农用地土壤环境质量评价与类别划分研究
2020-02-07应蓉蓉张晓雨孔令雅冯艳红单艳红林玉锁
应蓉蓉,张晓雨,孔令雅,冯艳红,张 亚,赵 欣,单艳红①,夏 冰,林玉锁
(1.生态环境部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042;2.国家环境保护土壤环境管理与污染控制重点实验室,江苏 南京 210042;3.安徽省环境科学研究院,安徽 合肥 230071)
土壤是大自然的有机组成部分,是人类赖以生存发展的基础。随着城市化工业化的发展,土壤污染问题越来越突出[1-4]。2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示全国土壤环境状况总体不容乐观,部分地区土壤污染较重,耕地土壤环境质量堪忧,工矿业废弃地土壤环境问题突出[5]。2016年5月,我国发布了《土壤污染防治行动计划》(简称“土十条”)[6],“土十条”第三条提出“实施农用地分类管理,保障农业生产环境安全实施农用地分类管理,保障农业生产环境安全”,第七条按污染程度将农用地划分为3个农用地土壤环境质量类别,其中未污染和轻微污染划为优先保护类,轻度和中度污染划为安全利用类,重度污染划为严格管控类。以耕地为重点,对不同类别采取不同管理措施,保障农产品质量安全。
近年来,国内外在农用地环境质量评价及类别划定方面,开展大量相关研究[7-10],并出台相应政策、标准等技术文件。我国也正对HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》[11]中土壤环境质量评价等部分进行修订。结合国内外对农用地土壤质量评价与类别划分研究结果,对农用地土壤质量评估程序和类别划分进行综合性评述,并提出基于多源数据多维评价的土壤环境质量类别划分方法,以期为农用地土壤质量评价及资源合理开发利用方面工作提供帮助,为相关标准制修订提供技术参考。
1 国内外土壤环境质量评价研究概况
20世纪90年代前,较早制订土壤环境质量标准的发达国家多是采用土壤中污染物最大允许含量的全国通用标准,如:加拿大1991年颁布的《污染场地的临时性环境质量标准》[12],荷兰1983年颁布的《土壤修复临时法》中包含的全国统一的A、B、C类土壤质量标准[13]。英国1983年颁布土地触发含量值、低限含量值和行动含量值,1990年颁布的《环境保护法》2A部分第57条介绍了英格兰和威尔士对污染土地识别、评价和修复方面新的法定制度[14]。在此时期,土壤环境质量评价方法是把更早(1960年代)开始的大气和水质量评价方法引入土壤环境质量评价领域,采用的评价方法，包括单因子指数法、多因子指数法和模糊数学评判法等,核心方法都是实测值与标准值相比的方法,得出结论为:不超标即安全,超标即污染,应采取修复等相应措施。随着对土壤区域性和复杂性研究的深入,人们意识到采用标准值来评判土壤环境质量时,很难得到类似“适宜”还是“不适宜”,或者“污染”还是“不污染”的定论。
20世纪90年代以来,各国相继接受和采纳风险评估理念,依据保守原则确定筛选含量,低于此含量则认为土壤基本是可以安全利用的,无需进行详查;超过筛选含量值,需进行详细调查和风险评估,获得该地污染含量阈值。如:美国将土壤污染物含量由低到高划分为背景含量值(“zero” concentration)、筛选含量值(screening level)和响应含量值(response level)3个区间[15-16]。
我国自1995年颁布GB 15618—1995《土壤环境质量标准》[17]以来,配套的评价方法研究都以该标准为衡量尺度,主要使用单因子指数法、多因子指数加权(和)法及模糊综合评价法等表征土壤环境质量状况。由于评价方法本身有“以偏概全”的先天不足,得出的超标即污染、不超标就是不污染的评价结论也就并不客观。随着风险评估理念的广泛接受,我国也逐渐建立起层次更加丰富的土壤环境质量标准和评价体系[11, 17-22]。2014年颁布的场地调查、监测、风险评估和修复系列导则,建立起针对建设用地的土壤环境质量健康风险评估方法[21-22]。针对农作物生产安全的农用地土壤环境质量风险评价虽然也积累了不少研究成果,推动了土壤环境质量评价方法研究的进一步深入,但尚未形成农用地土壤污染风险评价方法标准。
