某有色冶炼场地浅层土壤重金属空间变异规律与分布特征_牛真茹

某有色冶炼场地浅层土壤重金属空间变异规律与分布特征牛真茹，齐硕，吴庭雯，陈鸿汉*（中国地质大学（北京）水资源与环境工程北京市重点实验室，北京１０００８３）摘要：以某历史遗留有色金属冶炼堆渣场地为研究对象，按照网格法分别在０￣２０ｃｍ、２０￣５０ｃｍ深度处采集土样，综合经典统计学与地统计学方法，研究场地周边浅层土壤特征污染物Ｚｎ、Ｃｄ的空间变异规律与分布特征。

经典统计学分析结果表明，浅层土壤Ｚｎ、Ｃｄ含量普遍远超于当地背景值，均属中等空间变异性，服从对数正态分布，Ｚｎ与Ｃｄ之间存在极显著的正相关性，推测其迁移影响因素具有相似性；采用地统计学方法并借助ＡｒｃＧＩＳ与Ｓｕｒｆｅｒ软件分别预测浅层土壤不同深度Ｚｎ、Ｃｄ空间分布特征，结果表明，０￣２０ｃｍ处Ｚｎ空间相关性较弱且分布不均匀，其空间变异性主要是由降水淋溶渣堆或携带松散废渣沿西北侧较高地势向东南侧地势较低处流动引起；０￣２０ｃｍ处Ｃｄ空间相关性中等，其空间变异特征是由于Ｚｎ与Ｃｄ的竞争吸附增强了Ｃｄ的迁移性所导致的；２０￣５０ｃｍ处Ｚｎ、Ｃｄ空间相关性均较强且分布均匀，表明浅层低渗透性粘土的阻滞作用显著降低了Ｚｎ、Ｃｄ含量，而地层岩性、成土母质等自然环境因素对污染物分布影响更大。

上述结论可为场地地下水重金属的污染风险评估与污染控制等提供理论依据。

关键词：固体废物；重金属；浅层土壤；空间变异性；地统计学中图分类号：Ｘ５３文献标识码：Ａ文章编号：０５６４－３９４５（２０１６）０３－０７３８－０８ＤＯＩ：１０．１９３３６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｒｔｂ．２０１６．０３．３５牛真茹，齐硕，吴庭雯，陈鸿汉．某有色冶炼场地浅层土壤重金属空间变异规律与分布特征［Ｊ］．土壤通报，２０１６，４７（３）：７３８－７４５ＮＩＵＺｈｅｎ－ｒｕ，ＱＩＳｈｕｏ，ＷＵＴｉｎｇ－ｗｅｎ，ＣＨＥＮＨｏｎｇ－ｈａｎ．ＴｈｅＳｐａｔｉａｌＶａｒｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＨｅａｖｙＭｅｔａｌｓｉｎｔｈｅＳｈａｌｌｏｗＳｏｉｌａｒｏｕｎｄａＮｏｎ－ｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌＳｍｅｌｔｉｎｇＳｉｔｅ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｉｌＳｃｉｅｎｃｅ，２０１６，４７（３）：７３８－７４５土壤通报ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｉｌＳｃｉｅｎｃｅ收稿日期：２０１５－０９－１０；修订日期：２０１５－１２－２９基金项目：云南者海历史遗留渣堆地下水污染防控调查研究项目资助作者简介：牛真茹（１９９０－），女，河南安阳，中国地质大学（北京）在读硕士，研究方向为地下水环境。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｉｕｚｈｅｎｒｕ＠１２６．ｃｏｍ*通讯作者：Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｈｈ＠ｃｕｇｂ．ｅｄｕ．ｃｎ第47卷第3期2016年6月Vol.47,No.3Jun.,2016有色金属矿产开采、冶炼等过程中产生富含重金属类污染物的固体废物，其堆存过程中可能接受降水淋溶，使重金属释放到地下水环境中，在一定程度上造成了地下水环境质量恶化［１￣５］。

重金属类污染物在地下水环境中具有持续性、隐蔽性、不可降解性和相对稳定性等特点［６］，部分重金属具有较高的生态毒性和人体健康毒性，如镉、铅等重金属具有“三致”作用，使得重金属污染日益成为热点问题。

