青島市農(nóng)用地土壤重金屬背景值研究與土壤環(huán)境容量的計(jì)算

安文超， 王艷玲， 汪進(jìn)生， 王發(fā)園， 張書武*

(1.山東省青島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 山東 青島, 266003；2.青島科技大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院, 山東 青島, 266000)

土壤環(huán)境容量是在一定環(huán)境單元、一定時(shí)限內(nèi)遵循的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在保證農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和生物學(xué)質(zhì)量基礎(chǔ)上土壤所能容納污染物的最大負(fù)荷量[1-2]。超過這個(gè)負(fù)荷量，土壤將面臨污染，引發(fā)環(huán)境問題，進(jìn)而威脅人類健康[3]。土壤環(huán)境負(fù)載容量法有別于常規(guī)的濃度標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)模式，其通過“雙界面”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行污染總量控制[4]，能夠較為準(zhǔn)確地反映外源污染物在一定范圍內(nèi)的積累與轉(zhuǎn)化，更為全面地評(píng)價(jià)土壤重金屬污染程度。

土壤環(huán)境容量的研究主要包括土壤環(huán)境背景值、允許限值、典型污染物遷移自凈能力、數(shù)學(xué)模型等方面[5-6]，其中背景值和土壤污染物允許限值的確定是最為關(guān)鍵的2項(xiàng)內(nèi)容[7]。土壤污染物允許限值一般采用農(nóng)用地土壤重金屬相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，近年來國(guó)內(nèi)相關(guān)部門與專家學(xué)者通過不斷完善污染風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍與風(fēng)險(xiǎn)閾值，以期為農(nóng)用地重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)篩查、分類與分區(qū)管控提供科學(xué)依據(jù)[8]。土壤環(huán)境背景值的確定直接決定了環(huán)境容量的大小。我國(guó)幅員遼闊，截至2015年末，全國(guó)共有農(nóng)用地64 545.68萬hm2[9]，因此土壤重金屬地區(qū)背景值也存在明顯差異。以Cd為例，根據(jù)上世紀(jì)80年代中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站開展的土壤環(huán)境背景值調(diào)查研究結(jié)論，西南內(nèi)陸的貴州省Cd背景值(質(zhì)量比，以下同)達(dá)到0.659 mg/kg，北部?jī)?nèi)陸省份內(nèi)蒙古自治區(qū)Cd背景濃度為0.053 mg/kg[10]，本底差異達(dá)到10倍以上。

本研究在運(yùn)用傳統(tǒng)方法對(duì)區(qū)域內(nèi)重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)其中采自“清潔”地區(qū)的土壤樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出青島市農(nóng)用地土壤中重金屬(Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni)的背景值，并與以往研究成果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)農(nóng)用地土壤重金屬環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)環(huán)境容量指數(shù)進(jìn)行反距離權(quán)重差值獲取空間分布情況，以期為區(qū)域內(nèi)土壤重金屬污染分區(qū)與風(fēng)險(xiǎn)管控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

青島市地處山東半島南部，位于東經(jīng)119°30′～121°00′、北緯35°35′～37°09′。平原約占全市總面積的37.7%，山地約占15.5%，丘陵約占25.1%，洼地約占21.7%。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)，全市可利用土地總面積81.19萬 hm2，主要土壤類型有棕壤土類、砂姜黑土類、潮土類、褐土類、鹽土類5大類[11]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于兩方面，一是以“土壤重金屬” 為關(guān)鍵詞對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索和收集，文獻(xiàn)檢索的原則：①主要數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為農(nóng)用地或耕地，具有較多采樣點(diǎn)的文獻(xiàn)；②相關(guān)研究開展年份較新?；谝陨显瓌t，在CNKI、Web of Science、維普、學(xué)位論文等數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行文獻(xiàn)的檢索和分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。二是在文獻(xiàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，針對(duì)轄區(qū)內(nèi)農(nóng)用地采樣點(diǎn)較少的區(qū)域，應(yīng)用隨機(jī)采樣方法，進(jìn)行補(bǔ)充采樣，盡量保證點(diǎn)位的全覆蓋。通過以上2種途徑，共獲得241個(gè)采樣點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，點(diǎn)位分布情況如圖1所示。

