貴州遵義松林地區(qū)土壤地球化學(xué)特征及其生態(tài)環(huán)境評價

龍宣霖，孔鵬飛，秦先進(jìn)，郭宇

（貴州省地礦局一0 二地質(zhì)大隊，貴州 遵義 563003）

0 引言

貴州遵義松林黑色巖系巖區(qū)為華南下寒武統(tǒng)Ni-Mo 礦化帶中的典型礦床之一（周潔等，2008；羅泰義等，2003），其賦礦層位為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組底部黑色頁巖。前人報道了遵義松林Ni-Mo 礦區(qū)周圍土壤中有毒元素（Mo、Ni、As、Cd、Zn、Cu、Pb、V、Hg、Cr）的分布狀況及可能的環(huán)境影響（樊正烈，2010），然而，由于Ni-Mo 礦開采過程中暴露在地表的富含多金屬尾礦和黑色頁巖圍巖碎石等在外界媒介（水、氣、熱等）作用下，有毒元素鎘、砷等活化浸出，遷移至松林地區(qū)土壤中，可能造成鎘、砷污染，其污染程度及生態(tài)風(fēng)險評價亟待深入（李朝奎等，2010）。本項研究擬通過對遵義松林黑色巖系巖區(qū)土壤中元素的調(diào)查分析，查明該區(qū)土壤元素含量水平、分布及其環(huán)境質(zhì)量。同時評價土壤中鎘、砷污染狀況及其潛在生態(tài)風(fēng)險，為確定遵義松林地區(qū)耕地土壤是否存在針對鎘、砷污染修復(fù)必要性提供初步的科學(xué)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

松林地區(qū)隸屬于貴州省遵義市匯川區(qū)，位于匯川區(qū)西南部。位于貴州高原北部，北倚婁山、南瀕烏江，處于黔北山原向黔中丘原過渡地帶，地勢為西北向東南逐漸降低。松林地區(qū)氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，平均氣溫為14～15℃，年平均氣溫14.6℃。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，碳酸鹽巖類占70%，地下河和出露的泉水點較多，全區(qū)出露地層由老到新為寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系與侏羅系。巖性主要為碳酸性巖與陸巖碎屑巖（圖1）。

2 樣品采集與分析測試

在遵義松林地區(qū)調(diào)查地類分布范圍內(nèi)，按照4～16 個點/km2的原則共采集0～20 cm 表層土壤樣品405 件，無污染自動風(fēng)干，過20 鉬孔徑篩，送貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實驗室，將樣品加工至200 鉬孔徑篩，土壤樣品全量分析指標(biāo)包括有機質(zhì)、N、P、K、B、Mn、Zn、Cu、Mo、Se、Ge、I、F、pH 值、As、Cd、Cr、Hg、Pb、Co、Ni、V、Tl，共計23 項。

圖1 松林地區(qū)地質(zhì)簡圖

3 土壤地球化學(xué)特征

與全國土壤A 層背景值相比，松林地區(qū)表層土壤區(qū)域地球化學(xué)背景值只有K元素低于全國平均值，其余元素區(qū)域地球化學(xué)背景值均高于全國平均值（樊正烈，2010）。

通過不同元素或指標(biāo)變異系數(shù)的變化情況可知，區(qū)內(nèi)Ge、N、Zn、Ti、F、Pb、SOM 元素的變異系數(shù)分別為0.3、0.19、0.27，含量分布最均勻；其次為Cr、B、V、Se、Co、Cd、K2O、Mo、Ni 等元素，其變異系數(shù)在0.3～0.5，為弱離散類；As、Cu、P、Hg、Mn、I、pH等元素其變異系數(shù)在0.5～1.0，為中離散類。對pH值的統(tǒng)計結(jié)果表明，全地區(qū)pH 分布的中值為5.7，眾數(shù)為5.4，其土壤整體偏酸性，體現(xiàn)了區(qū)內(nèi)大面積分布的碳酸鹽巖分布區(qū)的強烈風(fēng)化淋漓作用下的酸化特性（表1）（周廣柱等，2005）。

