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        高背景值土壤重金屬生態(tài)風險區(qū)劃及防控

        2018-06-29 02:17:24吳克寧
        江西農(nóng)業(yè)大學學報 2018年3期
        關(guān)鍵詞:背景污染區(qū)域

        于 兵,吳克寧*

        (1.中國地質(zhì)大學(北京) 土地科學技術(shù)學院,北京 100083;2.國土資源部土地整治重點實驗室,北京 100083)

        2014年國家環(huán)保部、國土資源部發(fā)布“全國土壤污染調(diào)查公報”顯示我國耕地土壤點位超標率為19.4%,重金屬污染物主要是鎘、銅、砷、汞、鉛等。從全國范圍來看,南方土壤重金屬污染程度顯著高于北方,重金屬點位超標率較高地區(qū)集中在西南和中南地區(qū)。

        2015年十八屆五中全會報告指出,“推進美麗中國建設(shè),為全球生態(tài)安全作出貢獻”,“實行最嚴格的環(huán)境保護制度,深入實施大氣、水、土壤污染防治行動計劃”。2016年5月28日,國務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動計劃》(土十條),是土壤污染防治行動計劃的落實,是土壤防治行動的指南,反映我國土壤重金屬污染狀況不容樂觀,國家高度重視。

        土壤環(huán)境背景值是指在不受或者很少受人類活動影響、不受或很少受現(xiàn)代工業(yè)污染與破壞的情況下,土壤原來固有的化學組成和結(jié)構(gòu)特征[1]。我國西南、中南地區(qū)有色重金屬成礦帶,統(tǒng)計結(jié)果分析,金屬礦藏是影響重金屬背景值的重要原因,開發(fā)礦藏更是加劇了重金屬元素的遷移轉(zhuǎn)化[2]。鎘、砷、汞、鉛在全國范圍內(nèi)分布上呈現(xiàn)明顯區(qū)域分布規(guī)律,西南地區(qū)四種重金屬背景值較高,人類活動和工業(yè)生產(chǎn)是加劇其污染的主要原因。特定環(huán)境下高背景值重金屬易發(fā)生遷移、轉(zhuǎn)化。因此,必須高度重視高背景值地區(qū)的初始型局域性土壤污染引發(fā)的區(qū)域性土壤環(huán)境風險,對高背景值土壤重金屬進行風險區(qū)劃并在此基礎(chǔ)上對重金屬污染物進行防控至關(guān)重要。

        1 土壤重金屬污染表征方法

        目前學術(shù)界并未對土壤污染給出相應(yīng)的明確定義,通俗表述是人為向土壤中加入了某種污染物,此時土壤即受污染的土壤;還有學者認為通過土壤環(huán)境背景值來計算臨界值來判定土壤是否污染;還有一種是以土壤中含有特定物質(zhì)的危害程度即風險來評定土壤是否污染。目前表征土壤污染的方法主要有:地質(zhì)累積指數(shù)、內(nèi)梅羅指數(shù)、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等,對于高背景值土壤重金屬污染同樣適用[3]。

        1.1 地質(zhì)累積指數(shù)

        地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)也稱Muller指數(shù),這種方法主要疊加人為活動來表征土壤污染程度[4]。如下式:

        Igeo=log2(Cn/1.5Bn)

        (1)

        其中,Igeo:地質(zhì)累積指數(shù);Cn:樣品中元素n的濃度;Bn:背景濃度;1.5:修正指數(shù),通常用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其他影響。

        地質(zhì)累積指數(shù)分為7個級別:Igeo<0表示污染等級為0,即土壤無污染;Igeo>0表示土壤被污染,范圍1~6,土壤受污染程度隨數(shù)值增大加深。

        1.2 內(nèi)梅羅指數(shù)

        內(nèi)梅羅指數(shù)(P)是多因子環(huán)境質(zhì)量評價法,是通過極大值和平均值加權(quán)法對環(huán)境質(zhì)量進行評價的方法,是一種能同時評價環(huán)境質(zhì)量和表征土壤污染的方法[5-7]。如下式:

        (2)

        其中,P:內(nèi)梅羅指數(shù);maxi:單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)最大值;avei:單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)平均值。

