應(yīng)蓉蓉,張曉雨,孔令雅,馮艷紅,張 亞,趙 欣,單艷紅①,夏 冰,林玉鎖

(1.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042;2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)土壤環(huán)境管理與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210042;3.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院,安徽 合肥 230071)

土壤是大自然的有機(jī)組成部分,是人類(lèi)賴(lài)以生存發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著城市化工業(yè)化的發(fā)展,土壤污染問(wèn)題越來(lái)越突出[1-4]。2014年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示全國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂(lè)觀,部分地區(qū)土壤污染較重,耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂(yōu),工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問(wèn)題突出[5]。2016年5月,我國(guó)發(fā)布了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡(jiǎn)稱(chēng)“土十條”)[6],“土十條”第三條提出“實(shí)施農(nóng)用地分類(lèi)管理,保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境安全實(shí)施農(nóng)用地分類(lèi)管理,保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境安全”,第七條按污染程度將農(nóng)用地劃分為3個(gè)農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別,其中未污染和輕微污染劃為優(yōu)先保護(hù)類(lèi),輕度和中度污染劃為安全利用類(lèi),重度污染劃為嚴(yán)格管控類(lèi)。以耕地為重點(diǎn),對(duì)不同類(lèi)別采取不同管理措施,保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外在農(nóng)用地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)及類(lèi)別劃定方面,開(kāi)展大量相關(guān)研究[7-10],并出臺(tái)相應(yīng)政策、標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)文件。我國(guó)也正對(duì)HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[11]中土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等部分進(jìn)行修訂。結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)用地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)與類(lèi)別劃分研究結(jié)果,對(duì)農(nóng)用地土壤質(zhì)量評(píng)估程序和類(lèi)別劃分進(jìn)行綜合性評(píng)述,并提出基于多源數(shù)據(jù)多維評(píng)價(jià)的土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別劃分方法,以期為農(nóng)用地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)及資源合理開(kāi)發(fā)利用方面工作提供幫助,為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制修訂提供技術(shù)參考。

1 國(guó)內(nèi)外土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究概況

20世紀(jì)90年代前,較早制訂土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)達(dá)國(guó)家多是采用土壤中污染物最大允許含量的全國(guó)通用標(biāo)準(zhǔn),如:加拿大1991年頒布的《污染場(chǎng)地的臨時(shí)性環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[12],荷蘭1983年頒布的《土壤修復(fù)臨時(shí)法》中包含的全國(guó)統(tǒng)一的A、B、C類(lèi)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[13]。英國(guó)1983年頒布土地觸發(fā)含量值、低限含量值和行動(dòng)含量值,1990年頒布的《環(huán)境保護(hù)法》2A部分第57條介紹了英格蘭和威爾士對(duì)污染土地識(shí)別、評(píng)價(jià)和修復(fù)方面新的法定制度[14]。在此時(shí)期,土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法是把更早(1960年代)開(kāi)始的大氣和水質(zhì)量評(píng)價(jià)方法引入土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域,采用的評(píng)價(jià)方法，包括單因子指數(shù)法、多因子指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)評(píng)判法等,核心方法都是實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值相比的方法,得出結(jié)論為:不超標(biāo)即安全,超標(biāo)即污染,應(yīng)采取修復(fù)等相應(yīng)措施。隨著對(duì)土壤區(qū)域性和復(fù)雜性研究的深入,人們意識(shí)到采用標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)評(píng)判土壤環(huán)境質(zhì)量時(shí),很難得到類(lèi)似“適宜”還是“不適宜”,或者“污染”還是“不污染”的定論。

20世紀(jì)90年代以來(lái),各國(guó)相繼接受和采納風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理念,依據(jù)保守原則確定篩選含量,低于此含量則認(rèn)為土壤基本是可以安全利用的,無(wú)需進(jìn)行詳查;超過(guò)篩選含量值,需進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,獲得該地污染含量閾值。如:美國(guó)將土壤污染物含量由低到高劃分為背景含量值(“zero” concentration)、篩選含量值(screening level)和響應(yīng)含量值(response level)3個(gè)區(qū)間[15-16]。