表1 松林地區(qū)土壤全量地球化學(xué)參數(shù)表（n=405）

3.1 不同成土母巖土壤各元素特征

松林地區(qū)不同成土母巖土壤元素或指標(biāo)均值統(tǒng)計表（表2）顯示，地區(qū)內(nèi)成土母巖以碳酸鹽巖為主。其中，白云巖成土母巖區(qū)As、F、Hg、I、Mo、N、P、Pb、Ti、Zn 等元素均值相對較高；灰?guī)r成土母巖區(qū)Cd、Co、Cr、Cu、I、Mn、Ni、Se、SOM、V 等元素均值相對較高；泥巖成土母巖區(qū)B、Ge、K2O 等元素均值相對較高。白云巖成土母巖區(qū)Co、Cr、Cu、Ge、K2O、Ni、V 等元素均值相對較低；灰?guī)r成土母巖區(qū)B、N、Ti、Zn 等元素均值相對較低；頁巖成土母巖區(qū)As、Cd、F、Hg、I、Mn、Mo、P、Pb、Se、SOM 等元素均值相對較低。

表2 不同成土母巖土壤元素或指標(biāo)均值統(tǒng)計

3.2 不同土壤類型元素特征

松林地區(qū)不同土壤類型土壤元素或指標(biāo)均值統(tǒng)計表（表3）顯示，地區(qū)內(nèi)土壤類型以黃壤為主，石灰土最少。其中，黃壤As、Cd、Co、Cr、Cu、Ge、Hg、I、Mn、Ni、P、Pb、pH、Se、V、Zn 等元素均值相對較高，B、F、Ge、K2O、Mo、N、SOM、Ti 等元素均值相對較低；水稻土B、F、Ge、K2O、Mo、N、SOM、Ti 等元素或指標(biāo)均值相對較高，As、Cd、Co、Cr、Cu、Ge、Hg、I、Mn、Ni、P、Pb、pH、Se、V、Zn 等元素均值相對較低。

表3 不同土壤類型土壤元素或指標(biāo)均值統(tǒng)計

4 土壤中元素富集分析

4.1 部分養(yǎng)分元素局部富集

B 在泥巖、頁巖成土母巖分布區(qū)富集。Cu、Se、V 在二疊系泥巖、寒武系頁巖成土母巖分布區(qū)富集；Ge 在寒武系金頂山組明心寺組頁巖成土母巖分布區(qū)富集；Mo 在寒武系白云巖、震旦系燈影組白云巖成土母巖分布區(qū)富集；P 在震旦系燈影組白云巖成土母巖分布區(qū)富集。

4.2 部分環(huán)境元素局部富集

As、Pb 元素在寒武系婁山關(guān)組白云巖成土母巖分布區(qū)富集；Cd、Cr、Ni 元素在二疊系龍?zhí)督M泥巖、震旦系燈影組白云巖成土母巖分布區(qū)富集；Hg 元素主要在震旦系燈影組白云巖成土母巖分布區(qū)富集（何志祥等，2011；李勝榮和肖啟云，2002）。

通過土壤垂向剖面中的腐質(zhì)層、淋容層、淀積層、母質(zhì)層及成土母巖樣品分析測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析得知，元素在不同成土母巖區(qū)土壤垂向剖面中含量變化表現(xiàn)出與成土母巖較強的關(guān)聯(lián)性（圖2～3）（李有禹，1997；謝淑容等，2008）。

5 土壤質(zhì)量評價

5.1 土壤養(yǎng)分質(zhì)量評價

查明松林地區(qū)土壤中單指標(biāo)養(yǎng)分元素等級，并根據(jù)氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量對土壤養(yǎng)分綜合等級進(jìn)行了評價，松林地區(qū)土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量以二等（較豐富）為主；三等（中等）次之。一等（豐富）土壤面積0.22 km2，約占松林地區(qū)土壤總面積比例2.72%；二等（較豐富）土壤面積6.85 km2，約占松林地區(qū)土壤總面積比例84.1%；三等（中等）土壤面積1.02 km2，約占松林地區(qū)土壤總面積比例12.59%；四等（較缺乏）土壤面積0.05 km2，約占松林地區(qū)土壤總面積比例0.59%；全地區(qū)無五等（缺乏）土壤（表4）。

