攀枝花市農田土壤釩鈦污染特征及風險評價

摘 要：為探究攀枝花市礦區農田土壤中重金屬Ti和V的污染特征并評價其環境風險，在攀枝花仁和區的大花地村、半海村、陶家渡、灰嘎村的農田采集了24個表層土樣（0～20 cm），測定土壤樣品中Ti和V的總量和有效態含量，再采用單因子污染指數法、地累積指數法、潛在生態危害指數等方法分析了研究區農田重金屬Ti和V的污染狀況及其環境風險。結果表明：研究區域農田土壤中Ti、V元素的平均值含量均低于四川省土壤背景值，部分采樣點位V的濃度高于四川省背景值；重金屬Ti和V的有效態含量平均值分別為2.59和4.76 mg/kg，生物有效性系數分別為1.01%和5.66%，相對較低。評價結果表明研究區域內農田土壤中Ti含量未達污染級別，V含量為輕微污染級別，受到污染的礦區需引起相關部門重視，及時采取一定的管控和污染防治措施。

關鍵詞：礦區；重金屬；釩；鈦；污染特征；風險評價；攀枝花

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2023）02-0047-05

Abstract： This study aimed to explore the characteristics of vanadium （V） and titanium （Ti） pollution of farmland in Panzhihua mineral region of Sichuan， and evaluate their environmental risks. A total of 24 topsoil samples （depth 0-20 cm） were collected from Dahuadi， Banhai， Taojiadu and Huiga villages in Renhe District of Panzhihua." The total contents of Ti and V metals extracted by the three-acid digestion method， and the contents of soil available Ti and V extracted with 0.1 mol/L calcium chloride were simultaneously determined by ICP-MS. The single-factor pollution index method， geo-accumulation index method， and potential ecological hazard index were used to analyze the pollution status and environmental risks of Ti and V in farmland in the study area. The results show that the average contents of V and Ti in the farmland around the mining area were both lower than the soil background value in Sichuan Province， and the concentration of metal V in some sampling points was higher than the background value in Sichuan Province. The average values of available Ti and V contents were 2.59 and 4.76 mg/kg， respectively， and the bioavailability coefficients were 1.01% and 5.66%， respectively， which were relatively low. The evaluation results demonstrated that Ti content of farmland soil in the study area was not up to the pollution level， while V content was in the range of slight pollution. Relative departments should pay attention to the polluted mineral area， and certain control measures should be taken in time.

Key words： mineral area; heavy metals; vanadium; titanium; pollution characteristics; risk assessment; Panzhihua

礦產資源是國家經濟和社會發展的重要戰略資源。曾經一段時期，由于過度開采，導致開礦過程對周圍環境造成了嚴重破壞[1]，尤其是通過水、大氣、土壤等導致周圍農作物以及鄉土植物重金屬富集[2]。重金屬難降解、易富集、危害性強等特點使得土壤重金屬污染治理難度較大[3]。因此，在開采與利用礦產資源的同時也需要關注周圍環境生態系統的變化，特別是農田土壤環境。

四川省攀枝花市具有豐富的釩（V）、鈦（Ti）磁鐵礦，是已探明的8個V2O5儲量大于100萬t的大型礦床之一，為中國提供了64%、53%的釩、鈦供應[4] 。在鋼材中添加一定量的釩可以提高鋼的強度、韌性等性能，被廣泛應用于工業領域[5-6]。釩也是一種對人體有益且為某些生物體所必需的元素，但環境中過量的釩會對動植物、微生物以及人體造成損傷[6-7]。鈦是常見化合物，能與鐵、鋁、釩或鉬等其他元素熔成合金，造出高強度的輕合金，在各方面有著廣泛的應用。但有學者通過白鼠致畸效應試驗發現，高劑量的Ti具有一定的母體毒性和一定的胚胎毒性[8]。

釩鈦磁鐵礦在為國民經濟發展作出重要貢獻的同時，也產生了較為嚴重的環境問題。目前，鈦釩磁鐵礦的開采方式多為露天開采，露天采坑和尾礦揚塵加快了重金屬的遷移與轉化。一些學者探討過攀枝花礦區的土壤重金屬污染和農田土壤環境的情況[9-10]，認為當地農田土壤污染具有較高的研究價值。因此，筆者以攀枝花仁和區的大花地村、半海村、陶家渡和灰嘎村農田土壤為研究對象，分析測定農田土壤中V和Ti這2種重金屬的總量和有效態含量，綜合運用單因子指數法、地累積指數法等方法評價重金屬元素在該礦區周邊土壤中的風險，為攀枝花礦區周邊農田土壤的安全利用和污染防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