我國(guó)自1995年頒布GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[17]以來(lái),配套的評(píng)價(jià)方法研究都以該標(biāo)準(zhǔn)為衡量尺度,主要使用單因子指數(shù)法、多因子指數(shù)加權(quán)(和)法及模糊綜合評(píng)價(jià)法等表征土壤環(huán)境質(zhì)量狀況。由于評(píng)價(jià)方法本身有“以偏概全”的先天不足,得出的超標(biāo)即污染、不超標(biāo)就是不污染的評(píng)價(jià)結(jié)論也就并不客觀。隨著風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理念的廣泛接受,我國(guó)也逐漸建立起層次更加豐富的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系[11, 17-22]。2014年頒布的場(chǎng)地調(diào)查、監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和修復(fù)系列導(dǎo)則,建立起針對(duì)建設(shè)用地的土壤環(huán)境質(zhì)量健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[21-22]。針對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)安全的農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)雖然也積累了不少研究成果,推動(dòng)了土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究的進(jìn)一步深入,但尚未形成農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)。

“十一五”期間,“全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查”、“多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查”和“農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地產(chǎn)區(qū)劃分”等大規(guī)模土壤環(huán)境基礎(chǔ)調(diào)查為土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了大量科學(xué)數(shù)據(jù)。雖然區(qū)域性大數(shù)據(jù)的調(diào)查評(píng)估仍然沿用對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)評(píng)價(jià),但小尺度的田塊級(jí)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在針對(duì)農(nóng)作物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面已有嘗試,并積累了一些經(jīng)驗(yàn)。

2 農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值

長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的通用方法主要參照GB 15618—1995中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)或HJ/T 332—2006《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[21]和HJ/T 333—2006《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》[22]等農(nóng)用地環(huán)境質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超標(biāo)評(píng)價(jià),根據(jù)超標(biāo)倍數(shù)確定不同超標(biāo)等級(jí)的土壤是否污染,并評(píng)價(jià)農(nóng)用地環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣。

2.2 土壤環(huán)境背景值

利用調(diào)查區(qū)環(huán)境質(zhì)量背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),評(píng)估土壤污染物累積程度,進(jìn)而分析其污染等級(jí),是產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)估與分類(lèi)常用方法,如:利用“七五”全國(guó)背景值調(diào)查數(shù)據(jù),或利用GB 15618—1995的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),或利用調(diào)查區(qū)內(nèi)無(wú)污染、同母質(zhì)的下層土壤污染物含量作為背景值。將監(jiān)測(cè)值與背景值進(jìn)行比較,根據(jù)比值大小,判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)位污染物累積程度,判斷污染物是內(nèi)源還是外源。該方法在《土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(二次征求意見(jiàn)稿)》(環(huán)辦函〔2015〕1320號(hào))[23]、HJ/T 332—2006和NY/T 395—2012《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[24]等標(biāo)準(zhǔn)中都有列舉。

3 農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

我國(guó)環(huán)保部門(mén)的《土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(二次征求意見(jiàn)稿)》、HJ/T 332—2006、和HJ/T 333—2006以及農(nóng)業(yè)部門(mén)的NY/T 1634—2008《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》[25]等標(biāo)準(zhǔn),使用了不同的農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，其中使用較多的方法主要有單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、模糊模型指數(shù)法、層次分析法和灰色聚類(lèi)法等。

3.1 單因子評(píng)價(jià)

3.1.1單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)是一種相對(duì)無(wú)量綱指數(shù),為我國(guó)土壤重金屬污染環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中最常用評(píng)價(jià)方法。單因子指數(shù)法計(jì)算公式為

Pi=Ci/Si。

(1)

式(1)中,Pi為土壤中污染物i的單因子污染指數(shù);Ci為調(diào)查點(diǎn)位土壤中污染物i的實(shí)測(cè)含量;Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值或參考值。

根據(jù)Pi值的大小將土壤污染程度分級(jí)。單因子指數(shù)法對(duì)土壤污染物單一的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)很適用,簡(jiǎn)便明了,作為無(wú)量綱指數(shù),具有可比較的等價(jià)特性,是其他環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量分級(jí)和綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

3.1.2富集因子法[26]

選擇滿(mǎn)足一定條件的元素作為參比元素,然后將樣品中元素含量與參比元素含量進(jìn)行對(duì)比, 以此來(lái)判斷表生環(huán)境介質(zhì)中元素的人為污染狀況。一般選擇表生過(guò)程中地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的元素,如Mn、Ti、Al、Fe、Ca和Sc等。富集因子(EF,EF)法計(jì)算公式為

(2)

式(2)中,Cn，s為待測(cè)元素在所測(cè)環(huán)境中的含量;Cref，s為參比元素在所測(cè)環(huán)境中的含量;Bn,b為待測(cè)元素在背景環(huán)境中的含量;Bref,b為參比元素在背景環(huán)境中的含量。

