向鵬飛，郭 艷，2，張發(fā)展，王 進，劉 涵

(1.宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000；2.國家煤礦水害防治工程技術(shù)中心，安徽 宿州 234000)

安徽省是我國煤礦資源的重要產(chǎn)地，煤種也較齊全，全省的含煤面積約1.8萬km2，已探明保有儲量529億t，其中以淮南、淮北地區(qū)最為集中。目前，煤炭依舊是我國的主要能源，但隨著煤礦的不斷開采，出現(xiàn)了很多環(huán)境和安全問題，如地下水下降形成了塌陷區(qū)，不但給人們帶來了生命和財產(chǎn)損失，而且會對塌陷區(qū)周圍土壤造成重金屬污染[1-2]，最終影響人們的身體健康。對于蘆嶺塌陷區(qū)土壤重金屬污染狀況的研究，可為塌陷區(qū)的生態(tài)修復提供重要依據(jù)。

1 采樣與測試

1.1 研究區(qū)概況

宿州市位于淮北平原，地勢平坦，屬于暖溫帶，主要農(nóng)作物是玉米和小麥等，年降雨量較少[3]，主要的大型煤礦有5處。

1.2 樣品的采集與處理

研究所用的土壤樣品取自蘆嶺塌陷區(qū)周邊地區(qū)，共50個樣品；對照組樣品取自宿州學院周邊地區(qū)，共計3個。采集過程中，使用手機GPS工具對每個點進行定位標記，點距為100 m左右，采樣深度為10～20 cm，具體見圖1。土壤樣品放入密封袋中存放。

圖1 采樣地點Fig.1 Sample location map

樣品采集完成后，將樣品帶入實驗室進行自然風干，其間防止揚塵進入樣品。待樣品自然風干后，用鑷子將大的石塊和雜草等挑出，然后用瑪瑙研缽研磨，每次換取土樣時，研缽都需要用酒精清洗干凈，防止不同土樣之間相互污染。較大的土塊應該事先壓碎再進行研磨，研磨后用74 μm的尼龍篩對土壤進行篩選，然后對土樣進行裝袋標號[4-5]。使用手動粉末壓片機對土樣進行壓片處理，最終得到壓片樣品，將其裝入密封袋中保存，用于后期測試。

1.3 樣品測試

樣品測試工作在安徽省教育廳礦井水資源化利用重點實驗室完成，利用X射線熒光光譜儀(XRF)檢測土壤中Cu、Zn、Co、Ni、Cr、Pb 的含量。相對于原子熒光光譜法、電感耦合等離子質(zhì)譜法等而言，X射線熒光光譜法具有測驗速度快、成本低且可以同時測試多種元素的優(yōu)點。

2 結(jié)果與討論

土壤重金屬污染的評價方法有單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、地累積指數(shù)法、加權(quán)綜合指數(shù)法等。本研究選取單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法這兩種具有代表性的評價方法[6-7]。

2.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法相對于其他評價方法而言，具有簡單、直觀的特點。它是污染物實測值與標注值的比值，可用土壤中最差的單項指標來確定土壤的綜合類別[8]。單因子指數(shù)法可以確定土壤主要的重金屬及其污染程度，公式如下：

(1)

式中：Pi為重金屬i的單因子指數(shù)；Ci為重金屬i的實測濃度；Si為重金屬i的背景值。

單因子指數(shù)法判定標準見表1，計算結(jié)果見表2。

表1 單因子指數(shù)法判定標準Tab.1 Criteria of the single factor index method

表2 單因子指數(shù)法計算結(jié)果Tab.2 Results of the single factor index method

由表2可知，Cr、Co、Zn、Pb的平均單因子指數(shù)都小于1，說明這4種元素在取樣地點未達到污染生態(tài)環(huán)境的程度，只有Ni和Cu的平均單因子指數(shù)為1～2，說明該區(qū)域的Ni、Cu元素已經(jīng)對土壤和經(jīng)濟作物產(chǎn)生了輕微的污染[9]。

2.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是由單因子指數(shù)法演變而來的，它是由Nemerow在1974年提出的一種綜合評價方法[10]。相較單因子指數(shù)法而言，它可以全面反映重金屬污染物的污染情況，并且可以突出其中污染較重的重金屬元素。該方法具有計算過程簡單、易操作的特點，缺點是難以反映污染的質(zhì)變特征，對污染程度的界定不足[11]。其計算方法如下：

(2)

(3)

Mmax=max(M1,M2,…,Mm)，

(4)

式中：M為內(nèi)梅羅指數(shù);Mmax為各元素中的最大單因子指數(shù);Mmav為各元素中的平均單因子指數(shù)。

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法判定標準[12]見表3，計算結(jié)果見表4。

表3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法判定標準Tab.3 Criteria for determining the Nemero composite index

表4 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計算結(jié)果Tab.4 Results of the Nemero composite index method

用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法進行評價時，綜合考慮所有污染項目，兼顧污染最嚴重的因子[13]。根據(jù)表4對比表3可知，除Ni元素和Cu元素在該采樣區(qū)域的級別是“一般”外，Cr、Co、Zn、Pb元素的級別都是“良好”。

