貴州喀斯特地區(qū)土壤重金屬污染研究

李永江

(貴州眾益生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

1 貴州喀斯特地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量特性

1.1 貴州喀斯特地區(qū)土壤特征

貴州處于西南喀斯特地區(qū)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(tài)脆弱區(qū)。境內(nèi)能源礦產(chǎn)資源儲(chǔ)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?guī)r碳酸鈣(CaCO3)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸氫鈣[Ca(HCO3)2]溶解流失，大量的可溶性營(yíng)養(yǎng)元素也隨之流走，因此水土流失十分嚴(yán)重、土壤肥力較低、土壤持水性能差、土壤因侵蝕導(dǎo)致細(xì)土粒和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失，土壤顆粒粗化，造成土地荒漠化嚴(yán)重。受地形地貌和成土母質(zhì)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(yán)重影響喀斯特地區(qū)土壤的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)較低。成土過(guò)程中，碳酸鹽巖母巖成分主要為可溶性物質(zhì)，母巖風(fēng)化后僅能保留少量不溶或難溶物質(zhì)，因貴州降雨量豐富，地表徑流相對(duì)穩(wěn)定，流水持續(xù)性下滲，尤其是純碳酸鹽巖地區(qū)，導(dǎo)致成土速率慢。此外，在成土過(guò)程中黏性物質(zhì)減少，使得土層和巖層之間缺乏粘合力，容易發(fā)生土體滑移。學(xué)術(shù)界將喀斯特地區(qū)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(gè)亞類(lèi)。不同類(lèi)型(亞類(lèi))的石灰土反映了不同的成壤發(fā)育階段和水平，同時(shí)也反映了不同的生物、地貌、水熱狀況等成壤條件。根據(jù)張美良等[1]研究，各亞類(lèi)石灰土土壤的粘土礦物組成、物化特性及分布特征見(jiàn)表1。

1.2 貴州喀斯特地區(qū)土壤背景值及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)

貴州地區(qū)土壤的成土過(guò)程及特殊的地質(zhì)背景，導(dǎo)致喀斯特地區(qū)土壤重金屬含量背景值相對(duì)較高。根據(jù)劉南婷等[2]研究，結(jié)果表明貴州喀斯特地區(qū)表層土壤重金屬含量水平差異較大，自然背景區(qū)土壤重金屬富集特征不明顯，農(nóng)業(yè)種植區(qū)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(qū)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?jiàn)，貴州省耕地土壤重金屬背景值較高，礦產(chǎn)資源的粗放型開(kāi)發(fā)導(dǎo)致礦區(qū)土壤重金屬背景值非常高。

耕地土壤重金屬背景值高會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，致使植物生理特征改變，引起植物營(yíng)養(yǎng)不良，酶的活性降低，從而影響到植物的產(chǎn)量及品質(zhì)。重金屬在土壤中移動(dòng)性能較差、滯留時(shí)間長(zhǎng)、具備微生物毒性，重金屬離子對(duì)微生物的毒性順序?yàn)镠g>Cd>Cr>Pb>Co>Cu，其中Hg2+、Ag+對(duì)微生物的毒性最強(qiáng)，土壤中重金屬毒害作用對(duì)有機(jī)物的生物化學(xué)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(guò)食物鏈進(jìn)入動(dòng)物與人群，影響動(dòng)物生存及人類(lèi)身體健康。礦區(qū)重金屬土壤污染十分嚴(yán)重，修復(fù)難度大、成本高，修復(fù)意義不明顯。土壤中的重金屬通過(guò)地表徑流及下滲，污染地表水及地下水，造成水環(huán)境功能喪失；土壤風(fēng)蝕導(dǎo)致土壤重金屬通過(guò)大氣沉降危害人類(lèi)健康，污染周邊其它生態(tài)環(huán)境要素。

表1 土壤的分類(lèi)及特征統(tǒng)計(jì)

2 喀斯特地區(qū)土壤理化性質(zhì)

土壤的組分主要是由礦物質(zhì)、水分、空氣及有機(jī)質(zhì)等構(gòu)成，研究喀斯特地區(qū)的坡耕地、水田、撂荒地、灌叢、次生林等的土壤理化性質(zhì)，對(duì)研究重金屬污染土壤有十分重要的意義。根據(jù)江未來(lái)[3]對(duì)黔中石漠化地區(qū)土壤理化性質(zhì)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(shì)，土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、全量氮磷鉀、速效氮磷鉀含量減小，這主要是由風(fēng)化作用與土壤空氣含量不同導(dǎo)致的。土壤中粘粒與粉粒較多，則土壤密度較大、結(jié)構(gòu)緊密，孔隙度與滲透系數(shù)較低。隨著土壤滲透系數(shù)的降低，土壤含水率相應(yīng)減少，土壤中可容納的有機(jī)質(zhì)含量越少。土壤有機(jī)質(zhì)與全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀之間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明隨著有機(jī)質(zhì)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(huì)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(guān)關(guān)系；全磷與全鉀、pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)質(zhì)無(wú)顯著相關(guān)性。全磷、速效磷與土壤粘粒、粉粒、砂粒均無(wú)顯著相關(guān)性，而砂粒與粘粒、粉粒呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 重金屬污染來(lái)源[4]

