寧波土壤有機污染物環(huán)境容量與承載力核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺

摘要：為動態(tài)監(jiān)測、評估預(yù)警土壤有機污染物環(huán)境承載能力，提升土壤有機污染物防治能力，以寧波市為例構(gòu)建土壤有機污染物環(huán)境容量與承載力核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺。該平臺系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，主要包括系統(tǒng)安全用戶與主界面設(shè)置、土壤屬性空間分布、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、健康風(fēng)險評估、環(huán)境承載力和管理措施建議共九大功能模塊；建立基于環(huán)境閾值空間分異的區(qū)域土壤環(huán)境容量、人體健康風(fēng)險、年動態(tài)環(huán)境容量飽和度等精細化算法。該平臺系統(tǒng)實現(xiàn)了區(qū)域環(huán)境容量與承載力的精細化核算與差異化管理，可為相關(guān)部門在土壤有機污染物防治方面提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：土壤有機污染物；多環(huán)芳烴；環(huán)境承載力；可視化平臺

中圖分類號：X53 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）11-2604-11 doi：10.11654/jaes.2024-0830

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類健康至關(guān)重要。然而，重金屬和有機物等污染不僅影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性發(fā)展，還可能通過食物鏈進入人體引發(fā)多種健康問題，進而嚴重威脅全球糧食安全[1]。隨著工業(yè)化進程加快，易產(chǎn)生多環(huán)芳烴（PAHs）、苯系物等有機污染物的石油化工行業(yè)造成的土壤污染問題日益嚴重。有機污染物具有烴類、醇類、酚類和酯類等多樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其中以多環(huán)芳烴為代表的持久性有機污染物（POPs），毒性強、持久性高，能在土壤和水體之間遷移傳播，進而影響整個生態(tài)鏈[2]。為有效應(yīng)對土壤污染問題，2016年政府頒布《土壤污染防治行動計劃》（簡稱“十點土壤計劃”）、2018年頒布《中華人民共和國土壤污染防治法》明確了污染風(fēng)險控制標(biāo)準(zhǔn)和土壤修復(fù)的響應(yīng)措施，為土壤污染的防治提供了法律依據(jù)，但關(guān)于土壤有機污染物環(huán)境容量和承載力核算的研究尚處于起步階段。

土壤環(huán)境容量受土壤性質(zhì)、環(huán)境因素以及污染物的綜合影響，通常定義為特定環(huán)境單元和時間限制內(nèi)，維持土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的同時所能容納污染物的最大負荷量[3]。呂悅風(fēng)等[4]基于國家標(biāo)準(zhǔn)與區(qū)域土壤環(huán)境負載容量對研究區(qū)耕地5種土壤重金屬污染風(fēng)險進行評價；王霞等[5]以人體健康、地下水安全、土壤生物為受體，構(gòu)建了不同土地利用方式下場地土壤環(huán)境容量的評價方法。土壤環(huán)境容量是一個靜態(tài)概念，強調(diào)土壤污染物的吸納量，土壤環(huán)境承載能力則是一個動態(tài)概念，指土壤生態(tài)系統(tǒng)在不損害其功能結(jié)構(gòu)的情況下，能夠承受生物活動、容納污染物以及自我凈化修復(fù)的能力。土壤環(huán)境承載力評價內(nèi)容涵蓋土壤環(huán)境容量、土壤污染物凈輸入通量、人類活動強度與污染物排放之間關(guān)系等方面的定量核算模型。李笑諾等[6]以土壤凈化緩沖功能為核心，提出基于評價指標(biāo)安全系數(shù)進行土壤重金屬環(huán)境承載力定量評價；王秦等[7]基于水環(huán)境、大氣環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境3個維度構(gòu)建雄安新區(qū)環(huán)境承載力評價指標(biāo)體系；丁壽康等[8]針對廢棄化工場地，計算3種主要污染物的土壤環(huán)境承載力并估算修復(fù)目標(biāo)值；鄒子航等[9]利用效應(yīng)區(qū)間低/中值法和毒性當(dāng)量法評價土壤PAHs污染生態(tài)風(fēng)險狀況。土壤環(huán)境容量與區(qū)域承載力主要基于污染物濃度或風(fēng)險指數(shù)評估，不同土地利用等人為活動強度與污染物排放之間的定量關(guān)系研究較少。土壤容量與承載力的評估方法缺乏統(tǒng)一性，未得到詳實基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，評價結(jié)果不能準(zhǔn)確反映其空間異質(zhì)性，難以對未來情景下差異化的人類活動強度提供有效動態(tài)預(yù)警，因此構(gòu)建一個全面、結(jié)構(gòu)化的土壤有機污染物環(huán)境容量與承載力核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺迫在眉睫。

