青岛市农用地土壤重金属背景值研究与土壤环境容量的计算

安文超， 王艳玲， 汪进生， 王发园， 张书武*

(1.山东省青岛生态环境监测中心, 山东 青岛, 266003；2.青岛科技大学 环境与安全工程学院, 山东 青岛, 266000)

土壤环境容量是在一定环境单元、一定时限内遵循的环境质量标准，在保证农产品的产量和生物学质量基础上土壤所能容纳污染物的最大负荷量[1-2]。超过这个负荷量，土壤将面临污染，引发环境问题，进而威胁人类健康[3]。土壤环境负载容量法有别于常规的浓度标准评价模式，其通过“双界面”标准进行污染总量控制[4]，能够较为准确地反映外源污染物在一定范围内的积累与转化，更为全面地评价土壤重金属污染程度。

土壤环境容量的研究主要包括土壤环境背景值、允许限值、典型污染物迁移自净能力、数学模型等方面[5-6]，其中背景值和土壤污染物允许限值的确定是最为关键的2项内容[7]。土壤污染物允许限值一般采用农用地土壤重金属相关标准，近年来国内相关部门与专家学者通过不断完善污染风险标准的适用范围与风险阈值，以期为农用地重金属污染风险筛查、分类与分区管控提供科学依据[8]。土壤环境背景值的确定直接决定了环境容量的大小。我国幅员辽阔，截至2015年末，全国共有农用地64 545.68万hm2[9]，因此土壤重金属地区背景值也存在明显差异。以Cd为例，根据上世纪80年代中国环境监测总站开展的土壤环境背景值调查研究结论，西南内陆的贵州省Cd背景值(质量比，以下同)达到0.659 mg/kg，北部内陆省份内蒙古自治区Cd背景浓度为0.053 mg/kg[10]，本底差异达到10倍以上。

本研究在运用传统方法对区域内重金属污染状况进行评价的基础上，对其中采自“清洁”地区的土壤样品进行统计分析，计算出青岛市农用地土壤中重金属(Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni)的背景值，并与以往研究成果进行对比，对农用地土壤重金属环境容量进行计算，同时对环境容量指数进行反距离权重差值获取空间分布情况，以期为区域内土壤重金属污染分区与风险管控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

青岛市地处山东半岛南部，位于东经119°30′～121°00′、北纬35°35′～37°09′。平原约占全市总面积的37.7%，山地约占15.5%，丘陵约占25.1%，洼地约占21.7%。根据全国第二次土壤普查数据，全市可利用土地总面积81.19万 hm2，主要土壤类型有棕壤土类、砂姜黑土类、潮土类、褐土类、盐土类5大类[11]。

1.2 数据来源

本研究数据来源于两方面，一是以“土壤重金属” 为关键词对文献进行检索和收集，文献检索的原则：①主要数据采集点为农用地或耕地，具有较多采样点的文献；②相关研究开展年份较新。基于以上原则，在CNKI、Web of Science、维普、学位论文等数据库中进行文献的检索和分析，对数据进行提取。二是在文献数据基础上，针对辖区内农用地采样点较少的区域，应用随机采样方法，进行补充采样，尽量保证点位的全覆盖。通过以上2种途径，共获得241个采样点位的数据，点位分布情况如图1所示。

图1 土壤点位分布Fig.1 Distribution map of soil points

1.3 研究方法

1.3.1 土壤重金属污染评价方法

内梅罗综合指数法是目前国内外普遍采用的污染评价方法[12-13]，其公式如下：

式中：Ci为某元素的实测浓度；Si为土壤评价标准。一般认为P≤0.7为清洁状态。

1.3.2 土壤重金属环境容量估算方法

Qi=M(Cic-Cip)×10-6，
Qb=M(Cic-Cib)×10-6，Qy=Qb-Qi，

(1)

式中，Qi、Qb、Qy分别为土壤中元素i的现存环境容量、利用背景值计算所得的总环境容量和已用容量，kg/hm2；Cic、Cip、Cib分别为土壤中元素i的风险基准值、实测现状浓度和背景值，mg/kg；M代表每公顷土地耕作层的质量，取2.25×106kg/hm2。

1.3.3 土壤重金属环境容量评价方法

国内研究多采用综合指数法对土壤环境容量进行评价，土壤中元素i的现存环境容量与总环境容量的比值即为单项环境容量指数，多个单项环境容量指数均值为环境容量综合指数[14-15]。

(2)

式中：Pi为土壤中元素i的单项环境容量指数；PI为环境容量综合指数；n为元素的数量。

土壤重金属环境容量分为5级[3]：P>1，属高容量，容量很大，基本未受污染；0.7

2 结果与分析

2.1 青岛市农用地表层土壤重金属背景值的确定

近30年，部分学者对土壤环境背景值的概念进行了广泛探讨，虽然表述尚未达成一致，但一般是指在自然成土过程与人为活动共同作用影响下一个地区或区域范围内土壤中某元素的含量值，实际上是成土母质组成、成土过程中元素迁移重分配、人类活动影响等各种因素长期综合作用的结果，以表层土壤元素含量表征[16-17]。在相关研究中，一般通过布点采样的方法去研究土壤重金属背景值，但对土壤是否受到或受到人类多大程度的影响、污染较难以确定。在土壤环境背景含量调查过程中，通过合理布点，避开人类活动强干扰区域，采集仅受地球化学过程和非点源输入影响的“清洁”土壤，所获得的数据就可以代表背景值。GB 15618—1995原一级标准可作为维持自然背景的土壤环境质量的限制值，基于此，本研究参照此标准，利用内梅罗综合污染指数对土壤的污染情况进行评价，将综合污染指数小于或等于0.7的采样点重金属浓度算术均值作为该研究的土壤环境背景值。

