張金婷,孫 華,謝 麗,侯大偉

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃系, 南京 210095

典型棕地修復(fù)前后土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化
——以江西貴溪冶煉廠為例

張金婷,孫 華*,謝 麗,侯大偉

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃系, 南京 210095

目前,我國(guó)對(duì)于棕(褐)地周邊區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究較少,且主要是針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源帶來(lái)的潛在危害進(jìn)行評(píng)價(jià),沒(méi)有考慮風(fēng)險(xiǎn)受體能夠承受生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)能力的大小,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究不全面。在棕(褐)地周邊區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中加入風(fēng)險(xiǎn)受體的相關(guān)研究,主要從風(fēng)險(xiǎn)源的危害分析和風(fēng)險(xiǎn)受體的生態(tài)脆弱性?xún)煞矫鎸?duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),使評(píng)價(jià)更加全面,另外,現(xiàn)有研究少有對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在時(shí)間上的變化研究,考慮了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間上的變化,對(duì)貴溪冶煉廠周邊兩個(gè)時(shí)期的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)并分析其變化,利用GIS軟件對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行空間表達(dá),對(duì)研究區(qū)域存在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間差異進(jìn)行分析。結(jié)果表明:修復(fù)前蘇門(mén)區(qū)、九牛崗、水泉區(qū)、串山垅等地區(qū)存在很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),沈家-林家區(qū)和長(zhǎng)塘周家區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小,處于中等風(fēng)險(xiǎn)水平,修復(fù)后研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大大降低,很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)降為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平,中等風(fēng)險(xiǎn)降為低風(fēng)險(xiǎn),說(shuō)明修復(fù)方式比較有效,但仍有小范圍區(qū)域存在較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)加強(qiáng)修復(fù),研究區(qū)域中耕地的生態(tài)脆弱性最大。對(duì)于生態(tài)脆弱性較大且生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行修復(fù)治理,生態(tài)脆弱性大而生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低的地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)防范,防止再次發(fā)生較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。

棕(褐)地；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；重金屬

隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速發(fā)展，城市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與功能布局部分發(fā)生了大規(guī)模調(diào)整,形成了許多棕(褐)地[1- 2]。棕(褐)地是指被利用過(guò)的工業(yè)或商業(yè)用地,被以前生產(chǎn)所污染,大多存在于城市內(nèi)部,可能存在污染并會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境和人類(lèi)造成潛在危害,效益低下,需要重新利用或改進(jìn)目前利用狀態(tài),但不強(qiáng)調(diào)直觀上完全廢棄、閑置的狀態(tài)。棕(褐)地的存在給周邊區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的危害可以概括為其存在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[3]?？茖W(xué)地對(duì)棕(褐)地周邊治理前后存在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)實(shí)現(xiàn)棕(褐)地的治理和再利用有十分重要的意義。

在關(guān)于棕(褐)地區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究中,國(guó)外學(xué)者Boyd等指出了棕(褐)地潛在的環(huán)境責(zé)任和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)阻礙了棕(褐)地的再利用[4]。Tedd等指出棕(褐)地存在多種潛在風(fēng)險(xiǎn),必須識(shí)別其中重要的問(wèn)題及帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),指出污染物帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)是最主要的問(wèn)題,但也不可忽略其他風(fēng)險(xiǎn)[5]。涂常青等對(duì)硫化銅礦廠周邊農(nóng)田土壤的重金屬污染狀況進(jìn)行了分析,對(duì)其生態(tài)危害進(jìn)行了評(píng)價(jià),得出土壤重金屬元素的污染程度存在差異,不同污染物對(duì)土壤構(gòu)成的生態(tài)危害不同[6]。孫華等引入層次分析法和灰色評(píng)價(jià)法對(duì)棕(褐)地再利用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究[7]。林佳佳等采用NAS四步法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)棕(褐)地周邊存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)[8]。賈亞琪等針對(duì)煤礦開(kāi)采對(duì)周邊農(nóng)田土壤重金屬性質(zhì)的影響做了研究,對(duì)農(nóng)田區(qū)與礦區(qū)不同距離進(jìn)行采樣,分析了土壤重金屬含量和分布特征,對(duì)其污染程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),探討了距離遠(yuǎn)近與重金屬污染程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小的關(guān)系[9]。目前,我國(guó)對(duì)于棕(褐)地周邊區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究較少,還沒(méi)有建立有針對(duì)性、完善的評(píng)價(jià)體系,并且大多是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源帶來(lái)的潛在危害進(jìn)行評(píng)價(jià),沒(méi)有考慮風(fēng)險(xiǎn)受體的脆弱性大小,評(píng)價(jià)不全面。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究的總結(jié),本文對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源的潛在危害進(jìn)行分析的同時(shí)加入風(fēng)險(xiǎn)受體的承受生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)能力的分析,利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)研究區(qū)域的棕(褐)地區(qū)域土壤修復(fù)前后的重金屬風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)危害進(jìn)行評(píng)價(jià),并從生態(tài)脆弱度角度對(duì)風(fēng)險(xiǎn)受體承受風(fēng)險(xiǎn)的能力進(jìn)行分析,結(jié)合GIS技術(shù),對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行空間上的描述,然后分析存在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間差異。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