“十一五”期间,“全国土壤污染状况调查”、“多目标区域地球化学调查”和“农产品产地产区划分”等大规模土壤环境基础调查为土壤环境质量评价提供了大量科学数据。虽然区域性大数据的调查评估仍然沿用对照标准的超标评价,但小尺度的田块级农用地土壤污染风险评价在针对农作物生态风险评估方面已有尝试,并积累了一些经验。
2 农用地土壤环境质量评价标准
2.1 土壤环境质量标准限值
长期以来,我国农用地土壤环境质量评价的通用方法主要参照GB 15618—1995中二级标准或HJ/T 332—2006《食用农产品产地环境质量评价标准》[21]和HJ/T 333—2006《温室蔬菜产地环境质量评估标准》[22]等农用地环境质量相关标准进行超标评价,根据超标倍数确定不同超标等级的土壤是否污染,并评价农用地环境质量的优劣。
2.2 土壤环境背景值
利用调查区环境质量背景值为评价标准,评估土壤污染物累积程度,进而分析其污染等级,是产地环境质量评估与分类常用方法,如:利用“七五”全国背景值调查数据,或利用GB 15618—1995的一级标准,或利用调查区内无污染、同母质的下层土壤污染物含量作为背景值。将监测值与背景值进行比较,根据比值大小,判断监测点位污染物累积程度,判断污染物是内源还是外源。该方法在《土壤环境质量评价技术规范(二次征求意见稿)》(环办函〔2015〕1320号)[23]、HJ/T 332—2006和NY/T 395—2012《农田土壤环境质量监测技术规范》[24]等标准中都有列举。
3 农用地土壤环境质量评价方法
我国环保部门的《土壤环境质量评价技术规范(二次征求意见稿)》、HJ/T 332—2006、和HJ/T 333—2006以及农业部门的NY/T 1634—2008《耕地地力调查与质量评价技术规程》[25]等标准,使用了不同的农用地土壤环境质量评价方法，其中使用较多的方法主要有单因子指数法、内梅罗污染指数法、模糊模型指数法、层次分析法和灰色聚类法等。
3.1 单因子评价
3.1.1单因子指数法
单因子指数是一种相对无量纲指数,为我国土壤重金属污染环境质量评价中最常用评价方法。单因子指数法计算公式为
Pi=Ci/Si。
(1)
式(1)中,Pi为土壤中污染物i的单因子污染指数;Ci为调查点位土壤中污染物i的实测含量;Si为污染物i的评价标准值或参考值。
根据Pi值的大小将土壤污染程度分级。单因子指数法对土壤污染物单一的土壤环境质量评价很适用,简便明了,作为无量纲指数,具有可比较的等价特性,是其他环境质量指数、环境质量分级和综合评价的基础。
3.1.2富集因子法[26]
选择满足一定条件的元素作为参比元素,然后将样品中元素含量与参比元素含量进行对比, 以此来判断表生环境介质中元素的人为污染状况。一般选择表生过程中地球化学性质稳定的元素,如Mn、Ti、Al、Fe、Ca和Sc等。富集因子(EF,EF)法计算公式为
(2)
式(2)中,Cn，s为待测元素在所测环境中的含量;Cref，s为参比元素在所测环境中的含量;Bn,b为待测元素在背景环境中的含量;Bref,b为参比元素在背景环境中的含量。
该方法优点为能够比较准确地判断人为污染状况。
3.1.3地累积指数法[26]
评价重金属污染,除必须考虑到人为污染因素和环境地球化学背景值外,还应考虑到由于自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素。地累积指数(Igeo)法计算公式为
Igeo=log2(Cn/KBn)。
(3)
式(3)中,Cn为土壤中某元素含量;Bn为地壳中该元素含量;K为考虑各地岩石差异可能引起背景值的变动而取的系数(一般取K=1.5)。
地累积指数法考虑了人为污染因素和环境地球化学背景值,并考虑自然成岩作用对背景值的影响,给出很直观的重金属污染级别。
