河道疏浚底泥还田利用潜在污染和生态风险评价

江 健,朱 峰,李双喜,吕卫光,徐振宇

(1 上海市奉贤区农产品质量安全中心,上海 201499;2 上海市奉贤区农民科技教育培训中心,上海 201499;3 上海市农业科学院生态环境保护研究所,上海 201403)

河道底泥是沉积在水体底部的泥土、沙等基质颗粒物,含有大量碳、氮、磷等养分以及植物生长必需的其他微量元素,是水体生态环境系统的重要组成部分。 但伴随着我国城市化进程的不断推进,城市人口剧增,工农业不断发展,河道污染问题日益突出。 底泥不仅是重金属的汇,不断接纳水体中的各类污染物质,也是重金属污染的潜在来源,会向上覆水体源源不断地释放这些物质[1]。 当外界环境一旦发生变化,沉积于底泥中的重金属极易被再次释放,造成二次污染,恶化水质,毒害水生生物,并可能通过食物链直接或间接影响人类和动物的健康[2-3]。 在我国最近十几年,内源污染控制研究快速发展,河道底泥清理可以有效降低底泥上层沉积物中的营养盐和重金属等污染物,对河道中的水质和生物群落变化都能产生很大影响。

目前,疏浚底泥的安全处置和底泥中的重金属等污染物的环境风险是一个新问题。 处置底泥不仅要无害化和减量化,还要变废为宝,资源利用化。 奉贤区内河网密集、纵横交错,其底泥的处理模式多样,主要有资源化利用、卫生填埋和无害化处理等[4],其中资源化利用(农田综合利用)是一种最具发展潜力的处置方式。 河道疏浚底泥还田可利用底泥中的高浓度营养物质来增加土壤肥力,还可使河道内源污染得到有效控制。 已有学者对上海市河道底泥中的养分含量、重金属污染等进行了研究[5-6],但对有关镇、村级河网底泥还田后的土壤养分、重金属、有毒有害物质的含量描述及生态风险评价研究报道较少。 本研究以奉贤区境内河道疏浚底泥还田后土壤为对象,摸清底泥还田后的土壤耕地地力等级和生态风险评价,以期为其他郊区河道底泥安全农用提供参考。

1 研究区域概况

奉贤区位于上海市南部,地处长江三角洲东南端,东经121°21′—121°46′,北纬30°47′—31°01′,形似去尾的鲤鱼,东接浦东新区,西连金山区和松江区,南临杭州湾,北枕黄浦江,总面积720.68 km2,拥有31.6 km 的海岸线和13.7 km 的江岸线,地理位置优越。 境内地势平坦,吴淞高程在3.5—4.5 m,受河流、湖泊、海水相互作用而形成。 全区属黄浦江水系,为平原感潮河网地区,河道纵横交错(多为人工河道),水系发达。 据《2021 年上海市河道(湖泊)报告》统计,奉贤区共有河道3922 条,长度3 119.28 km,面积51.305 km2,河网密度4.54 km∕km2,湖泊1 个,面积0.541 km2,其他河道3.926 km2,全区河湖水面积共55.77 km2,河湖水面率8.11%。 在过去的二三十年,大量垃圾的汇入和长时间的不清理导致境内河底藏了大量淤泥,河道水质污染严重,甚至部分段河道水体出现黑臭现象。 根据《关于印发〈关于规范中小河道整治疏浚底泥消纳处置的指导意见〉的通知》(沪水务〔2018 〕1109 号)文件要求,奉贤区对中小河道实施环境综合整治工程,其中部分河段将疏浚整治。 该工程的实施,将实现中小河道全面消除黑臭,改善内河水质,畅通河网水系,对奉贤区水环境质量提升有积极作用。

2 研究方法

2.1 样品采集与分析

在当季水稻收割后,疏浚底泥以泥浆方式还田后进行自然干化,干化后厚度不得超过10 cm。 根据河泥还田区域的面积,将地块按80 m ×80 m 划分若干个采样单元,每个采样单位采集1 个混合土壤样品,每个地块不少于1 个监测点位。 土样采集技术按照《土壤检测第1 部分:土壤样品的采集、处理和贮存》(NY∕T 1121.1—2006)方法进行,“S”形采样,需避开路边、田埂、沟边、肥堆等特殊部位,采集耕作层深度0—20 cm,共采集200 个样品,并需增加采集不少于总样品数的5%土样作为平行样。

从野外采集回来的土样及时放在样品盘上,摊成薄薄的一层,剔除碎石,树枝、枯叶等杂质,置于干净整洁的室内通风处阴干,严禁暴晒,并注意防酸碱气体及灰尘污染。 风干后的土样经研磨过筛后备用。用于重金属和有毒有害元素分析的土样需在采样、风干、研磨、运输和贮存等环节中,不可接触可能导致污染的重金属和有毒有害器皿,以防二次污染。 检测土壤养分及属性因子包括:有机质(SOM)、全氮(TN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)、pH、耕层厚度(Apl)、容重(CY)、水溶性盐总量(TDS)、阳离子交换量(CEC);重金属包括镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)、镍(Ni)、铅(Pb)、砷(As)、铜(Cu)和锌(Zn);有毒有害物质包括六六六(BHC)、滴滴涕(DDT)和苯并[a]芘(BaP)。