圖1 土壤點(diǎn)位分布Fig.1 Distribution map of soil points

1.3 研究方法

1.3.1 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的污染評(píng)價(jià)方法[12-13]，其公式如下：

式中：Ci為某元素的實(shí)測(cè)濃度；Si為土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。一般認(rèn)為P≤0.7為清潔狀態(tài)。

1.3.2 土壤重金屬環(huán)境容量估算方法

Qi=M(Cic-Cip)×10-6，
Qb=M(Cic-Cib)×10-6，Qy=Qb-Qi，

(1)

式中，Qi、Qb、Qy分別為土壤中元素i的現(xiàn)存環(huán)境容量、利用背景值計(jì)算所得的總環(huán)境容量和已用容量，kg/hm2；Cic、Cip、Cib分別為土壤中元素i的風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)值、實(shí)測(cè)現(xiàn)狀濃度和背景值，mg/kg；M代表每公頃土地耕作層的質(zhì)量，取2.25×106kg/hm2。

1.3.3 土壤重金屬環(huán)境容量評(píng)價(jià)方法

國(guó)內(nèi)研究多采用綜合指數(shù)法對(duì)土壤環(huán)境容量進(jìn)行評(píng)價(jià)，土壤中元素i的現(xiàn)存環(huán)境容量與總環(huán)境容量的比值即為單項(xiàng)環(huán)境容量指數(shù)，多個(gè)單項(xiàng)環(huán)境容量指數(shù)均值為環(huán)境容量綜合指數(shù)[14-15]。

(2)

式中：Pi為土壤中元素i的單項(xiàng)環(huán)境容量指數(shù)；PI為環(huán)境容量綜合指數(shù)；n為元素的數(shù)量。

土壤重金屬環(huán)境容量分為5級(jí)[3]：P>1，屬高容量，容量很大，基本未受污染；0.7

2 結(jié)果與分析

2.1 青島市農(nóng)用地表層土壤重金屬背景值的確定

近30年，部分學(xué)者對(duì)土壤環(huán)境背景值的概念進(jìn)行了廣泛探討，雖然表述尚未達(dá)成一致，但一般是指在自然成土過程與人為活動(dòng)共同作用影響下一個(gè)地區(qū)或區(qū)域范圍內(nèi)土壤中某元素的含量值，實(shí)際上是成土母質(zhì)組成、成土過程中元素遷移重分配、人類活動(dòng)影響等各種因素長(zhǎng)期綜合作用的結(jié)果，以表層土壤元素含量表征[16-17]。在相關(guān)研究中，一般通過布點(diǎn)采樣的方法去研究土壤重金屬背景值，但對(duì)土壤是否受到或受到人類多大程度的影響、污染較難以確定。在土壤環(huán)境背景含量調(diào)查過程中，通過合理布點(diǎn)，避開人類活動(dòng)強(qiáng)干擾區(qū)域，采集僅受地球化學(xué)過程和非點(diǎn)源輸入影響的“清潔”土壤，所獲得的數(shù)據(jù)就可以代表背景值。GB 15618—1995原一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可作為維持自然背景的土壤環(huán)境質(zhì)量的限制值，基于此，本研究參照此標(biāo)準(zhǔn)，利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)對(duì)土壤的污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，將綜合污染指數(shù)小于或等于0.7的采樣點(diǎn)重金屬濃度算術(shù)均值作為該研究的土壤環(huán)境背景值。

通過計(jì)算，綜合污染指數(shù)小于0.7的點(diǎn)位共133個(gè)，采用平均值±2倍標(biāo)準(zhǔn)差(X±2S)的方法剔除異常值[3，18]，經(jīng)反復(fù)剔除直至全部數(shù)據(jù)符合要求，該方法處理后的數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布。通過剔除后，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的有效樣點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為124、117、93、119、115、130、90、114。由于環(huán)境背景值反映的應(yīng)是一個(gè)區(qū)域元素含量集中分布趨勢(shì)的特征值，因此將所有有效數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，得到的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的背景值分別為5.770、0.088、35.900、15.700、0.027、20.900、21.400、46.600 mg/kg。

