一種基于風險管控的稻田土壤重金屬污染分級方法

王琦，李芳柏*，黃小追，馬義兵，林玉鎖，劉曉文

1. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術研究所/廣東省農業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2. 中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3. 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042；4. 生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州 510655

土壤是人類賴以生存和國家文明建設的基礎性自然資源（陳懷滿等，1999；張甘霖等，2018；朱永官等，2015）。土壤是所有陸地生態(tài)系統的基礎，土壤環(huán)境受到污染，會威脅生態(tài)系統的結構和功能。近 30年來，隨著社會經濟和農業(yè)集約化的快速發(fā)展，中國土壤污染逐年加劇，尤其是農產品產地土壤的污染，威脅食物鏈安全和人體健康（Huang et al.，2018；Li et al.，2012；鄧琳靜，2016；樊霆等，2013；顧繼光等，2003；邱孟龍等，2017）。2014年的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，總超標率為16.1%；其中，中度和重度污染點位比例分別為1.5%和1.1%（環(huán)境保護部等，2014）。為此，國務院印發(fā)了《土壤污染防治行動計劃》（簡稱“土十條”），作為當前乃至今后一個時期內全國土壤污染防治工作的行動綱領，其目標是至 2020年，受污染耕地安全利用率達到90%左右（王國慶等，2016）。2018年8月31日，《中華人民共和國土壤污染防治法》（以下簡稱《土壤污染防治法》）正式審議通過，在農用地土壤污染風險管控方面，《土壤污染防治法》規(guī)定由國家建立農用地分類管理制度；按照土壤污染程度和相關標準，將農用地劃分為優(yōu)先保護類、安全利用類和嚴格管控類（駱永明等，2018）。因此，系統認識中國農田土壤污染區(qū)域化等級化特征，探索基于風險管控的農田土壤重金屬污染分級方法，實現土壤污染分類分級化治理和修復顯得重要且迫切（Liu et al.，2016；Zhang et al.，2018；蘇耀明等，2016）。

然而，土壤污染分類分級存在以下2個技術難點尚未解決，第一，如何劃分污染程度：優(yōu)先保護類、安全利用類和嚴格管控類？第二，如何實現土壤與農產品重金屬污染風險的協同評價？這些難點嚴重阻礙了土壤分區(qū)分級治理方法與行動方案的建立，需要綜合考慮土壤和農產品質量及環(huán)境要素才能對土壤環(huán)境質量進行科學的風險評價（Li et al.，2017；Luo et al.，2016；Yang et al.，2018；劉蕊等，2014；秦普豐等，2010）。本研究旨在建立一套區(qū)域稻田土壤重金屬污染風險分級方法，針對珠三角稻田土壤重金屬Cd污染，采用土壤單因子指數、農產品單因子指數和富集系數相結合的方法，基于區(qū)域自然地理要素和污染源等因素劃分評價的地理單元，進一步結合點位土壤、農產品和富集系數風險劃分等級，對區(qū)域稻田土壤重金屬污染風險進行分級，分級分類結果將有利于針對性的土壤環(huán)境管理，符合當前中國土壤污染防治工作的目標和任務，是對現有土壤環(huán)境質量分級方法的科學探索和有效補充。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

珠江三角洲行政區(qū)域包括廣州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、東莞市、中山市、江門市和肇慶市等9市，面積約4.17×104km2，約占廣東省陸域面積的23.2%（張文忠等，2003）。珠江三角洲屬亞熱帶季風氣候，以珠江三角洲平原為主體，由西江、北江、東江、流溪河等諸河構成的珠江水系在區(qū)內縱橫交錯（黎夏，2004）。土地利用方式以林地為主，其次是耕地、水域和居民點。其中，耕地以灌溉水田、水澆地、旱地、菜地為主，主要分布于沖積平原區(qū)。主要農作物以水稻和蔬菜為主，水稻主要分布在東江、西江、北江流域（曾輝等，1999）。據統計，2015年珠江三角洲耕地面積為6.1×105hm2。區(qū)內土壤類型以赤紅壤和水稻土分布最廣，分別占陸域總面積的 44.8%和40.2%。其次為紅壤和潮土，所占比例分別為6.5%和4.8%，其他類型土壤所占比例均不足 1.0%（曹祺文等，2016；宗慶霞等，2017）。該區(qū)是中國經濟最發(fā)達、增長速度最快的地區(qū)之一，工業(yè)化和城市化的迅速發(fā)展產生了大量工業(yè)廢物和生活垃圾，導致出現了嚴重的重金屬污染問題（陸大道，2017）。