江西銅業(yè)貴溪冶煉廠自建廠以來(lái),周邊地區(qū)受到堆渣場(chǎng)及其積水和貴溪冶煉廠排污廢水的污染,主要污染物為重金屬Cu和Cd,土壤污染重,且面積較廣,已嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。貴溪冶煉廠周邊經(jīng)過(guò)了一系列的修復(fù)工作,但該廠在生產(chǎn)制造過(guò)程中仍會(huì)產(chǎn)生重金屬等,對(duì)于該廠以及與修復(fù)示范區(qū)之間未修復(fù)的地區(qū),仍會(huì)給周邊帶來(lái)危害,本文將該廠生產(chǎn)制造產(chǎn)生污染危害的地區(qū)和該廠周?chē)葱迯?fù)的地帶視為棕(褐)地地區(qū)。貴溪冶煉廠周邊區(qū)域九牛崗?fù)寥佬迯?fù)示范項(xiàng)目監(jiān)測(cè)的地區(qū)共分6個(gè)區(qū)塊,包括蘇門(mén)區(qū)、沈家-林家區(qū)、九牛崗、水泉區(qū)、長(zhǎng)塘周家區(qū)、串山垅水庫(kù)部分老灌區(qū),其修復(fù)方式主要為植物修復(fù),種植的植物主要是巨菌草、樟樹(shù)、香根草、海州香薷和伴礦景天等。對(duì)其監(jiān)測(cè)的時(shí)間是在種植植物前后,修復(fù)前監(jiān)測(cè)時(shí)間為2012年3月,修復(fù)后是種植植物一段時(shí)間后,監(jiān)測(cè)時(shí)間為2013年10月。研究區(qū)域如圖1。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the studied region

1.2 樣點(diǎn)選取

根據(jù)《江銅貴冶周邊區(qū)域九牛崗?fù)寥佬迯?fù)示范項(xiàng)目實(shí)施方案》中確定的項(xiàng)目修復(fù)范圍作為監(jiān)測(cè)范圍,為評(píng)估該項(xiàng)目土壤修復(fù)效果,樣品是在項(xiàng)目實(shí)施前后采集,根據(jù)各修復(fù)區(qū)的地形地貌等特點(diǎn)進(jìn)行采樣,采樣區(qū)面積為1.38 km2,采樣點(diǎn)為98個(gè)。監(jiān)測(cè)采集表層土壤采樣深度為0—20 cm,土壤采用采集混合樣的方案,單個(gè)采樣區(qū)樣品各分點(diǎn)混勻后用四分法取1 kg土樣裝入樣品袋,多余部分棄去。