传统有色金属冶炼工艺［７，８］废物中重金属含量较高，环境污染风险较大，因此在有色金属工业相对密集且有长期发展历史的中国南方地区，重金属污染问题较突出。

重金属元素可在浅层土壤中高度累积［９］，当土壤等介质的ｐＨ、Ｅｈ、矿物组分等因素发生变化时，亦可变成活性成分重新释放到外部环境中，随降水下渗进入地下水。

因此，浅层土壤既可成为重金属污染物的承载体，也可能是地下水环境的潜在污染源，研究浅层土壤中重金属污染物的归趋是地下水重金属污染风险评价的重要组成部分。

浅层土壤是一个形态和过程都相当复杂的自然综合体，成土过程中不同的物理、化学、生物等因素使得浅层土壤具有高度的空间异质性［１０］，而浅层土壤中重金属元素的空间分布规律与成土母质、沉积物组成环境以及与污染源的距离等密切相关［１１，１２］，因此通过研究浅层土壤空间结构与重金属分布特征，进一步探讨其影响因素与作用方式。

近年来，国内外很多学者致力于地统计学方法在土壤重金属污染空间变异中的应用［１３￣１９］，而考虑到地统计学模块中的插值结果可能受变异函数的参数及样本点选取等多种因素影响［２０，２１］，使其污染物空间分布的模拟效果与实际污染情况可能存在某种偏差［２２］，因此在采用地统计学分析方法的前提下，分别借助ＡｒｃＧＩＳ与Ｓｕｒｆｅｒ软件预测重金属的空间变异规律与分布特征十分必要。

地统计学［２３］是以区域化变量理论为基础，利用变异函数研究在空间上具有随机性和结构性，或空间相关性和依赖性现象的科学，主要是借助ＡｒｃＧＩＳ中的地统计学模块对系统变量进行半变异函数的计算与拟合，分析拟合误差并选出最优理论模型，同时对未知采样点进行空间插值，绘制可视化的预3期牛真茹等：某有色冶炼场地浅层土壤重金属空间变异规律与分布特征测分布图进行空间格局模拟预测，这样不仅能使重金属空间分布特征模型化、定量化，而且能在一定程度上揭示影响重金属空间分布的主要因素和作用方式［２４］。

本文综合运用经典统计学与地统计学分析方法并借助ＡｒｃＧＩＳ及Ｓｕｒｆｅｒ软件，对某历史遗留有色冶炼堆渣场地不同深度的浅层土壤中重金属元素Ｚｎ、Ｃｄ进行空间变异分析与局部空间插值，研究该场地特征重金属在浅层土壤中的空间变异规律与分布特征，以期为该场地土壤与地下水重金属的污染风险评估与其污染控制等提供理论依据。

1材料与方法1.1研究区概况研究区位于中国南方某小型山间盆地内，属温带高原季风气候，年平均降水量８１２．３ｍｍ，无持续风向。

该历史遗留渣堆场地处于丘陵山区与山前坡洪积平原的过渡地带，属冰碛及冲－洪积扇地貌，整体地势呈西北高、东南低，周围发育有数条呈南－北向的大型冲沟，存在季节性河流。

场地固体废弃物主要由铅锌冶炼厂火法冶炼产生的水淬渣、窑头渣等组成，２０世纪中叶前产生的废渣中重金属含量较高，而近代玻璃化粒状熔渣重金属活性较低［２５，２６］；此外，场区上游均为玄武岩经不同风化而成的红壤，偶有杂草，无植被覆盖等。

因露天堆放大规模冶炼废渣，经雨淋、扬尘、流失及渗透等作用可能对其下伏土壤及周边地下水环境产生一定影响。

根据场地水文地质勘察，浅层土壤主要由现代人工素填土与第四系松散沉积物（坡洪积层）构成，主要成分为红褐色－黄褐色含砂砾粘性土，厚约０￣１７ｍ，其母质为玄武岩。

经野外双环入渗试验测得其表层入渗系数约为３．２×１０－６￣９．４×１０－４ｃｍｓ－１，另结合钻孔水位恢复试验测得其渗透系数在１０－８￣１０－６ｃｍｓ－１范围内，根据《水利水电工程地质勘察规范》可知，该浅层土壤属极微弱透水层，渗透性较差。

浅层地下水水位埋深约０￣７．６５ｍ，季节性变化明显，丰水期地下水可在研究区东南侧局部溢出地表。

1.2样品采集与测试1.2.1样品采集按照分区布点与系统布点相结合的原则，考虑场区风向及地表水、地下水流向等影响因素，在堆渣场地上游按照０￣２０ｃｍ、２０￣４０ｃｍ、４０￣６０ｃｍ深度分别采集背景土样２组６份；在堆渣场地周边采用网格法［２７，２８］布设点位采集浅层土，采样深度为０￣２０ｃｍ、２０￣５０ｃｍ，采样点水平相距约８０￣１２０ｍ，共采集表层土３１组６２份，采样点位置分布如图１所示。

