韓林桅,全 元,付 曉,*,單 鵬,吳 鋼

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

環(huán)境損害鑒定評(píng)估是指對(duì)環(huán)境污染造成損害的范圍和程度進(jìn)行科學(xué)合理的鑒定與量化評(píng)估,是環(huán)境管理與解決環(huán)境賠償案件的有效手段[1]。其中基線的判定是環(huán)境損害評(píng)估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與重要前提。基線指未受人類活動(dòng)干擾的自然狀態(tài)或參考狀態(tài),是判定損害是否發(fā)生以及發(fā)生程度的依據(jù),如何科學(xué)、合理地確定基線水平是環(huán)境損害鑒定評(píng)估工作的重要內(nèi)容[2]。目前基線的判定方法通常包括歷史數(shù)據(jù)法、參考點(diǎn)位法、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)法以及模型推斷法[3]。歷史數(shù)據(jù)法是將損害發(fā)生前該區(qū)域的調(diào)查數(shù)據(jù)作為基線,是結(jié)果最為準(zhǔn)確的方法,但由于歷史資料在很多情況下并不完備,因此較難直接使用[4]。環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)方法是將現(xiàn)行的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值作為基線,操作起來較為簡單,但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)并未涉及全部的生態(tài)環(huán)境要素,并且目前的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)大多無法體現(xiàn)區(qū)域的差異性。模型推算法可以根據(jù)實(shí)際研究區(qū)域的情況通過設(shè)定不同的參數(shù)對(duì)基線進(jìn)行計(jì)算[5],但模型推斷法需要大量的數(shù)據(jù),實(shí)際操作起來較為困難。參考點(diǎn)位法是從一組生境類似的生態(tài)系統(tǒng)中,選擇未受到損害行為影響的區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究區(qū)域評(píng)定生態(tài)環(huán)境損害評(píng)估的基線值[6]。國外對(duì)于參考點(diǎn)位法在基線判定中的應(yīng)用已積累了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。例如Mabit等選取東斯洛文尼亞區(qū)域未受干擾的森林作為參考區(qū)域進(jìn)行采樣,確定斯洛文尼亞的土壤侵蝕研究的基線水平[7]。Lejeune 等通過對(duì)科達(dá)倫河流域上游及附近區(qū)域進(jìn)行評(píng)估來確定流域的資源基線[3]。在Blackbird Mine超基金場(chǎng)地水資源重金屬污染的評(píng)估工作中,評(píng)估人員將上游參考區(qū)域的重金屬濃度水平和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為損害基線[8]。這些案例均為在污染區(qū)域附近選取未受干擾的場(chǎng)地(如上游區(qū)域)進(jìn)行采樣,確定基線水平。在缺乏歷史數(shù)據(jù)的情況下,參考點(diǎn)位法的應(yīng)用較為直接,并且計(jì)算結(jié)果比較客觀,是目前使用最為廣泛的方法[9-10]。

然而,參考點(diǎn)位法在在生態(tài)環(huán)境損害基線判定的實(shí)際應(yīng)用中依然存在一些問題。首先,參考點(diǎn)位法的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于參考點(diǎn)位的選擇,而目前對(duì)于參考點(diǎn)位的選擇并沒有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),在實(shí)際情況中不同場(chǎng)地總會(huì)受到各種不同類型的干擾,受到其他相同干擾影響但未受到損害事件影響的參考區(qū)域幾乎不存在,這使得依據(jù)參考區(qū)域數(shù)據(jù)所確定的損害基線結(jié)果經(jīng)常會(huì)遭到質(zhì)疑,導(dǎo)致參考點(diǎn)位法的應(yīng)用范圍受到很大限制。此外,不同的評(píng)估區(qū)域與污染事件對(duì)于參考區(qū)域選擇過程中所考慮的主要環(huán)境要素各有不同。例如土壤環(huán)境參考區(qū)域的選擇主要側(cè)重于暴露土壤和地質(zhì)條件與評(píng)價(jià)區(qū)域的相似程度,而地表水環(huán)境參考區(qū)域主要考慮水文條件等方面與研究區(qū)域的相似度。

針對(duì)以上問題,考慮我國日益突顯的土壤污染損害情況[3],本文提出了土壤基線判定的參考點(diǎn)位相似度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,為土壤基線判定中參考點(diǎn)位的選擇提供了一個(gè)較為清晰的思路與標(biāo)準(zhǔn),最后通過案例驗(yàn)證方法的合理性,以期為參考點(diǎn)位法在基線判定中更為科學(xué)、合理地運(yùn)用提供一定的參考與借鑒。