1.2 數據來源

農田土壤、水稻重金屬點位數據來自 2011年以來的廣東省生態(tài)環(huán)境技術研究所珠三角土壤污染狀況調查和文獻數據，共1566個水稻產地土壤點位數據，其中土壤-水稻點位數據880個，土地利用現狀圖來自2010年廣東省第二次全國土地調查。采樣點、涉重金屬污染企業(yè)（340個國控和省控企業(yè)，數據來源：原國家環(huán)境保護部）和海拔空間分布如圖1所示。借助SPSS 13.0進行數據描述性統計分析、正態(tài)分布檢驗、方差分析后，觀察到數據的變異性較大，利用Microsoft Excel 2010采用4倍均方差法剔除了數據中的異常值，對土壤和稻米數據進行對數轉換，使其服從正態(tài)分布（Eischeid et al.，1995）。

圖1 珠三角采樣點、基礎地理及涉重金屬企業(yè)分布Fig. 1 Sampling sites, basic geography and distribution of heavy metal enterprises in the Pearl River Delta

1.3 土壤重金屬污染分級方法

1.3.1 方法的背景

根據針對性、科學性、可操作性的原則建立污染分級方法。

首先，全面收集區(qū)域概況資料、土壤污染源資料、土壤環(huán)境和農產品資料及其對應的圖件資料等，并通過分析，研究有關信息劃分區(qū)域內的地理單元，為污染風險評價提供基礎支撐；其次，通過評估土壤及農產品調查點位的土壤重金屬污染情況、農產品重金屬污染情況，反映該點位土壤和農產品重金屬污染狀況，劃分點位土壤重金屬風險等級，為區(qū)域風險評價提供基礎依據；最后，通過評價單元內土壤重金屬污染風險、農產品重金屬危害風險、重金屬生物可利用性等因素的情況，反映區(qū)域內耕地土壤和農產品重金屬污染情況，劃分區(qū)域內土壤重金屬風險等級，為重金屬污染耕地分級管理提供依據。

1.3.2 地理單元劃分方法

根據行政區(qū)域、流域水系、氣候氣象、地形地貌、水文地質以及成土母質、土壤類型等要素的相對一致性劃分地理單元。原則上，每個地理單元必須僅屬于同一行政邊界范圍內，便于地塊的屬地管理。

1.3.3 點位風險評價方法

（1）等級劃分指標

采用土壤單因子指數和農產品單因子指數相結合的方法（Wang et al.，2018）。土壤指數（Pi）和農產品指數（Ei）計算公式分別如下所示：

式中，Pi為土壤重金屬i的單因子指數；Ci為土壤重金屬i的實測濃度；Coi為土壤重金屬i的污染風險評估參比值，采用GB 15618（生態(tài)環(huán)境部等，2018）中規(guī)定的土壤污染風險篩選值。

式中，Ei為農產品中重金屬i的單因子指數；Ai為農產品中重金屬i的實測濃度；Si為農產品重金屬i的限量標準值，采用GB 2762（中華人民共和國衛(wèi)生部，2012）中規(guī)定的食物中污染物限量標準。

（2）等級劃分

依據土壤指數和農產品指數將點位稻田土壤重金屬風險等級劃分為6類7級，劃分依據見表1。

表1 稻田土壤重金屬Cd點位風險等級劃分依據Table 1 Risk classification based on heavy metal Cd points in paddy soil

1.3.4 區(qū)域風險評價方法

1.3.4.1 風險評價單元劃分

基于已有資料及圖件，采用地統計學、空間疊置等空間風險方法，依次疊置求交集劃定相關類別單元的邊界，最后劃定為相對均一的風險評價單元。在地理單元的基礎上，對受同一污染源影響、且污染程度相似的區(qū)域原則上劃為同一風險評價單元，具體需綜合考慮點位風險評價結果、區(qū)域污染源類型因素，結合土地利用方式、地塊邊界等因素綜合確定風險評價單元的區(qū)域和邊界（圖2）。

劃分方法具體如下：

圖2 基于點位評價的風險評價單元范圍加載示意圖Fig. 2 Diagram of risk assessment unit based on point-based risk assessment

（1）底圖搭建。工作底圖包括行政區(qū)劃、河流水系、交通（公路）、土壤類型分布、全國第二次土地利用現狀調查更新數據、地形地貌、植被類型及覆蓋率分布等基礎性圖件以及遙感影像圖。

（2）范圍加載。根據點位風險評價結果，加載點位風險評價結果，初步劃定風險評價單元。按照主導性原則，若每項污染物80%以上的土壤點位分類結果一致時，則采用該結果判定該項污染物所代表的評價單元類別。

（3）邊界劃定。以市（縣、區(qū)）為單位，根據點位評估情況、重點污染源，按照上述地理單元的對應關系，結合實際地勢、地貌、農用地分布等情況，劃定評價單元。

1.3.4.2 風險評價指標

采用農產品重金屬危害風險、土壤重金屬污染風險、重金屬生物可利用性和土壤重金屬污染源輸入風險相結合的評估方法，評估指標包括農產品重金屬污染指數（E）、土壤重金屬污染指數（P）、重金屬生物可利用風險商（QBCF）、土壤污染源輸入指數（Qs）。