3.2 综合污染指数法
土壤存在多种污染物情况下,可采用综合污染指数法表征土壤环境质量状况。综合指数法因具有易懂、易学、易算和易操作等特殊优点而被广大科技工作者采用。
3.2.1多因子指数加和法
多因子指数加和法计算公式为
P=∑Ci/Si。
(4)
式(4)中,P为土壤中各参评污染物污染指数之和;Ci和Si意义同式(1)。
该方法优点为方法简单易操作,缺点为容易掩盖存在单个污染物的问题,评价结果不具可比性。
3.2.2多因子指数算数平均法
多因子指数算数平均法计算公式为
(5)
该方法优缺点同多因子指数加和法。
3.2.3加权平均法
引入加权值可以反映不同污染物对土壤环境的影响,但权重的确定不易做到客观准确。加权平均法计算公式为
P加权=∑WiCi/Si。
(6)
式(6)中,P加权为土壤中各参评污染物污染指数加权和;Wi为污染物对土壤环境质量影响的权重,∑Wi=1;Ci和Si意义同式(1)。
3.2.4均方根法
(7)
式(7)中,P均方根为土壤中各参评污染物污染指数均方根;Ci和Si意义同式(1)。
均方根法方法优缺点与多因子指数加和法基本相同。
3.2.5内梅罗指数法
该指数形式简单,兼顾了最高单因子指数和平均单因子指数的影响,但过分强调了最高分指数的影响,掩盖了污染物种类，其计算公式为
(8)
式(8)中,PN为内梅罗指数;Pi均和Pi最大分别为平均单项污染指数和最大单项污染指数。
内梅罗指数法为HJ/T 166—2004推荐评价方法之一,按内梅罗污染指数划定的污染等级见表1。
内梅罗指数法适用于小尺度田块农用地土壤环境质量调查评估,各点位存在的污染物比较明确,参评的污染物种类也相同,内梅罗指数能够表达不同点位土壤环境质量状况的相对优劣。而对于大尺度区域土壤环境质量状况调查评价,由于不同单元环境问题差别较大,存在的污染物种类亦不尽相同,内梅罗指数可能难以反映各单元土壤环境质量的相对优劣。
表1 土壤内梅罗污染指数评价标准
Table 1 Standard of Nemerow pollution index
等级PN值污染等级 ⅠPN≤0.7清洁(安全) Ⅱ0.7
3.2.6潜在危害生态指数法[27]
潜在危害生态指数法首先求单项污染系数,然后引入重金属毒性响应系数,得到潜在生态危害单项系数,最后加权得到区域土壤中重金属潜在生态危害指数(RI，IR)。该方法考虑了不同重金属毒性大小不同,计算公式为
(9)
式(9)中,IR为采样点多种重金属综合潜在生态危害指数;Tr，i为采样点重金属i的毒性响应系数,根据HAKANSON[28]制定的标准化重金属毒性系数得到;Cr，i为该元素的污染系数;C实测，i为该元素实测含量;Cn,i为该元素评价标准。
该方法将环境生态效应与毒理学联系起来,使评价更侧重于毒理方面, 对其潜在生态危害进行评价, 不仅可以为环境的改善提供依据, 还能够为人们健康生活提供科学参考。
3.3 模糊综合评价法[29]
农用地土壤环境质量的复杂性和动态变化性使得农用地环境质量具有一定程度的模糊性,针对农用地土壤环境质量与土壤环境质量构成因素之间的规律性,引入模糊综合评价模型,以便较好地表现出其客观实在性。
单项污染指数对于污染物而言,其指标值越高,表示质量越差,但达到某一临界值后,其副作用趋于恒定,其隶属函数为
(10)
(11)
式(10)～(11)中,Mi为监测点i的土壤综合污染指数;n为评价指标的总数;Wj为第j个评价指标的权系数;C(x)j为第j个评价指标的单项污染指数;x为各单项指标的实测值;a、b分别为各单项指标的上限和下限值。指标权系数采用特尔菲咨询法,通过问卷调查形式客观综合多数专家经验与主观判断,再由统计分析确定。
3.4 层次分析法[30]
层次分析法是将与评价(决策)有关的元素分解为目标、准则和指标等层次,在此基础上进行定性和定量分析的评价(决策)方法。土壤环境是一个多成分复杂系统,主要受到土壤组成、结构和功能特性以及所处环境的综合影响,每个系统内部又存在多种对子系统的影响因子。评价步骤[9]为:
