鷹潭土壤重金屬環(huán)境容量與承載力核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建

摘要：為提升地區(qū)土壤重金屬污染評估與風險管控技術(shù)，針對銅采選和冶煉等工礦場地帶來的土壤重金屬污染物，研發(fā)鷹潭市土壤重金屬環(huán)境容量與承載力核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，包括系統(tǒng)安全用戶與主界面設(shè)置、數(shù)據(jù)管理與決策支持、基礎(chǔ)圖層、環(huán)境質(zhì)量評價、環(huán)境閾值、靜態(tài)環(huán)境容量、動態(tài)環(huán)境容量、環(huán)境承載力和管理措施建議九大功能模塊，新提出了基于環(huán)境閾值空間分異的區(qū)域土壤環(huán)境容量、飽和度以及承載力的概念和精細化算法。系統(tǒng)應(yīng)用表明，該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺可為相關(guān)部門在區(qū)域土壤環(huán)境容量與承載力管理方面提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：土壤重金屬；環(huán)境閾值；環(huán)境容量與飽和度；環(huán)境承載力；可視化平臺

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）11-2595-09 doi：10.11654/jaes.2024-0831

重金屬作為土壤主要環(huán)境污染物，具有隱蔽性、滯后性、積累性和難治理等特點，并可隨食物鏈傳遞危害人類健康[1-2]。當進入土壤中的重金屬在土壤環(huán)境容量范圍之內(nèi)時，土壤可利用其本身自凈能力和緩沖作用凈化，若一旦超過承受上線，土壤將面臨重金屬污染[3]。隨著我國工業(yè)化進程的不斷推進，土壤重金屬污染成為當今最突出的環(huán)境污染問題。進行土壤環(huán)境容量及承載力精細化核算并構(gòu)建基礎(chǔ)化數(shù)據(jù)平臺，可為城市工業(yè)區(qū)規(guī)劃和環(huán)境管理提供技術(shù)支撐。

土壤環(huán)境容量是指在一定區(qū)域和時限內(nèi)遵循的環(huán)境質(zhì)量標準，是在保證農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和生物學質(zhì)量基礎(chǔ)上所能容納污染物的最大負荷量[4-5]。目前，對土壤環(huán)境容量的估算主要有靜態(tài)容量法和動態(tài)容量法[6-7]。安文超等[8]計算了青島市農(nóng)用地土壤8種重金屬的環(huán)境容量，結(jié)果表明，重金屬環(huán)境容量均處于中容量水平。土壤環(huán)境承載力通常指在一定時間和空間范圍內(nèi)，土壤環(huán)境對污染物的容納能力和對人類活動的承載能力[9]，其與土壤環(huán)境容量相互聯(lián)系，相互區(qū)別，土壤環(huán)境承載力更多體現(xiàn)在土壤系統(tǒng)對人類社會和經(jīng)濟活動的最大承載能力[10]。目前，國內(nèi)外學者對土壤環(huán)境承載力的指標體系、評價方法等進行了研究，主要的研究方法包括模型法、承載力飽和等[11]。例如，丁壽康等[12]以江蘇省某化工場地土壤中的3種主要污染物為研究對象，估算了污染物的土壤環(huán)境承載力和修復目標值。Zhou等[13]根據(jù)檢測到的29種農(nóng)藥，評估出當前農(nóng)藥施用模式下29 種農(nóng)藥均未超土壤承載力閾值，但有5種農(nóng)藥可能在10 a內(nèi)達到閾值。然而，目前仍然缺乏統(tǒng)一、高效的承載力核算方法。

江西省鷹潭市作為我國重要的銅加工和生產(chǎn)基地，長期以銅作為支柱產(chǎn)業(yè)，素有“世界銅都”的美譽。但不合理的開采活動導致重金屬進入土壤，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成不良影響。通過研發(fā)鷹潭市土壤環(huán)境容量及承載力精細化核算方法，并建立可視化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，可為鷹潭市工業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃和環(huán)境管理提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

