貴州省遵義市富多金屬黑色頁(yè)巖區(qū)土壤釩污染評(píng)價(jià)

鐘 昕， 崔文剛， 周明忠， 劉綏華

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025)

人類社會(huì)在追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過(guò)程中，對(duì)土地資源過(guò)度開發(fā)利用，使得土壤資源不斷退化，進(jìn)而導(dǎo)致人口、資源和環(huán)境的矛盾日益加劇[1]。土壤既是人類生存的基礎(chǔ)，也是絕大多數(shù)環(huán)境污染物集聚的介質(zhì)。土壤富集過(guò)量重金屬后，首先會(huì)對(duì)土壤性質(zhì)及土壤生物活性造成負(fù)面效應(yīng)，隨后因作物富集進(jìn)入食物鏈，最終被人類攝入而威脅人體健康[2]。過(guò)量攝入重金屬會(huì)損害身體的多個(gè)組織系統(tǒng)，增加癌癥和慢性疾病的發(fā)生率，嚴(yán)重危害人類健康[3-4]。環(huán)境中的重金屬具有較長(zhǎng)的半衰期，不易降解且毒性強(qiáng)，被重金屬嚴(yán)重污染的土壤導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)和滅絕的可能性更大[5]，必須引起人類的關(guān)注和重視。

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多來(lái)源各異的工業(yè)廢料排放到人類生活的環(huán)境中，在各種工業(yè)污染中當(dāng)數(shù)重金屬污染最為突出。重金屬在土壤中的累積主要是人類不合理地處置日常生活垃圾和過(guò)度開采金屬礦所致，全球范圍內(nèi)每年有大量重金屬物質(zhì)進(jìn)入土壤，被重金屬污染的土地日益增加[6]。我國(guó)土壤污染狀況調(diào)查的數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)土壤污染總超標(biāo)率為16.1%，其中污染點(diǎn)位分布分別為輕微11.2%、輕度2.3%、中度1.5%和重度1.1%[7]，因此，弄清重金屬沉積物在土壤中的積累量，對(duì)土壤質(zhì)量及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估具有非常重要的意義。

釩(V)是一種高熔點(diǎn)稀有金屬，由瑞典人Sefstr?m在冶煉生鐵時(shí)首次發(fā)現(xiàn)。釩在自然界中主要是與其他礦物元素反應(yīng)生成共生礦或復(fù)合礦，南非、美國(guó)和中國(guó)是釩的資源大國(guó)。釩是人類必要攝入的微量元素之一，飲食是人體吸收釩的最重要途徑，有研究指出，人類食物中釩元素的攝入量為10～20 μg/d[8]，如果吸收過(guò)量的氧化釩，就會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重的損害。研究表明，單質(zhì)釩是低毒性的，但釩的化合物則具有中等毒性甚至更高毒性。受生產(chǎn)工藝的限制，目前全球范圍內(nèi)釩的回收率只能達(dá)到60%～70%，大量含釩固體廢棄物被排放在環(huán)境中，一旦土壤中釩元素的含量累積到一定程度，不僅影響植物的正常生長(zhǎng)，而且還會(huì)通過(guò)食物鏈作用危害人類的身體健康[9]。

貴州省遵義市黑色頁(yè)巖區(qū)富含多種復(fù)雜的重金屬，黑色頁(yè)巖圍巖碎石以及許多金屬尾礦被暴露在地表，使周邊的土壤中滲透了大量重金屬。研究人員已經(jīng)對(duì)遵義黑色頁(yè)巖區(qū)周圍土壤中重金屬元素(Ni、Zn、Cu、Cd、Pb、Hg、As、Cr、Mo)的分布及對(duì)環(huán)境可能造成的影響進(jìn)行了研究[10-11]，但重金屬釩在土壤中累積污染以及其污染水平和潛在生態(tài)危害程度的評(píng)估尚未見(jiàn)報(bào)道。本文中通過(guò)測(cè)試遵義市黑色頁(yè)巖區(qū)森林、旱地、耕地、水稻田的土壤中的含釩量，對(duì)該區(qū)域土壤中釩污染狀況和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境修復(fù)提供參考數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處貴州省遵義市匯川區(qū)西南25 km，屬于典型風(fēng)化侵蝕的牛蹄塘組黑色頁(yè)巖。該區(qū)域處于中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年均溫度為14.6 ℃，年均降雨量為1 043.4 mm，森林覆蓋率為30%，包含有灌木林、針葉林、混交林等主要植被類型。震旦系燈影組白云巖和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖廣泛分布在研究區(qū)裸露地層，富含多種元素，通常以硫化物形式存在，是典型風(fēng)化侵蝕的產(chǎn)物[12]。長(zhǎng)達(dá)30 a的礦床開采活動(dòng)使得礦床附近的森林、居民耕地長(zhǎng)期存在大量的含重金屬的尾礦和黑色頁(yè)巖圍巖碎石。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 樣品采集

