高背景值土壤重金属生态风险区划及防控

于 兵，吴克宁*

(1.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院，北京 100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京 100083)

2014年国家环保部、国土资源部发布“全国土壤污染调查公报”显示我国耕地土壤点位超标率为19.4%，重金属污染物主要是镉、铜、砷、汞、铅等。从全国范围来看，南方土壤重金属污染程度显著高于北方，重金属点位超标率较高地区集中在西南和中南地区。

2015年十八届五中全会报告指出，“推进美丽中国建设，为全球生态安全作出贡献”，“实行最严格的环境保护制度，深入实施大气、水、土壤污染防治行动计划”。2016年5月28日，国务院印发《土壤污染防治行动计划》(土十条)，是土壤污染防治行动计划的落实，是土壤防治行动的指南，反映我国土壤重金属污染状况不容乐观，国家高度重视。

土壤环境背景值是指在不受或者很少受人类活动影响、不受或很少受现代工业污染与破坏的情况下，土壤原来固有的化学组成和结构特征[1]。我国西南、中南地区有色重金属成矿带，统计结果分析，金属矿藏是影响重金属背景值的重要原因，开发矿藏更是加剧了重金属元素的迁移转化[2]。镉、砷、汞、铅在全国范围内分布上呈现明显区域分布规律，西南地区四种重金属背景值较高，人类活动和工业生产是加剧其污染的主要原因。特定环境下高背景值重金属易发生迁移、转化。因此，必须高度重视高背景值地区的初始型局域性土壤污染引发的区域性土壤环境风险，对高背景值土壤重金属进行风险区划并在此基础上对重金属污染物进行防控至关重要。

1 土壤重金属污染表征方法

目前学术界并未对土壤污染给出相应的明确定义，通俗表述是人为向土壤中加入了某种污染物，此时土壤即受污染的土壤；还有学者认为通过土壤环境背景值来计算临界值来判定土壤是否污染；还有一种是以土壤中含有特定物质的危害程度即风险来评定土壤是否污染。目前表征土壤污染的方法主要有：地质累积指数、内梅罗指数、潜在生态危害指数法等，对于高背景值土壤重金属污染同样适用[3]。

1.1 地质累积指数

地质累积指数(Igeo)也称Muller指数，这种方法主要叠加人为活动来表征土壤污染程度[4]。如下式：

Igeo=log2(Cn/1.5Bn)

(1)

其中，Igeo：地质累积指数；Cn：样品中元素n的浓度；Bn：背景浓度；1.5：修正指数，通常用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响。

地质累积指数分为7个级别：Igeo<0表示污染等级为0，即土壤无污染；Igeo>0表示土壤被污染，范围1～6，土壤受污染程度随数值增大加深。

1.2 内梅罗指数

内梅罗指数(P)是多因子环境质量评价法，是通过极大值和平均值加权法对环境质量进行评价的方法，是一种能同时评价环境质量和表征土壤污染的方法[5-7]。如下式：

(2)

其中，P：内梅罗指数；maxi：单因子环境质量指数最大值；avei：单因子环境质量指数平均值。

内梅罗综合指数兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数，其在加权过程中避免了人为主观因素的影响，能够客观反映土壤中各污染物的平均污染水平，强调主导因子的影响作用。

1.3 潜在生态危害指数

潜在生态危害指数(RI)是根据重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度，对沉积物或者土壤的重金属污染进行评价的一种方法[8-10]。如下式：

RI=∑Eri；Eri=Tri×Cfi；Cfi=Ci/Cni；Cd=∑Cfi

(3)

其中，RI：潜在生态危害指数；Eri：某一金属潜在生态风险参数；Tri：单个污染物的毒性相应系数；Cfi：某一金属污染参数；Ci：环境中重金属的实测含量；Cni：计算所需的参比值；Cd：多种重金属污染系数之和。

