土壤重金屬環(huán)境背景值在土壤污染識別的應(yīng)用及建議
——以貴陽市為例

肖興艷 李 寧 彭園花

（1 貴陽市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院 貴州貴陽 550081 2 貴陽市第四片區(qū)環(huán)境監(jiān)測站 貴州貴陽 550081）

引言

土壤受到重金屬污染，不但會影響土壤功能的穩(wěn)定性以及其生態(tài)結(jié)構(gòu)，而且會逐步對土壤的生物特征、微生物群落以及理化性質(zhì)等產(chǎn)生不利的影響。同時，土壤中的重金屬還會對作物生長產(chǎn)生不良影響，造成作物體內(nèi)重金屬含量過高，從而對農(nóng)產(chǎn)品及食品安全造成嚴(yán)重威脅，進(jìn)而對人體健康產(chǎn)生不利影響[1]。

貴州省地處我國西南內(nèi)陸地區(qū)腹地，是西南地區(qū)交通樞紐，長江經(jīng)濟(jì)帶重要組成部分，多年來一直高度重視土壤保護(hù)工作。貴州省第3 次土壤調(diào)查，以高分辨衛(wèi)星圖像為底圖，運(yùn)用云計算、無人機(jī)等新技術(shù)，采取“互聯(lián)網(wǎng)+”的方式，嚴(yán)格實(shí)施“村-鄉(xiāng)-縣-市-省”的“五級質(zhì)量控制系統(tǒng)”，使貴州省的土地利用狀況得到了較好的認(rèn)識，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時更新[2]。而貴陽市作為貴州省的省會城市，也是我國西南地區(qū)重要的中心城市之一，1999 年，國家有關(guān)部門對貴陽市土壤中54 個重金屬的本底值進(jìn)行了統(tǒng)計和分析[3]。由于工業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)“三廢”排放量的增加以及金屬礦物質(zhì)的開采，使得重金屬污染成為貴陽市最為嚴(yán)重和突出的土壤污染問題。

1 研究區(qū)概況

以貴陽市作為此次土壤重金屬環(huán)境背景值在土壤污染識別應(yīng)用的研究區(qū)，其地理概況說明[4]如表1 所示。

表1 貴陽市地理概況

在土壤理化性質(zhì)中，pH 是一個很重要的影響因子，它不僅影響土壤對重金屬的吸附，還影響重金屬在土壤中的存在形態(tài)和植物的吸收。酸性條件下，土壤中部分重金屬的活性增強(qiáng)，有利于作物對土壤中重金屬的吸收和釋放。因此，在國家標(biāo)準(zhǔn)和各類工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，土壤重金屬的限值都是根據(jù)土壤 pH 來劃分的，除了砷以外，其它7 種金屬元素的限值都是隨著 pH 的降低而降低[5]。貴陽市由于地處西南高原腹地，四周多為山脈，且環(huán)境相對密封，不易于污染的擴(kuò)散，是我國典型多酸雨的地區(qū)。貴陽市5 年內(nèi)土壤平均PH 的詳細(xì)參數(shù)如表2 所示，土壤年平均pH 屬于中性，因此研究區(qū)的土壤未受到酸化侵蝕[6]。

表2 5 年內(nèi)土壤平均PH 詳細(xì)參數(shù)

2 土壤樣品采集與重金屬測定

為更好對貴陽市進(jìn)行土壤污染識別，需先對該地區(qū)的土壤進(jìn)行樣品的采集，表3 為此次采集樣品采樣點(diǎn)的設(shè)定詳細(xì)數(shù)據(jù)[7]。

表3 土壤樣品采集

土壤取樣方案采取的是規(guī)則網(wǎng)格取樣法，每一個樣點(diǎn)都從網(wǎng)格的4 個頂點(diǎn)和中心點(diǎn)中抽取出來，每一個樣點(diǎn)都會從表層（0～30cm）的土壤中抽取2kg 左右土壤，在現(xiàn)場進(jìn)行混合后作為該樣點(diǎn)的代表樣本。總共采集了350 個樣點(diǎn)，在取樣時，利用 GPS 進(jìn)行了定位。在樣品的取樣、運(yùn)輸、保存和處理過程中，都嚴(yán)格遵守有關(guān)規(guī)定，以避免對土壤樣品的污染[8]。

為了確保復(fù)測樣本檢測數(shù)據(jù)的精確度和客觀性，將每一次重測樣本分成5 個樣本，由5 名技術(shù)熟練的人員進(jìn)行獨(dú)立檢測，并以5 名人員檢測結(jié)果的平均值為復(fù)測值。研究所用的土壤重金屬元素檢測方法都是按照美國環(huán)保局建議的消煮法進(jìn)行，所用的土壤測試都是以優(yōu)級純、高光譜純、超純水為主要的測試手段，在測定時也是以國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)土樣為主要測試手段，測試結(jié)論也合乎國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。對鈳元素含量測定采用多層石墨爐原子吸收分光光度法，銻元素含量測定采用原子熒光光譜法進(jìn)行計算，鉛元素含量測定采用火焰原子吸收分光光度法。