將研究得到的環(huán)境背景值與山東省地質(zhì)調(diào)查院提出的2019年青島市背景值、2011年山東省東部地區(qū)背景值和中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站1990年提出的全國(guó)背景值進(jìn)行對(duì)比，見表1。

表1 青島市“清潔”樣點(diǎn)土壤重金屬統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Heavy metals statistical paraments for “clean” samples in Qingdao City mg/kg

本研究得到的背景值與山東省地質(zhì)調(diào)查院對(duì)青島市2 910個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)查得到的背景值基本一致，除Cr差別較大外，其余數(shù)值差別均不大。青島市背景值整體低于山東東部地區(qū)和全國(guó)背景值，山東省東部地區(qū)背景值是基于對(duì)山東省東部地區(qū)包括青島、煙臺(tái)、威海、濰坊、日照、臨沂等6個(gè)地級(jí)市進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上提出的，背景值整體偏低可能與調(diào)查的區(qū)域差異、成土母巖差異和人類活動(dòng)影響強(qiáng)度等相關(guān)。本次研究點(diǎn)位數(shù)量相對(duì)較少，但各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差基本都要低于以前的研究結(jié)果，說明不同樣點(diǎn)的元素含量較為均勻，因此，本研究提出的青島市背景值具有合理性和實(shí)際意義。

2.2 農(nóng)用地土壤重金屬環(huán)境容量

土壤環(huán)境容量研究的重要步驟之一是風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)值的確定。本文采用2018年8月實(shí)施的GB 15618—2018中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。GB 15618—2018中風(fēng)險(xiǎn)篩選值明確指出當(dāng)農(nóng)用地土壤中污染物含量等于或者低于該值的，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長(zhǎng)或土壤生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)低。GB 15618—2018按照pH值分為4個(gè)區(qū)間進(jìn)行評(píng)價(jià)，考慮到本研究采樣點(diǎn)用地類型均為農(nóng)用地且pH 整體偏酸性(pH算術(shù)均值為5.90，中位值為5.70)，選取5.5

青島市土壤重金屬環(huán)境容量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。Cd、Cr、Ni、Cu和As有個(gè)別點(diǎn)位實(shí)測(cè)濃度超過風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)值，環(huán)境容量已是負(fù)值。Hg、Pb、As和Zn的平均現(xiàn)存容量處于較高水平，Cr、Cd、Cu 和Ni的容量狀況相對(duì)較差，平均現(xiàn)存容量占總?cè)萘康?8.5%、88.8%、89.6%和89.7%。環(huán)境容量平均綜合指數(shù)達(dá)到0.931。整體上看，青島市環(huán)境容量狀況較好，容量較大。

表2 青島市土壤重金屬環(huán)境容量狀況統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of heavy metal environmental capacity in Qingdao City

2.3 農(nóng)用地土壤重金屬環(huán)境容量空間分布

利用ArcMap10.2.2的空間分析模塊(spatial analyst tools)對(duì)重金屬單項(xiàng)環(huán)境容量指數(shù)和環(huán)境容量綜合指數(shù)進(jìn)行反距離權(quán)重差值(IDW)[3，19]，獲取青島市農(nóng)用地環(huán)境容量指數(shù)空間分布狀況，如圖2所示。本研究區(qū)內(nèi)PI分為低、中、高容量3個(gè)等級(jí)，無超載區(qū)和警戒區(qū)，以中容量區(qū)為主，面積比例達(dá)到78.75%。低容量面積比例僅為2.02%，主要分布在即墨區(qū)豐城鎮(zhèn)、店集鎮(zhèn)和龍泉鎮(zhèn)以及萊西市南墅鎮(zhèn)。將各元素環(huán)境容量中包含超載區(qū)、警戒區(qū)的元素空間分布情況進(jìn)行分析：