潜在生态危害指数法引入毒性响应系数，综合考虑土壤重金属含量，重金属环境生态效应、环境效应与毒理学，使评价侧重于重金属毒性在土壤和沉积物中的普遍迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性[11]。

2 生态风险区划

我国土壤重金属污染类型、程度、受污染地区等差异较大，因此必须对其进行土壤重金属风险控制区划，进行土壤环境风险等级划分，实现对不同重金属、不同污染程度、不同污染地区的风险控制，并对重金属污染土壤进行修复。土壤环境风险区划是保证土地安全、粮食安全、人体健康的重要手段，从区域土壤环境风险管理的角度制定最优化的风险控制区划方案，以实现对区域风险水平的控制。对区域土壤环境重金属风险区划要在土壤重金属风险分级分区的基础上对不同风险区的污染状况制定不同的防控策略。

2.1 区划原则与指标

2.1.1 区划原则 郭书海等[3]在《中国土壤环境区划-原理、方法与实践》一书中指出，土壤环境功能区划需要遵循的原则，生态风险区划同样需要遵循以下原则：

(1)主导因素原则。基于土壤环境质量区划，叠置现有土地利用方式，优先考虑土壤生态功能，再依据土壤环境质量以主导功能确定土壤环境功能类型。高背景值土壤重金属风险区划要查明区域土壤环境风险管理的制定的先后顺序，重点关注污染程度高，危害大，风险高的事件，调查发现，珠江、长江等第四系冲洪积物发育的土壤中重金属元素自然背景值显著高于其他成土母质区发育的土壤，重金属异常区与第四系冲洪积物分布区空间上高度吻合，这些地区重金属元素含量一方面受汇水区物质组成与地理条件的控制，同时也受微地貌、沉积速度、人类活动、水土交互作用等多因素影响。因此在对重金属生态风险区划时要找出主导风险因素，以其为基础对区域风险区划。

(2)相关性原则。对于由多个土地利用方式构成的区域单元，综合考虑土地利用方式的空间组合和比例，以主要类型确定该区域的主要环境功能类型。高背景值土壤重金属风险区划同样要保持一致性，即同一风险区风险类型要相对一致，整体差异性较小，不同风险区要有明显的界线，尽可能以行政区界线一致，便于对不同风险区采取不同的管控策略。

(3)整体性原则。土壤环境功能区划的各个单元，虽然有地理位置或空间范围的差异，但是均具有较为完整的功能体系。高背景值土壤重金属风险区划避免将单一风险事件进行叠加，要综合考虑多种风险事件叠加的影响，保持整体性。从风险发生角度看，其产生和发展及演化受自然、经济、社会等多种因素影响，要综合考虑多种因素对风险产生发展的影响，系统性分析不同区域土壤重金属风险产生、发展、演化之间的联系与差异。

(4)协调性原则。土壤环境功能区划要兼顾国家主体功能区规划、全国生态环境功能区划、全国农业区划及其他专项区划。土壤重金属风险区划要在基于土壤环境功能区划的基础上，叠加多种区划，形成一套适合高背景值土壤重金属风险区划技术方案。

2.1.2 区划指标 高背景值土壤重金属风险区划的指标主要包括：风险区划类型分类、风险分区边界、风险分区名称。

(1)风险区划类型分类。高背景值土壤重金属风险区划类型划分是采用主导因素原则。类型划分是依据土地利用方式采取单一类型和综合类型相结合的方式，单一类型划分为耕地、园地、林地、草地；综合类型划分为耕地园地、耕地林地、耕地草地、园地林地、园地草地、林地草地等；其他土地利用方式划分为其他用地。

(2)风险分区边界。高背景值土壤重金属风险区划边界利用ArcGIS软件基于土地利用现状、生态功能区划和土壤环境质量区划采用主导因素法、叠加法、空间分析法参照区域内土壤环境功能相似性与差异性，并结合土壤、水文、地质地貌等确定生态风险分区边界。