以遵義鎳鉬礦采場(chǎng)附近為采樣起點(diǎn)，對(duì)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖區(qū)的森林、旱地、水稻田地表土壤由近及遠(yuǎn)每20 m分別取厚度為0～20 cm的表層土壤樣品500 g，去除異常值后，對(duì)樣品分別裝袋編號(hào)。森林土編號(hào)依次為SL-1—11，旱地土編號(hào)依次為HD-1—11，耕地土編號(hào)依次為G-1—10，水稻田土編號(hào)依次為S-1—10。使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)試樣品中釩含量，測(cè)試過(guò)程中采用平行樣品及國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GBW 07401)進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.2 評(píng)價(jià)方法

2.2.1 土壤污染評(píng)價(jià)

采用德國(guó)科學(xué)家Müller[13]提出的地質(zhì)累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法，計(jì)算并反饋土壤在人類行為下重金屬累積污染的影響。前者主要是針對(duì)沉積元素累積對(duì)土壤環(huán)境造成的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[14-15]，后者則同時(shí)考慮了因子平均值和最大值，增加樣本中嚴(yán)重污染的權(quán)重，傾向于累積嚴(yán)重的區(qū)域，因此2種評(píng)價(jià)方法的結(jié)合能夠更全面、客觀地評(píng)價(jià)環(huán)境污染程度。計(jì)算公式為

Igeo=log 2[wi/(NKi)]，

(1)

式中：Igeo為地質(zhì)累積指數(shù)；wi為評(píng)價(jià)元素i與土壤的質(zhì)量比，mg/kg；Ki為評(píng)價(jià)元素i的環(huán)境背景值；N為用來(lái)消除自然波動(dòng)的修正指數(shù)[16]，本文中N=1.5。

Forester 等[17]將地質(zhì)累積指數(shù)分為7個(gè)等級(jí)，不同的污染水平有不同等級(jí)表示，見(jiàn)表1。

內(nèi)梅羅指數(shù)法的計(jì)算公式為

Qi=wi,v/wi,soil，

(2)

(3)

表1 土壤污染評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)

采用Hakanson提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)IR,soil評(píng)估生態(tài)與環(huán)境之間的毒性影響[19-20]，計(jì)算公式為

(4)

表2 潛在生態(tài)危害指數(shù)IR,soil及污染程度分級(jí)

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤中釩元素含量

貴州省遵義市富多金屬黑色頁(yè)巖區(qū)土壤釩含量實(shí)測(cè)值及其描述統(tǒng)計(jì)特征分別如圖1和表3所示。遵義牛蹄塘組黑色頁(yè)巖區(qū)以旱耕地為主要土地利用類型，土壤中總有機(jī)碳、二氧化碳、總硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.89%、0.03%、0.062%，酸堿度為4.38[11]。研究區(qū)釩元素與森林土樣的質(zhì)量比為215～882 mg/kg，平均值為445.73 mg/kg；釩元素與旱地土樣的質(zhì)量比為82～474 mg/kg，平均值為291.82 mg/kg；釩元素與耕地土樣的質(zhì)量比為279～924 mg/kg，平均值為486.30 mg/kg；釩元素與水稻田土樣的質(zhì)量比為194～353 mg/kg，平均值為283.8 mg/kg。4類土地中的釩含量依次高于貴州省釩背景值3.21、2.10、3.50、2.04倍，其中森林、耕地、水稻田土超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—2008)中總釩的點(diǎn)位率都為100%，旱地土樣超出點(diǎn)位率為91%。

圖1 貴州省遵義市富多金屬黑色頁(yè)巖區(qū)土壤中的釩元素含量

變異系數(shù)(CV)能夠直觀反映樣本空間變異大小和各數(shù)據(jù)樣本間的離散程度。根據(jù)土壤變異系數(shù)的大小進(jìn)行等級(jí)劃分，CV值小于10%的屬于弱變異水平，介于10%～100%的屬于中等強(qiáng)度變異水平，大于100%的屬于強(qiáng)變異水平[21]。從表3中可以看出，研究區(qū)土壤變異系數(shù)介于17%～51%之間，且由高到低的順序?yàn)樯滞痢⒏赝痢⒑档赝痢⑺咎锿粒瑢儆谥械葟?qiáng)度變異，說(shuō)明由于受到人類活動(dòng)以及成土母質(zhì)的雙重影響，因此釩元素含量在空間上具有一定的離散性。上述數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)土壤中累積含釩沉積物的量較大，受到污染的可能性很大，因此需對(duì)上述釩污染水平下是否存在生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表3 貴州省遵義市富多金屬黑色頁(yè)巖區(qū)土壤中釩元素含量描述統(tǒng)計(jì)特征

3.2 土壤污染評(píng)價(jià)