表4 不同養(yǎng)分質(zhì)量等級類別土壤面積占比（%）

5.2 土壤環(huán)境質(zhì)量評價

查明松林地區(qū)土壤酸堿度（pH）、砷（As）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、汞（Hg）、鎳（Ni）等元素單指標(biāo)土壤環(huán)境質(zhì)量等級、多指標(biāo)環(huán)境質(zhì)量綜合等級分布情況（周廣桂等，2005）。松林地區(qū)土壤環(huán)境綜合等級以安全利用類為主。優(yōu)先保護(hù)類土壤面積3.25 km2，約占松林地區(qū)土壤總面積比例8.33%；安全利用類土壤面積35.58 km2，約占松林地區(qū)土壤總面積比例91.18%；嚴(yán)格管控類土壤面積0.19 km2，約占松林地區(qū)土壤總面積比例0.5%（表5）。

圖2 SLPM1 土壤剖面圖

圖3 SLPM2 土壤剖面圖

表5 不同環(huán)境質(zhì)量等級類別土壤面積占比（%）

5.3 土壤質(zhì)量綜合評價

進(jìn)行了土壤質(zhì)量綜合評價，初步查明松林地區(qū)土壤質(zhì)量綜合等級情況（圖4）。松林地區(qū)土壤質(zhì)量以三等（中等）為主。一等（優(yōu)質(zhì)）土壤面積1.7km2，約占松林地區(qū)土壤總面積比例4.36%；二等（良好）土壤面積1.38 km2，約占松林地區(qū)土壤總面積比例3.53%；三等（中等）土壤面積35.75 km2，約占松林地區(qū)土壤總面積比例91.62%；無四等（差等）土壤面；五等（劣等）土壤面積0.19 km2，約占松林地區(qū)土壤總面積比例0.5%（表6，表7）。

表6 不同微量元素等級類別土壤面積占比（%）

表7 松林地區(qū)土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級評價

6 生態(tài)環(huán)境評價

6.1 土壤鎘砷含量分析結(jié)果

遵義松林地區(qū)土地利用類型主要為旱地，其土壤的理化性質(zhì)為Corg=1.89%，CO2=0.03%，Stot=0.062%，pH=4.38。本研究所采耕地表層土壤樣品的鎘、砷含量分析結(jié)果列于表1。由表8 可見，松林地區(qū)耕地土壤中鎘、砷含量范圍分別為0.1～0.9 mg·kg-1和4.7～48.4 mg·kg-1，平均值分別為0.429 mg·kg-1和19.4mg·kg-1。土壤鎘、砷含量明顯高于貴州省土壤鎘、砷環(huán)境背景值（Cd 0.133 mg·kg-1，As 13.30 mg·kg-1）（表8）（王洋洋等，2008）。與遵義其他地區(qū)碳酸鹽巖發(fā)育的土壤（Cd 0.20 mg·kg-1，As 22.50 mg·kg-1）、碎屑巖風(fēng)化的土壤（Cd 0.18 mg·kg-1，As 28.78 mg·kg-1）相比，所研究土壤鎘、砷含量明顯偏高。上述對比初步表明，遵義松林地區(qū)耕地土壤具有高鎘、砷含量特征，可能遭受這兩種重金屬元素污染，值得進(jìn)一步評價（張國祥等，1996；郭偉等，2011）。

6.2 鎘砷污染地質(zhì)累積指數(shù)法評價結(jié)果

為了評價遵義松林地區(qū)耕地土壤鎘、砷的污染狀況，本研究以貴州鎘、砷土壤環(huán)境背景值分別作為研究區(qū)土壤鎘、砷的背景值，取k 值為1.5 進(jìn)行地質(zhì)累積指數(shù)計算（滕彥國等，2002；胡恭任和于瑞蓮，2008）。遵義松林地區(qū)耕地土壤鎘、砷地質(zhì)累積指數(shù)的變化范圍分別為1.85～4.54 和1.20～2.69，對應(yīng)的污染等級范圍分別為2～5 和2～3（金昭貴和周明忠，2012）。通過與地質(zhì)累積指數(shù)相對應(yīng)的污染程度評價，研究區(qū)耕地土壤樣品的鎘污染程度為中度污染至極重污染，多數(shù)樣品具中度污染—重污染程度；耕地土壤樣品的砷污染程度為中度污染至中度污染—重污染的范圍，樣品普遍具中度污染程度。