(3)风险分区名称。高背景值土壤重金属风险分区名称参照土壤环境质量区划命名方式，依据风险区划类型进行调整，采用“区域+风险区划类型”命名。区域名称可采用I、II、III等罗马数字进行命名；风险区划类型耕地、园地、林地、草地、其他可采用1、2、3、4、5阿拉伯数字进行命名；风险区划单一类型耕地、园地、林地、草地可采用10、20、30、40阿拉伯数字进行命名；综合类型耕地园地、耕地林地、耕地草地、园地林地、园地草地、林地草地等可采用12、13、14、23、24、34等阿拉伯数字进行命名[3]。

2.2 土壤污染风险评估方法

高背景值土壤重金属风险区划评估方法参考土壤重金属污染表征方法，可采用污染指数法，该方法经常用于土壤污染风险评估，可以反映土壤环境污染效应和危害程度，一方面可以突出重金属浓度，另一方面基于土壤环境基准和背景值进行风险评估，以此划分风险等级，进行空间分区并对重金属进行管控[12]，污染指数指污染物浓度与环境标准比值的污染指数，即污染物浓度与标准值比值。

Pip=C/S

(4)

其中，Pip：污染指数；C：样品中单个污染物的浓度；S：标准值。

该方法属于比值法，按照《全国土壤污染状况评价技术规定》(环发[2008]39号)将单因子污染指数Pip计算结果范围1～5将污染程度分为无污染、轻微污染、轻度污染、中度污染、重度污染。该方法突出了土壤重金属浓度，但是并未涉及土壤对污染物的降解和缓冲能力。

2.3 风险评估等级

在对高背景值土壤重金属进行风险评估划分风险等级时，引入土壤中重金属浓度C，环境基准值D，土壤环境背景值B，当C≤D时，土壤处于安全或者基本安全状态；当C>D，土壤处于风险状态。为了全面反映土壤是否处于风险状态，可以采用C、D与B(环境背景值)进行相减再做比值，但是需要注意，当土壤pH较小，处于酸性条件下，高背景值区土壤中重金属污染物较为敏感，所以环境基准值D较小，不能进行相减再做比值，可以将C/B作为评估风险等级的因子。在高背景值土壤重金属污染地区，矿山，矿藏带周围显然重金属浓度较高，已经超过国家三级标准(GB15618-1995)，可以不用利用计算公式，直接将该区域划分为风险区[13-15]。因此，全面考虑土壤pH值的情况下，评估高背景土壤重金属风险等级时，如式5、6：

(5)

式(5)适用于土壤pH(<6.5)较小的高背景值区[3]

(6)

式(6)适用于其他高背景值地区，其中，R：风险指数；C：土壤中某种重金属污染物浓度；D：环境基准值；B：环境背景值。

2.4 风险区域划分

评估指标的风险等级与风险区域划分见表1。安全利用区。该区高背景值土壤重金属浓度相对较低，符合环境质量限量标准要求，该区域土壤风险等级处于安全等级，采取优先保护策略。

基本安全利用区。该区主要特征是：该区高背景值土壤重金属含量有轻微积累，稍高于环境质量限量标准要求，该区域土壤风险等级处于基本安全等级，采取优先保护策略。

低风险区。该区高背景值土壤重金属含量有一定积累，超过环境质量限量标准要求，该区域土壤风险等级处于低风险等级，采取综合监控策略。

中风险区。该区高背景值土壤重金属浓度相对较高，超标于环境质量限量标准要求，该区域土壤风险等级处于中风险等级，采取预警防控策略。

高风险区。该区高背景值土壤重金属浓度很高，严重超标于环境质量限量标准要求，该区域土壤风险等级处于高风险等级，采取限制利用策略。

表1 风险评估等级与区域划分Tab.1 Risk assessment levels and zoning

其中，R：风险指数；Pip：污染指数。

3 高背景值重金属污染防控策略

3.1 不同风险区重金属防控

根据上述高背景值重金属风险等级评定与风险区域划分，将高背景值地区划分为安全利用区、基本安全利用区、低风险区、中风险区、高风险区，依据分区采取相应的防控策略。

(1)安全利用区，要采取优先保护策略，防止新型污染源的引进，造成新的污染，可以优先利用其土地安全来实现粮食安全，保证人体健康，维护自身安全的状态。

(2)基本安全利用区，要采取优先保护策略，实现对重金属浓度的实时监控，控制重金属含量的增加，即控制污染输入，并对该区域进行合理科学的利用，优先种植，优化农艺生产措施来避免基本安全利用区向风险区过渡。