        內(nèi)梅羅綜合指數(shù)兼顧極值或突出最大值的計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù),其在加權(quán)過程中避免了人為主觀因素的影響,能夠客觀反映土壤中各污染物的平均污染水平,強調(diào)主導(dǎo)因子的影響作用。

        1.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)

        潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)是根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點,從沉積學角度,對沉積物或者土壤的重金屬污染進行評價的一種方法[8-10]。如下式:

        RI=∑Eri;Eri=Tri×Cfi;Cfi=Ci/Cni;Cd=∑Cfi

        (3)

        其中,RI:潛在生態(tài)危害指數(shù);Eri:某一金屬潛在生態(tài)風險參數(shù);Tri:單個污染物的毒性相應(yīng)系數(shù);Cfi:某一金屬污染參數(shù);Ci:環(huán)境中重金屬的實測含量;Cni:計算所需的參比值;Cd:多種重金屬污染系數(shù)之和。

        潛在生態(tài)危害指數(shù)法引入毒性響應(yīng)系數(shù),綜合考慮土壤重金屬含量,重金屬環(huán)境生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學,使評價側(cè)重于重金屬毒性在土壤和沉積物中的普遍遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和評價區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行訹11]。

        2 生態(tài)風險區(qū)劃

        我國土壤重金屬污染類型、程度、受污染地區(qū)等差異較大,因此必須對其進行土壤重金屬風險控制區(qū)劃,進行土壤環(huán)境風險等級劃分,實現(xiàn)對不同重金屬、不同污染程度、不同污染地區(qū)的風險控制,并對重金屬污染土壤進行修復(fù)。土壤環(huán)境風險區(qū)劃是保證土地安全、糧食安全、人體健康的重要手段,從區(qū)域土壤環(huán)境風險管理的角度制定最優(yōu)化的風險控制區(qū)劃方案,以實現(xiàn)對區(qū)域風險水平的控制。對區(qū)域土壤環(huán)境重金屬風險區(qū)劃要在土壤重金屬風險分級分區(qū)的基礎(chǔ)上對不同風險區(qū)的污染狀況制定不同的防控策略。

        2.1 區(qū)劃原則與指標

        2.1.1 區(qū)劃原則 郭書海等[3]在《中國土壤環(huán)境區(qū)劃-原理、方法與實踐》一書中指出,土壤環(huán)境功能區(qū)劃需要遵循的原則,生態(tài)風險區(qū)劃同樣需要遵循以下原則:

        (1)主導(dǎo)因素原則?;谕寥拉h(huán)境質(zhì)量區(qū)劃,疊置現(xiàn)有土地利用方式,優(yōu)先考慮土壤生態(tài)功能,再依據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量以主導(dǎo)功能確定土壤環(huán)境功能類型。高背景值土壤重金屬風險區(qū)劃要查明區(qū)域土壤環(huán)境風險管理的制定的先后順序,重點關(guān)注污染程度高,危害大,風險高的事件,調(diào)查發(fā)現(xiàn),珠江、長江等第四系沖洪積物發(fā)育的土壤中重金屬元素自然背景值顯著高于其他成土母質(zhì)區(qū)發(fā)育的土壤,重金屬異常區(qū)與第四系沖洪積物分布區(qū)空間上高度吻合,這些地區(qū)重金屬元素含量一方面受匯水區(qū)物質(zhì)組成與地理條件的控制,同時也受微地貌、沉積速度、人類活動、水土交互作用等多因素影響。因此在對重金屬生態(tài)風險區(qū)劃時要找出主導(dǎo)風險因素,以其為基礎(chǔ)對區(qū)域風險區(qū)劃。

        (2)相關(guān)性原則。對于由多個土地利用方式構(gòu)成的區(qū)域單元,綜合考慮土地利用方式的空間組合和比例,以主要類型確定該區(qū)域的主要環(huán)境功能類型。高背景值土壤重金屬風險區(qū)劃同樣要保持一致性,即同一風險區(qū)風險類型要相對一致,整體差異性較小,不同風險區(qū)要有明顯的界線,盡可能以行政區(qū)界線一致,便于對不同風險區(qū)采取不同的管控策略。