當(dāng)前致力于集成數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測污染物的數(shù)據(jù)平臺，如清華大學(xué)開發(fā)的中國多尺度排放清單模型（ME?IC）[10]旨在構(gòu)建高分辨率的中國人為源大氣污染物及二氧化碳排放清單；基于此開發(fā)的中國未來排放動態(tài)評估模型（DPEC）[11]，能夠精細模擬在不同社會經(jīng)濟情景和氣候目標(biāo)約束下中國未來大氣成分排放的變化。中國環(huán)境監(jiān)測總站（https：//www.cnemc.cn/sssj/）提供空氣質(zhì)量預(yù)報、水質(zhì)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；中國大氣復(fù)合污染綜合數(shù)據(jù)共享平臺（https：//www.capda?tabase.cn/）提供外場、衛(wèi)星、污染源清單、同化、實驗室測量等多項寶貴數(shù)據(jù)。但目前關(guān)于區(qū)域土壤有機污染物的環(huán)境承載力核算模型、數(shù)據(jù)集成平臺較少。寧波作為我國重要的石化產(chǎn)業(yè)基地，化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居全國七大石化產(chǎn)業(yè)基地前列，石化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)使得寧波市在土壤有機污染物的環(huán)境承載力研究方面具有代表性和緊迫性。因此本研究以寧波市為例，研發(fā)空間精細化的區(qū)域土壤有機污染物環(huán)境容量與承載力核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)，評估土壤環(huán)境容量、人體健康風(fēng)險，計算土壤有機污染物環(huán)境承載能力，從而為土壤有機污染物的有效防治提供決策支持，利于實現(xiàn)土壤生態(tài)風(fēng)險管控。

1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 區(qū)域概況

浙江省寧波市（28°51′～30°33′N，120°55′～122°16′E）地處中國海岸線中段，長江三角洲南翼，東有舟山群島，北瀕杭州灣，西接紹興，轄海曙、江北、鎮(zhèn)海、北侖、鄞州、奉化6個區(qū)，寧海、象山2個縣，慈溪、余姚2個縣級市，陸域總面積9 816 km2，海域總面積8 355 km2。寧波屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，溫和濕潤，四季分明。常年平均氣溫16.4 ℃，多年平均降水量約1 480 mm，常年平均日照時數(shù)1 850 h，無霜期一般為230～240 d。地貌分為山脈、丘陵、盆地和平原，地勢西南高，東北低。土壤類型主要包括潮土、紅壤、黃壤、濱海鹽土、水稻土、粗骨土、紫色土7 個大類（圖1）。寧波東南處的東海西湖凹陷區(qū)域總面積22 000km2，天然氣儲量超過700億m3，加上化工產(chǎn)業(yè)主要以石油化工，生產(chǎn)化工原料、橡膠、塑料染料等為主，不合理的工業(yè)生產(chǎn)活動導(dǎo)致有機污染物進入土壤[12]，使得農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降、人體健康風(fēng)險增加，嚴重威脅生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，迫切需要開展有機污染物環(huán)境容量與承載力精細化核算研究，準(zhǔn)確評估區(qū)域土壤容納和凈化污染物的差異化能力，這將有助于土壤有機污染的精準(zhǔn)防控與管理。