鉻元素在所有元素中平均環(huán)境容量值最低，為0.885，屬中容量等級(jí)。鉻元素環(huán)境容量以中、高容量區(qū)為主。超載區(qū)和警戒區(qū)面積比例為0.99%和0.90%，為所有元素中最高，主要位于即墨區(qū)豐城鎮(zhèn)、店集鎮(zhèn)、北關(guān)街道和中云街道交界處。低容量區(qū)主要分布在即墨區(qū)東部區(qū)域。

鎘元素環(huán)境容量以中、高容量區(qū)為主。超載區(qū)、警戒區(qū)面積比例均為0.78%，主要分布在南墅鎮(zhèn)、云山鎮(zhèn)、河套街道、龍泉鎮(zhèn)、黃島街道和紅石崖街道交界處以及珠海街道，警戒區(qū)在惜福鎮(zhèn)街道和張舍鎮(zhèn)也有所分布。

銅、鎳、砷元素環(huán)境容量均以中、高容量區(qū)為主。銅的超載區(qū)分布在南墅鎮(zhèn)和劉家莊鎮(zhèn)，警戒區(qū)除分布在以上2個(gè)區(qū)域外，在惜福鎮(zhèn)街道和崔召鎮(zhèn)也有所分布；鎳的超載區(qū)和警戒區(qū)分布在崔召鎮(zhèn)和龍泉鎮(zhèn)，警戒區(qū)在豐城鎮(zhèn)和店集鎮(zhèn)也有所分布；砷元素僅在云山鎮(zhèn)有小面積的超載區(qū)和警戒區(qū)。

2.4 基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的重金屬污染評(píng)價(jià)

根據(jù)不同土壤pH區(qū)間，利用GB 15618—2018中風(fēng)險(xiǎn)篩選值對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)域重金屬含量較低，點(diǎn)位超標(biāo)率為6.22%，低于《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》中全國(guó)耕地點(diǎn)位超標(biāo)率。

圖2 青島市農(nóng)用地土壤重金屬容量綜合指數(shù)Fig.2 Spatial distribution of comprehensive capacity index for heavy metals in Qingdao City

通過內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，為使評(píng)價(jià)結(jié)果與環(huán)境容量評(píng)價(jià)結(jié)果具有可比性，本研究中也以GB 15618—2018中5.5

2.5 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的重金屬污染評(píng)價(jià)和土壤重金屬環(huán)境容量評(píng)價(jià)2種評(píng)價(jià)模式所獲得的面積結(jié)果見表3。Hg、Pb和Zn不存在超標(biāo)區(qū)域，Cr、As、Cu和Ni存在小面積的輕微污染區(qū)域，Cd同時(shí)存在小面積的輕微污染和輕度污染區(qū)域。從綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果看出，96.61%農(nóng)用地區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量良好，不存在污染，小部分區(qū)域污染等級(jí)為尚清潔(警戒限)和輕度污染，僅有0.01%的區(qū)域存在中度污染。土壤負(fù)載容量法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，全域土壤Hg處于高容量和中容量之間，Pb和Zn出現(xiàn)小部分低容量區(qū)；Cr、As、Cu、Ni和Cd出現(xiàn)部分處于中度污染、重污染和超過風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)值的區(qū)域。2種評(píng)價(jià)模式在土壤重金屬污染程度方面存在較明顯差異：標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)模式下96.61%的土壤處于無污染狀態(tài)，僅有0.98%的土壤存在輕度、中度污染；負(fù)載容量評(píng)價(jià)模式下僅有19.23%的土壤屬于高容量狀態(tài)，絕大部分面積的土壤處于中容量狀態(tài)。這主要是由于部分區(qū)域重金屬濃度符合國(guó)家風(fēng)險(xiǎn)篩選值；但由于區(qū)域背景濃度較高，因此實(shí)際承載總量已超過或接近區(qū)域理想負(fù)載能力。

表3 不同評(píng)價(jià)方法下農(nóng)用地面積比例Tab.3 Proportion of cultivated land identified area under different evaluation methods