攀枝花市地處中國西南部的川滇交界處，東經108°08′～102°15′，北緯26°05′～27°21′，是一座大型工礦業城市。攀枝花市的釩鈦磁鐵礦礦床位于中國西南金沙江（長江上游）攀西裂谷南部，研究區域主要包括為攀枝花仁和區的大花地村、半海村、陶家渡和灰嘎村4個村莊。

1.2 土壤樣品的采集與預處理

采用GPS定位、蛇點采樣法采集農田的0～20 cm表層土壤，點位分布見圖1，同一位置確定6個采樣點位，共采集24個表層土樣，相同目標點位周圍10 m范圍內采集5個樣品，采用四分法得到1 kg樣品。將樣品混合均勻后風干磨碎并過100目篩備用。

1.3 供試樣品分析

參照Zhang等[11]的方法測定土壤理化性質。土壤中重金屬總量采用硝酸-氫氟酸-高氯酸三酸消解進行分析，具體步驟：稱取0.300 0 g土壤樣品，加入高氯酸和硝酸（體積比1∶3），在沙浴條件下消解樣品至淡黃色；溶液濃縮至1～2 mL后加入10 mL氫氟酸進行消解直至溶液再次濃縮至1～2 mL；溶液稀釋后過0.45 μm孔徑濾膜待測。土壤中重金屬有效態含量采用0.1 mol/L氯化鈣浸提法分析，具體步驟：稱取2.000 g土壤置于50 mL三角瓶，加入20 mL"0.1 mol/L的氯化鈣溶液，緊塞瓶塞，振蕩1.5 h，離心10 min，過濾待測。消解后溶液和氯化鈣提取液利用電感耦合質譜儀（ICP-MS）進行測定。測定后土壤樣品的基本理化性質見表1。

1.4 土壤重金屬污染風險評價方法

1.4.1 單因子污染指數法 單因子污染指數法主要用于評價土壤中重金屬的污染程度，按公式（1）計算。

式中：Pi為污染物i的單因子污染指數；Ci為污染物i的實測含量（mg/kg）；Si為污染物i的評價標準臨界值（mg/kg）[12]。

當Pi≤1時，污染等級為未污染；當1＜Pi≤2時，為輕度污染；當2＜Pi≤3時，為中度污染；當Pi＞3時，為重度污染。

1.4.2 地累積指數法 地累積指數法能夠判斷人為活動對環境的影響，是區分人類活動影響的重要參數，按公式（2）計算。

式中：Igeo為地累積指數，Cn為樣品中重金屬元素n的含量（mg/kg），Bn為土壤中該重金屬元素n的地球化學背景值（mg/kg），常數k是因自然因素引起背景值變動而取的系數，此處取1.5[13]。污染程度分為7級，具體見表2。

1.4.3 潛在生態風險指數法 潛在生態風險指數法是從重金屬生物毒性角度出發，反映污染物的濃度、毒性水平[14]，以定量的方法將重金屬的潛在生態風險劃分等級，按公式（3）計算。

式中：Csi為土壤中重金屬i的實測濃度；Cni為土壤中重金屬i的參比值（選擇當地土壤背景值作為對比）；Eri為沉積物中重金屬元素i的單項潛在生態危害指數；Tri為重金屬元素i的毒性響應系數；RI為沉積物中多種重金屬的綜合潛在生態危害指數。重金屬單項潛在生態危害指數和多種重金屬綜合潛在生態危害指數的分級見表3。

1.5 數據處理

采用Excel 2013和SPSS 23.0對數據進行整理和分析，采用ArcGIS 2.0、Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 礦區周邊土壤重金屬的統計特征及其在不同礦區的分布特征

由表4可知，Ti、V這2種重金屬含量的平均值分別為257.35和84.13 mg/kg。Ti、V的平均含量低于四川省背景值，但部分點位的V濃度仍然超過四川省V元素總量的背景值，點位超標率為37.5%。 Ti、V的變異系數值分別為147%和43%，均屬高度變異，表明研究區域的土壤樣本中這2種重金屬元素含量的空間分布離散性相對較大，且分布不均勻，差異性大，受人類活動影響明顯[15]；分析2種重金屬元素的偏度和峰度可知，2種重金屬元素含量均不屬于正態分布，其中Ti的偏度和峰度均偏大，表明該元素含量在個別點位存在異常高值。