該方法優(yōu)點(diǎn)為能夠比較準(zhǔn)確地判斷人為污染狀況。

3.1.3地累積指數(shù)法[26]

評(píng)價(jià)重金屬污染,除必須考慮到人為污染因素和環(huán)境地球化學(xué)背景值外,還應(yīng)考慮到由于自然成巖作用可能會(huì)引起背景值變動(dòng)的因素。地累積指數(shù)(Igeo)法計(jì)算公式為

Igeo=log2(Cn/KBn)。

(3)

式(3)中,Cn為土壤中某元素含量;Bn為地殼中該元素含量;K為考慮各地巖石差異可能引起背景值的變動(dòng)而取的系數(shù)(一般取K=1.5)。

地累積指數(shù)法考慮了人為污染因素和環(huán)境地球化學(xué)背景值,并考慮自然成巖作用對(duì)背景值的影響,給出很直觀的重金屬污染級(jí)別。

3.2 綜合污染指數(shù)法

土壤存在多種污染物情況下,可采用綜合污染指數(shù)法表征土壤環(huán)境質(zhì)量狀況。綜合指數(shù)法因具有易懂、易學(xué)、易算和易操作等特殊優(yōu)點(diǎn)而被廣大科技工作者采用。

3.2.1多因子指數(shù)加和法

多因子指數(shù)加和法計(jì)算公式為

P=∑Ci/Si。

(4)

式(4)中,P為土壤中各參評(píng)污染物污染指數(shù)之和;Ci和Si意義同式(1)。

該方法優(yōu)點(diǎn)為方法簡(jiǎn)單易操作,缺點(diǎn)為容易掩蓋存在單個(gè)污染物的問(wèn)題,評(píng)價(jià)結(jié)果不具可比性。

3.2.2多因子指數(shù)算數(shù)平均法

多因子指數(shù)算數(shù)平均法計(jì)算公式為

(5)

該方法優(yōu)缺點(diǎn)同多因子指數(shù)加和法。

3.2.3加權(quán)平均法

引入加權(quán)值可以反映不同污染物對(duì)土壤環(huán)境的影響,但權(quán)重的確定不易做到客觀準(zhǔn)確。加權(quán)平均法計(jì)算公式為

P加權(quán)=∑WiCi/Si。

(6)

式(6)中,P加權(quán)為土壤中各參評(píng)污染物污染指數(shù)加權(quán)和;Wi為污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量影響的權(quán)重,∑Wi=1;Ci和Si意義同式(1)。

3.2.4均方根法

(7)

式(7)中,P均方根為土壤中各參評(píng)污染物污染指數(shù)均方根;Ci和Si意義同式(1)。

均方根法方法優(yōu)缺點(diǎn)與多因子指數(shù)加和法基本相同。

3.2.5內(nèi)梅羅指數(shù)法

該指數(shù)形式簡(jiǎn)單,兼顧了最高單因子指數(shù)和平均單因子指數(shù)的影響,但過(guò)分強(qiáng)調(diào)了最高分指數(shù)的影響,掩蓋了污染物種類(lèi)，其計(jì)算公式為

(8)

式(8)中,PN為內(nèi)梅羅指數(shù);Pi均和Pi最大分別為平均單項(xiàng)污染指數(shù)和最大單項(xiàng)污染指數(shù)。

內(nèi)梅羅指數(shù)法為HJ/T 166—2004推薦評(píng)價(jià)方法之一,按內(nèi)梅羅污染指數(shù)劃定的污染等級(jí)見(jiàn)表1。

內(nèi)梅羅指數(shù)法適用于小尺度田塊農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查評(píng)估,各點(diǎn)位存在的污染物比較明確,參評(píng)的污染物種類(lèi)也相同,內(nèi)梅羅指數(shù)能夠表達(dá)不同點(diǎn)位土壤環(huán)境質(zhì)量狀況的相對(duì)優(yōu)劣。而對(duì)于大尺度區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量狀況調(diào)查評(píng)價(jià),由于不同單元環(huán)境問(wèn)題差別較大,存在的污染物種類(lèi)亦不盡相同,內(nèi)梅羅指數(shù)可能難以反映各單元土壤環(huán)境質(zhì)量的相對(duì)優(yōu)劣。

表1 土壤內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

Table 1 Standard of Nemerow pollution index

等級(jí)PN值污染等級(jí) ⅠPN≤0.7清潔(安全) Ⅱ0.73.0重污染

3.2.6潛在危害生態(tài)指數(shù)法[27]