土壤樣品銅有效態(tài)、鎘有效態(tài)的提取采用0.1 mol/L CaCl2溶液按照土液比1:5的比例浸提后分別采用火焰原子吸收分光光度法、石墨爐原子吸收分光光度法進(jìn)行檢測(cè)。為了保證現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性,所有的采樣工作及實(shí)驗(yàn)室分析工作,包括樣品采集容器的材質(zhì)、采樣工具的清洗、儀器設(shè)備的校準(zhǔn)與使用、現(xiàn)場(chǎng)采樣記錄、樣品的保存和運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)室分析質(zhì)量控制(包括方法空白、儀器空白、質(zhì)控樣品、加標(biāo)平行樣和平行樣)等均嚴(yán)格按照《環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法》和《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的質(zhì)量控制要求進(jìn)行。

1.3 研究方法

1.3.1 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

現(xiàn)有的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法有單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、地累積指數(shù)法以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法,本文采用的是潛在生態(tài)危害指數(shù)法來(lái)對(duì)研究區(qū)域的重金屬污染進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析。潛在生態(tài)危害指數(shù)法是瑞典學(xué)者Hakanson提出的,該方法綜合考慮了重金屬毒性、在土壤中的遷移規(guī)律和評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?以及重金屬區(qū)域背景值的差異,消除了區(qū)域差異影響,體現(xiàn)了生物有效性、相對(duì)貢獻(xiàn)、地理空間等特點(diǎn),是綜合反映重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境影響潛力的指標(biāo)[10-14]。

(1)

表1 重金屬參照值和毒性響應(yīng)系數(shù)

1.3.2 生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)方法

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)不僅需要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)大小進(jìn)行評(píng)價(jià),還需要對(duì)研究區(qū)域的生態(tài)受體進(jìn)行研究,本文利用生態(tài)脆弱性來(lái)表示研究區(qū)域生態(tài)受體能夠承受生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的能力。生態(tài)脆弱性是指生態(tài)環(huán)境對(duì)一定區(qū)域內(nèi)自然以及外界人為活動(dòng)等干擾的抵抗能力或敏感程度[17]。生態(tài)脆弱性表示生態(tài)環(huán)境對(duì)外界干擾的響應(yīng)程度,不同生態(tài)環(huán)境在被外界干擾后自我恢復(fù)能力不同,同樣的外界干擾對(duì)于不同生態(tài)環(huán)境的影響不同,對(duì)于一般的生態(tài)環(huán)境也許可以承受,但是對(duì)于生態(tài)環(huán)境比較脆弱的來(lái)說(shuō)也許是不能承受的[18],所以本文加入生態(tài)脆弱性分析來(lái)體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)受體的承受生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的能力。參考從景觀角度進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的相關(guān)文獻(xiàn)[19- 25],現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究,大多是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源的潛在危害評(píng)價(jià)或者是從景觀脆弱度分析生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),沒(méi)有將兩者結(jié)合起來(lái)評(píng)價(jià)分析,本文利用生態(tài)脆弱性這一方面來(lái)探討風(fēng)險(xiǎn)受體承受生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的能力,生態(tài)環(huán)境是連接風(fēng)險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)受體的紐帶,從土地利用景觀方面來(lái)分析生態(tài)脆弱性,作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一個(gè)參考因素。

表2 潛在生態(tài)危害指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

本文在土地利用類(lèi)型基礎(chǔ)上將研究區(qū)域劃分為8種景觀類(lèi)型：耕地、園地、林地、草地、水域、居民點(diǎn)及工礦用地、裸地、交通用地,將交通用地納入臨近的景觀類(lèi)型中。本文選取能夠反映生態(tài)環(huán)境脆弱度的典型的景觀指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià),選取斑塊數(shù)(Numbers of Patches)、斑塊密度(Patch Density)、邊界密度(Edge Dendity)、景觀形狀指數(shù)(Landscape Shape Index)、分離度(Fragmentation Idex)和分維數(shù)倒數(shù)(Fractal Dimension)等指標(biāo)來(lái)進(jìn)行脆弱度評(píng)價(jià)。本文選用客觀賦權(quán)法中的熵權(quán)法來(lái)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,該方法綜合考慮了各個(gè)因素提供的信息,在這些信息基礎(chǔ)上計(jì)算得到一個(gè)綜合指標(biāo)[26- 27]。求得權(quán)重之后,根據(jù)選取的景觀格局指數(shù)的生態(tài)學(xué)意義以及與生態(tài)環(huán)境響應(yīng)之間的關(guān)系,對(duì)選取的多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用加權(quán)求和來(lái)實(shí)現(xiàn)土地利用景觀類(lèi)型脆弱度指數(shù)評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬總體狀況分析