土样按四分法采集，每份不少于１ｋｇ，采集后立即密封并置于４℃下避光保存。

1.2.2样品处理及测试自然风干土样后，去除石粒和植物残体等，研磨并过６０目尼龙筛，充分混匀以待用。

所有土样的测试与分析均按照《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（ＧＢ５０８５．３－２００７）［２９］要求进行，样品前处理采用微波辅助强酸（ＨＣｌ∶ＨＮＯ３＝３∶１（ｖ∶ｖ））消解（ＵＳＥＰＡｍｅｔｈｏｄ３０６１Ａ），即：称取０．２ｇ风干土样，加入６ｍｌＨ－Ｃｌ＋２ｍｌＨＮＯ３进行微波消解，消解后取样并定容至２５ｍｌ比色管，摇匀过滤至棕色玻璃瓶，暂存４℃冰箱以待测。

重金属元素全量测定采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ＩＣＰ－ＡＥＳ）；ｐＨ测定参照《危险废物鉴别标准腐蚀性鉴别》（ＧＢ５０８５．１－１９９６）［３０］进行。

实验检测过程中为避免交叉污染，所有容器均用稀硝酸（ＨＮＯ３∶Ｈ２Ｏ＝１∶１（ｖ∶ｖ））隔夜浸泡，用于消解的ＨＣｌ、ＨＮＯ３均为优级纯，ＩＣＰ－ＡＥＳ所用标准药品购自国家标准物质中心。

1.3统计分析方法地统计学是以区域化变量理论为基础，以变异函数为主要工具，通过局部空间插值对未知点进行估计与模拟，以此分析系统变量的空间变异性［３１，３２］。

半变异函数是基于区域化变量结构性与随机性并存这一空间特征而提出的，是研究土壤空间异质性的关键，同时也是精确进行克里格法空间插值的基础，其公式如下［３３］：r（h）＝１２N（h）N（h）i＝１Σ［Z（x）－Z（x＋h）］２其中：r（h）为实验半变异函数，h为滞后距离，N（h）为相距为h的数据点对数，Z（x）为区域化变量在ｘ处的实测值，Z（x＋h）为区域化变量在x＋h处的实测值，通常以r（h）－h作相应的半变异趋势图［３４￣３６］。

图1场地采样点示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓａｍｐｌｉｎｇｐｏｉｎｔｓｉｎｔｈｅｓｉｔｅ２０００ｍＳ１３Ｓ１２Ｓ１１Ｓ１０Ｓ９Ｂ２ＮＳ８Ｓ７Ｓ５Ｓ６Ｓ２０Ｓ４Ｓ２１Ｓ２３Ｓ２２Ｓ２４Ｓ２５Ｓ２７Ｓ２６Ｓ２８Ｓ２９Ｓ３１Ｓ３０Ｓ３Ｓ２Ｓ１Ｓ１５Ｓ１４Ｓ１６Ｓ１７Ｓ１８Ｓ１９Ｂ１场区图例场区背景土采样点表层土采样点７３９第47卷土壤通报克里格插值是空间局部插值最常用的方法，建立在变异函数理论及其结构分析的基础上，在有限区域内对未采样点的变量进行线性无偏最优估计，是地统计学中揭示区域化变量空间格局分布特征的重要工具，其公式如下［３７，３８］：Z＝ni＝１Σλi Z（x i）其中：λｉ为权重系数，Z（x i）为样品值，Z为估计值。

此外，在地统计学方法中还定义了块金值（Ｎｕｇｇｅｔ）、基台值（Ｓｉｌｌ）及变程（Ｒａｎｇｅ）等参数，其中块金值表示由实验误差或小于实验取样尺度等人为因素引起的随机性变异，基台值表示结构性变异和随机性变异之和，块金值与基台值的比值即块金效应，反映了空间变异中自然因素和人为因素作用的主次，同时可表明系统变量空间相关性程度的强弱。

若块金值与基台值的比值小于２５％，则系统变量具有强烈的空间相关性，其空间变异以结构性变异为主，主要受区域环境因素影响（如成土母质、地形、气候等）；若其比值在２５％￣７５％范围内，则系统变量具有中等空间相关性，其空间变异受自然因素和人为因素共同作用的影响；若其比值大于７５％，则系统变量的空间相关性很弱，以随机性变异为主，主要受人为因素影响［３９］。