不同采樣區土壤中重金屬分布情況如圖2所示。不同礦區重金屬的區域分布特征變化較大，但也存在一定的規律。從整體上看，V在半海村和灰嘎村周邊農田土壤中的富集程度相似，在大花地村富集程度相對較高，是4處礦區中唯一超過四川省背景值的礦區；4個礦區周邊農田土壤中Ti元素的平均含量未超過四川省土壤背景值，Ti元素具有較高的變異系數可能是因為部分采樣點很靠近Ti礦或Ti礦加工廠。

2.2 礦區周邊農田土壤重金屬有效態分析

土壤中的重金屬總量主要反映了土壤重金屬的污染程度[16]，而重金屬的有效態含量則能夠更加準確地反映其在土壤中的潛在生態風險程度。其主要原因是有效態重金屬元素易被植物所吸收，具有更強的遷移性和毒性[17]。由表5可知。Ti和V的有效態含量平均值分別為2.59和4.76 mg/kg。2種重金屬有效態的含量均較低，這可能與研究區域土壤中的鐵鋁錳氧化物含量有關（表1）。Ti和V的生物有效性系數分別為1.01%和5.66%，相對較低。攀枝花地區土壤中鐵氧化物的含量處于較高水平，土壤中大量的鐵氧化物可以吸附重金屬并顯著控制土壤中重金屬的生物有效性。同時V是一種典型的變價金屬，在礦區周圍土壤中可能與土壤中其他陽離子相結合，形成穩定化合物，降低了其生物有效性。

2.3 土壤重金屬污染及生態風險評價

2.3.1 單因子污染指數法 由表6可知，4處礦區中Ti的總污染率均為0，表明4處礦區都未受到重金屬Ti的污染；V的單因子污染指數平均值為0.88，總污染率為33.3%，皆為輕度污染；其中，大花地村6個采樣點位中有50%的采樣點受重金屬V的污染；陶家渡受到V污染點位較少，只有1個點位的污染指數顯示為輕微污染；其余2處礦區的均有2處采樣點為輕微污染。

2.3.2 地累積指數法 由表7可知，4個礦區Ti的地累積指數范圍分別為-9.35～-2.13，所有采樣點Ti的污染級別均為0，4處礦區均屬于無污染；V的地累積指數為-4.25～0.43，其中半海村和陶家渡污染級別為0～1，大花地村和灰嘎村的污染級別為0。重金屬在礦區周邊農田土壤中的累積和污染可能受到礦區產量和煤層中重金屬含量差異等多方面因素的綜合影響。

2.3.3 潛在生態危害指數法 由表8可知，礦區周邊土壤中Ti的生態風險指數范圍為0～0.68；V的生態風險指數范圍為0.16～3.04，均值分別為0.13和1.75；所有采樣點Ti、V的潛在生態風險指數均低于40，說明這2種重金屬在研究區域農田土壤中存在低等的潛在生態風險。分析2種重金屬的綜合指數，潛在生態風險綜合指數的范圍為0.19～3.62，小于40，因此同樣得出上述結論。

通過綜合比較分析單因子污染指數法、地累積指數和潛在生態風險指數法的結果，發現礦區周圍的農田土壤中重金屬V的污染指數等級更高，潛在危害更大，4處礦區都未受到重金屬Ti的污染。但四川省土壤中Ti的背景值較高，具有發達根系的植物更易富集Ti，因此在礦區周圍種植農作物時應注意選擇農作物種類，盡量少種植發達根系的作物。此外礦產開發所引起的V、Ti元素在土壤中長期累積，仍需長期監測，密切關注潛在生態風險，避免引發礦區周圍土壤重金屬污染超標的情況。

3 結 論

研究結果表明，攀枝花礦區研究區域內農田土壤的Ti、V這2種重金屬含量平均值均低于四川省背景值，部分采樣點金屬V的濃度高于四川省背景值，所有采樣點的Ti含量均低于四川省背景值。研究區域內農田土壤的Ti和V元素含量的變異系數值分別為147%和43%，均屬于高度變異；V在半海村和灰嘎村周邊農田土壤中的富集程度較低，在大花地村富集程度相對較高；研究區域內農田土壤的Ti和V有效態含量平均值分別為2.59和4.76 mg/kg，生物有效性系數分別為1.01%和5.66%，相對較低；單因子污染指數法和地累積污染指數法均顯示4處礦區都未受到Ti元素污染，潛在生態風險指數顯示Ti元素危害程度為低等；大寶頂和陶家渡V元素污染級別為0～1，總污染率為33.3%，當地環保部門和農業部門應當重視，選擇合適農作物，避免重金屬污染危害人類健康。

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（責任編輯：肖彥資）