修復(fù)前研究區(qū)重金屬Cu和Cd的最大值和均值均超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),樣點(diǎn)中重金屬Cu和Cd的含量超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的比例分別是48.72%和58.97%,超標(biāo)比例較多；重金屬Cu和Cd的均值是國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的1.36倍和2.08倍以及國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量背景值的1.94倍和3.12倍。修復(fù)后：重金屬Cu和Cd的最大值超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值,超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的比例分別是12.82%和28.21%,相對(duì)于修復(fù)前明顯下降；重金屬Cu和Cd的均值未超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)修復(fù),土壤中的重金屬含量明顯降低。修復(fù)后,重金屬Cu的均值降幅為68.12%,重金屬Cd的均值降幅為61.95%,樣點(diǎn)中超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的比例降低了30%(表3)。

主要修復(fù)區(qū)內(nèi)種植的超積累、耐性植物的產(chǎn)量及植物體內(nèi)Cu和Cd含量監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4。修復(fù)區(qū)內(nèi)種植的超積累植物海州香和伴礦景天及耐性植物巨菌草、香根草,成熟期收割后都能帶走土壤中的銅、鎘,如蘇門(mén)和水泉區(qū)域種植巨菌草,九牛崗區(qū)域種植巨菌草、香根草、海州香糯和伴礦景天等,能有效的吸收重金屬,降低區(qū)域的污染風(fēng)險(xiǎn),污染土壤重金屬Cu和Cd在修復(fù)后最終滿(mǎn)足國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求,使土壤功能得到逐步恢復(fù)。

表3 土壤重金屬含量分析

表4 修復(fù)區(qū)主要修復(fù)植物吸收銅、鎘的量一覽表

2.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),得到的結(jié)果如表5所示,表中的數(shù)值為各區(qū)塊采樣點(diǎn)計(jì)算的均值。

表5 各區(qū)塊潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表5可知,修復(fù)前蘇門(mén)區(qū)、九牛崗、水泉區(qū)和串山垅的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高,屬于很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),沈家-林家區(qū)和長(zhǎng)塘周家區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低,屬于中等風(fēng)險(xiǎn)；重金屬Cd的潛在生態(tài)危害指數(shù)相對(duì)于Cu的大,各區(qū)塊重金屬Cu的潛在生態(tài)危害參數(shù)都處于低風(fēng)險(xiǎn)水平,而各區(qū)塊重金屬Cd的潛在生態(tài)危害參數(shù)等級(jí)不同,導(dǎo)致各區(qū)塊的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)存在較大差異,這說(shuō)明重金屬Cd對(duì)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)率大。

修復(fù)后研究區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降低,蘇門(mén)區(qū)和水泉區(qū)由很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)降低為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),九牛崗和串山垅由很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)降低為中等風(fēng)險(xiǎn),沈家-林家區(qū)以及長(zhǎng)塘周家區(qū)由中等風(fēng)險(xiǎn)降低為低風(fēng)險(xiǎn)。修復(fù)后綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較大的地區(qū)主要是由于該區(qū)重金屬Cd的潛在生態(tài)危害參數(shù)較大導(dǎo)致的,修復(fù)后重金屬Cd對(duì)最終的評(píng)價(jià)結(jié)果貢獻(xiàn)較大,但各區(qū)塊重金屬Cd的潛在生態(tài)危害參數(shù)普遍大幅度下降。

2.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布

本文結(jié)合GIS技術(shù)給出了研究區(qū)修復(fù)前和修復(fù)后的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖,如圖2、圖3可知：

