贵州喀斯特地区土壤重金属污染研究

李永江

(贵州众益生态环境产业发展有限公司，贵州 贵阳 550000)

1 贵州喀斯特地区土壤环境质量特性

1.1 贵州喀斯特地区土壤特征

贵州处于西南喀斯特地区的中心地带，喀斯特分布面积占全省面积的2/3以上，属于典型以喀斯特地貌为主的生态脆弱区。境内能源矿产资源储量丰富，岩溶地貌地表可溶性岩裸露，大量的碳酸盐岩、硫酸盐岩和卤化盐岩在流水的不断溶蚀作用下，石灰岩碳酸钙(CaCO3)发生化学反应生成碳酸氢钙[Ca(HCO3)2]溶解流失，大量的可溶性营养元素也随之流走，因此水土流失十分严重、土壤肥力较低、土壤持水性能差、土壤因侵蚀导致细土粒和营养物质流失，土壤颗粒粗化，造成土地荒漠化严重。受地形地貌和成土母质等因素影响，耕地土壤Mn、Ni、Zn、Pb、As、Cd等重金属元素背景值含量较高，严重影响喀斯特地区土壤的农业生产力，导致农产品产量与品质较低。成土过程中，碳酸盐岩母岩成分主要为可溶性物质，母岩风化后仅能保留少量不溶或难溶物质，因贵州降雨量丰富，地表径流相对稳定，流水持续性下渗，尤其是纯碳酸盐岩地区，导致成土速率慢。此外，在成土过程中黏性物质减少，使得土层和岩层之间缺乏粘合力，容易发生土体滑移。学术界将喀斯特地区的石灰土土壤划分为黑色石灰土、黄色石灰土、棕(褐)色石灰土和红色石灰土等4个亚类。不同类型(亚类)的石灰土反映了不同的成壤发育阶段和水平，同时也反映了不同的生物、地貌、水热状况等成壤条件。根据张美良等[1]研究，各亚类石灰土土壤的粘土矿物组成、物化特性及分布特征见表1。

1.2 贵州喀斯特地区土壤背景值及环境风险表现

贵州地区土壤的成土过程及特殊的地质背景，导致喀斯特地区土壤重金属含量背景值相对较高。根据刘南婷等[2]研究，结果表明贵州喀斯特地区表层土壤重金属含量水平差异较大，自然背景区土壤重金属富集特征不明显，农业种植区土壤中As、Cd、Hg和Zn含量较高，平均含量分别为59.23mg·kg-1、2.19mg·kg-1、0.53mg·kg-1和449.86mg·kg-1。矿区土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb和Zn平均含量是贵州省土壤背景值的4.85倍、16.32倍、1.07倍、2.48倍、52.55倍、14.48倍和23.22倍。可见，贵州省耕地土壤重金属背景值较高，矿产资源的粗放型开发导致矿区土壤重金属背景值非常高。

耕地土壤重金属背景值高会对植物产生毒害作用，致使植物生理特征改变，引起植物营养不良，酶的活性降低，从而影响到植物的产量及品质。重金属在土壤中移动性能较差、滞留时间长、具备微生物毒性，重金属离子对微生物的毒性顺序为Hg>Cd>Cr>Pb>Co>Cu，其中Hg2+、Ag+对微生物的毒性最强，土壤中重金属毒害作用对有机物的生物化学降解是非常不利的。因植物的吸收及富集作用，重金属可通过食物链进入动物与人群，影响动物生存及人类身体健康。矿区重金属土壤污染十分严重，修复难度大、成本高，修复意义不明显。土壤中的重金属通过地表径流及下渗，污染地表水及地下水，造成水环境功能丧失；土壤风蚀导致土壤重金属通过大气沉降危害人类健康，污染周边其它生态环境要素。

