贵州省遵义市富多金属黑色页岩区土壤钒污染评价

钟 昕， 崔文刚， 周明忠， 刘绥华

(贵州师范大学 地理与环境科学学院， 贵州 贵阳 550025)

人类社会在追求经济发展的过程中，对土地资源过度开发利用，使得土壤资源不断退化，进而导致人口、资源和环境的矛盾日益加剧[1]。土壤既是人类生存的基础，也是绝大多数环境污染物集聚的介质。土壤富集过量重金属后，首先会对土壤性质及土壤生物活性造成负面效应，随后因作物富集进入食物链，最终被人类摄入而威胁人体健康[2]。过量摄入重金属会损害身体的多个组织系统，增加癌症和慢性疾病的发生率，严重危害人类健康[3-4]。环境中的重金属具有较长的半衰期，不易降解且毒性强，被重金属严重污染的土壤导致农作物减产和灭绝的可能性更大[5]，必须引起人类的关注和重视。

随着社会的快速发展，越来越多来源各异的工业废料排放到人类生活的环境中，在各种工业污染中当数重金属污染最为突出。重金属在土壤中的累积主要是人类不合理地处置日常生活垃圾和过度开采金属矿所致，全球范围内每年有大量重金属物质进入土壤，被重金属污染的土地日益增加[6]。我国土壤污染状况调查的数据显示，全国土壤污染总超标率为16.1%，其中污染点位分布分别为轻微11.2%、轻度2.3%、中度1.5%和重度1.1%[7]，因此，弄清重金属沉积物在土壤中的积累量，对土壤质量及其潜在生态风险进行评估具有非常重要的意义。

钒(V)是一种高熔点稀有金属，由瑞典人Sefström在冶炼生铁时首次发现。钒在自然界中主要是与其他矿物元素反应生成共生矿或复合矿，南非、美国和中国是钒的资源大国。钒是人类必要摄入的微量元素之一，饮食是人体吸收钒的最重要途径，有研究指出，人类食物中钒元素的摄入量为10～20 μg/d[8]，如果吸收过量的氧化钒，就会对人体造成严重的损害。研究表明，单质钒是低毒性的，但钒的化合物则具有中等毒性甚至更高毒性。受生产工艺的限制，目前全球范围内钒的回收率只能达到60%～70%，大量含钒固体废弃物被排放在环境中，一旦土壤中钒元素的含量累积到一定程度，不仅影响植物的正常生长，而且还会通过食物链作用危害人类的身体健康[9]。

贵州省遵义市黑色页岩区富含多种复杂的重金属，黑色页岩围岩碎石以及许多金属尾矿被暴露在地表，使周边的土壤中渗透了大量重金属。研究人员已经对遵义黑色页岩区周围土壤中重金属元素(Ni、Zn、Cu、Cd、Pb、Hg、As、Cr、Mo)的分布及对环境可能造成的影响进行了研究[10-11]，但重金属钒在土壤中累积污染以及其污染水平和潜在生态危害程度的评估尚未见报道。本文中通过测试遵义市黑色页岩区森林、旱地、耕地、水稻田的土壤中的含钒量，对该区域土壤中钒污染状况和潜在生态风险进行评价，为当地生态环境修复提供参考数据。

1 研究区概况

研究区地处贵州省遵义市汇川区西南25 km，属于典型风化侵蚀的牛蹄塘组黑色页岩。该区域处于中亚热带季风湿润气候，年均温度为14.6 ℃，年均降雨量为1 043.4 mm，森林覆盖率为30%，包含有灌木林、针叶林、混交林等主要植被类型。震旦系灯影组白云岩和下寒武统牛蹄塘组黑色页岩广泛分布在研究区裸露地层，富含多种元素，通常以硫化物形式存在，是典型风化侵蚀的产物[12]。长达30 a的矿床开采活动使得矿床附近的森林、居民耕地长期存在大量的含重金属的尾矿和黑色页岩围岩碎石。