（1）農產品污染指數（E）計算公式（Moore，2010）如下：

式中，E為評價區(qū)域農產品中重金屬的污染指數；A為研究區(qū)農產品中重金屬的實測質量分數均值，mg·kg-1；SE為研究農產品中重金屬的實測值的標準誤差；S為農產品重金屬的限量標準值，采用 GB 2762中的農產品中污染物限量標準，mg·kg-1；

（2）土壤重金屬污染指數（P）計算公式如下：

式中，P為評價區(qū)域土壤中重金屬的污染指數；C為評價單元土壤中重金屬的實測質量分數均值，mg·kg-1；Cs為土壤重金屬的限量值，采用 GB 15618中規(guī)定的土污染風險篩選值，mg·kg-1；

（3）重金屬生物可利用指數（QBCF）計算公式如下：

式中，QBCF為評價區(qū)域農產品的重金屬生物可利用風險商；A為研究區(qū)農產品中重金屬的實測質量分數均值，mg·kg-1；C為研究區(qū)土壤中重金屬的實測質量分數均值，mg·kg-1；CS為土壤重金屬的限量值，采用GB 15618中規(guī)定的土壤污染風險篩選值，mg·kg-1；S為農產品重金屬的限量標準值，采用 GB 2762中規(guī)定的食物中污染物限量標準，mg·kg-1；SE為研究農產品中重金屬i的實測值的標準誤差。

1.3.4.3 風險評價

根據土壤污染風險等級，將耕地劃分為3個類別，將無污染的耕地劃為優(yōu)先保護類，低風險和中度風險的耕地劃為安全利用類，高風險和極高風險的耕地劃為嚴格管控類。稻田土壤重金屬污染風險等級見表2。根據現階段Cd污染治理技術水平，以0.5為間隔劃分農產品風險等級。

表2 稻田土壤重金屬污染風險等級劃分Table 2 Risk classification of heavy metal pollution in paddy soil

1.4 圖形制作與數據處理

數據分析與處理于Microsoft Excel 2010、R 3.4.4和ArcGIS 10.2空間平臺進行，其中空間插值借助反距離權重插值（IDW）進行。反距離加權法（IDW）以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，離插值點越近的樣本賦予的權重越大，插值結果介于插值數據的最大值和最小值之間，是一種簡單易行且常用的空間插值方法。該方法在應用中直觀高效，在已知點分布均勻的情況下插值效果好，經剔除異常值減弱甚至消除極值的影響后，可信度較高。對比樣條插值法（Spline）和克里金法（Kring）空間插值方法的預測結果后發(fā)現，反距離加權法（IDW）對本研究樣本預測誤差較小，精度較高。

2 結果與分析

2.1 樣品描述性統計

水稻產地土壤樣品數據統計結果顯示（表3），Cd總質量分數為0.005~0.937 mg·kg-1（均值為0.14 mg·kg-1)，Cd 含量超過土壤背景值（0.110 mg·kg-1），變異系數為85.7%，Cd的超標樣點有252個，占總樣點數的16.1%，超標率較高，表明水稻產地土壤明顯受到Cd的污染。稻米樣品數據統計結果顯示，Cd總質量分數為 0~0.936 mg·kg-1（均值為 0.163 mg·kg-1)，超標點位為294個，超標率為33.4%。

表3 珠三角稻米產地土壤和稻米Cd含量描述統計分析Table 3 Descriptive statistics of Cd contents in soil and rice from rice production areas in the Pearl River Delta mg·kg-1

2.2 地理單元劃分

綜合分析已有的資料得知：珠三角地區(qū)農業(yè)用地主要分布在受河流沖積和三角洲沖積的平原地帶，地帶性土壤以紅壤和赤紅壤為主；其成土母質是由西江、北江、東江等河流帶來的泥沙在海灣內沉積而形成的；沉積物受河、海共同作用影響；水系由西、北江思賢滘以下、東江石龍以下的網河水系和注入三角洲的其他河流組成，注入三角洲的河流主要有潭江、流溪河、增江、沙河、高明河；涉重金屬行業(yè)企業(yè)主要分布于以廣州市為中心的周邊50 km以內；珠三角地區(qū)西面和北面以羅平山脈為界，東側羅浮山區(qū)則是三角洲的東界（圖2和圖3）。

綜合珠三角地區(qū)行政區(qū)域、流域水系、地形、水文地質以及成土母質、土壤類型等要素的相對一致性，最終將風險評價區(qū)域劃分為 64個基礎地理單元（圖3）。

