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 550025)

人類社會(huì)在追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，對土地資源過度開發(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)。土壤富集過量重金屬后，首先會(huì)對土壤性質(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，越來越多來源各異的工業(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]。我國土壤污染狀況調(diào)查的數(shù)據(jù)顯示，全國土壤污染總超標(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，對土壤質(zhì)量及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評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、美國和中國是釩的資源大國。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]，如果吸收過量的氧化釩，就會(huì)對人體造成嚴(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，而且還會(huì)通過食物鏈作用危害人類的身體健康[9]。

貴州省遵義市黑色頁巖區(qū)富含多種復(fù)雜的重金屬，黑色頁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)對遵義黑色頁巖區(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)危害程度的評估尚未見報(bào)道。本文中通過測試遵義市黑色頁巖區(qū)森林、旱地、耕地、水稻田的土壤中的含釩量，對該區(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巖。該區(qū)域處于中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，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、居民耕地長期存在大量的含重金屬的尾礦和黑色頁巖圍巖碎石。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 樣品采集

以遵義鎳鉬礦采場附近為采樣起點(diǎn)，對牛蹄塘組黑色頁巖區(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，對樣品分別裝袋編號。森林土編號依次為SL-1—11，旱地土編號依次為HD-1—11，耕地土編號依次為G-1—10，水稻田土編號依次為S-1—10。使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測試樣品中釩含量，測試過程中采用平行樣品及國家一級標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GBW 07401)進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.2 評價(jià)方法

2.2.1 土壤污染評價(jià)

采用德國科學(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。前者主要是針對沉積元素累積對土壤環(huán)境造成的污染程度進(jìn)行評價(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種評價(jià)方法的結(jié)合能夠更全面、客觀地評價(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為評價(jià)元素i與土壤的質(zhì)量比，mg/kg；Ki為評價(jià)元素i的環(huán)境背景值；N為用來消除自然波動(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，不同的污染水平有不同等級表示，見表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 土壤污染評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)評價(jià)

采用Hakanson提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)IR,soil評估生態(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

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巖區(qū)土壤釩含量實(shí)測值及其描述統(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?、耕地土、旱地土、水稻田土，屬于中等?qiáng)度變異，說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，因此需對上述釩污染水平下是否存在生態(tài)危害進(jìn)行評價(jià)。

表3 貴州省遵義市富多金屬黑色頁巖區(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)評價(jià)釩污染狀況比例見表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%。已污染等級處于無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)評價(jià)數(shù)據(jù)見表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級中度污染。以上2個(gè)評價(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巖區(qū)土壤地質(zhì)累積指數(shù)評價(jià)釩污染狀況比例 %

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

3.3 土壤釩污染的潛在生態(tài)危害指數(shù)評價(jià)

研究區(qū)土壤釩污染程度分級樣點(diǎn)比例和潛在生態(tài)危害指數(shù)評價(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?、森林土、旱地土、水稻田土。從潛在生態(tài)危害指數(shù)綜合評價(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，對環(huán)境的危害等級為中度，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巖區(qū)土壤釩污染程度分級樣點(diǎn)比例 %

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

4 結(jié)論

1)貴州省遵義市富多金屬黑色頁巖區(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)評價(jià)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價(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?、森林土、旱地土、水稻田土，土壤綜合生態(tài)危害指數(shù)為227.87，屬于中度潛在生態(tài)危害等級。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。