2 数据与方法

2.1 样品采集

以遵义镍钼矿采场附近为采样起点，对牛蹄塘组黑色页岩区的森林、旱地、水稻田地表土壤由近及远每20 m分别取厚度为0～20 cm的表层土壤样品500 g，去除异常值后，对样品分别装袋编号。森林土编号依次为SL-1—11，旱地土编号依次为HD-1—11，耕地土编号依次为G-1—10，水稻田土编号依次为S-1—10。使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测试样品中钒含量，测试过程中采用平行样品及国家一级标准土壤样品(GBW 07401)进行质量控制。

2.2 评价方法

2.2.1 土壤污染评价

采用德国科学家Müller[13]提出的地质累积指数法和内梅罗指数法，计算并反馈土壤在人类行为下重金属累积污染的影响。前者主要是针对沉积元素累积对土壤环境造成的污染程度进行评价[14-15]，后者则同时考虑了因子平均值和最大值，增加样本中严重污染的权重，倾向于累积严重的区域，因此2种评价方法的结合能够更全面、客观地评价环境污染程度。计算公式为

Igeo=log 2[wi/(NKi)]，

(1)

式中：Igeo为地质累积指数；wi为评价元素i与土壤的质量比，mg/kg；Ki为评价元素i的环境背景值；N为用来消除自然波动的修正指数[16]，本文中N=1.5。

Forester 等[17]将地质累积指数分为7个等级，不同的污染水平有不同等级表示，见表1。

内梅罗指数法的计算公式为

Qi=wi,v/wi,soil，

(2)

(3)

表1 土壤污染评价等级标准

2.2.2 潜在生态危害指数评价

采用Hakanson提出的潜在生态风险指数IR,soil评估生态与环境之间的毒性影响[19-20]，计算公式为

(4)

表2 潜在生态危害指数IR,soil及污染程度分级

3 结果与讨论

3.1 土壤中钒元素含量

贵州省遵义市富多金属黑色页岩区土壤钒含量实测值及其描述统计特征分别如图1和表3所示。遵义牛蹄塘组黑色页岩区以旱耕地为主要土地利用类型，土壤中总有机碳、二氧化碳、总硫的质量分数分别为1.89%、0.03%、0.062%，酸碱度为4.38[11]。研究区钒元素与森林土样的质量比为215～882 mg/kg，平均值为445.73 mg/kg；钒元素与旱地土样的质量比为82～474 mg/kg，平均值为291.82 mg/kg；钒元素与耕地土样的质量比为279～924 mg/kg，平均值为486.30 mg/kg；钒元素与水稻田土样的质量比为194～353 mg/kg，平均值为283.8 mg/kg。4类土地中的钒含量依次高于贵州省钒背景值3.21、2.10、3.50、2.04倍，其中森林、耕地、水稻田土超出国家标准(GB 15618—2008)中总钒的点位率都为100%，旱地土样超出点位率为91%。

图1 贵州省遵义市富多金属黑色页岩区土壤中的钒元素含量

变异系数(CV)能够直观反映样本空间变异大小和各数据样本间的离散程度。根据土壤变异系数的大小进行等级划分，CV值小于10%的属于弱变异水平，介于10%～100%的属于中等强度变异水平，大于100%的属于强变异水平[21]。从表3中可以看出，研究区土壤变异系数介于17%～51%之间，且由高到低的顺序为森林土、耕地土、旱地土、水稻田土，属于中等强度变异，说明由于受到人类活动以及成土母质的双重影响，因此钒元素含量在空间上具有一定的离散性。上述数据表明，研究区土壤中累积含钒沉积物的量较大，受到污染的可能性很大，因此需对上述钒污染水平下是否存在生态危害进行评价。