        (3)整體性原則。土壤環(huán)境功能區(qū)劃的各個單元,雖然有地理位置或空間范圍的差異,但是均具有較為完整的功能體系。高背景值土壤重金屬風險區(qū)劃避免將單一風險事件進行疊加,要綜合考慮多種風險事件疊加的影響,保持整體性。從風險發(fā)生角度看,其產(chǎn)生和發(fā)展及演化受自然、經(jīng)濟、社會等多種因素影響,要綜合考慮多種因素對風險產(chǎn)生發(fā)展的影響,系統(tǒng)性分析不同區(qū)域土壤重金屬風險產(chǎn)生、發(fā)展、演化之間的聯(lián)系與差異。

        (4)協(xié)調(diào)性原則。土壤環(huán)境功能區(qū)劃要兼顧國家主體功能區(qū)規(guī)劃、全國生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃、全國農(nóng)業(yè)區(qū)劃及其他專項區(qū)劃。土壤重金屬風險區(qū)劃要在基于土壤環(huán)境功能區(qū)劃的基礎(chǔ)上,疊加多種區(qū)劃,形成一套適合高背景值土壤重金屬風險區(qū)劃技術(shù)方案。

        2.1.2 區(qū)劃指標 高背景值土壤重金屬風險區(qū)劃的指標主要包括:風險區(qū)劃類型分類、風險分區(qū)邊界、風險分區(qū)名稱。

        (1)風險區(qū)劃類型分類。高背景值土壤重金屬風險區(qū)劃類型劃分是采用主導(dǎo)因素原則。類型劃分是依據(jù)土地利用方式采取單一類型和綜合類型相結(jié)合的方式,單一類型劃分為耕地、園地、林地、草地;綜合類型劃分為耕地園地、耕地林地、耕地草地、園地林地、園地草地、林地草地等;其他土地利用方式劃分為其他用地。

        (2)風險分區(qū)邊界。高背景值土壤重金屬風險區(qū)劃邊界利用ArcGIS軟件基于土地利用現(xiàn)狀、生態(tài)功能區(qū)劃和土壤環(huán)境質(zhì)量區(qū)劃采用主導(dǎo)因素法、疊加法、空間分析法參照區(qū)域內(nèi)土壤環(huán)境功能相似性與差異性,并結(jié)合土壤、水文、地質(zhì)地貌等確定生態(tài)風險分區(qū)邊界。

        (3)風險分區(qū)名稱。高背景值土壤重金屬風險分區(qū)名稱參照土壤環(huán)境質(zhì)量區(qū)劃命名方式,依據(jù)風險區(qū)劃類型進行調(diào)整,采用“區(qū)域+風險區(qū)劃類型”命名。區(qū)域名稱可采用I、II、III等羅馬數(shù)字進行命名;風險區(qū)劃類型耕地、園地、林地、草地、其他可采用1、2、3、4、5阿拉伯數(shù)字進行命名;風險區(qū)劃單一類型耕地、園地、林地、草地可采用10、20、30、40阿拉伯數(shù)字進行命名;綜合類型耕地園地、耕地林地、耕地草地、園地林地、園地草地、林地草地等可采用12、13、14、23、24、34等阿拉伯數(shù)字進行命名[3]。

        2.2 土壤污染風險評估方法

        高背景值土壤重金屬風險區(qū)劃評估方法參考土壤重金屬污染表征方法,可采用污染指數(shù)法,該方法經(jīng)常用于土壤污染風險評估,可以反映土壤環(huán)境污染效應(yīng)和危害程度,一方面可以突出重金屬濃度,另一方面基于土壤環(huán)境基準和背景值進行風險評估,以此劃分風險等級,進行空間分區(qū)并對重金屬進行管控[12],污染指數(shù)指污染物濃度與環(huán)境標準比值的污染指數(shù),即污染物濃度與標準值比值。

        Pip=C/S

        (4)

        其中,Pip:污染指數(shù);C:樣品中單個污染物的濃度;S:標準值。

        該方法屬于比值法,按照《全國土壤污染狀況評價技術(shù)規(guī)定》(環(huán)發(fā)[2008]39號)將單因子污染指數(shù)Pip計算結(jié)果范圍1~5將污染程度分為無污染、輕微污染、輕度污染、中度污染、重度污染。該方法突出了土壤重金屬濃度,但是并未涉及土壤對污染物的降解和緩沖能力。