潛在危害生態(tài)指數(shù)法首先求單項(xiàng)污染系數(shù),然后引入重金屬毒性響應(yīng)系數(shù),得到潛在生態(tài)危害單項(xiàng)系數(shù),最后加權(quán)得到區(qū)域土壤中重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI，IR)。該方法考慮了不同重金屬毒性大小不同,計(jì)算公式為

(9)

式(9)中,IR為采樣點(diǎn)多種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù);Tr，i為采樣點(diǎn)重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù),根據(jù)HAKANSON[28]制定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性系數(shù)得到;Cr，i為該元素的污染系數(shù);C實(shí)測(cè)，i為該元素實(shí)測(cè)含量;Cn,i為該元素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

該方法將環(huán)境生態(tài)效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系起來(lái),使評(píng)價(jià)更側(cè)重于毒理方面, 對(duì)其潛在生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià), 不僅可以為環(huán)境的改善提供依據(jù), 還能夠?yàn)槿藗兘】瞪钐峁┛茖W(xué)參考。

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法[29]

農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)變化性使得農(nóng)用地環(huán)境質(zhì)量具有一定程度的模糊性,針對(duì)農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量與土壤環(huán)境質(zhì)量構(gòu)成因素之間的規(guī)律性,引入模糊綜合評(píng)價(jià)模型,以便較好地表現(xiàn)出其客觀實(shí)在性。

單項(xiàng)污染指數(shù)對(duì)于污染物而言,其指標(biāo)值越高,表示質(zhì)量越差,但達(dá)到某一臨界值后,其副作用趨于恒定,其隸屬函數(shù)為

(10)

(11)

式(10)～(11)中,Mi為監(jiān)測(cè)點(diǎn)i的土壤綜合污染指數(shù);n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的總數(shù);Wj為第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)系數(shù);C(x)j為第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)污染指數(shù);x為各單項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值;a、b分別為各單項(xiàng)指標(biāo)的上限和下限值。指標(biāo)權(quán)系數(shù)采用特爾菲咨詢(xún)法,通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查形式客觀綜合多數(shù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)與主觀判斷,再由統(tǒng)計(jì)分析確定。

3.4 層次分析法[30]

層次分析法是將與評(píng)價(jià)(決策)有關(guān)的元素分解為目標(biāo)、準(zhǔn)則和指標(biāo)等層次,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的評(píng)價(jià)(決策)方法。土壤環(huán)境是一個(gè)多成分復(fù)雜系統(tǒng),主要受到土壤組成、結(jié)構(gòu)和功能特性以及所處環(huán)境的綜合影響,每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部又存在多種對(duì)子系統(tǒng)的影響因子。評(píng)價(jià)步驟[9]為:

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。將土壤環(huán)境質(zhì)量作為層次分析的目標(biāo)層(A),將如Cd、Hg、Pb、Cr、Cu和Zn等評(píng)價(jià)因子作為準(zhǔn)則層(B),將土壤環(huán)境質(zhì)量級(jí)別作為方案層(C),由這3個(gè)層次建立土壤環(huán)境質(zhì)量層次結(jié)構(gòu)模型。

(2)構(gòu)造判斷矩陣,并求出其最大特征根和特征向量。在A目標(biāo)下,構(gòu)造各準(zhǔn)則層(B)相對(duì)重要性的兩兩比較判斷矩陣(A-B)。構(gòu)造時(shí)根據(jù)土壤重金屬背景值和臨界含量確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。由此計(jì)算出各樣本特征向量和最大特征根。

(3)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。在B準(zhǔn)則下,構(gòu)造各評(píng)價(jià)級(jí)別(C)相對(duì)重要性的兩兩比較判斷矩陣(B-C)。構(gòu)造時(shí)采用各評(píng)價(jià)因子含量與其對(duì)應(yīng)的土壤質(zhì)量級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)值間差值的倒數(shù)作為標(biāo)度。計(jì)算得到判斷矩陣特征向量和最大特征根后,再計(jì)算得到一致性指標(biāo)(C.I.)和平均一致性指標(biāo)(R.I.),最后得到隨機(jī)一致性比值(C.R.)。對(duì)于1、2階判斷矩陣,規(guī)定C.R.值=0;當(dāng)C.R.值<0.1時(shí),判斷矩陣有滿(mǎn)意的一致性;當(dāng)C.R.值≥0.1時(shí),判斷矩陣的一致性偏差太大,需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整,直至滿(mǎn)足C.R.值<0.1為止。