1 土壤基線判定的參考點(diǎn)位相似度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在選擇參考區(qū)域確定基線水平時(shí),一般需要遵循兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):一是相似性,包括參考區(qū)域與研究區(qū)域在生境特征的相似性,同時(shí)還包括具體基線確定指標(biāo)的數(shù)據(jù)獲取、計(jì)算方法的相似性;二是非相關(guān)性,即受限于相似性,參考區(qū)域與研究區(qū)域的空間距離一般不會(huì)太大,因此需要保證參考區(qū)域不會(huì)受到生態(tài)環(huán)境損害行為的影響[3]。依據(jù)參考點(diǎn)位選擇的一般遵循原則,結(jié)合土壤環(huán)境主要屬性與文獻(xiàn)調(diào)查,選取距離、自然背景、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以及人類干擾情況4類,共13個(gè)指標(biāo),建立了土壤基線判定的參考點(diǎn)位相似度指標(biāo)體系,具體見表1。

2 應(yīng)用案例

2.1 研究區(qū)域

勝利一號(hào)露天礦位于內(nèi)蒙古錫林浩特市西北部勝利蘇木境內(nèi)[11],地理坐標(biāo)為115°30′—116°26′E,43°57′—44°14′N。土壤類型主要為栗鈣土、草甸土和草甸栗鈣土[12],地帶性草原植被包括檸條、紫花苜蓿、黃花草木樨、沙打旺、沙蒿等。氣候類型屬于半干旱草原氣候,年平均降水量和蒸發(fā)量分別為294.74 mm和1794.64 mm。

勝利煤田一號(hào)露天煤礦由神華北電勝利能源有限責(zé)任公司開發(fā)建設(shè),一期工程設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)1000萬t,于2004年完成開工前準(zhǔn)備工作,2005年正式開工,至2009年達(dá)一期規(guī)模。二期擴(kuò)建工程于2012年開始,至2015年生產(chǎn)能力達(dá)到年產(chǎn)2000萬t。露天礦區(qū)的開發(fā)不僅對(duì)土壤造成了直接的挖損與壓占,同時(shí)大量剝離巖土中一般存在重金屬Cu、Zn、Pb等有害元素,煤礦開采將不同深度的巖土從地下深處轉(zhuǎn)移到地表,巖土中重金屬元素在地表重新分異,有可能造成局部的土壤污染[11]。隨著礦區(qū)建成時(shí)間的增加,土壤中有機(jī)質(zhì)、重金屬等一些成分的含量也會(huì)發(fā)生一定的變化[13]。

表1 土壤基線判定的參考點(diǎn)位相似度指標(biāo)體系

2.2 參考點(diǎn)位相似度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

依據(jù)參考點(diǎn)位選擇的一般遵循原則與研究區(qū)域土壤環(huán)境的特征,建立了土壤損害基線判定的參考點(diǎn)位相似度指標(biāo)體系,分別從與評(píng)價(jià)區(qū)域的距離、自然背景、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能3個(gè)方面對(duì)參考點(diǎn)位與評(píng)價(jià)區(qū)域的相似度進(jìn)行評(píng)價(jià),具體指標(biāo)見表2。

2.3 數(shù)據(jù)來源與分析

本文通過ArcGIS建立緩沖區(qū)的方式確定參考區(qū)域的范圍。區(qū)域自然背景值及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類指標(biāo)主要依據(jù)區(qū)域環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告與實(shí)地考察進(jìn)行確定。

于2013年7月進(jìn)行土壤取樣。采用網(wǎng)格法布點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)以“S”形多點(diǎn)(5—12點(diǎn))混合取樣法,用有機(jī)玻璃鏟,采集表層(0—20 cm)土壤樣品,裝入自封塑料袋中。將土壤樣品放置于實(shí)驗(yàn)室陰干,剔除碎石與枯枝,研磨過200目(0.074 mm)尼龍篩,裝入密封袋中備測(cè)。采用SJ- 4A型pH計(jì)測(cè)定土壤pH值;重鉻酸鉀氧化法測(cè)定有機(jī)質(zhì)(TOC);半微量凱氏法測(cè)定全氮(TN);采用微波消解法測(cè)定土壤重金屬總量。使用ICP-MS(Agilent USA)測(cè)定重金屬元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb的濃度。

3 結(jié)果

3.1 參考點(diǎn)位選擇結(jié)果

依據(jù)土壤損害的參考點(diǎn)位相似度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,本文最終確定的參考點(diǎn)位,如圖1所示。所選取的參考點(diǎn)位于研究區(qū)域3 km緩沖區(qū)范圍內(nèi),用地類型屬于典型草原,以栗鈣土為主,土質(zhì)為輕壤。該區(qū)域不屬于自然保護(hù)區(qū),且未進(jìn)行煤炭開采及生態(tài)恢復(fù)措施,符合控制指標(biāo)的要求。此外參考指標(biāo)與研究區(qū)域相似,依據(jù)參考點(diǎn)位相似度指標(biāo),是符合標(biāo)準(zhǔn)的參考點(diǎn)位。