        2.3 風險評估等級

        在對高背景值土壤重金屬進行風險評估劃分風險等級時,引入土壤中重金屬濃度C,環(huán)境基準值D,土壤環(huán)境背景值B,當C≤D時,土壤處于安全或者基本安全狀態(tài);當C>D,土壤處于風險狀態(tài)。為了全面反映土壤是否處于風險狀態(tài),可以采用C、D與B(環(huán)境背景值)進行相減再做比值,但是需要注意,當土壤pH較小,處于酸性條件下,高背景值區(qū)土壤中重金屬污染物較為敏感,所以環(huán)境基準值D較小,不能進行相減再做比值,可以將C/B作為評估風險等級的因子。在高背景值土壤重金屬污染地區(qū),礦山,礦藏帶周圍顯然重金屬濃度較高,已經(jīng)超過國家三級標準(GB15618-1995),可以不用利用計算公式,直接將該區(qū)域劃分為風險區(qū)[13-15]。因此,全面考慮土壤pH值的情況下,評估高背景土壤重金屬風險等級時,如式5、6:

        (5)

        式(5)適用于土壤pH(<6.5)較小的高背景值區(qū)[3]

        (6)

        式(6)適用于其他高背景值地區(qū),其中,R:風險指數(shù);C:土壤中某種重金屬污染物濃度;D:環(huán)境基準值;B:環(huán)境背景值。

        2.4 風險區(qū)域劃分

        評估指標的風險等級與風險區(qū)域劃分見表1。安全利用區(qū)。該區(qū)高背景值土壤重金屬濃度相對較低,符合環(huán)境質(zhì)量限量標準要求,該區(qū)域土壤風險等級處于安全等級,采取優(yōu)先保護策略。

        基本安全利用區(qū)。該區(qū)主要特征是:該區(qū)高背景值土壤重金屬含量有輕微積累,稍高于環(huán)境質(zhì)量限量標準要求,該區(qū)域土壤風險等級處于基本安全等級,采取優(yōu)先保護策略。

        低風險區(qū)。該區(qū)高背景值土壤重金屬含量有一定積累,超過環(huán)境質(zhì)量限量標準要求,該區(qū)域土壤風險等級處于低風險等級,采取綜合監(jiān)控策略。

        中風險區(qū)。該區(qū)高背景值土壤重金屬濃度相對較高,超標于環(huán)境質(zhì)量限量標準要求,該區(qū)域土壤風險等級處于中風險等級,采取預(yù)警防控策略。

        高風險區(qū)。該區(qū)高背景值土壤重金屬濃度很高,嚴重超標于環(huán)境質(zhì)量限量標準要求,該區(qū)域土壤風險等級處于高風險等級,采取限制利用策略。

        表1 風險評估等級與區(qū)域劃分Tab.1 Risk assessment levels and zoning

        其中,R:風險指數(shù);Pip:污染指數(shù)。

        3 高背景值重金屬污染防控策略

        3.1 不同風險區(qū)重金屬防控

        根據(jù)上述高背景值重金屬風險等級評定與風險區(qū)域劃分,將高背景值地區(qū)劃分為安全利用區(qū)、基本安全利用區(qū)、低風險區(qū)、中風險區(qū)、高風險區(qū),依據(jù)分區(qū)采取相應(yīng)的防控策略。

        (1)安全利用區(qū),要采取優(yōu)先保護策略,防止新型污染源的引進,造成新的污染,可以優(yōu)先利用其土地安全來實現(xiàn)糧食安全,保證人體健康,維護自身安全的狀態(tài)。

        (2)基本安全利用區(qū),要采取優(yōu)先保護策略,實現(xiàn)對重金屬濃度的實時監(jiān)控,控制重金屬含量的增加,即控制污染輸入,并對該區(qū)域進行合理科學的利用,優(yōu)先種植,優(yōu)化農(nóng)藝生產(chǎn)措施來避免基本安全利用區(qū)向風險區(qū)過渡。

        (3)低風險區(qū),要采取綜合監(jiān)控策略,深入調(diào)查污染源,明確重金屬污染類型,以及重金屬在土壤中遷移轉(zhuǎn)化過程,查明污染歷史、輸送通量、遷移途徑、循環(huán)過程及形成機制,嚴格管控污染源輸入,實現(xiàn)對風險的有效控制,在盡量不改變土地利用方式的情況下,嘗試種植制度調(diào)整或進行完整的土壤修復(fù)與治理,以徹底控制污染、消除風險為目的,達到對重金屬污染的防控,