6.3 生態(tài)環(huán)境綜合評價

通過對土壤養(yǎng)分元素進(jìn)行調(diào)查評價得知，地區(qū)內(nèi)土壤中氮元素全量及有效量含量等級均較高。磷元素全量及有效量含量等級差異性較大，主要受成土母巖的控制，磷含量明顯高于其他地區(qū)；地區(qū)內(nèi)土壤鉀元素、硼元素含量等級則與磷元素相反，鉀元素、硼元素含量等級明顯低于其他地區(qū)。地區(qū)內(nèi)土

表8 遵義松林Ni-Mo 礦區(qū)耕地土壤鎘、砷含量

圖4 松林地區(qū)土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級圖

單位：mg·kg-1。壤硒、鍺、鋅元素整體質(zhì)量等級較高，富硒土壤面積較大。通過對土壤環(huán)境元素進(jìn)行調(diào)查評價得知，地區(qū)內(nèi)土壤中存在的重金屬元素的主要是鎘、砷元素，其中高值主要出現(xiàn)在寒武系白云巖（燈影組）、寒武系頁巖（牛蹄塘組）地層分布區(qū)域。土壤中環(huán)境元素含量與地層有一定的相關(guān)性，可以分布對易產(chǎn)生環(huán)境元素富集的地層分布區(qū)域內(nèi)的地塊進(jìn)行監(jiān)測，并對相關(guān)區(qū)域內(nèi)種植的農(nóng)作物進(jìn)行安全性評價和監(jiān)測。在施肥過程中根據(jù)元素的相關(guān)性以及不同元素組合在農(nóng)作物中的富集作用，合理搭配施肥（畢春娟和陳振樓，2001）。并在施肥過程中對土壤理化性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，同時對土壤中環(huán)境元素含量進(jìn)行監(jiān)測（葉寒青和楊祥良，2001）。

7 結(jié)論

（1）區(qū)內(nèi)土壤營養(yǎng)元素較豐富。表層土壤元素分析表明，松林區(qū)土壤中植物營養(yǎng)有益元素整體上較豐富。主要營養(yǎng)元素如氮、有機碳（TOC）等均出現(xiàn)大面積豐富的地區(qū)。

（2）局部土壤重金屬污染，環(huán)境狀況不容樂觀。研究表明，研究區(qū)存在以鎘等元素為主的大面積的重金屬污染。土壤中以鎘為主的重金屬污染主要分布在松林鎮(zhèn)及其周邊地區(qū)。在這些污染區(qū)某些重金屬元素已經(jīng)進(jìn)入植物、蔬菜、稻谷以及人體內(nèi)，威脅食品安全和人體健康（劉文新等，1999）。

（3）土壤健康元素分布較廣泛。硒元素在表層土壤中的分布是豐富的，主要分布在牛蹄塘組黑色系的分布區(qū)，富集區(qū)域達(dá)90%以上，為發(fā)展富硒農(nóng)業(yè)提供了寶貴的土壤資源。

（4）根據(jù)主導(dǎo)性、系統(tǒng)性、獨立性、生產(chǎn)性、空間變異性、定量與定性相結(jié)合、實用性、相對穩(wěn)定性和區(qū)域性等原則篩選確認(rèn)土地質(zhì)量地球化學(xué)分等指標(biāo)為：必需大量元素N、P、K，必需微量元素Mo、Mn，環(huán)境指標(biāo)pH、Cd，健康指標(biāo)Se、I，研究區(qū)土地質(zhì)量整體中等。

（5）通過采用地累積指數(shù)法評價，研究區(qū)耕地土壤樣品的鎘污染程度以中度污染—重污染為主，樣品砷污染程度普遍為中度污染。因此，評價結(jié)果表明遵義松林地區(qū)耕地土壤已遭受鎘、砷污染，且其污染程度相對較高。所研究的耕地土壤樣品中，鎘以高潛在生態(tài)風(fēng)險為主；砷則以中等潛在生態(tài)風(fēng)險為主。結(jié)果表明研究區(qū)耕地土壤鎘、砷具有較高潛在生態(tài)風(fēng)險，值得展開進(jìn)一步的土壤污染修復(fù)研究。