(4)層次單排列。將本層所有因素針對(duì)上層某因素通過(guò)判斷矩陣計(jì)算排出優(yōu)劣順序,可采用求和法或方根法進(jìn)行簡(jiǎn)便計(jì)算。

(5)層次總排序。計(jì)算同一層次所有因素對(duì)于高層(目標(biāo)層)相對(duì)重要性權(quán)重值。

3.5 灰色聚類(lèi)法[31]

基于環(huán)境質(zhì)量系統(tǒng)的灰色性,考慮多因子綜合影響,將聚類(lèi)對(duì)象對(duì)于不同聚類(lèi)指標(biāo)所擁有的白化數(shù),按幾個(gè)灰類(lèi)進(jìn)行歸納,從而判斷該聚類(lèi)對(duì)象屬于哪一級(jí)。這需經(jīng)過(guò)將實(shí)測(cè)值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無(wú)量綱化處理,通過(guò)建立白化函數(shù)來(lái)反映聚類(lèi)指標(biāo)(實(shí)測(cè)值)對(duì)灰類(lèi)(評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))的親疏關(guān)系求取聚類(lèi)權(quán),計(jì)算聚類(lèi)系數(shù)等步驟。根據(jù)聚類(lèi)系數(shù)來(lái)判斷土壤污染級(jí)別。污染級(jí)別取聚類(lèi)系數(shù)中最大者。有等斜率灰色聚類(lèi)法和寬域灰色聚類(lèi)法兩種改進(jìn)方法,其原理與灰色聚類(lèi)法大致相同。等斜率灰色聚類(lèi)法以等斜率方式構(gòu)造白化函數(shù),并以修正系數(shù)代替灰色法中聚類(lèi)權(quán)而對(duì)白化函數(shù)進(jìn)行修正。寬域灰色聚類(lèi)法以寬域式結(jié)構(gòu)確定白化函數(shù)。

3.6 各方法優(yōu)缺點(diǎn)

不同評(píng)價(jià)方法優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。各評(píng)價(jià)方法不能完全相互替代,應(yīng)根據(jù)具體評(píng)估工作選擇方法組合。

表2 不同評(píng)價(jià)方法優(yōu)缺點(diǎn)

Table 2 Advantages and disadvantages of different evaluation methods

評(píng)價(jià)方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 單因子指數(shù)法識(shí)別單個(gè)污染物污染狀況,計(jì)算簡(jiǎn)單不能反映綜合環(huán)境質(zhì)量 綜合污染指數(shù)法理想的綜合指數(shù)應(yīng)該能夠準(zhǔn)確地反映特定區(qū)域的整體環(huán)境質(zhì)量,而且具有較好的通用性。易懂、易學(xué)、易算和易操作評(píng)價(jià)結(jié)果往往只是一個(gè)均值或簡(jiǎn)單的累加,靈敏性較低,可能掩蓋某些污染因子質(zhì)變特征,從而使評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)不符合生態(tài)學(xué)原理,評(píng)價(jià)失效。計(jì)算綜合指數(shù)的方法不同,所得評(píng)分結(jié)果也不盡相同。各點(diǎn)位所屬污染級(jí)別既與綜合指數(shù)取值范圍有關(guān),又與綜合指數(shù)計(jì)算方法有關(guān),受人為因素影響頗大 模糊綜合評(píng)價(jià)法考慮土壤環(huán)境的模糊性和綜合性計(jì)算方法較復(fù)雜,每個(gè)監(jiān)測(cè)值分別對(duì)其相鄰兩個(gè)級(jí)別質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)建立多個(gè)隸屬函數(shù),過(guò)程繁瑣,不易掌握。復(fù)合運(yùn)算基本方法是取大小值,只強(qiáng)調(diào)極值的作用,評(píng)價(jià)結(jié)果往往受控于個(gè)別因素而出現(xiàn)誤判。權(quán)重值的科學(xué)含義不夠明確 層次分析法簡(jiǎn)單、有效、實(shí)用,應(yīng)用廣泛在理論方面,一般層次分析法最后是按層次權(quán)值的最大值,即“最大原則”來(lái)進(jìn)行分類(lèi),忽略比它小的上一級(jí)別的層次權(quán)值,完全不考慮層次權(quán)值之間關(guān)聯(lián)性,因而導(dǎo)致分辨率降低,評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)不盡合理的現(xiàn)象。一致性檢驗(yàn),是否考慮模糊性等還沒(méi)有得到滿(mǎn)意解決。應(yīng)用方面,能用于從已知方案中優(yōu)選,但不能生成方法。得到的結(jié)果過(guò)多依賴(lài)決策者偏好和主觀判斷 灰色聚類(lèi)法考慮土壤環(huán)境的模糊性和綜合性,避免主觀隨意性;在確定各污染指標(biāo)權(quán)重時(shí),只與土壤質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān),而與污染物實(shí)測(cè)值無(wú)關(guān),克服了用超標(biāo)倍數(shù)確定權(quán)重的局限性計(jì)算方法較復(fù)雜,過(guò)程繁瑣,不易掌握。白化函數(shù)包含的污染范圍較窄,一般在j-1級(jí)到j(luò)+1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值之間,當(dāng)污染物監(jiān)測(cè)值超出該范圍時(shí),相應(yīng)的白化函數(shù)值會(huì)為0。仍存在丟失信息的可能