(1)建立层次结构模型。将土壤环境质量作为层次分析的目标层(A),将如Cd、Hg、Pb、Cr、Cu和Zn等评价因子作为准则层(B),将土壤环境质量级别作为方案层(C),由这3个层次建立土壤环境质量层次结构模型。
(2)构造判断矩阵,并求出其最大特征根和特征向量。在A目标下,构造各准则层(B)相对重要性的两两比较判断矩阵(A-B)。构造时根据土壤重金属背景值和临界含量确定评价标准。由此计算出各样本特征向量和最大特征根。
(3)判断矩阵一致性检验。在B准则下,构造各评价级别(C)相对重要性的两两比较判断矩阵(B-C)。构造时采用各评价因子含量与其对应的土壤质量级别标准值间差值的倒数作为标度。计算得到判断矩阵特征向量和最大特征根后,再计算得到一致性指标(C.I.)和平均一致性指标(R.I.),最后得到随机一致性比值(C.R.)。对于1、2阶判断矩阵,规定C.R.值=0;当C.R.值<0.1时,判断矩阵有满意的一致性;当C.R.值≥0.1时,判断矩阵的一致性偏差太大,需要对判断矩阵进行调整,直至满足C.R.值<0.1为止。
(4)层次单排列。将本层所有因素针对上层某因素通过判断矩阵计算排出优劣顺序,可采用求和法或方根法进行简便计算。
(5)层次总排序。计算同一层次所有因素对于高层(目标层)相对重要性权重值。
3.5 灰色聚类法[31]
基于环境质量系统的灰色性,考虑多因子综合影响,将聚类对象对于不同聚类指标所拥有的白化数,按几个灰类进行归纳,从而判断该聚类对象属于哪一级。这需经过将实测值和评价标准进行无量纲化处理,通过建立白化函数来反映聚类指标(实测值)对灰类(评价标准)的亲疏关系求取聚类权,计算聚类系数等步骤。根据聚类系数来判断土壤污染级别。污染级别取聚类系数中最大者。有等斜率灰色聚类法和宽域灰色聚类法两种改进方法,其原理与灰色聚类法大致相同。等斜率灰色聚类法以等斜率方式构造白化函数,并以修正系数代替灰色法中聚类权而对白化函数进行修正。宽域灰色聚类法以宽域式结构确定白化函数。
3.6 各方法优缺点
不同评价方法优缺点见表2。各评价方法不能完全相互替代,应根据具体评估工作选择方法组合。
表2 不同评价方法优缺点
Table 2 Advantages and disadvantages of different evaluation methods
评价方法优点缺点 单因子指数法识别单个污染物污染状况,计算简单不能反映综合环境质量 综合污染指数法理想的综合指数应该能够准确地反映特定区域的整体环境质量,而且具有较好的通用性。易懂、易学、易算和易操作评价结果往往只是一个均值或简单的累加,灵敏性较低,可能掩盖某些污染因子质变特征,从而使评价结果会不符合生态学原理,评价失效。计算综合指数的方法不同,所得评分结果也不尽相同。各点位所属污染级别既与综合指数取值范围有关,又与综合指数计算方法有关,受人为因素影响颇大 模糊综合评价法考虑土壤环境的模糊性和综合性计算方法较复杂,每个监测值分别对其相邻两个级别质量标准建立多个隶属函数,过程繁琐,不易掌握。复合运算基本方法是取大小值,只强调极值的作用,评价结果往往受控于个别因素而出现误判。权重值的科学含义不够明确 层次分析法简单、有效、实用,应用广泛在理论方面,一般层次分析法最后是按层次权值的最大值,即“最大原则”来进行分类,忽略比它小的上一级别的层次权值,完全不考虑层次权值之间关联性,因而导致分辨率降低,评价结果出现不尽合理的现象。一致性检验,是否考虑模糊性等还没有得到满意解决。应用方面,能用于从已知方案中优选,但不能生成方法。得到的结果过多依赖决策者偏好和主观判断 灰色聚类法考虑土壤环境的模糊性和综合性,避免主观随意性;在确定各污染指标权重时,只与土壤质量分级标准有关,而与污染物实测值无关,克服了用超标倍数确定权重的局限性计算方法较复杂,过程繁琐,不易掌握。白化函数包含的污染范围较窄,一般在j-1级到j+1级标准值之间,当污染物监测值超出该范围时,相应的白化函数值会为0。仍存在丢失信息的可能
4 已有农用地土壤环境质量类别划分方法
4.1 基于超标评价和累积性评价的农用地土壤环境质量等级划分