2.2 分析方法

样品分析参照国家标准分析方法或行业标准分析方法,分析方法见表1。 试验数据检测设有较全面的质控数据管理。

表1 测试因子的分析方法Table 1 Analysis method of test factors

2.3 指标评价方法

根据《上海市补充耕地质量评定技术规范(试行)》(沪农技[2016]25 号),对河道疏浚底泥还田的土壤进行耕地地力评价。 土壤环境指标按照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)和《农用污泥污染物控制标准》(GB 4284—2018)进行风险评估,对土壤中各重金属元素进行单项、综合污染和潜在生态危害指数评价。

2.3.1 耕地生产性能综合指数

耕地生产性能综合指数(耕地地力指数)计算,是采用加法模型,对各评价单元各评价指标的实测值进行权重和隶属度数学运算,获得耕地生产性能综合指数。

式中:IFI为耕地地力指数,Fi为第i个评价指标的隶属度(即评价指标隶属函数值),Ci为第i个评价指标的权重。

2.3.2 土壤肥力分级标准

参照上海市耕地质量监测指标分级标准(表2),对土壤中的养分含量、pH 和其他属性进行等级评价。为提高土壤肥力评价结果的准确性,采用“域值处理”法,即以样本的均值与均方差的倍数之和( ±3σ)为门槛值对样本数据进行剔除或替换。 经过剔除特异值处理,各评价因子合理取样数达到92.52%以上。

表2 土壤各养分指标分级标准Table 2 Grading standard of each soil fertility indexe

2.3.3 单项污染指数评价

单项污染指数计算公式为:

式中,Pi为污染物i的单项污染指数,Ci为污染物i的实测值(mg∕kg);Si为污染物i的评价标准(mg∕kg)。 当Pi≤1 时,表示土壤未受污染;Pi＞1 时,表示土壤受到污染,且Pi值越大,土壤受到污染越严重。

2.3.4 综合污染指数评价

综合污染指数是兼顾单项污染指数的平均值和最高值,全面反映样品中各重金属的平均污染水平,计算公式为:

式中,PZ为重金属元素综合污染指数,Pave为各重金属单项污染指数的平均值,Pmax为各重金属单项污染指数的最大值。 污染评价分级见表3。

表3 土壤重金属污染分级标准Table 3 Grading standard of heavy metal pollution in soil

2.3.5 潜在生态风险评价

河道疏浚底泥还田的潜在生态风险评价采用Hakanson 潜在生态危害指数法,是众多沉积物重金属评价方法中尤为全面,不但可以评价单个重金属的潜在危害程度,还能够评价多种重金属的综合潜在生态危害[7]。 计算公式为:

3 结果与分析

3.1 耕地地力评价

在进行河道疏浚底泥还田耕地地力评价前,需按照农业生产条件符合性评价指标和评价标准对耕地进行农业生产基本条件符合性判定评价。 选取有效土层厚度、砾石含量、耕作层有机质、田面坡度、土壤酸碱度、田间排灌设施、其他土壤污染(重金属、有机、化学或物理污染物等)、10 mm 及以上土壤侵入体比例、水溶性盐总量作为农业生产条件符合性评价指标。 经综合评价计算,耕地农业生产条件符合评价结果(CAR)为78,达到农业生产基本条件要求( ＞60),后续可以开展耕地地力评价。

通过对2 140 个评价因子IFI 值的计算,按照地力等级的划分指标,确定每个评价单元的地力等级,汇总结果如表4。 研究区内河道疏浚底泥还田的土壤总体上处于较高等级,其中,高产田(一级地和二级地)占总补充耕地面积的97.20%(一级地占81.31%,二级地占15.89%),中产田(三级地)占2.34%,低产田(四级地和五级地)占0.47%。 研究中的中低产田面积占比很少(占2.81%),无等级最差的五级地,故研究区的河道疏浚底泥还田土壤环境质量良好,在当前管理水平下,其土壤本身特征、自然条件和农田基础设施水平等要素均较好,可开展农业生产。