4 已有農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別劃分方法

4.1 基于超標(biāo)評(píng)價(jià)和累積性評(píng)價(jià)的農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)劃分

根據(jù)點(diǎn)位超標(biāo)評(píng)價(jià)和累積性評(píng)價(jià)結(jié)果,《土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(二次征求意見(jiàn)稿)》將土壤環(huán)境質(zhì)量劃分為4個(gè)類(lèi)別(表3)。

表3 調(diào)查點(diǎn)位土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)劃分

Table 3 Soil environmental quality classification of investigation spot

超標(biāo)評(píng)價(jià)無(wú)明顯累積有明顯累積 未超標(biāo)(篩選值)Ⅰ類(lèi)Ⅱ類(lèi) 超標(biāo)(篩選值)Ⅲ類(lèi)Ⅳ類(lèi)

對(duì)于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類(lèi)點(diǎn)位所代表的區(qū)域,若有證據(jù)表明存在農(nóng)作物危害效應(yīng)(如某種農(nóng)作物產(chǎn)量明顯下降或農(nóng)產(chǎn)品中污染物含量超標(biāo)),則農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量狀況調(diào)整為Ⅳ類(lèi)。該方法是基于土壤污染物含量是否超過(guò)篩選值及是否有累積綜合評(píng)價(jià)的情況,但是對(duì)超過(guò)GB 15818—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》中管制值的情況未有說(shuō)明,并且也未給出“由點(diǎn)到面”、確定分類(lèi)面積的方法。

4.2 基于土壤超標(biāo)和農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)的土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別劃分

《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬安全評(píng)估技術(shù)規(guī)定》(農(nóng)辦科〔2015〕42號(hào))[32]中土壤與農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同進(jìn)行農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別劃分方法見(jiàn)表4[10]。

表4 土壤與農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同進(jìn)行農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別劃分

Table 4 Soil environmental quality classification of agricultural land by soil and agricultural products

等級(jí)劃分依據(jù)土壤指數(shù)Pi,max農(nóng)產(chǎn)品指數(shù)Ei土壤安全水平 1Pi,max≤1.0Ei≤1.0無(wú)風(fēng)險(xiǎn) 2Pi,max≤1.01.03.0任意高風(fēng)險(xiǎn)任意Ei>2.0

Pi,max為土壤污染最大單項(xiàng)指數(shù);Ei為對(duì)應(yīng)土壤污染物i的農(nóng)產(chǎn)品單項(xiàng)污染指數(shù),為農(nóng)產(chǎn)品污染物含量與標(biāo)準(zhǔn)限量的比值。

該規(guī)定重點(diǎn)關(guān)注對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有影響的Cd、Hg、As、Pb和Cr 5種有毒元素。綜合考慮土壤環(huán)境質(zhì)量超標(biāo)、農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)情況,劃分基于每種污染物的農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別。

該方法不僅考慮土壤污染物含量水平,同時(shí)考慮土壤污染物危害效應(yīng),即是否造成農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo),是評(píng)價(jià)方法的一大進(jìn)步。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)可操作性較差,比較適用于點(diǎn)位層面的評(píng)價(jià),若擴(kuò)大到區(qū)域范圍則缺少具體操作層面的技術(shù)指南或技術(shù)規(guī)程,因此很難對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域總體分類(lèi)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

5 基于多源數(shù)據(jù)多維評(píng)價(jià)的土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別劃分方法

參考上述方法,參照GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》規(guī)定的土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值,提出基于多源數(shù)據(jù)多維評(píng)價(jià)的土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別劃分新方法:利用土壤污染物含量數(shù)據(jù)、農(nóng)產(chǎn)品含量數(shù)據(jù)、土壤環(huán)境背景數(shù)據(jù)和污染源分布信息等多源數(shù)據(jù),綜合評(píng)判土壤環(huán)境質(zhì)量,并實(shí)現(xiàn)“由點(diǎn)到面”,得到各土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別的面積和分布情況。