根据点位超标评价和累积性评价结果,《土壤环境质量评价技术规范(二次征求意见稿)》将土壤环境质量划分为4个类别(表3)。
表3 调查点位土壤环境质量等级划分
Table 3 Soil environmental quality classification of investigation spot
超标评价无明显累积有明显累积 未超标(筛选值)Ⅰ类Ⅱ类 超标(筛选值)Ⅲ类Ⅳ类
对于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类点位所代表的区域,若有证据表明存在农作物危害效应(如某种农作物产量明显下降或农产品中污染物含量超标),则农用地土壤环境质量状况调整为Ⅳ类。该方法是基于土壤污染物含量是否超过筛选值及是否有累积综合评价的情况,但是对超过GB 15818—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》中管制值的情况未有说明,并且也未给出“由点到面”、确定分类面积的方法。
4.2 基于土壤超标和农产品超标的土壤环境质量类别划分
《全国农产品产地土壤重金属安全评估技术规定》(农办科〔2015〕42号)[32]中土壤与农产品协同进行农用地土壤环境质量类别划分方法见表4[10]。
表4 土壤与农产品协同进行农用地土壤环境质量类别划分
Table 4 Soil environmental quality classification of agricultural land by soil and agricultural products
等级划分依据土壤指数Pi,max农产品指数Ei土壤安全水平 1Pi,max≤1.0Ei≤1.0无风险 2Pi,max≤1.01.0
Pi,max为土壤污染最大单项指数;Ei为对应土壤污染物i的农产品单项污染指数,为农产品污染物含量与标准限量的比值。
该规定重点关注对农产品质量有影响的Cd、Hg、As、Pb和Cr 5种有毒元素。综合考虑土壤环境质量超标、农产品超标情况,划分基于每种污染物的农用地土壤环境质量类别。
该方法不仅考虑土壤污染物含量水平,同时考虑土壤污染物危害效应,即是否造成农产品超标,是评价方法的一大进步。但实际应用时可操作性较差,比较适用于点位层面的评价,若扩大到区域范围则缺少具体操作层面的技术指南或技术规程,因此很难对评价区域总体分类面积进行统计。
5 基于多源数据多维评价的土壤环境质量类别划分方法
参考上述方法,参照GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》规定的土壤风险筛选值和管制值,提出基于多源数据多维评价的土壤环境质量类别划分新方法:利用土壤污染物含量数据、农产品含量数据、土壤环境背景数据和污染源分布信息等多源数据,综合评判土壤环境质量,并实现“由点到面”,得到各土壤环境质量类别的面积和分布情况。
5.1 农用地土壤点位单因子评价
对照GB 15818—2018中筛选值(Si)和管制值(Gi)或其他标准,利用单因子评价法评价农用地土壤调查点位的污染风险,并将其土壤环境质量类别分为3类(表5)。
5.2 农用地土壤点位多因子综合评价
土壤的Cd、Hg、Pb、As和Cr分别按4.1节方法进行点位单因子评价,然后以评价结果最差的因子确定该点位综合评价结果。
表5 单因子土壤污染风险评价及环境质量分类
Table 5 Single factor method of agricultural soil pollution evaluation and environmental quality category
污染物含量风险质量分类 Ci≤Si无风险或风险可忽略优先保护类(Ⅰ) Si
Si为筛选值,Gi为管制值，Ci为污染物实测含量。1)没有管制值的污染物,则不归为严格管控类。
5.3 确定评价单元
根据点位评价结果,基于聚类原则,将处于同类型地貌单元、同种土地利用方式上连续的同类别点位归为1个评价单元。为保证评价单元的均一性和代表性,1个评价单元点位不宜超过30个,点位类别即为单元类别,从而实现“由点到面”。