表1 土壤的分类及特征统计

2 喀斯特地区土壤理化性质

土壤的组分主要是由矿物质、水分、空气及有机质等构成，研究喀斯特地区的坡耕地、水田、撂荒地、灌丛、次生林等的土壤理化性质，对研究重金属污染土壤有十分重要的意义。根据江未来[3]对黔中石漠化地区土壤理化性质的研究表明，随着土层深度的不断加深，土壤容重、pH值、粉粒含量呈非线性增大趋势，土壤含水率、有机质、全量氮磷钾、速效氮磷钾含量减小，这主要是由风化作用与土壤空气含量不同导致的。土壤中粘粒与粉粒较多，则土壤密度较大、结构紧密，孔隙度与渗透系数较低。随着土壤渗透系数的降低，土壤含水率相应减少，土壤中可容纳的有机质含量越少。土壤有机质与全氮、碱解氮、速效磷、速效钾之间均存在极显著正相关关系，说明随着有机质含量的不断增大，土壤中全氮、碱解氮、速效磷、速效钾的含量也会随之增大；全磷与速效磷之间,全钾与速效钾、pH值之间呈极显著正相关关系；全磷与全钾、pH值呈极显著负相关关系，与有机质无显著相关性。全磷、速效磷与土壤粘粒、粉粒、砂粒均无显著相关性，而砂粒与粘粒、粉粒呈极显著负相关关系。

3 重金属污染来源[4]

3.1 矿业开采

贵州岩溶区矿产资源储量丰富，在我国属于矿产资源大省，多为煤矿、汞矿、金矿、磷矿、铝土矿、硫铁矿等。在矿产的粗放性开采过程中非常容易引发对生态环境的重金属污染。在开采过程中，矿井水及选矿废水很容易污染水体及土壤。另外，废石、尾矿废渣等的丢弃堆积会导致其淋溶水中的重金属元素向周边土壤中迁移扩散，或通过溶洞、溶隙、裂隙等途径污染地下水。采矿区含有重金属的扬尘再次尘降会污染大气与周边土壤及地表水。

3.2 工业废水及工业固废

随着贵州经济的不断发展，工业生产能力越来越高，然而很多企业为追求最大化的经济效益，忽视了对环境的保护。涉重金属的工业企业在生产过程中，产生大量含有重金属的污水，这些污水排放到自然水体中，通过下渗及扩散污染周边土壤。含有重金属的工业固废在堆积的过程中通过雨水淋溶污染土壤环境；有些工业固废性质属于危险废物，未按照规范要求处理处置常常会对土壤等环境产生非常严重的危害。另外，工业废气及汽车尾气含有大量重金属，大气中的重金属通过颗粒物干沉降与降雨湿沉降进入农田土壤或被植物叶片直接吸收，最终导致土壤和植物中的各类重金属含量超标。

3.3 污水灌溉及施用化肥与农药

随着贵州城市化进程的加快与工业化的迅速发展，生活污水、工业废水排放量增加，污水中大量的Zn、Cu、Hg、Pb、Cd、Cr等重金属进入河流、湖泊及地下水，通过农田灌溉进入土壤，不断在土壤中累积。岩溶地区土壤贫瘠、营养成分含量低，因而刺激了农业生产过程对化肥和农药的过分依赖，农药与化肥中含有的重金属随农业生产也不断残留在土壤中。另外，土壤中N与P的增加，会使土壤不断酸化，土壤酸化将加强重金属活性，致使大量重金属离子析出，更易被作物吸收，进而加重重金属污染的危害。

4 重金属污染土壤机理[5]

4.1 重金属污染土壤的基本方式

土壤污染的方式包括直接污染、间接污染以及恶意污染。如矿产资源开采、工业废水排放、运送危化学品车辆的“跑、冒、滴、漏”、农业灌溉及施肥、工业固废堆积等方式。近年来，含重金属颗粒物大气沉降、大气汞沉降、大气酸沉降及恶意将重金属释放进入土壤的污染十分严重。

4.2 重金属污染土壤的基本过程

重金属元素进入土壤，污染土壤，造成土壤环境功能降低甚至丧失，主要是通过以下4个阶段来进行，见表2。

表2 重金属污染土壤的过程表现

4.3 土壤重金属污染发生动力学

土壤中重金属的污染归根结底是以重金属在土壤中的净残留量来决定的，从宏观层面来看，重金属在土壤中的净残留量通过输入与输出2个量来表达，重金属某一时刻的累积量等于输入量与输出量的差值。假设某重金属在t时刻的累积量为S(t),在t+Δt为S(t+Δt)，故污染物的变化量为ΔS=S(t+Δt)-S(t)。然而重金属进入土壤后总是在不断发生各种物理化学反应，最终重金属残留量的核算方式大多如表3所列。

表3 土壤重金属污染发生动力学计算公式

续表 土壤重金属污染发生动力学计算公式