5.1 農(nóng)用地土壤點(diǎn)位單因子評(píng)價(jià)

對(duì)照GB 15818—2018中篩選值(Si)和管制值(Gi)或其他標(biāo)準(zhǔn),利用單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)農(nóng)用地土壤調(diào)查點(diǎn)位的污染風(fēng)險(xiǎn),并將其土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別分為3類(lèi)(表5)。

5.2 農(nóng)用地土壤點(diǎn)位多因子綜合評(píng)價(jià)

土壤的Cd、Hg、Pb、As和Cr分別按4.1節(jié)方法進(jìn)行點(diǎn)位單因子評(píng)價(jià),然后以評(píng)價(jià)結(jié)果最差的因子確定該點(diǎn)位綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

表5 單因子土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及環(huán)境質(zhì)量分類(lèi)

Table 5 Single factor method of agricultural soil pollution evaluation and environmental quality category

污染物含量風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量分類(lèi) Ci≤Si無(wú)風(fēng)險(xiǎn)或風(fēng)險(xiǎn)可忽略?xún)?yōu)先保護(hù)類(lèi)(Ⅰ) SiGi1)污染風(fēng)險(xiǎn)較大嚴(yán)格管控類(lèi)(Ⅲ)

Si為篩選值,Gi為管制值，Ci為污染物實(shí)測(cè)含量。1)沒(méi)有管制值的污染物,則不歸為嚴(yán)格管控類(lèi)。

5.3 確定評(píng)價(jià)單元

根據(jù)點(diǎn)位評(píng)價(jià)結(jié)果,基于聚類(lèi)原則,將處于同類(lèi)型地貌單元、同種土地利用方式上連續(xù)的同類(lèi)別點(diǎn)位歸為1個(gè)評(píng)價(jià)單元。為保證評(píng)價(jià)單元的均一性和代表性,1個(gè)評(píng)價(jià)單元點(diǎn)位不宜超過(guò)30個(gè),點(diǎn)位類(lèi)別即為單元類(lèi)別,從而實(shí)現(xiàn)“由點(diǎn)到面”。

5.4 按多因子綜合評(píng)價(jià)結(jié)果初步判定評(píng)價(jià)單元內(nèi)農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別

在初步判定單因子評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐趾娃r(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別的基礎(chǔ)上,將多因子疊合形成新的評(píng)價(jià)單元,評(píng)價(jià)單元農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量綜合類(lèi)別按最差類(lèi)別確定。

5.5 利用農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別調(diào)整

若有農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù),參照GB 2761—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》,利用單因子評(píng)價(jià)法根據(jù)評(píng)價(jià)單元農(nóng)產(chǎn)品安全性評(píng)價(jià)結(jié)果(農(nóng)產(chǎn)品指數(shù),Ei)分為Ⅰ(Ei≤1.0,未超標(biāo))、Ⅱ(1.02.0,重度超標(biāo))3類(lèi),并根據(jù)表6進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別調(diào)整。

表6 利用農(nóng)產(chǎn)品安全評(píng)價(jià)調(diào)整單元土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別

Table 6 Adjusting unit soil environmental quality category by safety evaluation of agricultural products

單元土壤環(huán)境質(zhì)量初步評(píng)價(jià)單元內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量調(diào)整條件1調(diào)整條件2調(diào)整方向建議的管理類(lèi)別 優(yōu)先保護(hù)類(lèi)———優(yōu)先保護(hù)類(lèi)Ⅰ1 安全利用類(lèi)單元內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品點(diǎn)位≥3,Ⅰ(未超標(biāo))類(lèi)的點(diǎn)位≥65%,且無(wú)Ⅲ(重度超標(biāo))類(lèi)的點(diǎn)位單元內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)不足3個(gè),都滿(mǎn)足Ⅰ(未超標(biāo))類(lèi),且周邊臨近單元農(nóng)產(chǎn)品點(diǎn)位滿(mǎn)足Ⅰ(未超標(biāo))類(lèi)調(diào)整為較好類(lèi)別優(yōu)先保護(hù)類(lèi)Ⅰ2單元內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品點(diǎn)位≥3,Ⅲ(重度超標(biāo))類(lèi)的點(diǎn)位≥65%單元內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)不足3個(gè),但都滿(mǎn)足Ⅲ(重度超標(biāo))類(lèi),且周邊臨近單元農(nóng)產(chǎn)品點(diǎn)位滿(mǎn)足Ⅲ(重度超標(biāo))類(lèi)調(diào)整為較差類(lèi)別嚴(yán)格管控類(lèi)Ⅲ1上述條件都不滿(mǎn)足的其他情形不調(diào)整安全利用類(lèi)Ⅱ1 嚴(yán)格管控類(lèi)單元內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品點(diǎn)位≥3,Ⅰ(未超標(biāo))類(lèi)的點(diǎn)位≥65%,且無(wú)Ⅲ(重度超標(biāo))類(lèi)的點(diǎn)位單元內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)不足3個(gè),都滿(mǎn)足Ⅰ(未超標(biāo))類(lèi),且周邊臨近單元農(nóng)產(chǎn)品點(diǎn)位滿(mǎn)足Ⅰ(未超標(biāo))類(lèi)調(diào)整為較好類(lèi)別安全利用類(lèi)Ⅱ2其他情形不調(diào)整嚴(yán)格管控類(lèi)Ⅲ2