(3)低风险区，要采取综合监控策略，深入调查污染源，明确重金属污染类型，以及重金属在土壤中迁移转化过程，查明污染历史、输送通量、迁移途径、循环过程及形成机制，严格管控污染源输入，实现对风险的有效控制，在尽量不改变土地利用方式的情况下，尝试种植制度调整或进行完整的土壤修复与治理，以彻底控制污染、消除风险为目的，达到对重金属污染的防控，

(4)中风险区，要采取预警防控策略，可以利用相应的土地整治工程实现对重金属污染区域的修复，在明确重金属污染类型基础上控制重金属的输送通量，在重金属污染源头和迁移转化过程中对其进行防控。

(5)高风险区，要采取限制利用策略，一方面进行经济可行的、积极有限的土壤修复等综合整治措施，对重金属污染区域进行修复，使其达到可供利用的状态；另一方面，确无法将其修复到农用地安全利用标准之内时，可以改变土地利用方式，退耕还林、退耕还草、农用地流转，农转非等，总之实现经济效益、社会效益、生态效益最大化。

3.2 不同污染类型重金属防控

土壤环境高背景值地区主要分布在我国东南、西南地区[3]。其重金属污染主要来源很多，由于南方经济发展相对较快，工业作为推动经济发展的强有力的推手，自然在南方发展较快，工业开发是造成重金属污染的主要原因，往往会造成局域性严重污染。在工业开发中，矿藏开发，有色金属冶炼、燃煤排放、污水灌溉等都是重金属污染的罪魁祸首。因此在对重金属进行防控时，要从以下几方面入手：

(1)实现对矿藏的限制开发，缩小开发范围和规模，减少重金属污染物以三废形式向环境中输送。

(2)对冶炼企业工厂实现最严格的限制排量制度，特别是一些大型的企业工厂，要相关政府部门实行监督监管，定期抽查，对不达标的企业工厂采取强制手段。

(3)燃煤排放也是不可忽略的一大污染源，重金属汞的积累大多是由于燃煤的排放，因此对排放量的限制是实现重金属防控的主要途径，制定相关的规章制度，做到有章可依，有章可行。

(4)污水灌溉是污水灌溉区和城乡结合区普遍存在的一种较为重要的重金属污染来源，在防控时要注意对重金属污染区域进行实地详查，严格控制新的外源污染，保护周边未被污染的农用地，在现有经济技术条件下优先重在食用农产品内部、食物与非实物农产品种植之间进行调整，对轻度污染的区域采取相应的物理化学生物修复措施进行修复，对严重污染区域，必须改变其土地利用方式，并设置风险监测点，用作林地、草地，有序开展种植结构调整或退耕还林、还草；严重超越经济可行性原则的污染农用地可考虑调整为非农用地。

4 总结与展望

高背景值土壤重金属生态风险区划是依据污染区域及区域与区域之间的土壤风险分布的相似性与差异性，结合区域风险的空间分布规律,遵循主导因素原则、相关性原则、整体性原则、协调性原则，采用污染指数法和累积指数法，将区域的风险划分为安全利用区，基本安全利用区，低风险区，中风险区，高风险区，相应的采取优先保护、优先保护、综合监控、预警防控、限制利用的防控策略。随国土部门、农业部调查数据的叠加和综合，面向顶层设计的区划工作将会增加，因此基于多数据、多尺度表征的各种目标区划方法与技术需求将会愈加迫切。

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