3.1 礦業(yè)開(kāi)采

貴州巖溶區(qū)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量豐富，在我國(guó)屬于礦產(chǎn)資源大省，多為煤礦、汞礦、金礦、磷礦、鋁土礦、硫鐵礦等。在礦產(chǎn)的粗放性開(kāi)采過(guò)程中非常容易引發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境的重金屬污染。在開(kāi)采過(guò)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(huì)導(dǎo)致其淋溶水中的重金屬元素向周邊土壤中遷移擴(kuò)散，或通過(guò)溶洞、溶隙、裂隙等途徑污染地下水。采礦區(qū)含有重金屬的揚(yáng)塵再次塵降會(huì)污染大氣與周邊土壤及地表水。

3.2 工業(yè)廢水及工業(yè)固廢

隨著貴州經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)能力越來(lái)越高，然而很多企業(yè)為追求最大化的經(jīng)濟(jì)效益，忽視了對(duì)環(huán)境的保護(hù)。涉重金屬的工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)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(guò)下滲及擴(kuò)散污染周邊土壤。含有重金屬的工業(yè)固廢在堆積的過(guò)程中通過(guò)雨水淋溶污染土壤環(huán)境；有些工業(yè)固廢性質(zhì)屬于危險(xiǎn)廢物，未按照規(guī)范要求處理處置常常會(huì)對(duì)土壤等環(huán)境產(chǎn)生非常嚴(yán)重的危害。另外，工業(yè)廢氣及汽車(chē)尾氣含有大量重金屬，大氣中的重金屬通過(guò)顆粒物干沉降與降雨濕沉降進(jìn)入農(nóng)田土壤或被植物葉片直接吸收，最終導(dǎo)致土壤和植物中的各類(lèi)重金屬含量超標(biāo)。

3.3 污水灌溉及施用化肥與農(nóng)藥

隨著貴州城市化進(jìn)程的加快與工業(yè)化的迅速發(fā)展，生活污水、工業(yè)廢水排放量增加，污水中大量的Zn、Cu、Hg、Pb、Cd、Cr等重金屬進(jìn)入河流、湖泊及地下水，通過(guò)農(nóng)田灌溉進(jìn)入土壤，不斷在土壤中累積。巖溶地區(qū)土壤貧瘠、營(yíng)養(yǎng)成分含量低，因而刺激了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)化肥和農(nóng)藥的過(guò)分依賴(lài)，農(nóng)藥與化肥中含有的重金屬隨農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也不斷殘留在土壤中。另外，土壤中N與P的增加，會(huì)使土壤不斷酸化，土壤酸化將加強(qiáng)重金屬活性，致使大量重金屬離子析出，更易被作物吸收，進(jìn)而加重重金屬污染的危害。

4 重金屬污染土壤機(jī)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(chǎn)資源開(kāi)采、工業(yè)廢水排放、運(yùn)送?；瘜W(xué)品車(chē)輛的“跑、冒、滴、漏”、農(nóng)業(yè)灌溉及施肥、工業(yè)固廢堆積等方式。近年來(lái)，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(jìn)入土壤的污染十分嚴(yán)重。

4.2 重金屬污染土壤的基本過(guò)程

重金屬元素進(jìn)入土壤，污染土壤，造成土壤環(huán)境功能降低甚至喪失，主要是通過(guò)以下4個(gè)階段來(lái)進(jìn)行，見(jiàn)表2。

表2 重金屬污染土壤的過(guò)程表現(xiàn)

4.3 土壤重金屬污染發(fā)生動(dòng)力學(xué)

土壤中重金屬的污染歸根結(jié)底是以重金屬在土壤中的凈殘留量來(lái)決定的，從宏觀層面來(lái)看，重金屬在土壤中的凈殘留量通過(guò)輸入與輸出2個(gè)量來(lái)表達(dá)，重金屬某一時(shí)刻的累積量等于輸入量與輸出量的差值。假設(shè)某重金屬在t時(shí)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(jìn)入土壤后總是在不斷發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)，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(fā)生動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式

續(xù)表 土壤重金屬污染發(fā)生動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式