江西省鷹潭市（27°35′～28°41′N，116°41′～117°30′E）位于江西省東北部，是連接東南沿海的重要通道之一。鷹潭市下轄2區(qū)1市（月湖區(qū)、余江區(qū)和貴溪市），共42個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，區(qū)域總面積達3 560 km2。其東臨上饒市的戈陽、鉛山縣，西接撫州市的金溪、東鄉(xiāng)縣，南臨福建省光澤縣和撫州市資溪縣，北部與余干和萬年縣接壤。

鷹潭市屬亞熱帶濕潤季風氣候，光照充足、雨量充沛、四季分明。年均溫18 ℃，年均降雨量1 750mm。區(qū)域內(nèi)地勢整體呈現(xiàn)東南高西北低的特點，地形主要分為東南部山區(qū)、西北部丘陵區(qū)和中部盆地三類。鷹潭市土壤類型包括紅壤、水稻土、黃壤、潮土和黃棕壤（圖1a），分別占46.80%、52.80%、0.31%、0.01%和0.01%。土地利用類型以林地、耕地、建設(shè)用地、水域為主，分別占54.7%、25.6%、10.1%、4.3%（圖1b）。同時，鷹潭市境內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，目前已探明的金屬礦種有金屬礦巖金、砂金、銀礦和鉛鋅礦。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺框架及數(shù)據(jù)來源

2.1 平臺系統(tǒng)架構(gòu)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺采用B/S架構(gòu)，其中屬性數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫管理分別采用PostgreSQL、PostGIS研發(fā)，空間數(shù)據(jù)運算及可視化分別采用GeoTools、OpenLay?ers 研發(fā)。系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)安全用戶與主界面設(shè)置、數(shù)據(jù)管理與決策支持、基礎(chǔ)圖層、環(huán)境質(zhì)量評價、環(huán)境閾值、靜態(tài)環(huán)境容量、動態(tài)環(huán)境容量、環(huán)境承載力和管理措施建議九大功能模塊（圖2）。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

土壤樣點調(diào)查與分析重點考慮耕地、園地、林地、草地、采礦用地、工礦倉儲用地和空閑地7種土地利用類型，保證樣點覆蓋所有土壤類型并分布在鷹潭示范區(qū)全域。根據(jù)以上布設(shè)原則，在研究區(qū)共布設(shè)了219個樣點，樣點空間分布見圖3。共采集219個表層和194 個亞表層土壤樣本用于測定土壤pH、礫石含量和土壤重金屬含量，其中的131個表層樣品和106個亞表層樣品用于測定土壤容重。土壤pH采用pH計測定（土壤-水懸浮液，土水比為1∶2.5）[14]。土壤礫石含量通過篩分法測定。土壤容重采用環(huán)刀法測定[15]。土壤重金屬Cu、Cr、Zn、Pb、Cd 和As 的含量采用高精度X射線熒光光譜儀（HDXRF）測定。

2.3 平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖層構(gòu)建方法

根據(jù)采樣點數(shù)據(jù)，采用克里格插值法（Kriging）生成表層和亞表層土壤理化性質(zhì)的空間分布，理化性質(zhì)包括土壤pH、容重和礫石含量。此外，采用反距離加權(quán)法（IDW）生成表層和亞表層土壤重金屬Cu、Cr、Zn、Pb、Cd和As的空間分布，用于后續(xù)動態(tài)環(huán)境容量計算（圖4）。

收集鷹潭市46家重金屬冶煉加工企業(yè)的污染信息，利用EIApro預測軟件，采用高斯擴散公式構(gòu)建預測模型，模擬各企業(yè)大氣排放重金屬的大氣沉降濃度及空間分布情況。同時，由于排污企業(yè)數(shù)據(jù)和模型本身的不確定性，設(shè)定8個長期監(jiān)測點位，采集周期為1 a的大氣沉降樣品對模擬結(jié)果進行修正，獲取較為精準的區(qū)域重金屬Cu、Cr、Zn、Pb、Cd和As的大氣沉降數(shù)據(jù)[16]（圖5a至圖5f）。

測定2022年7—8月采集的56個稻米樣本中的重金屬含量，利用反距離加權(quán)插值法生成研究區(qū)稻米中重金屬Cu、Cr、Zn、Pb、Cd和As含量的空間分布圖（圖5g至圖5l）[17]。

以上這些構(gòu)成了土壤重金屬環(huán)境容量與承載力核算平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖層。