5.4 按多因子综合评价结果初步判定评价单元内农用地土壤环境质量类别
在初步判定单因子评价单元划分和农用地土壤环境质量类别的基础上,将多因子叠合形成新的评价单元,评价单元农用地土壤环境质量综合类别按最差类别确定。
5.5 利用农产品重金属含量进行土壤环境质量类别调整
若有农产品数据,参照GB 2761—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》,利用单因子评价法根据评价单元农产品安全性评价结果(农产品指数,Ei)分为Ⅰ(Ei≤1.0,未超标)、Ⅱ(1.0
表6 利用农产品安全评价调整单元土壤环境质量类别
Table 6 Adjusting unit soil environmental quality category by safety evaluation of agricultural products
单元土壤环境质量初步评价单元内农产品重金属含量调整条件1调整条件2调整方向建议的管理类别 优先保护类———优先保护类Ⅰ1 安全利用类单元内农产品点位≥3,Ⅰ(未超标)类的点位≥65%,且无Ⅲ(重度超标)类的点位单元内农产品数据不足3个,都满足Ⅰ(未超标)类,且周边临近单元农产品点位满足Ⅰ(未超标)类调整为较好类别优先保护类Ⅰ2单元内农产品点位≥3,Ⅲ(重度超标)类的点位≥65%单元内农产品数据不足3个,但都满足Ⅲ(重度超标)类,且周边临近单元农产品点位满足Ⅲ(重度超标)类调整为较差类别严格管控类Ⅲ1上述条件都不满足的其他情形不调整安全利用类Ⅱ1 严格管控类单元内农产品点位≥3,Ⅰ(未超标)类的点位≥65%,且无Ⅲ(重度超标)类的点位单元内农产品数据不足3个,都满足Ⅰ(未超标)类,且周边临近单元农产品点位满足Ⅰ(未超标)类调整为较好类别安全利用类Ⅱ2其他情形不调整严格管控类Ⅲ2
6 问题与建议
农用地土壤环境质量评估程序首先要确定评价目标,其次根据目标获取调查数据,然后选择合适的评价方法,最后划分类别。在确定评价目标方面,我国土壤环境管理实践中经常遇到不同目标、不同尺度的土壤环境质量评价工作。较大尺度的区域性土壤环境质量评价包括区域土壤环境质量调查、土壤环境例行监测中的土壤环境质量评价。较小尺度场地或田块级土壤环境质量评价包括农产品产地质量认证、建设项目土壤环境影响评价、场地土壤环境调查和土壤污染事故调查等。
在数据方面,我国已积累大量全国性大调查数据,例如“全国土壤污染状况调查”“多目标区域地球化学调查”“农产品产地产区划分”和“全国土壤污染状况详查”。但是,由于土壤质地、有机质含量和阳离子交换量等特性会影响土壤中污染物毒性效应,而依据污染物全量水平得出的评价结论可能产生偏差,所以需要用土壤污染的危害受体——农产品是否超标辅助调整类别。但由于农业生产中,影响农产品超标的因素除了土壤污染含量以外,还与灌溉水质量、大气质量、投入农业品质量和农作物品种等因素有关。所以,土壤污染物(重金属)含量数据相对稳定,而农产品污染物含量存在较大变数。因此在农用地土壤环境质量评价过程中,多源数据的选择存在较大困难,应科学严谨,选择合适的历史数据,必要时进行补充调查,尽可能减少数据偶然性和不确定性。
在评估方法上,虽然GB 15618—2018已修订发布,但《土壤环境质量评价技术规范》进行了两轮征求意见后尚没有下文,HJ/T 166—2004中农用地评价方法适用性也不强,目前尚没有配套农用地土壤环境质量评价工作且针对性强的标准。农用地土壤环境质量评价工作缺乏一致标准,这为“土十条”发布后的土壤环境质量分类管理带来较大工作难度,相关评价工作与美国等发达国家也存在较大差距,建议我国尽快出台相应评价技术文件。
在农用地土壤环境质量类别划分上,目前划分思路从以往只关注土壤自身,逐渐转变为同时兼顾保护目标安全性方面,因此制定类别划定标准、指南或规范等技术文件时,应充分考虑土壤中污染物特性和农作物对不同污染物的吸收特性,利用多源数据,综合评判土壤环境质量,切实做到保护农产品安全的同时对土壤资源合理利用和开发。