6 問(wèn)題與建議

農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)估程序首先要確定評(píng)價(jià)目標(biāo),其次根據(jù)目標(biāo)獲取調(diào)查數(shù)據(jù),然后選擇合適的評(píng)價(jià)方法,最后劃分類(lèi)別。在確定評(píng)價(jià)目標(biāo)方面,我國(guó)土壤環(huán)境管理實(shí)踐中經(jīng)常遇到不同目標(biāo)、不同尺度的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)工作。較大尺度的區(qū)域性土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)包括區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查、土壤環(huán)境例行監(jiān)測(cè)中的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。較小尺度場(chǎng)地或田塊級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)包括農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地質(zhì)量認(rèn)證、建設(shè)項(xiàng)目土壤環(huán)境影響評(píng)價(jià)、場(chǎng)地土壤環(huán)境調(diào)查和土壤污染事故調(diào)查等。

在數(shù)據(jù)方面,我國(guó)已積累大量全國(guó)性大調(diào)查數(shù)據(jù),例如“全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查”“多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查”“農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地產(chǎn)區(qū)劃分”和“全國(guó)土壤污染狀況詳查”。但是,由于土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量和陽(yáng)離子交換量等特性會(huì)影響土壤中污染物毒性效應(yīng),而依據(jù)污染物全量水平得出的評(píng)價(jià)結(jié)論可能產(chǎn)生偏差,所以需要用土壤污染的危害受體——農(nóng)產(chǎn)品是否超標(biāo)輔助調(diào)整類(lèi)別。但由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,影響農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)的因素除了土壤污染含量以外,還與灌溉水質(zhì)量、大氣質(zhì)量、投入農(nóng)業(yè)品質(zhì)量和農(nóng)作物品種等因素有關(guān)。所以,土壤污染物(重金屬)含量數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定,而農(nóng)產(chǎn)品污染物含量存在較大變數(shù)。因此在農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)過(guò)程中,多源數(shù)據(jù)的選擇存在較大困難,應(yīng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),選擇合適的歷史數(shù)據(jù),必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)查,盡可能減少數(shù)據(jù)偶然性和不確定性。

在評(píng)估方法上,雖然GB 15618—2018已修訂發(fā)布,但《土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行了兩輪征求意見(jiàn)后尚沒(méi)有下文,HJ/T 166—2004中農(nóng)用地評(píng)價(jià)方法適用性也不強(qiáng),目前尚沒(méi)有配套農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)工作且針對(duì)性強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)工作缺乏一致標(biāo)準(zhǔn),這為“土十條”發(fā)布后的土壤環(huán)境質(zhì)量分類(lèi)管理帶來(lái)較大工作難度,相關(guān)評(píng)價(jià)工作與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也存在較大差距,建議我國(guó)盡快出臺(tái)相應(yīng)評(píng)價(jià)技術(shù)文件。

在農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別劃分上,目前劃分思路從以往只關(guān)注土壤自身,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r(shí)兼顧保護(hù)目標(biāo)安全性方面,因此制定類(lèi)別劃定標(biāo)準(zhǔn)、指南或規(guī)范等技術(shù)文件時(shí),應(yīng)充分考慮土壤中污染物特性和農(nóng)作物對(duì)不同污染物的吸收特性,利用多源數(shù)據(jù),綜合評(píng)判土壤環(huán)境質(zhì)量,切實(shí)做到保護(hù)農(nóng)產(chǎn)品安全的同時(shí)對(duì)土壤資源合理利用和開(kāi)發(fā)。