表3 贵州省遵义市富多金属黑色页岩区土壤中钒元素含量描述统计特征

3.2 土壤污染评价

本文中研究采用的是贵州表层土壤钒元素背景值(质量比为138.8 mg/kg)作为参比背景值，通过式(1)计算得到研究区土壤中钒元素的地质累积指数，如图2所示。由图可看出，森林、旱地、耕地和水稻田土壤中钒元素的累积指数变化范围分别为0.05～2.08、-1.34～1.19、0.42～2.15、-0.10～0.76。研究区土壤地质累积指数评价钒污染状况比例见表4。从表中可以看出：研究区土壤被钒污染程度未达到重度污染以上程度，主要以轻微污染为主，其中森林土被污染等级介于轻度污染与中度-重度污染之间，包含有比例为63.64%的轻度污染，27.27%的中度污染、中度-重度污染比例最小，为9.09%。已污染等级处于无污染与中度污染之间的旱地土和轻度污染与中度-重度污染之间的耕地土中，旱地土有占比54.55%的轻度污染、27.27%的无污染和18.18%的轻度污染，耕地土有占比60%的轻度污染、30%的中度污染，中度-重度污染占比最小，为10%；水稻田土中有占比20%无污染和80%的轻度污染，是4类土壤样品中被重金属钒污染程度最小的土壤。

图2 贵州省遵义市富多金属黑色页岩区土壤中钒元素的地质累积指数

研究区土壤钒污染内梅罗指数评价数据见表5。由表可知，森林土、旱地土、耕地土、水稻田土的单因子污染范围分别是1.654～6.785、0.631～3.646、2.146～7.108、1.492～2.715，介于非污染与重污染之间，土壤被污染的水平由高到低依次为耕地土、森林土、旱地土、水稻田土。该区域的内梅罗综合污染指数为2.896，属于Ⅳ级中度污染。以上2个评价指标的综合分析表明，研究区的各类土壤都已经被重金属钒污染，且逐渐趋向于严重污染。

表4 贵州省遵义市富多金属黑色页岩区土壤地质累积指数评价钒污染状况比例 %

表5 贵州省遵义市富多金属黑色页岩区土壤钒污染内梅罗指数评价

3.3 土壤钒污染的潜在生态危害指数评价

研究区土壤钒污染程度分级样点比例和潜在生态危害指数评价结果分别如表6、7所示。从表中可以看出： 研究区土壤样品中森林土潜在生态危害因子为3.10～12.71，平均值为6.24； 旱地土潜在生态风险因子为1.18～6.83，平均值为4.21； 耕地土的潜在生态风险因子为4.02～13.31，平均值为7.01； 水稻田土的潜在生态风险因子为2.80～5.09，平均值为4.09。

上述4种土壤均有轻微的潜在生态风险，各类土地潜在生态风险由高到低的次序为耕地土、森林土、旱地土、水稻田土。从潜在生态危害指数综合评价可知，该区土壤潜在生态危害最低值为40.89，最高值为70.65，综合生态危害指数为227.87，对环境的危害等级为中度，存在逐渐转变为较高水平危害的可能。

表6 贵州省遵义市富多金属黑色页岩区土壤钒污染程度分级样点比例 %

表7 贵州省遵义市富多金属黑色页岩区土壤钒污染潜在生态危害指数评价

4 结论

1)贵州省遵义市富多金属黑色页岩区土壤中钒元素与不同类型土样的质量比为82～924 mg/kg，森林、旱地、耕地、水稻田土壤中都累积了不同程度的重金属钒的沉积物，其中耕地土中的累积量最大。所有样品中仅只有9%旱地土样未超出国家土壤环境质量标准，其余样品中含钒量远远高出标准值。由于研究区土壤主要受到人类活动的影响，因此数据变异水平处于中等程度。

2)地质累积指数评价法和内梅罗综合指数评价法的结果表明，研究区绝大部分土壤已经受钒沉积物的污染，状况趋向重度污染水平，其中耕地土壤的钒污染最为严重，并且总体已经达到中等污染水平，仅有占比27.27%的旱地土壤和20%的水稻田土壤未受到污染。

3)研究区4类土壤均有轻微的潜在生态风险，风险由高到低的次序为耕地土、森林土、旱地土、水稻田土，土壤综合生态危害指数为227.87，属于中度潜在生态危害等级。由于土壤、作物受到污染以及造成的生态危害是不可逆转的，因此，为了防止研究区土壤环境的进一步破坏，开展土壤的修复与保护研究具有十分重要的意义。