圖3 修復(fù)后潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖Fig.3 Potential ecological risk level map after remediation

(1)蘇門(mén)區(qū)北部、南部和西南部周邊地區(qū)存在很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),其所占范圍較大,蘇門(mén)區(qū)中部和東部小范圍地區(qū)為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),西部小范圍地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)較低,處于中等風(fēng)險(xiǎn)水平以下。蘇門(mén)區(qū)位于貴溪冶煉廠北門(mén)排污渠東北方向,北部有貴溪冶煉廠堆渣場(chǎng),渣場(chǎng)積水溢出或滲濾流入農(nóng)田,成為灌溉水源,該區(qū)受到這兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的危害,導(dǎo)致該區(qū)南部周邊以及北部地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大。

(2)沈家-林家區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低,大部分地區(qū)處于中等風(fēng)險(xiǎn)及以下水平,中等風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)的面積比例較大,靠近蘇門(mén)區(qū)的地區(qū)存在強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),但其所占面積較小。該區(qū)位于貴溪冶煉廠東北,貴溪冶煉廠東南部,受到貴溪冶煉廠渣場(chǎng)滲漏出水的風(fēng)險(xiǎn)危害,但與蘇門(mén)區(qū)相比,距離渣場(chǎng)遠(yuǎn),所以存在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低。另外,研究區(qū)主要風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)和西北風(fēng),該區(qū)不在風(fēng)向的影響范圍內(nèi),所以該區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相比其他地區(qū)較低。

(3)九牛崗南部和北部?jī)蓧K區(qū)域存在很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),所占范圍較大,中部地區(qū)以及北部小范圍地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),該區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大,基本在強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平以上。該區(qū)靠近貴溪冶煉廠西大門(mén),區(qū)內(nèi)有一條道路連接貴溪冶煉廠和貴溪化肥廠,有兩廠內(nèi)作業(yè)車(chē)輛來(lái)往,導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)較大,且該區(qū)中部靠北和南部有河流溝渠,曾引用工業(yè)廢水進(jìn)行灌溉,致使生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大。

(4)水泉區(qū)整體的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大,基本處于很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平,主要是由該區(qū)重金屬Cd污染較重,帶來(lái)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大造成的。該區(qū)位于貴溪冶煉廠廢水排污水庫(kù)——串山垅水庫(kù)南部下游,利用廢水以及已被污染的串山垅水庫(kù)的進(jìn)行灌溉,導(dǎo)致該區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大。

(5)長(zhǎng)塘周家區(qū)北部和東部地區(qū)處于低風(fēng)險(xiǎn)水平,西南部地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)于該區(qū)其他地區(qū)較大,存在強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)地區(qū),其范圍較小,存在很小一部分地區(qū)為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。該區(qū)位于貴溪冶煉廠堆渣場(chǎng)的東北部,受貴溪冶煉廠渣場(chǎng)滲漏浸出水危害,導(dǎo)致該區(qū)西南部地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大,距離貴溪冶煉廠和堆渣場(chǎng)較遠(yuǎn),受到風(fēng)險(xiǎn)較低,研究區(qū)主要風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)和西北風(fēng),該區(qū)不在風(fēng)向的影響范圍內(nèi),所以該區(qū)東部生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相比其他地區(qū)較低。

(6)串山垅西南部和北部存在綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū),所占比例較大,中部向北延伸的地區(qū)主要為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),所占范圍較大,中等風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)面積較小。該區(qū)位于貴溪冶煉廠廢水排污水庫(kù)——串山垅水庫(kù)下游,并且西南部有一河流,利用廢水和被污染的河水進(jìn)行灌溉,導(dǎo)致該區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變大。

圖3為修復(fù)后的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)示意圖,修復(fù)后很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)大大縮減,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)基本處于強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)以下,對(duì)比可知,研究區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降低大致符合由高到低依次下降的趨勢(shì),但存在不按此規(guī)律降低的小范圍地區(qū),仍存在小范圍地區(qū)為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。