表 2 研究區(qū)域土壤基線判定的參考點(diǎn)位相似度指標(biāo)體系及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

圖1 參考點(diǎn)選取結(jié)果Fig.1 The results of reference point selection

3.2 土壤環(huán)境損害基線

依據(jù)露天開采對(duì)生態(tài)環(huán)境的損害特征分析,本研究選擇pH、TN、TOC、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb。依據(jù)參考點(diǎn)所確定的土壤損害基線結(jié)果見表3。

表3 參考點(diǎn)位法的基線確定結(jié)果

4 討論

4.1 基線與評(píng)價(jià)區(qū)域采樣結(jié)果比較

對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域進(jìn)行采樣,對(duì)pH、TN、TOC、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb含量進(jìn)行測(cè)定,所得結(jié)果見表4。比較土壤基線測(cè)定結(jié)果與評(píng)價(jià)區(qū)域測(cè)定結(jié)果可得,評(píng)價(jià)區(qū)域的Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb元素含量均高于參考點(diǎn)的基線計(jì)算結(jié)果,應(yīng)為受采礦活動(dòng)的影響。其中Cu、Zn、Cd、Hg元素含量變化幅度較大,差值百分比在30%以上。此外,評(píng)價(jià)區(qū)域的總氮與總有機(jī)碳含量較參考區(qū)域降低且變化幅度較大,差值百分比在40%以上。pH值較參考區(qū)域略有升高,但均呈堿性,應(yīng)為煤炭開采對(duì)土壤的侵蝕與污染造成了土壤有機(jī)質(zhì)含量的下降。這與文獻(xiàn)中的結(jié)果大體一致[11-12],說明依據(jù)參考點(diǎn)位法計(jì)算的基線結(jié)果具有一定的現(xiàn)實(shí)可靠性。

表4 基線結(jié)果與評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)崪y(cè)結(jié)果比較

注:差值百分比計(jì)算公式:(S評(píng)價(jià)區(qū)域-S參考點(diǎn)位)/S評(píng)價(jià)區(qū)域×100

4.2 與歷史數(shù)據(jù)法基線結(jié)果比較

基于研究區(qū)域2000年的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用歷史數(shù)據(jù)法對(duì)區(qū)域土壤損害基線進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表5。將參考點(diǎn)位法計(jì)算的基線結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)法計(jì)算結(jié)果相比較,可得兩種方法的計(jì)算結(jié)果大致相同,差值百分比均在10%左右。因此在歷史數(shù)據(jù)缺乏的情況下,運(yùn)用參考點(diǎn)位法進(jìn)行土壤損害基線的計(jì)算是可行的。

表5 基線結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)結(jié)果比較

注:差值百分比計(jì)算公式:(S歷史數(shù)據(jù)-S參考點(diǎn)位)/S歷史數(shù)據(jù)×100

5 結(jié)論

(1)基于參考點(diǎn)位法的基線計(jì)算結(jié)果可以較為清晰地體現(xiàn)出研究區(qū)域的土壤環(huán)境變化趨勢(shì),且與歷史數(shù)據(jù)法所得的基線結(jié)果大體一致,說明運(yùn)用參考點(diǎn)位進(jìn)行土壤損害基線的計(jì)算具有一定的真實(shí)性與可靠性。

(2)運(yùn)用參考點(diǎn)位法進(jìn)行土壤損害基線計(jì)算的關(guān)鍵在于參考點(diǎn)位的選擇,依據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)域的特征建立參考點(diǎn)位的相似度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可以提高參考點(diǎn)位選擇的效率。通過設(shè)置參考類指標(biāo)與控制類指標(biāo),在保證參考點(diǎn)位選取的可信度的情況下提高了參考點(diǎn)位法在土壤損害基線判定中的實(shí)際應(yīng)用能力。

(3)運(yùn)用參考點(diǎn)位法判定土壤損害基線的過程中應(yīng)注意評(píng)價(jià)要素的選擇。因?yàn)樵趯?shí)際情況中受到其他相同干擾影響但未受損害事件影響的參考區(qū)域幾乎是不存在。但通過控制與評(píng)價(jià)相關(guān)的主要環(huán)境要素可以在一定程度上保證參考點(diǎn)位選擇的可靠性,并提高方法的實(shí)用性。