貴州喀斯特地區土壤重金屬污染研究

李永江

(貴州眾益生態環境產業發展有限公司，貴州 貴陽 550000)

1 貴州喀斯特地區土壤環境質量特性

1.1 貴州喀斯特地區土壤特征

貴州處于西南喀斯特地區的中心地帶，喀斯特分布面積占全省面積的2/3以上，屬于典型以喀斯特地貌為主的生態脆弱區。境內能源礦產資源儲量豐富，巖溶地貌地表可溶性巖裸露，大量的碳酸鹽巖、硫酸鹽巖和鹵化鹽巖在流水的不斷溶蝕作用下，石灰巖碳酸鈣(CaCO3)發生化學反應生成碳酸氫鈣[Ca(HCO3)2]溶解流失，大量的可溶性營養元素也隨之流走，因此水土流失十分嚴重、土壤肥力較低、土壤持水性能差、土壤因侵蝕導致細土粒和營養物質流失，土壤顆粒粗化，造成土地荒漠化嚴重。受地形地貌和成土母質等因素影響，耕地土壤Mn、Ni、Zn、Pb、As、Cd等重金屬元素背景值含量較高，嚴重影響喀斯特地區土壤的農業生產力，導致農產品產量與品質較低。成土過程中，碳酸鹽巖母巖成分主要為可溶性物質，母巖風化后僅能保留少量不溶或難溶物質，因貴州降雨量豐富，地表徑流相對穩定，流水持續性下滲，尤其是純碳酸鹽巖地區，導致成土速率慢。此外，在成土過程中黏性物質減少，使得土層和巖層之間缺乏粘合力，容易發生土體滑移。學術界將喀斯特地區的石灰土土壤劃分為黑色石灰土、黃色石灰土、棕(褐)色石灰土和紅色石灰土等4個亞類。不同類型(亞類)的石灰土反映了不同的成壤發育階段和水平，同時也反映了不同的生物、地貌、水熱狀況等成壤條件。根據張美良等[1]研究，各亞類石灰土土壤的粘土礦物組成、物化特性及分布特征見表1。

1.2 貴州喀斯特地區土壤背景值及環境風險表現

貴州地區土壤的成土過程及特殊的地質背景，導致喀斯特地區土壤重金屬含量背景值相對較高。根據劉南婷等[2]研究，結果表明貴州喀斯特地區表層土壤重金屬含量水平差異較大，自然背景區土壤重金屬富集特征不明顯，農業種植區土壤中As、Cd、Hg和Zn含量較高，平均含量分別為59.23mg·kg-1、2.19mg·kg-1、0.53mg·kg-1和449.86mg·kg-1。礦區土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb和Zn平均含量是貴州省土壤背景值的4.85倍、16.32倍、1.07倍、2.48倍、52.55倍、14.48倍和23.22倍?？梢?，貴州省耕地土壤重金屬背景值較高，礦產資源的粗放型開發導致礦區土壤重金屬背景值非常高。

耕地土壤重金屬背景值高會對植物產生毒害作用，致使植物生理特征改變，引起植物營養不良，酶的活性降低，從而影響到植物的產量及品質。重金屬在土壤中移動性能較差、滯留時間長、具備微生物毒性，重金屬離子對微生物的毒性順序為Hg>Cd>Cr>Pb>Co>Cu，其中Hg2+、Ag+對微生物的毒性最強，土壤中重金屬毒害作用對有機物的生物化學降解是非常不利的。因植物的吸收及富集作用，重金屬可通過食物鏈進入動物與人群，影響動物生存及人類身體健康。礦區重金屬土壤污染十分嚴重，修復難度大、成本高，修復意義不明顯。土壤中的重金屬通過地表徑流及下滲，污染地表水及地下水，造成水環境功能喪失；土壤風蝕導致土壤重金屬通過大氣沉降危害人類健康，污染周邊其它生態環境要素。