通过计算，综合污染指数小于0.7的点位共133个，采用平均值±2倍标准差(X±2S)的方法剔除异常值[3，18]，经反复剔除直至全部数据符合要求，该方法处理后的数据基本符合正态分布。通过剔除后，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的有效样点个数分别为124、117、93、119、115、130、90、114。由于环境背景值反映的应是一个区域元素含量集中分布趋势的特征值，因此将所有有效数据进行算术平均，得到的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的背景值分别为5.770、0.088、35.900、15.700、0.027、20.900、21.400、46.600 mg/kg。

将研究得到的环境背景值与山东省地质调查院提出的2019年青岛市背景值、2011年山东省东部地区背景值和中国环境监测总站1990年提出的全国背景值进行对比，见表1。

表1 青岛市“清洁”样点土壤重金属统计结果Tab.1 Heavy metals statistical paraments for “clean” samples in Qingdao City mg/kg

本研究得到的背景值与山东省地质调查院对青岛市2 910个点位进行调查得到的背景值基本一致，除Cr差别较大外，其余数值差别均不大。青岛市背景值整体低于山东东部地区和全国背景值，山东省东部地区背景值是基于对山东省东部地区包括青岛、烟台、威海、潍坊、日照、临沂等6个地级市进行调查的基础上提出的，背景值整体偏低可能与调查的区域差异、成土母岩差异和人类活动影响强度等相关。本次研究点位数量相对较少，但各项指标的标准差基本都要低于以前的研究结果，说明不同样点的元素含量较为均匀，因此，本研究提出的青岛市背景值具有合理性和实际意义。

2.2 农用地土壤重金属环境容量

土壤环境容量研究的重要步骤之一是风险基准值的确定。本文采用2018年8月实施的GB 15618—2018中的风险筛选值。GB 15618—2018中风险筛选值明确指出当农用地土壤中污染物含量等于或者低于该值的，对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险低。GB 15618—2018按照pH值分为4个区间进行评价，考虑到本研究采样点用地类型均为农用地且pH 整体偏酸性(pH算术均值为5.90，中位值为5.70)，选取5.5

青岛市土壤重金属环境容量统计结果见表2。Cd、Cr、Ni、Cu和As有个别点位实测浓度超过风险基准值，环境容量已是负值。Hg、Pb、As和Zn的平均现存容量处于较高水平，Cr、Cd、Cu 和Ni的容量状况相对较差，平均现存容量占总容量的88.5%、88.8%、89.6%和89.7%。环境容量平均综合指数达到0.931。整体上看，青岛市环境容量状况较好，容量较大。

表2 青岛市土壤重金属环境容量状况统计Tab.2 Statistics of heavy metal environmental capacity in Qingdao City

2.3 农用地土壤重金属环境容量空间分布

利用ArcMap10.2.2的空间分析模块(spatial analyst tools)对重金属单项环境容量指数和环境容量综合指数进行反距离权重差值(IDW)[3，19]，获取青岛市农用地环境容量指数空间分布状况，如图2所示。本研究区内PI分为低、中、高容量3个等级，无超载区和警戒区，以中容量区为主，面积比例达到78.75%。低容量面积比例仅为2.02%，主要分布在即墨区丰城镇、店集镇和龙泉镇以及莱西市南墅镇。将各元素环境容量中包含超载区、警戒区的元素空间分布情况进行分析：

铬元素在所有元素中平均环境容量值最低，为0.885，属中容量等级。铬元素环境容量以中、高容量区为主。超载区和警戒区面积比例为0.99%和0.90%，为所有元素中最高，主要位于即墨区丰城镇、店集镇、北关街道和中云街道交界处。低容量区主要分布在即墨区东部区域。

镉元素环境容量以中、高容量区为主。超载区、警戒区面积比例均为0.78%，主要分布在南墅镇、云山镇、河套街道、龙泉镇、黄岛街道和红石崖街道交界处以及珠海街道，警戒区在惜福镇街道和张舍镇也有所分布。

铜、镍、砷元素环境容量均以中、高容量区为主。铜的超载区分布在南墅镇和刘家庄镇，警戒区除分布在以上2个区域外，在惜福镇街道和崔召镇也有所分布；镍的超载区和警戒区分布在崔召镇和龙泉镇，警戒区在丰城镇和店集镇也有所分布；砷元素仅在云山镇有小面积的超载区和警戒区。

