金矿区土壤铅和铜空间结构及变异规律

石娟娟　赵艳玲　何厅厅等

摘要：以某金矿区周边土壤重金属Pb、Cu为研究对象，采用GIS、地统计学相结合的方法对该研究区土壤重金属的空间结构及变异规律进行研究。结果表明：Pb、Cu含量均值分别为713.358、108.828 mg/kg，两者的变异系数均大于1，属于强变异。Pb、Cu的空间分布相关系数为0.978，达到极显著相关水平，表现出极强的协同作用。Pb、Cu的含量分布均不符合正态分布，经对数变换后，K-S值大于0.05，且P-P图上2种重金属的特征数据均呈现直线趋势。Pb、Cu存在半方差结构，且二者的最优拟合模型分别为指数模型、球状模型。Pb、Cu的变程分别为450、236 m，Pb的变异程度强于Cu。二者的块基比分别为0.51×10-3、0.11×10-2，均小于0.25，说明二者有很强的空间自相关性。Pb含量呈团状分布，Cu含量呈条带状分布，均表现出东南高、西北低的特征。

关键词：空间结构；空间插值；空间自相关性；重金属污染

中图分类号： X53；S127；X753 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0373-03

收稿日期：2013-10-24

基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划（编号：NCET-12-0964）。

作者简介：石娟娟（1987—），女，河南驻马店人，硕士研究生，主要从事国土资源遥感研究。E-mail：sjj090312@163.com。土壤重金属容易通过扬尘、植物、人类活动等途径进入人体，从而严重影响人类健康。除此之外，重金属污染还具有环境危害持久性、地球化学循环性、生态风险性等[1-3]。矿山开采是重金属污染的重要来源，矿山开发过程中产生的大量废弃物如尾矿、废石随处堆放，不仅占用大量土地，而且破坏堆置场原有的生态环境[4-5]。研究矿区重金属的空间结构及分布特征对于制定重金属污染修复方案、提高土壤利用率具有重要意义。重金属在土壤中的分布是不均一的、连续变化的，具有高度的空间变异性。传统的统计分析方法通常将土壤看作是一个独立的均质区域，通过土壤的统计数据来描述土壤的空间变异，因此存在较多局限性。地统计学能定量描述区域化变量空间的变异特征，克立格插值能可视化土壤特性空间分布格局，并为其空间预测提供最优无偏估计[6]。Pb、Cu是土壤重金属空间变异研究的重要对象。刘琼峰等对城郊农田土壤Pb、Cd的空间变异性研究发现，城市中人类活动在一定空间尺度内对近郊区农田土壤Pb、Cd含量有较大的影响，通过半方差函数分析，发现空间变异由结构性因素、随机因素共同作用[7]。白晓宇等对铜陵矿区土壤重金属元素的空间变异研究发现，铜陵矿区土壤重金属As、Cd、Pb、Zn元素的变异函数表现为各向异性，其方向性主要受矿床分布控制[8]。本研究以金矿区周边土壤重金属Pb、Cu为材料，利用GIS、地统计学分析方法对该矿区Pb、Cu的空间结构及变异规律进行分析，以期为该矿区Pb、Cu污染治理提供依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

该研究区属暖温带大陆性雨热同季的季风性干旱气候，温差较大，降水较少，气候比较干燥。受成土母质、外界环境影响，该区的土壤结构和类型差别较大，由南向北大体可分为棕壤、褐土、沙黏土、垆土4种土壤。

1.2样品采集与分析

采用网格法布设采样点，采集耕作层（0～20 cm）的土壤样品，除去杂草、草根、砾石等杂物。每采样点以1点为中心，在周围50 m范围内采集3处子样，通过混合四分法，保留 1 kg 样品，装入布袋。采样、样品保存、样品处理过程中均采用非金属容器，避免样品污染。布设土壤采样点时综合考虑研究区成土母质、土壤类型、地形条件等因素，采用网格法、分层抽样法进行设计。野外样品采集过程中利用1 ∶50 000地形图、 GPS进行定位，并根据实地情况进行调整，共获得46个土壤样点（图1）。

采集的土壤样品经自然风干后，用木棒研碎，过20目筛。室内用高铝钵粉碎均匀，待样品粒度达到一定程度后过100目筛。采用等离子体质谱法（ICP-MS）测定土壤样品中Pb、Cu 2种重金属的含量。测定结果如表1所示。

1.3方法

地统计学也被称为地质统计学，是以具有空间分布特点的区域化变量理论为基础，以半方差函数为基本工具，运用克里格插值法，对自然现象的空间变异问题进行分析研究[9]。本研究采用SPSS19.0软件对Pb、Cu的空间含量分布进行正态分布检验并剔除异常值，采用GS+9.0进行模型最优拟合，最后在ArcGIS9.3软件中应用Kriging插值模块，输入拟合参数，内插生成土壤中Pb、Cu的空间含量分布图。

3结论

本研究结果表明，Pb、Cu含量均值分别为713.358、108.828 mg/kg，均超过了国家土壤环境二级标准。两者的变异系数均大于1，属于强变异。Pb、Cu的空间分布相关系数为0.978，达到极显著相关水平，表现出极强的协同作用，而非拮抗。Pb、Cu的含量分布均不符合正态分布，经对数变换后，K-S值大于0.05，且P-P图上2种重金属的特征数据均呈现直线趋势，说明对数转换后的数据符合正态分布，可用于地统分析。Pb、Cu存在半方差结构，且二者的最优拟合模型分别为指数模型、球状模型。Pb、Cu的变程分别为450、236 m，Pb的变异程度强于Cu。二者的块基比分别为 0.51×10-3、0.11×10-2，均小于0.25，说明二者有很强的空间自相关性，表明Pb、Cu的含量分布主要受人为活动的影响。Pb含量呈团状分布，Cu含量呈条带状分布，均表现出东南高、西北低的特征，高值区均分布在东南角的山前冲积斜塬地区，且空间变异主要发生在东南到西北的方向。Pb的空间分布图上图斑数目要明显多于Cu，这与Pb的强变异性密切相关。

参考文献：endprint

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