3 土壤重金屬環(huán)境背景值的污染識別

目前，我國已將土壤重金屬環(huán)境背景值用于土壤污染場地篩選、土壤資源化推進(jìn)、修復(fù)目標(biāo)設(shè)定等，但具體運(yùn)用方式仍不清楚。因此，在制定修復(fù)目標(biāo)的同時需要根據(jù)土壤環(huán)境的本底大小來確定修復(fù)目標(biāo)的大小，以及對土壤的資源化利用。本研究以在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用的離群點(diǎn)識別方法為基礎(chǔ)，并結(jié)合單一方法對土壤重金屬環(huán)境背景值識別精度較低的現(xiàn)狀，采用數(shù)理統(tǒng)計方法和土壤重金屬背景值方法對整體離群點(diǎn)進(jìn)行識別，采用局部空間自相關(guān)方法對土壤污染進(jìn)行識別。土壤環(huán)境的背景值，是指在沒有受到人為因素顯著影響的情況下，土壤自身所具有的化學(xué)元素的成分與含量。通過對不同地理環(huán)境、地質(zhì)等因素的分析，可揭示不同環(huán)境、地質(zhì)、地理等因素對土壤重金屬污染的影響規(guī)律。因此，在此基礎(chǔ)上提出一種基于環(huán)境信息的土壤重金屬污染監(jiān)測與評價方法。在實(shí)際工作中，由于人類活動和自然活動等原因，往往會出現(xiàn)一些離群點(diǎn)。而在眾多的離群點(diǎn)中，有些是客觀的，有些則是受人為錯誤操作和樣本處理方法錯誤的影響，不是客觀的，因而通過對離群點(diǎn)成因的研究，既能明確其可能的來源，又能減少人工干預(yù)帶來的誤差，從而提升數(shù)據(jù)的可信度。

在對數(shù)據(jù)中的異常值進(jìn)行識別之前，要先對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢查，因為如果數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，就會造成比例效應(yīng)，使得塊金值和基臺值發(fā)生改變，從而造成估值的不準(zhǔn)確。相對于砷元素轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)更接近正態(tài)分布；而鈳和鉛元素轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，風(fēng)度和偏度都有了很大的降低，說明轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)更符合正態(tài)分布。對貴陽市3 個元素的正態(tài)性檢驗發(fā)現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)都不服從正態(tài)分布，因此將它們進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換后，發(fā)現(xiàn)除砷、鈳、鉛元素以外，其它的都呈正態(tài)分布。本研究選擇砷元素的原始數(shù)據(jù)與對數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)運(yùn)算。砷元素的正態(tài)性檢驗如圖1 所示，對砷、鈳、鉛元素進(jìn)行土壤重金屬環(huán)境背景值的污染識別結(jié)果如表4 所示。

圖1 砷元素正態(tài)檢驗

表4 土壤重金屬元素污染數(shù)據(jù)識別統(tǒng)計

4 基于土壤污染識別的治理建議

隨著城鎮(zhèn)化的加速，重金屬通過多種方式進(jìn)入土壤，不但使土壤污染日趨嚴(yán)重，也對周圍居民的生活環(huán)境和身體健康產(chǎn)生了巨大的威脅。因此，如何針對城市污染現(xiàn)狀及污染源展開研究，并加強(qiáng)防范管理，是貴陽市（研究區(qū)）開展土壤重金屬污染整治的第一任務(wù)。

4.1 研究區(qū)土壤重金屬污染治理建議

由于研究區(qū)土壤重金屬污染中鈳與鉛的污染比較嚴(yán)重，在對其進(jìn)行監(jiān)測時，需適當(dāng)增加密度監(jiān)測，以及提高監(jiān)測頻率。但在土壤重金屬污染監(jiān)測過程中，還要為后續(xù)的修復(fù)與防治工作打好基礎(chǔ)，既要保證監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測指標(biāo)的完整性，又要保證站點(diǎn)的精確性。因此，除3 種主要重金屬元素外，可根據(jù)前期的研究結(jié)果，適當(dāng)添加一些重金屬元素，如鉈、鈹、鍺等，同時還可通過對土壤理化性質(zhì)的分析，進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。

根據(jù)表5 可以看出，這些重金屬元素由于其不可降解性與持久性導(dǎo)致了土壤污染的不可逆轉(zhuǎn)。結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀，提出對受工業(yè)廢水污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，采取土壤工程修復(fù)以及污染源控制等措施。另外，對非點(diǎn)源污染的農(nóng)田，在充分考慮耕地的生產(chǎn)性功能后，可采用“先恢復(fù)后使用”的模式，嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)投資；對受土壤污染風(fēng)險較小的生態(tài)區(qū)域，禁止污染性操作，將注意力集中在成規(guī)模的畜禽養(yǎng)殖、礦產(chǎn)開采等操作中，確保土壤的生態(tài)凈化效果能夠正常進(jìn)行。