(1)蘇門(mén)區(qū)周邊地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)原來(lái)很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)基本降為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平,存在很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)但其所占范圍較小,中部地區(qū)主要處于中等風(fēng)險(xiǎn)以下水平,所占面積較大。(2)沈家-林家區(qū)整體狀況較好,由原來(lái)中等風(fēng)險(xiǎn)降為低風(fēng)險(xiǎn)水平。(3)九牛崗南部、中部以及北部地區(qū)由原來(lái)大部分很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)降為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平,較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)范圍減小,中部和北部地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平由原來(lái)強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)降為中等風(fēng)險(xiǎn)水平,中部和北部存在低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū),但其范圍較小。(4)水泉區(qū)整體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平由原來(lái)的很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)降為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)和中等風(fēng)險(xiǎn),東北部和西南部地區(qū)主要處于強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平,所占范圍較大,中部地區(qū)主要處于中等風(fēng)險(xiǎn)水平。(5)長(zhǎng)塘周家區(qū)整體修復(fù)狀況較好,西南部地區(qū)降為中等風(fēng)險(xiǎn),且其范圍較小,其他地區(qū)為低風(fēng)險(xiǎn),所以該區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)較小。(6)串山垅地區(qū)中等風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)的范圍較大,主要分布在北部和中部地區(qū),西南部存在強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)地區(qū),其范圍較小。

由上文可知,修復(fù)后研究區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大大降低,研究區(qū)域的修復(fù)方式主要為植物修復(fù),種植的植物主要是巨菌草、樟樹(shù)、香根草、海州香薷和伴礦景天等,說(shuō)明這種種植能源草和觀賞性花卉苗木等經(jīng)濟(jì)作物的修復(fù)效果較好,該修復(fù)方法可以再其他類(lèi)似地區(qū)進(jìn)行推廣,另一方面,對(duì)河流溝渠中的廢水以及堆渣場(chǎng)整治之后,切斷了風(fēng)險(xiǎn)的直接來(lái)源,在一定程度上也使研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不會(huì)繼續(xù)增加,再經(jīng)過(guò)修復(fù),研究區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降低。植物修復(fù)進(jìn)行了一段時(shí)間,所以有些地區(qū)仍存在較大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),主要是受重金屬Cd的影響,另外,由強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)所在地理位置分析,強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)靠近貴溪冶煉廠的西門(mén)和北門(mén)位置,有可能是由于工廠作業(yè)來(lái)往導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)較強(qiáng),對(duì)于仍存在強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)應(yīng)針對(duì)重金屬Cd采取相關(guān)措施,進(jìn)一步修復(fù)治理,并注意風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源的管理控制。

2.4 生態(tài)脆弱性分析

通過(guò)Fragstats軟件以及熵權(quán)法求得各個(gè)景觀格局指數(shù)的權(quán)重,如表5所示。

表5 各景土地利用觀類(lèi)型的脆弱度指數(shù)

由表5可知,各土地利用景觀的脆弱度指數(shù)由大到小依次為：耕地、居民點(diǎn)及工礦用地、水域、林地、園地、草地、裸地。將不同土地利用景觀類(lèi)型的生態(tài)脆弱性進(jìn)行制圖,得到如圖4。由圖可知,研究區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)的生態(tài)脆弱度較大,其中,水泉區(qū),沈家-林家區(qū)、蘇門(mén)區(qū)、九牛崗南部及北部、串山垅北部以及西南部、長(zhǎng)塘周家區(qū)大部分地區(qū)的生態(tài)脆弱度較大,由上文生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可知,蘇門(mén)區(qū)、九牛崗、水泉區(qū)、串山垅等在修復(fù)后仍然存在重金屬Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大的地區(qū),對(duì)比圖4可知,存在生態(tài)脆弱度較大,并且生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大的地區(qū),如蘇門(mén)區(qū)南部周邊、九牛崗南部、水泉區(qū)等區(qū)域,對(duì)這些地區(qū)存在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該更加重視。沈家-林家區(qū)和長(zhǎng)塘周家區(qū)的生態(tài)脆弱度較大,但在修復(fù)后兩種重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低,所以這兩個(gè)區(qū)塊的狀況較好。