2.3 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析指的是對不同變量元素進行分析，從而比較變量元素之間的相關(guān)程度。如果某種元素與其他元素之間相關(guān)性很高，說明這些元素可能來源于同一個地方[14]。相關(guān)分析顯示：Cr和Ni相關(guān)性顯著，Co和Zn、Pb相關(guān)性顯著，Ni和Cr相關(guān)性顯著，Zn和Pb相關(guān)性顯著[15]。處理結(jié)果見表5，可知Ni、Cr可能是同一污染源，而Co、Pb、Zn可能是同一污染源。

表5 處理結(jié)果Tab.5 Processing results

2.4 因子分析

為得到準確結(jié)論還需要進行因子分析。對6個不同變量進行了因子分析，得到旋轉(zhuǎn)前后的因子分析載荷矩陣[16]，具體見表6。用1個因子解釋累計只有44.518%，2個因子是65.543%，3個因子是80.079%，由此可知解釋3個因子時已經(jīng)可以準確分析。因子1包含的因素為Co、Zn、Pb，因子2包含的因素為Ni、Cu，因子3包含的因素為Cr、Co、Ni。綜上可知：Co、Zn、Pb可能是同一污染源，而Ni和Cu可能是同一污染源。該結(jié)論與相關(guān)性分析結(jié)論一致。

表6 旋轉(zhuǎn)前后的因子分析Tab.6 Analysis of factors before and after rotation

2.5 聚類分析

聚類分析法是一種統(tǒng)計方法，它可以將性質(zhì)相似的元素歸為一類，將性質(zhì)差別大的歸為另外一類，并且分析其相關(guān)程度[17]。對Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb進行聚類分析，可知Ni和Cu可以歸為一類，來自同一污染源，而Zn和Pb可以歸為一類，與相關(guān)性分析及因子分析結(jié)果一致。聚類分析圖見圖2。

圖2 聚類分析圖Fig.2 Cluster analysis chart

2.6 數(shù)理統(tǒng)計

對采集的50份土壤樣品中的重金屬含量進行數(shù)理統(tǒng)計，分別對6種元素進行降序排列并計算其平均值可知：Cr的質(zhì)量分數(shù)為37.87～69.17 mg/kg;Co的質(zhì)量分數(shù)為7.07～13.45 mg/kg;Ni的質(zhì)量分數(shù)為15.91～90.57 mg/kg;Cu的質(zhì)量分數(shù)為14.33～89.75 mg/kg;Zn的質(zhì)量分數(shù)為42.95～165.01 mg/kg;Pb的質(zhì)量分數(shù)為26.75～65.57 mg/kg。Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb質(zhì)量分數(shù)的平均值分別是安徽省背景值的0.80倍、0.68倍、1.36倍、1.93倍、0.99倍、1.24倍，表明該區(qū)域受到了Ni、Cu、Pb污染，而其他3種元素都在正常范圍[18]。Cu和Ni元素常常受人為因素的影響，分析是來自采礦區(qū)采礦時產(chǎn)生的廢物污染，Zn和Pb一般被認為來源于汽車尾氣排放和輪胎摩擦。

變異系數(shù)是標準差與平均值之比，表示對于總體樣品而言各個采樣點的變異程度。變異系數(shù)小于10%為弱變異，10%～30%為中等變異，大于30%為強變異。用實驗數(shù)據(jù)與安徽省背景值[19]相比較，變異系數(shù)大表明該區(qū)域變化較大，可能受人為活動等的干擾。對變異系數(shù)進行處理和研究，各元素數(shù)值結(jié)果見表7。從表7中可以看出，蘆嶺煤礦塌陷區(qū)所采集土樣中的Cr元素和Co元素屬于弱變異，Pb元素屬于中等變異，表明這3種元素受人為活動的影響較小，而Ni、Cu、Zn這3種元素的變異系數(shù)都高于30%，表明這3種元素在該區(qū)域內(nèi)空間分布不均勻，受到人為活動的干擾較明顯[20]。

表7 各元素數(shù)值結(jié)果Tab.7 Numerical results for each element

3 結(jié)論

(1)宿州蘆嶺煤礦塌陷區(qū)的土壤中，Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb元素的質(zhì)量分數(shù)平均值依次為53.22 mg/kg、11.09 mg/kg、40.49 mg/kg、39.36 mg/kg、61.64 mg/kg和33.05 mg/kg，其中Ni和Cu元素的平均值高于安徽省背景值。

(2)根據(jù)單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法可以得到本研究地點的污染程度不高，只有Cu和Ni元素在土壤中發(fā)生了輕微污染。

(3)通過相關(guān)性分析、因子分析與聚類分析，得出了重金屬元素的污染來源，其中Ni和Cu元素可能來自周邊礦廠采礦時產(chǎn)生的廢物污染，Zn和Pb元素可能是周邊汽車和蘆嶺煤礦的運煤車輛排放的尾氣所致。