2.3 珠三角土壤Cd風險等級評價

2.3.1 土壤Cd風險等級評價

采用調查點位土壤樣品數據，借助反距離權重插值（IDW）法進行空間插值，并對插值結果進行土壤Cd風險等級評價，結果顯示珠三角地區(qū)土壤Cd有風險區(qū)域集中分布在北江流域兩岸，包括肇慶東南部、佛山中北部、中山市、廣州市南端及珠海市東北部（圖4）。

2.3.2 稻米Cd風險等級評價

圖4 基于點位數據的珠三角稻田土壤和稻米重金屬Cd污染風險等級空間分布Fig. 4 Spatial distribution of heavy metal Cd pollution risks in paddy soil and rice in the Pearl River Delta based on samplings

采用調查點位稻米樣品數據，借助反距離權重插值（IDW）法進行空間插值，并對插值結果進行稻米Cd風險等級評價，結果顯示珠三角地區(qū)稻米Cd有風險區(qū)域集中分布在北江流域兩岸，包括肇慶東部、佛山中北部、中山市東北部、廣州市南端、珠海市東北部和東莞東北部（圖4）。

2.3.3 土壤-稻米-富集系數協同Cd風險等級評價

采用調查點位土壤、稻米和富集系數數據，借助反距離權重插值（IDW）法進行空間插值，并對插值結果進行土壤-稻米-富集系數 Cd協同風險等級評價，結果表明珠三角地區(qū)55.0%的稻田為無風險，低風險和潛在風險稻田的占比分別為19.0%和16.0%，中、高風險稻田的占比分別為 9.00%和1.00%（圖5）。

2.3.4 風險評價單元及等級

圖5 珠三角稻田土壤重金屬評價單元劃分及土壤重金屬Cd污染分級Fig. 5 Division of risk assessment units of heavy metals and classification of Cd pollution in paddy soils of the Pearl River Delta

根據上述基礎地理單元劃分、點位風險評價、水稻產地土壤風險評價、稻米風險評價、水稻富集系數及土壤-稻米協同風險評價結果劃分風險評價單元，將研究區(qū)域內稻田劃分成125個風險評價單元，其中，優(yōu)先保護類、安全利用類和嚴格管控類的評價單元分別有85個、38個和2個。按風險等級劃分，區(qū)域內無、低、中、高風險單元分別有85個、30個、8個和2個，未出現極高風險單元（圖5）。

3 討論

本研究首次建立了基于土壤、農產品和富集系數相結合的土壤重金屬 Cd污染風險分類分級方法，它是基于土壤、農產品以及富集系數的風險等級評價，評估參比值均選用了中國現行標準，而現行標準是根據生態(tài)毒理學數據、土壤理化性質、土壤及農產品種類等，基于不同暴露情景和暴露途徑下的暴露模型，參考相關毒理學模型模擬得出的生態(tài)閾值，因此本方法的評價基礎是科學可靠的。從劃分結果上看，評價過程綜合考慮了土壤和農產品點位調查數據結果，因此該方法能夠有效識別珠三角稻田土壤Cd污染風險，針對性強；在進行風險評價前劃分了地理評價單元，再結合地統計分析結果，綜合考慮了行政邊界、地形、河流水系等要素來劃分風險評價單元，有效地降低了土壤空間變異性對區(qū)域土壤污染風險等級評價的影響，從而在保證科學性的前提下，提高了方法的可操作性。風險評價過程嚴謹，風險分級思路明確，分級方法簡單易行。此外，本研究建立的稻田土壤重金屬污染分級方法對中國現有土壤污染防治相關政策及標準進行了科學的完善和補充，適應性強，易推廣應用，適宜作為今后土壤分級分類管理的可靠的技術方法。

4 結論

土壤污染關系到區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、國民健康和生態(tài)文明建設。中國的土壤污染防治修復工作，應以經濟與環(huán)境協調發(fā)展為指導思想，以全面落實“土十條”為主要工作目標，提出土壤污染綜合分級防治新對策，建立健全區(qū)域土壤環(huán)境質量綜合監(jiān)管與改善技術新體系。本研究基于風險管控的思路，通過構建土壤、農產品和富集系數相結合的稻田土壤重金屬污染分級方法，將珠三角典型重金屬污染物 Cd污染風險等級劃分為無風險、低風險、中度風險、高風險 4個等級。同時綜合分析縣級行政邊界、地形、河流水系、點位風險評價結果，將珠三角區(qū)域內稻田土壤劃分為125個風險評價單元。本研究建立的稻田土壤重金屬污染分級方法可為中國土壤污染等級劃分提供有效、有力的參考，為維護中國土壤資源永續(xù)利用和生態(tài)安全，保護國民健康和實現區(qū)域經濟社會可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。