20cm的表層土壤樣品，并作為一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)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(huán)刀放上，換刀柄套在環(huán)刀上，用鐵鍬挖出，然后用刀子整平環(huán)刀上下口處，蓋上蓋子即可，然后做好標(biāo)記裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法 pH值測(cè)定用pH計(jì)，水溶性鹽用烘干稱重法，微量元素中As和Hg測(cè)定應(yīng)用原子熒光分光光度計(jì)法，Cd、Cr、Pb測(cè)定應(yīng)用原子吸收分光光度計(jì)法。微量元素測(cè)定實(shí)驗(yàn)在華東冶金地質(zhì)勘查局中心實(shí)驗(yàn)室完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH值與可溶性鹽分布特征 對(duì)所有采樣樣品進(jìn)行pH值和可溶性鹽測(cè)定，根據(jù)測(cè)定結(jié)果得出各個(gè)功能區(qū)pH平均值，且將各功能區(qū)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(yè)區(qū)、居民區(qū)、農(nóng)村區(qū)、公共服務(wù)區(qū)、風(fēng)景區(qū)，其值分別為6.84、6.61、6.54、6.33、6.23。35個(gè)采樣點(diǎn)pH平均值均在6～7，平均pH值為6.55，說明土壤偏酸性。根據(jù)測(cè)定結(jié)果求各個(gè)功能區(qū)水溶性鹽平均值，將各功能區(qū)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(qū)依次為居民區(qū)、風(fēng)景區(qū)、農(nóng)村區(qū)、公共服務(wù)區(qū)、工業(yè)區(qū)，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(jù)微量元素含量實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算各城市功能區(qū)的相關(guān)微量元素的樣本數(shù)、最大值、最小值、平均值、方差（表1），從表1可知：在工業(yè)區(qū)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(qū)在表1中均可一一呈現(xiàn)。As含量在工業(yè)區(qū)最高，在居民區(qū)最低；Cd含量在工業(yè)區(qū)最高，在公共服務(wù)區(qū)最低；Cr含量在風(fēng)景區(qū)最高，在農(nóng)村區(qū)最低；Hg含量在居民區(qū)最高，在公共服務(wù)區(qū)最低；Pb含量在公共服務(wù)區(qū)最高，在居民區(qū)最低。

2.3 微量元素污染評(píng)價(jià) 通過土壤中微量元素含量的測(cè)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(píng)價(jià)方法即內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)模型，采用這種模型綜合考慮了采樣區(qū)最大污染物含量和平均含量，以更好的說明整個(gè)區(qū)域的土壤質(zhì)量現(xiàn)狀。經(jīng)過計(jì)算與分析得出結(jié)果，詳見表2。從表2可知，在工業(yè)區(qū)、居民區(qū)、風(fēng)景區(qū)、農(nóng)村區(qū)、公共服務(wù)區(qū)5個(gè)大區(qū)中，As、Cr、Pb3種元素含量的內(nèi)梅羅指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3，均屬重度污染，而Hg和Cd的內(nèi)梅羅指數(shù)小于0.7，均屬清潔。該結(jié)果可以為土壤改良提供基礎(chǔ)資料，為有關(guān)部門治理土壤環(huán)境提供依據(jù)。

3 結(jié)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(gè)功能區(qū)中居民區(qū)含量最高，工業(yè)區(qū)含量最低。

（2）在5個(gè)功能區(qū)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(yè)區(qū)最高，在居民區(qū)最低；Cd含量在工業(yè)區(qū)最高，在公共服務(wù)區(qū)最低；Cr含量在風(fēng)景區(qū)最高，在農(nóng)村區(qū)最低；Hg含量在居民區(qū)最高，在公共服務(wù)區(qū)最低；Pb含量在公共服務(wù)區(qū)最高，在居民區(qū)最低。

（3）通過內(nèi)梅羅污染指數(shù)模型可知，采樣區(qū)5個(gè)功能區(qū)As、Cr、Pb指數(shù)高，屬嚴(yán)重污染；Cd、Hg指數(shù)較低，屬清潔。

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