2.4 基于国家标准的重金属污染评价

根据不同土壤pH区间，利用GB 15618—2018中风险筛选值对土壤中重金属进行评价。评价结果显示，研究区域重金属含量较低，点位超标率为6.22%，低于《全国土壤污染状况调查公报》中全国耕地点位超标率。

图2 青岛市农用地土壤重金属容量综合指数Fig.2 Spatial distribution of comprehensive capacity index for heavy metals in Qingdao City

通过内梅罗污染指数法对土壤重金属污染状况进行评价，为使评价结果与环境容量评价结果具有可比性，本研究中也以GB 15618—2018中5.5

2.5 评价结果对比

基于国家标准的重金属污染评价和土壤重金属环境容量评价2种评价模式所获得的面积结果见表3。Hg、Pb和Zn不存在超标区域，Cr、As、Cu和Ni存在小面积的轻微污染区域，Cd同时存在小面积的轻微污染和轻度污染区域。从综合污染指数法评价结果看出，96.61%农用地区域土壤环境质量良好，不存在污染，小部分区域污染等级为尚清洁(警戒限)和轻度污染，仅有0.01%的区域存在中度污染。土壤负载容量法评价结果显示，全域土壤Hg处于高容量和中容量之间，Pb和Zn出现小部分低容量区；Cr、As、Cu、Ni和Cd出现部分处于中度污染、重污染和超过风险基准值的区域。2种评价模式在土壤重金属污染程度方面存在较明显差异：标准评价模式下96.61%的土壤处于无污染状态，仅有0.98%的土壤存在轻度、中度污染；负载容量评价模式下仅有19.23%的土壤属于高容量状态，绝大部分面积的土壤处于中容量状态。这主要是由于部分区域重金属浓度符合国家风险筛选值；但由于区域背景浓度较高，因此实际承载总量已超过或接近区域理想负载能力。

表3 不同评价方法下农用地面积比例Tab.3 Proportion of cultivated land identified area under different evaluation methods

3 结果与讨论

① 利用内梅罗综合指数法对农用地土壤进行评价，获得青岛市农用地表层土壤重金属背景值，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的背景值分别为5.770、0.088、35.900、15.700、0.027、20.900、21.400、46.600 mg/kg。青岛市农用地土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的现存环境容量均值分别为74.37、0.42、227.12、69.16、3.95、99.14、151.33、327.65 kg/hm2。容量状况最好的是Hg和Pb，容量指数为0.990和0.980，容量状况较差的是Cd和Cr，容量指数为0.888和0.885。全市容量综合指数均值为0.931，属中容量水平，容量较大，但土壤受到轻微污染。从空间分布来看，各元素分布以中容量和高容量区为主，其中中容量区面积均为最大。Hg在全市无警戒区、超载区和低容量区；Pb和Zn分布上无超载区和警戒区。Cd、Cr、Ni、Cu和As存在容量超载区域。

从空间分布上看，低容量区主要分布在采矿场周边，矿区密集区以及工业基地附近。较为集中的低容量区的一处位于北部一典型工矿型小城镇，辖区内石墨、铁、黄金等矿产储量丰富；第二处位于区域中部偏北位置，该处有大小山头70多座，矿藏主要有铁、石墨等10多个品种，其中石墨储量最为丰富；第三处位于东部区域，是一处重要的工业基地，机械铸造业发达。

② 由于土壤重金属背景值表征的是元素含量集中分布趋势的特征值，而不是一个具体数值[20]，在实际研究中，试图通过少数基本未受人类活动影响的点位取样调查的方式获得土壤环境背景值是十分困难的，因此从实际操作的角度考虑，如何通过合理的布点取样或通过已有的监测数据获得土壤环境背景值具有重要的意义。本研究中，采用土壤综合污染指数法对土壤环境质量进行评价并获得“清洁”土壤，将“清洁”土壤元素含量进行计算获得区域土壤环境背景值，背景值中除Hg含量的变异系数略大外(0.41)，其余7种重金属元素变异系数均小于0.40，反映出获得的表层土壤背景值在长期变化过程中均匀演化并受到土壤基准值控制作用的特征。同时与文献[18]的研究结论进行比较，本研究中获得的重金属背景值与其差异较小，但均有不同程度的降低，原因可能是本研究选取的样点基本均获取自农用地。从标准差的对比也可以看出，除Hg外，其余重金属元素的标准差均低于以前的研究结果，说明本研究中筛选出的样点的重金属含量较为均匀，所获取得土壤背景值结果较为可靠。

③ 重金属污染标准评价和土壤重金属环境容量评价2种模式的评价结果对比发现，2种评价模式在污染分布趋势上较为一致，但在污染等级的确定上存在较大差异。这主要是由于部分区域重金属含量低于国家风险筛选值，但区域背景值浓度较高，实际承载总量已超过或接近区域理想负载能力。2种评价方法的评价指标与侧重方向有所不同，单一的土壤污染标准评价法在重金属污染评价和风险管控方面还存在一定的不足，可以借助区域土壤背景值和污染物临界值为依据的“双界面”管理模式作为补充和参考[4，21]，对于科学、准确地进行区域重金属污染评价，有效管控农产品安全等工作都具有重要意义。