本文中研究采用的是貴州表層土壤釩元素背景值(質(zhì)量比為138.8 mg/kg)作為參比背景值，通過(guò)式(1)計(jì)算得到研究區(qū)土壤中釩元素的地質(zhì)累積指數(shù)，如圖2所示。由圖可看出，森林、旱地、耕地和水稻田土壤中釩元素的累積指數(shù)變化范圍分別為0.05～2.08、-1.34～1.19、0.42～2.15、-0.10～0.76。研究區(qū)土壤地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)釩污染狀況比例見(jiàn)表4。從表中可以看出：研究區(qū)土壤被釩污染程度未達(dá)到重度污染以上程度，主要以輕微污染為主，其中森林土被污染等級(jí)介于輕度污染與中度-重度污染之間，包含有比例為63.64%的輕度污染，27.27%的中度污染、中度-重度污染比例最小，為9.09%。已污染等級(jí)處于無(wú)污染與中度污染之間的旱地土和輕度污染與中度-重度污染之間的耕地土中，旱地土有占比54.55%的輕度污染、27.27%的無(wú)污染和18.18%的輕度污染，耕地土有占比60%的輕度污染、30%的中度污染，中度-重度污染占比最小，為10%；水稻田土中有占比20%無(wú)污染和80%的輕度污染，是4類土壤樣品中被重金屬釩污染程度最小的土壤。

圖2 貴州省遵義市富多金屬黑色頁(yè)巖區(qū)土壤中釩元素的地質(zhì)累積指數(shù)

研究區(qū)土壤釩污染內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。由表可知，森林土、旱地土、耕地土、水稻田土的單因子污染范圍分別是1.654～6.785、0.631～3.646、2.146～7.108、1.492～2.715，介于非污染與重污染之間，土壤被污染的水平由高到低依次為耕地土、森林土、旱地土、水稻田土。該區(qū)域的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為2.896，屬于Ⅳ級(jí)中度污染。以上2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合分析表明，研究區(qū)的各類土壤都已經(jīng)被重金屬釩污染，且逐漸趨向于嚴(yán)重污染。

表4 貴州省遵義市富多金屬黑色頁(yè)巖區(qū)土壤地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)釩污染狀況比例 %

表5 貴州省遵義市富多金屬黑色頁(yè)巖區(qū)土壤釩污染內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)

3.3 土壤釩污染的潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)

研究區(qū)土壤釩污染程度分級(jí)樣點(diǎn)比例和潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果分別如表6、7所示。從表中可以看出： 研究區(qū)土壤樣品中森林土潛在生態(tài)危害因子為3.10～12.71，平均值為6.24； 旱地土潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子為1.18～6.83，平均值為4.21； 耕地土的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子為4.02～13.31，平均值為7.01； 水稻田土的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子為2.80～5.09，平均值為4.09。

上述4種土壤均有輕微的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，各類土地潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)由高到低的次序?yàn)楦赝痢⑸滞痢⒑档赝痢⑺咎锿痢臐撛谏鷳B(tài)危害指數(shù)綜合評(píng)價(jià)可知，該區(qū)土壤潛在生態(tài)危害最低值為40.89，最高值為70.65，綜合生態(tài)危害指數(shù)為227.87，對(duì)環(huán)境的危害等級(jí)為中度，存在逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高水平危害的可能。

表6 貴州省遵義市富多金屬黑色頁(yè)巖區(qū)土壤釩污染程度分級(jí)樣點(diǎn)比例 %

表7 貴州省遵義市富多金屬黑色頁(yè)巖區(qū)土壤釩污染潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)

4 結(jié)論

1)貴州省遵義市富多金屬黑色頁(yè)巖區(qū)土壤中釩元素與不同類型土樣的質(zhì)量比為82～924 mg/kg，森林、旱地、耕地、水稻田土壤中都累積了不同程度的重金屬釩的沉積物，其中耕地土中的累積量最大。所有樣品中僅只有9%旱地土樣未超出國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其余樣品中含釩量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出標(biāo)準(zhǔn)值。由于研究區(qū)土壤主要受到人類活動(dòng)的影響，因此數(shù)據(jù)變異水平處于中等程度。

2)地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法的結(jié)果表明，研究區(qū)絕大部分土壤已經(jīng)受釩沉積物的污染，狀況趨向重度污染水平，其中耕地土壤的釩污染最為嚴(yán)重，并且總體已經(jīng)達(dá)到中等污染水平，僅有占比27.27%的旱地土壤和20%的水稻田土壤未受到污染。

3)研究區(qū)4類土壤均有輕微的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)由高到低的次序?yàn)楦赝痢⑸滞痢⒑档赝痢⑺咎锿粒寥谰C合生態(tài)危害指數(shù)為227.87，屬于中度潛在生態(tài)危害等級(jí)。由于土壤、作物受到污染以及造成的生態(tài)危害是不可逆轉(zhuǎn)的，因此，為了防止研究區(qū)土壤環(huán)境的進(jìn)一步破壞，開展土壤的修復(fù)與保護(hù)研究具有十分重要的意義。