表1 土壤的分類及特征統計

2 喀斯特地區土壤理化性質

土壤的組分主要是由礦物質、水分、空氣及有機質等構成，研究喀斯特地區的坡耕地、水田、撂荒地、灌叢、次生林等的土壤理化性質，對研究重金屬污染土壤有十分重要的意義。根據江未來[3]對黔中石漠化地區土壤理化性質的研究表明，隨著土層深度的不斷加深，土壤容重、pH值、粉粒含量呈非線性增大趨勢，土壤含水率、有機質、全量氮磷鉀、速效氮磷鉀含量減小，這主要是由風化作用與土壤空氣含量不同導致的。土壤中粘粒與粉粒較多，則土壤密度較大、結構緊密，孔隙度與滲透系數較低。隨著土壤滲透系數的降低，土壤含水率相應減少，土壤中可容納的有機質含量越少。土壤有機質與全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀之間均存在極顯著正相關關系，說明隨著有機質含量的不斷增大，土壤中全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀的含量也會隨之增大；全磷與速效磷之間,全鉀與速效鉀、pH值之間呈極顯著正相關關系；全磷與全鉀、pH值呈極顯著負相關關系，與有機質無顯著相關性。全磷、速效磷與土壤粘粒、粉粒、砂粒均無顯著相關性，而砂粒與粘粒、粉粒呈極顯著負相關關系。

3 重金屬污染來源[4]

3.1 礦業開采

貴州巖溶區礦產資源儲量豐富，在我國屬于礦產資源大省，多為煤礦、汞礦、金礦、磷礦、鋁土礦、硫鐵礦等。在礦產的粗放性開采過程中非常容易引發對生態環境的重金屬污染。在開采過程中，礦井水及選礦廢水很容易污染水體及土壤。另外，廢石、尾礦廢渣等的丟棄堆積會導致其淋溶水中的重金屬元素向周邊土壤中遷移擴散，或通過溶洞、溶隙、裂隙等途徑污染地下水。采礦區含有重金屬的揚塵再次塵降會污染大氣與周邊土壤及地表水。

3.2 工業廢水及工業固廢

隨著貴州經濟的不斷發展，工業生產能力越來越高，然而很多企業為追求最大化的經濟效益，忽視了對環境的保護。涉重金屬的工業企業在生產過程中，產生大量含有重金屬的污水，這些污水排放到自然水體中，通過下滲及擴散污染周邊土壤。含有重金屬的工業固廢在堆積的過程中通過雨水淋溶污染土壤環境；有些工業固廢性質屬于危險廢物，未按照規范要求處理處置常常會對土壤等環境產生非常嚴重的危害。另外，工業廢氣及汽車尾氣含有大量重金屬，大氣中的重金屬通過顆粒物干沉降與降雨濕沉降進入農田土壤或被植物葉片直接吸收，最終導致土壤和植物中的各類重金屬含量超標。

3.3 污水灌溉及施用化肥與農藥

隨著貴州城市化進程的加快與工業化的迅速發展，生活污水、工業廢水排放量增加，污水中大量的Zn、Cu、Hg、Pb、Cd、Cr等重金屬進入河流、湖泊及地下水，通過農田灌溉進入土壤，不斷在土壤中累積。巖溶地區土壤貧瘠、營養成分含量低，因而刺激了農業生產過程對化肥和農藥的過分依賴，農藥與化肥中含有的重金屬隨農業生產也不斷殘留在土壤中。另外，土壤中N與P的增加，會使土壤不斷酸化，土壤酸化將加強重金屬活性，致使大量重金屬離子析出，更易被作物吸收，進而加重重金屬污染的危害。

4 重金屬污染土壤機理[5]

4.1 重金屬污染土壤的基本方式

土壤污染的方式包括直接污染、間接污染以及惡意污染。如礦產資源開采、工業廢水排放、運送危化學品車輛的“跑、冒、滴、漏”、農業灌溉及施肥、工業固廢堆積等方式。近年來，含重金屬顆粒物大氣沉降、大氣汞沉降、大氣酸沉降及惡意將重金屬釋放進入土壤的污染十分嚴重。

4.2 重金屬污染土壤的基本過程

重金屬元素進入土壤，污染土壤，造成土壤環境功能降低甚至喪失，主要是通過以下4個階段來進行，見表2。

表2 重金屬污染土壤的過程表現

4.3 土壤重金屬污染發生動力學

土壤中重金屬的污染歸根結底是以重金屬在土壤中的凈殘留量來決定的，從宏觀層面來看，重金屬在土壤中的凈殘留量通過輸入與輸出2個量來表達，重金屬某一時刻的累積量等于輸入量與輸出量的差值。假設某重金屬在t時刻的累積量為S(t),在t+Δt為S(t+Δt)，故污染物的變化量為ΔS=S(t+Δt)-S(t)。然而重金屬進入土壤后總是在不斷發生各種物理化學反應，最終重金屬殘留量的核算方式大多如表3所列。

表3 土壤重金屬污染發生動力學計算公式

續表 土壤重金屬污染發生動力學計算公式