3 結(jié)果與討論

① 利用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)農(nóng)用地土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)，獲得青島市農(nóng)用地表層土壤重金屬背景值，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的背景值分別為5.770、0.088、35.900、15.700、0.027、20.900、21.400、46.600 mg/kg。青島市農(nóng)用地土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的現(xiàn)存環(huán)境容量均值分別為74.37、0.42、227.12、69.16、3.95、99.14、151.33、327.65 kg/hm2。容量狀況最好的是Hg和Pb，容量指數(shù)為0.990和0.980，容量狀況較差的是Cd和Cr，容量指數(shù)為0.888和0.885。全市容量綜合指數(shù)均值為0.931，屬中容量水平，容量較大，但土壤受到輕微污染。從空間分布來看，各元素分布以中容量和高容量區(qū)為主，其中中容量區(qū)面積均為最大。Hg在全市無警戒區(qū)、超載區(qū)和低容量區(qū)；Pb和Zn分布上無超載區(qū)和警戒區(qū)。Cd、Cr、Ni、Cu和As存在容量超載區(qū)域。

從空間分布上看，低容量區(qū)主要分布在采礦場(chǎng)周邊，礦區(qū)密集區(qū)以及工業(yè)基地附近。較為集中的低容量區(qū)的一處位于北部一典型工礦型小城鎮(zhèn)，轄區(qū)內(nèi)石墨、鐵、黃金等礦產(chǎn)儲(chǔ)量豐富；第二處位于區(qū)域中部偏北位置，該處有大小山頭70多座，礦藏主要有鐵、石墨等10多個(gè)品種，其中石墨儲(chǔ)量最為豐富；第三處位于東部區(qū)域，是一處重要的工業(yè)基地，機(jī)械鑄造業(yè)發(fā)達(dá)。

② 由于土壤重金屬背景值表征的是元素含量集中分布趨勢(shì)的特征值，而不是一個(gè)具體數(shù)值[20]，在實(shí)際研究中，試圖通過少數(shù)基本未受人類活動(dòng)影響的點(diǎn)位取樣調(diào)查的方式獲得土壤環(huán)境背景值是十分困難的，因此從實(shí)際操作的角度考慮，如何通過合理的布點(diǎn)取樣或通過已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得土壤環(huán)境背景值具有重要的意義。本研究中，采用土壤綜合污染指數(shù)法對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)并獲得“清潔”土壤，將“清潔”土壤元素含量進(jìn)行計(jì)算獲得區(qū)域土壤環(huán)境背景值，背景值中除Hg含量的變異系數(shù)略大外(0.41)，其余7種重金屬元素變異系數(shù)均小于0.40，反映出獲得的表層土壤背景值在長(zhǎng)期變化過程中均勻演化并受到土壤基準(zhǔn)值控制作用的特征。同時(shí)與文獻(xiàn)[18]的研究結(jié)論進(jìn)行比較，本研究中獲得的重金屬背景值與其差異較小，但均有不同程度的降低，原因可能是本研究選取的樣點(diǎn)基本均獲取自農(nóng)用地。從標(biāo)準(zhǔn)差的對(duì)比也可以看出，除Hg外，其余重金屬元素的標(biāo)準(zhǔn)差均低于以前的研究結(jié)果，說明本研究中篩選出的樣點(diǎn)的重金屬含量較為均勻，所獲取得土壤背景值結(jié)果較為可靠。

③ 重金屬污染標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)和土壤重金屬環(huán)境容量評(píng)價(jià)2種模式的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2種評(píng)價(jià)模式在污染分布趨勢(shì)上較為一致，但在污染等級(jí)的確定上存在較大差異。這主要是由于部分區(qū)域重金屬含量低于國(guó)家風(fēng)險(xiǎn)篩選值，但區(qū)域背景值濃度較高，實(shí)際承載總量已超過或接近區(qū)域理想負(fù)載能力。2種評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)與側(cè)重方向有所不同，單一的土壤污染標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)法在重金屬污染評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)管控方面還存在一定的不足，可以借助區(qū)域土壤背景值和污染物臨界值為依據(jù)的“雙界面”管理模式作為補(bǔ)充和參考[4，21]，對(duì)于科學(xué)、準(zhǔn)確地進(jìn)行區(qū)域重金屬污染評(píng)價(jià)，有效管控農(nóng)產(chǎn)品安全等工作都具有重要意義。