圖4 生態(tài)脆弱度指數(shù)示意圖Fig.4 Sketch map of ecological vulnerability index

圖5 修復(fù)前不同土地利用景觀的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)Fig.5 Ecological risk in different landscape before restoration

圖6 修復(fù)后不同土地利用景觀的生態(tài)Fig.6 Ecological risk in different landscape after restoration

2.5 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及生態(tài)脆弱性綜合分析

為研究區(qū)域不同土地利用景觀受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),本研究在ArcGIS中將景觀生態(tài)脆弱度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)合分析并實(shí)現(xiàn)空間表達(dá)(圖5、圖6)。

圖5表明,蘇門(mén)區(qū)、九牛崗南部及北部耕地、水泉區(qū)、串山垅北部和西南部等生態(tài)脆弱度較大的耕地和部分水域地區(qū)受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大多為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),九牛崗北部和中部以及串山垅西南部和中部地區(qū)等生態(tài)脆弱度較小的草地和園地等地區(qū)也受到了較強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),沈家-林家區(qū)的生態(tài)脆弱度較大并且受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要為中等風(fēng)險(xiǎn),長(zhǎng)塘周家區(qū)大部分地區(qū)的生態(tài)脆弱度較大,受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要為中等風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn),西南部小范圍區(qū)域受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高,為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。

圖6表明,各土地利用景觀受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降低,蘇門(mén)區(qū)周邊、九牛崗南部和北部耕地、水泉區(qū)、串山垅北部和西南部等生態(tài)脆弱度較大的耕地、水域和居民點(diǎn)等地區(qū)受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)和中等風(fēng)險(xiǎn),九牛崗北部和中部以及串山垅西南部和中部等生態(tài)脆弱度較小的地區(qū)受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要為中等風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),沈家-林家區(qū)和長(zhǎng)塘周家區(qū)的生態(tài)脆弱度較大,在修復(fù)后受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也降低至低風(fēng)險(xiǎn)。未來(lái)應(yīng)對(duì)蘇門(mén)區(qū)、水泉區(qū)、九牛崗以及串山垅等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)仍然較大的地區(qū)進(jìn)一步修復(fù)治理,對(duì)于沈家-林家區(qū)和長(zhǎng)塘周家區(qū)等生態(tài)脆弱度較大但生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低的地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè),防止再次發(fā)生較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)修復(fù)前,蘇門(mén)區(qū)、九牛崗、水泉區(qū)和串山垅等大部分地區(qū)的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)和很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平,沈家-林家區(qū)和長(zhǎng)塘周家區(qū)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大致處于中等風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)水平；修復(fù)后蘇門(mén)區(qū)、九牛崗、水泉區(qū)和串山垅等大部分地區(qū)的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)水平以下,沈家-林家區(qū)和長(zhǎng)塘周家區(qū)大致降至低風(fēng)險(xiǎn)水平,整體來(lái)看,修復(fù)效果較好。研究區(qū)以植物修復(fù)為主,所采取的種植能源草和觀賞性花卉苗木等經(jīng)濟(jì)作物的修復(fù)治理措施比較有效,該修復(fù)方法可在類(lèi)似地區(qū)進(jìn)行推廣。同時(shí),對(duì)于修復(fù)后仍然存在高風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)應(yīng)進(jìn)一步修復(fù),降低風(fēng)險(xiǎn)。

(2)通過(guò)對(duì)研究區(qū)生態(tài)脆弱度計(jì)算表明,耕地的生態(tài)脆弱性最大,其次為居民點(diǎn)及工礦用地、水域,通過(guò)對(duì)不同土地利用景觀受到的不同等級(jí)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的提取分析可知,修復(fù)前各土地利用景觀受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大多在強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)以上,修復(fù)后各土地利用景觀受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大多在強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)以下。耕地、水域等土地利用景觀受到的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)仍較大,未來(lái)應(yīng)對(duì)這些區(qū)域進(jìn)一步修復(fù)治理,同時(shí),對(duì)于生態(tài)脆弱度大但生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低的地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè),防止再次發(fā)生較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 討論