1.2 土壤樣點

根據(jù)研究區(qū)土地利用、土壤類型分布及污染企業(yè)位置確定調(diào)查樣點數(shù)量和空間分布，2022—2023 年實地調(diào)查218個土壤樣點（圖1）。土地利用類型重點考慮耕地和建設(shè)用地，其中耕地包括水田和旱地，建設(shè)用地包括林地、草地、其他建設(shè)用地、城鎮(zhèn)用地等（圖2）。由于鎮(zhèn)海石油化工園區(qū)的環(huán)境狀況較為典型，重點在其建設(shè)用地和耕地范圍內(nèi)，考慮土壤污染狀況和敏感受體進行加密布點。

土壤樣品主要用于分析測定與土壤有機污染物環(huán)境容量計算相關(guān)的土壤理化性質(zhì)（pH，有機質(zhì)，黏粒、粉粒、砂粒含量）、多環(huán)芳烴、含氯有機物（OCPs）以及石油烴。其中，多環(huán)芳烴包括萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、熒蒽、芘、苯并[a]蒽、?、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘、二苯并[a，h]蒽、苯并[g，h，i]苝和茚并[1，2，3-c，d]芘等16種多環(huán)芳烴；含氯有機物（OCPs）包括α-六六六、β-六六六、γ-六六六等。土壤pH測定采用1∶2.5（m/V）的土壤-水懸浮液，通過pH 計測定，土壤SOM采用重鉻酸鉀加熱法測定，土壤陽離子交換量采用乙酸銨方法測定，土壤顆粒組成采用吸管法測定[13-14]。按照氣相色譜-質(zhì)譜法[15]測定土壤多環(huán)芳烴；按照氣相色譜法測定土壤含氯有機物和石油烴[16-17]。

1.3 基礎(chǔ)圖層空間數(shù)據(jù)集

收集建立寧波市土壤、水文、地質(zhì)、氣候等潛在影響土壤對污染物的吸附、降解、遷移行為的空間數(shù)據(jù)集以及與環(huán)境容量及承載力核算有關(guān)的土地利用、社會經(jīng)濟等空間數(shù)據(jù)集（表1）。圖層數(shù)據(jù)均經(jīng)過坐標(biāo)變換、重采樣、裁剪等預(yù)處理，空間分辨率均為100m，坐標(biāo)系采用WGS 1984 UTM Zone 51N。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)與功能模塊

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、土壤屬性空間分布、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、健康風(fēng)險評估、環(huán)境承載力和管理措施建議共九大功能模塊（表2）。

3 主要功能模塊算法

3.1 環(huán)境質(zhì)量評價

根據(jù)土壤多環(huán)芳烴污染分級標(biāo)準(zhǔn)[18]，從樣點和空間分布兩個層面開展土壤16種優(yōu)控多環(huán)芳烴指標(biāo)的污染狀況評價，其中污染狀況空間分布圖由反距離權(quán)重插值方法（IDW）生成。基于表層土壤樣點調(diào)查數(shù)據(jù)，將16種優(yōu)控多環(huán)芳烴指標(biāo)按含量劃分為無污染、輕度污染、中度污染和重度污染4個污染水平（表3）。寧波表層土壤樣點的多環(huán)芳烴含量主要以無污染水平為主，污染比例為93.59%；少量指標(biāo)處于輕度污染水平，污染比例為5.25%；中度和重度污染比例分別為0.67%和0.49%。其中，萘、苊烯和芴均處于無污染水平，芘、熒蒽、苯并[b]熒蒽和?的輕度污染比例分別為11.10%、10.56%、10.00%和9.44%（表4）。

3.2 土壤環(huán)境容量模塊算法

3.2.1 環(huán)境閾值

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）和《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 36600—2018），將土地利用圖層按照農(nóng)用地、一類建設(shè)用地和二類建設(shè)用地進行重分類[19]，并生成不同用地類型表層土壤有機污染物風(fēng)險篩選值圖層和風(fēng)險管控值圖層（表5和表6）。其中六六六總量為α-六六六、β-六六六、γ-六六六、δ-六六六4 種異構(gòu)體的含量總和。滴滴涕總量為p，p ′ -滴滴伊、p，p ′ -滴滴滴、o，p ′ -滴滴涕、p，p ′-滴滴涕4種衍生物的含量總和。