        (4)中風險區(qū),要采取預(yù)警防控策略,可以利用相應(yīng)的土地整治工程實現(xiàn)對重金屬污染區(qū)域的修復(fù),在明確重金屬污染類型基礎(chǔ)上控制重金屬的輸送通量,在重金屬污染源頭和遷移轉(zhuǎn)化過程中對其進行防控。

        (5)高風險區(qū),要采取限制利用策略,一方面進行經(jīng)濟可行的、積極有限的土壤修復(fù)等綜合整治措施,對重金屬污染區(qū)域進行修復(fù),使其達到可供利用的狀態(tài);另一方面,確無法將其修復(fù)到農(nóng)用地安全利用標準之內(nèi)時,可以改變土地利用方式,退耕還林、退耕還草、農(nóng)用地流轉(zhuǎn),農(nóng)轉(zhuǎn)非等,總之實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益最大化。

        3.2 不同污染類型重金屬防控

        土壤環(huán)境高背景值地區(qū)主要分布在我國東南、西南地區(qū)[3]。其重金屬污染主要來源很多,由于南方經(jīng)濟發(fā)展相對較快,工業(yè)作為推動經(jīng)濟發(fā)展的強有力的推手,自然在南方發(fā)展較快,工業(yè)開發(fā)是造成重金屬污染的主要原因,往往會造成局域性嚴重污染。在工業(yè)開發(fā)中,礦藏開發(fā),有色金屬冶煉、燃煤排放、污水灌溉等都是重金屬污染的罪魁禍首。因此在對重金屬進行防控時,要從以下幾方面入手:

        (1)實現(xiàn)對礦藏的限制開發(fā),縮小開發(fā)范圍和規(guī)模,減少重金屬污染物以三廢形式向環(huán)境中輸送。

        (2)對冶煉企業(yè)工廠實現(xiàn)最嚴格的限制排量制度,特別是一些大型的企業(yè)工廠,要相關(guān)政府部門實行監(jiān)督監(jiān)管,定期抽查,對不達標的企業(yè)工廠采取強制手段。

        (3)燃煤排放也是不可忽略的一大污染源,重金屬汞的積累大多是由于燃煤的排放,因此對排放量的限制是實現(xiàn)重金屬防控的主要途徑,制定相關(guān)的規(guī)章制度,做到有章可依,有章可行。

        (4)污水灌溉是污水灌溉區(qū)和城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)普遍存在的一種較為重要的重金屬污染來源,在防控時要注意對重金屬污染區(qū)域進行實地詳查,嚴格控制新的外源污染,保護周邊未被污染的農(nóng)用地,在現(xiàn)有經(jīng)濟技術(shù)條件下優(yōu)先重在食用農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部、食物與非實物農(nóng)產(chǎn)品種植之間進行調(diào)整,對輕度污染的區(qū)域采取相應(yīng)的物理化學生物修復(fù)措施進行修復(fù),對嚴重污染區(qū)域,必須改變其土地利用方式,并設(shè)置風險監(jiān)測點,用作林地、草地,有序開展種植結(jié)構(gòu)調(diào)整或退耕還林、還草;嚴重超越經(jīng)濟可行性原則的污染農(nóng)用地可考慮調(diào)整為非農(nóng)用地。

        4 總結(jié)與展望

        高背景值土壤重金屬生態(tài)風險區(qū)劃是依據(jù)污染區(qū)域及區(qū)域與區(qū)域之間的土壤風險分布的相似性與差異性,結(jié)合區(qū)域風險的空間分布規(guī)律,遵循主導(dǎo)因素原則、相關(guān)性原則、整體性原則、協(xié)調(diào)性原則,采用污染指數(shù)法和累積指數(shù)法,將區(qū)域的風險劃分為安全利用區(qū),基本安全利用區(qū),低風險區(qū),中風險區(qū),高風險區(qū),相應(yīng)的采取優(yōu)先保護、優(yōu)先保護、綜合監(jiān)控、預(yù)警防控、限制利用的防控策略。隨國土部門、農(nóng)業(yè)部調(diào)查數(shù)據(jù)的疊加和綜合,面向頂層設(shè)計的區(qū)劃工作將會增加,因此基于多數(shù)據(jù)、多尺度表征的各種目標區(qū)劃方法與技術(shù)需求將會愈加迫切。

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