本研究對(duì)擬修復(fù)的污染區(qū)首先進(jìn)行全面采樣、監(jiān)測(cè),對(duì)污染較輕的區(qū)域施用土壤改良劑；對(duì)污染較重原來(lái)沒(méi)有種植作物的,完善各項(xiàng)工程措施,復(fù)合施用改良劑,分別種植能源草和花卉苗木經(jīng)濟(jì)作物,實(shí)現(xiàn)了植物修復(fù)以經(jīng)濟(jì)效益換時(shí)間空間的模式；同時(shí),在污染嚴(yán)重的區(qū)域種植重金屬超積累植物如海州香薷(Cu)、伴礦景天(Cd),重金屬耐性植物如香根草、黑麥草等,有效降低了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

由于各地區(qū)的土壤性質(zhì)、氣候條件、污染程度不盡相同,并且土壤污染具有復(fù)雜性、多樣性及復(fù)合性等特點(diǎn),因此現(xiàn)階段還沒(méi)有一種修復(fù)技術(shù)可以適用于所有污染土壤的修復(fù)。與物理修復(fù)及化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比,植物修復(fù)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、成本低、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小等特點(diǎn),可有效降低污染土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),未來(lái)可嘗試植物修復(fù)與其他修復(fù)方法相結(jié)合,進(jìn)一步降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),并在其基礎(chǔ)上開(kāi)展修復(fù)前后污染土地生態(tài)效益研究。

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ChangesintheecologicalriskofheavymetalsaftersoilremediationinatypicalBrownfieldAcasestudyofGuixismelterinJiangxiProvince

ZHANG Jinting, SUN Hua*, XIE Li, HOU Dawei

DepartmentofResourceEnvironmentandUrbanPlanning,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China

To date, few studies have addressed the ecological risk around brownfield areas in China, and most of these studies have only evaluated the potential harm of the risk source, without considering whether the risk receptor can withstand the ecological risk. Therefore, in order to conduct a more comprehensive ecological risk assessment, this paper added the risk receptor analysis in the ecological risk assessment of the area surrounding a brownfield area and ecological risk assessment of the surrounding areas included both hazard analysis of the risk sources and ecological vulnerability analysis of the risk receptors. In addition, few studies have examined the change of ecological risk over time. Therefore, the present study measured ecological risk at two time points. GIS spatial analysis, which was used to determine spatial differences in ecological, indicated that, before remediation, the Sumen area, Jiuniugang, the Shuiquan area, and Chuanshanlong posed a very strong ecological risk, whereas the Shenjia-Linjia and Changtangzhoujia areas posed a medium risk. The ecological risk was greatly reduced following remediation, and the previously very strong-risk areas were reduced to the strong risk level, whereas the medium-risk areas were reduced to the low risk level. This demonstrated the effectiveness of remediation while there were still some regions, even though only a small part, were in strong-risk levels and they should be strengthened to restore in the future. In the present study, the ecological vulnerability of cultivated land was the largest. It is necessary to further remediate some regions which have the strong vulnerability and large risk to improve the ecological levels.Therefore, areas with large ecological vulnerability and low ecological risk should be targeted for improved monitoring and prevention measures, in order to avoid the occurrence of strong risk.

brownfield; ecological risk; heavy metals

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371484);教育部云數(shù)融合科教創(chuàng)新基金課題(2017A10051)

2016- 06- 23; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 01- 16

*通訊作者Corresponding author.E-mail: sh@njau.edu.dn

10.5846/stxb201606231230

張金婷,孫華,謝麗,侯大偉.典型棕地修復(fù)前后土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化——以江西貴溪冶煉廠為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(18):6128- 6137.

Zhang J T, Sun H, Xie L, Hou D W.Changes in the ecological risk of heavy metals after soil remediation in a typical Brownfield: A case study of Guixi smelter in Jiangxi Province.Acta Ecologica Sinica,2017,37(18):6128- 6137.