表5 重金屬元素年殘留率

土壤是連接農(nóng)業(yè)、城市、生態(tài)空間的基本物質(zhì)，在治理研究區(qū)的土壤重金屬污染的時候，必須將“山水林田湖草”等生態(tài)修復(fù)的理念作為“整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)、綜合治理”的依據(jù)，對土地的開發(fā)和利用進(jìn)行規(guī)范化管理，使土地的生產(chǎn)性和生態(tài)性達(dá)到平衡；對種植糧食、蔬菜等農(nóng)作物的耕地，按照最嚴(yán)格的要求，確保耕地的質(zhì)量與肥力；對那些不能進(jìn)行生產(chǎn)的耕地，確定耕地變更標(biāo)準(zhǔn)。

由于在現(xiàn)行國土空間規(guī)劃的大背景下，農(nóng)業(yè)用地的用途主要是在永久基本農(nóng)田范圍內(nèi)，因而在生態(tài)保護(hù)城鎮(zhèn)紅線開發(fā)范圍之內(nèi)的土壤，更應(yīng)重視它們的生態(tài)功能，如道路、工廠周邊的土壤，都可以被用來進(jìn)行基礎(chǔ)綠化，其恢復(fù)程度只要達(dá)到生態(tài)用地的標(biāo)準(zhǔn)就可以。因此，通過對研究區(qū)土壤重金屬污染數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建和完善，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)土壤重金屬污染風(fēng)險的預(yù)測和預(yù)警；通過構(gòu)建研究區(qū)土壤環(huán)境管理信息化平臺，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)土壤重金屬污染防治的全過程數(shù)字化，保障修復(fù)成果的有效性；通過得到研究區(qū)土壤重金屬污染防治的數(shù)字化經(jīng)驗，實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)土壤重金屬污染防治的一體化。

4.2 研究區(qū)工業(yè)化地區(qū)土壤重金屬污染治理建議

研究區(qū)的工業(yè)企業(yè)密集分布，其產(chǎn)生的“三廢”對周圍的土壤造成了不同程度的污染。對這些高污染、易污染的企業(yè)，應(yīng)從總體布局和總體生產(chǎn)能力的提高2 個方面進(jìn)行改造，在確定各企業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對產(chǎn)能落后、排放超限的企業(yè)進(jìn)行整治停業(yè)及淘汰。首先，對已經(jīng)造成周邊地區(qū)土壤重金屬污染的企業(yè)或者工廠，要明確其污染治理主體責(zé)任，并通過社會與政府的監(jiān)督，確保地塊一旦污染就能立即得到治理。其次，在工業(yè)園區(qū)規(guī)劃指導(dǎo)下，對具有資質(zhì)的工業(yè)企業(yè)進(jìn)行分期搬遷，實(shí)現(xiàn)工業(yè)布局的可持續(xù)。最后，通過對“三廢”的深度處理，以及對廢水中的重金屬元素進(jìn)行深度回收，進(jìn)一步降低重金屬污染源向外釋放的風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)對重金屬污染的有效控制。

土壤重金屬污染治理涉及的利益主體多、治理環(huán)節(jié)多、修復(fù)技術(shù)多，由于法律、法規(guī)和政策的不完善，很多地區(qū)的土壤重金屬污染治理還存在著一些混亂，如企業(yè)責(zé)任難以明確，導(dǎo)致政府頻頻背鍋，農(nóng)村污染企業(yè)倒閉，農(nóng)田被污染后難以持續(xù)耕種，從而造成了大量的農(nóng)村人口流失，因此需健全多元化的法律制度為其提供強(qiáng)有力的支持。此外，為避免采用單一式的區(qū)域土壤重金屬污染評價標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)以研究區(qū)土壤現(xiàn)狀、潛在污染風(fēng)險以及重金屬污染來源為依據(jù)，結(jié)合土地使用狀況，確定相應(yīng)的安全保護(hù)、恢復(fù)指標(biāo)，并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立多元化的重金屬污染評估準(zhǔn)則，使治理流程規(guī)范化，讓不同污染區(qū)域都能有合適的治理方式。

結(jié)語

本文選取貴州省貴陽市為研究區(qū)，采集350份土壤樣品，進(jìn)行土壤重金屬測定、重金屬污染現(xiàn)狀評估以及風(fēng)險評估等方面的研究，并針對研究區(qū)反映出的土壤重金屬污染識別給出了相應(yīng)的治理建議，同時還給出了工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)的土壤重金屬污染治理的建議，為制定地區(qū)土壤重金屬污染識別與治理方法提供了一定的真實(shí)性參考。但由于目前研究區(qū)土壤重金屬污染時序資料匱乏，難以利用更為精確的模型預(yù)測研究區(qū)土壤重金屬污染的變化趨勢，因此本文的預(yù)測結(jié)論雖然可供參考，所使用的方法依然存在一些不足，未來還需繼續(xù)完善。