3.2 河道疏浚底泥还田土壤养分和属性状况

河道疏浚底泥还田土壤中的SOM、TN、AP、AK、pH、Apl、CY、TDS 和CEC 平均含量为23.88 g∕kg、1.07 g∕kg、39.96 mg∕kg、154.60 mg∕kg、7.67、27.82 cm、1.52 g∕cm3、0.50 g∕kg 和21.36 cmol∕kg(表5),分别处于监测指标分级标准的第3 级、3 级、1 级、1 级、3 级、1 级、5 级、1 级和2 级。 除CY 处于5 级(低)水平外,其余土壤养分元素和属性指标处于1 级(中)—3 级(高)水平。 变异系数越大,土壤中的元素受到外界因子影响较大,使其空间变异增强。 pH 变异系数为4.17%,属于弱变异强度,该元素空间差异较小,在区域分布中较均匀,其余8 种元素的变异系数在10.26%—57.23%,空间上属于中等变异强度。 相比2019 年全区耕地质量调查结果,河道疏浚底泥还田可保持原有土壤的SOM 含量稳定,维持在3 级水平,而土壤养分TN、AP、AK 的含量却有所降低,TN 等级水平由2 级降为3 级,AP、AK 等级不变,仍为1 级;底泥还田后,可明显增加原有土壤耕层厚度(增加76.08%),降低土壤含盐量(减少76.19%),并提升了Apl、TDS 含量分级标准,达到1 级水平;而疏浚底泥对耕地土壤的pH 和CY 有增加作用,使原有田块中的pH 由中性(7.11)向弱碱性(7.67)增加,等级由1 级降低至3 级,CY 提高16.92%,由3 级降低至5 级。总的来讲,河道疏浚底泥还田土壤能够保持土壤有机质和氮磷钾养分,肥力质量较好,能够满足农业基础生产需要。

表5 各因子含量的描述性统计Table 5 Descriptive statistics of different element content in soil

调查中发现(图1),河道疏浚底泥还田土壤中的SOM 含量＞15 g∕kg 的频率居多, 占总样品数的69.16%, ＞35 g∕kg 的样品占13.55%;对≤15 g∕kg(17.29%)这部分土壤要增加有机肥或者有机物料的投入,加快土壤有机质的积累速度、提高含量,培育土壤肥力。 大部分样品TN 含量处于中等和较低水平,其中集中在1.0—1.5 g∕kg 的样品占50.93%,≤1.0 g∕kg 占43.45%;而＞1.5 g∕kg 的样品只占5.61%,故底泥还田土壤中的TN 含量水平总体较低,需要增施一定氮肥以维持土壤全氮含量,提高土壤供氮水平。 AP 和AK 含量的频率趋势表现一致,大部分样品含量在高水平,分别占总样品的51.42%和49.53%,能够满足大田作物需磷钾量。 其中仍有11.79%的底泥还田土壤AP 含量≤15 mg∕kg,相对于粮田来讲,供磷水平属于较低;而AK 含量总体较高,主要是因为上海耕地土壤发育于沉积母质,本身钾素储量较多,但仍有11.69%底泥还田土壤≤90 mg∕kg,处于较低水平,可在农业生产中增施钾肥或喷施含钾叶面肥。 钾素进入土壤后易被土壤吸收而不易流失,故对AK 含量较高的土壤可少施或不施钾肥。 研究区底泥还田土壤pH 都在6.90—8.50,多呈弱碱性,集中分布在1 级(6.50—7.50)和3 级(7.50—8.50),分别占总样品的37.32% 和62.68%。 这与研究区的地理位置相关,其土壤是由长江携带的大量泥沙堆积发育形成的石灰性冲积平原土壤,其酸碱性质多为中偏碱性[8]。 Apl 和TDS 的频率分布表现一致,集中于高水平,均占总样品97.98%。 受外界底泥还田影响,Aal 增厚,直接提升了其含量分级频率,利于作物生长;而TDS 因当地雨量充沛、淡水资源丰富,使河道底泥的TDS 含量较少,还田之后降低了土壤含盐量,提高含量等级分布。由于河道底泥黏性较大,使底泥还田土壤有51.17%的样品CY 在1.5 g∕cm3以上,严重影响农作物根系生长与穿插;有24.88%的土壤CY 在1.4—1.5 g∕cm3,根系在这样的土壤中进行生命活动,需要消耗更多的能量。 对于CY 较高的土壤,要适当增加轮作措施和秸秆还田,以改善土壤结构,逐渐降低CY。 CEC 的大小与土壤胶体数量、性质有关。 奉贤区土壤中黏土矿物以水云母为主,并含有较多蒙脱石,使土壤CEC含量总体不低,大部分样品含量分布在16—30 cmol∕kg,占71.70%。

图1 各元素含量分级频率分布Fig.1 Grading frequency of element content

3.3 重金属、有毒有害物质污染风险评价

3.3.1 底泥还田土壤中重金属、有毒有害物质含量分析

由表6 可知,底泥还田土壤中的Hg、As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 和Ni 的均值分别为0.20 mg∕kg、8.43 mg∕kg、0.114 mg∕kg、53.00 mg∕kg、22.87 mg∕kg、26.93 mg∕kg、87.73 mg∕kg 和25.42 mg∕kg。 与上海市土壤背景值(1991 年)[9]相比,Hg 的平均含量要明显高于背景值,是背景值的2.00 倍,表明该地区河道底泥的重金属Hg 元素积累较多,但其值未超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》农用地土壤污染风险筛选值。 有毒有害物质BHC、DDT 和BaP 均未检测出有效数值,且根据《农用污泥污染物控制标准》,各重金属含量均属于A 级污泥产物级别,可以作为耕地、园地、牧草地使用。 土壤8 种重金属元素的变异系数处于15.38%—34.75%,均为中等变异强度。

表6 底泥还田土壤中重金属含量分析Table 6 Analysis of heavy metal content in dredged sewage river sediment

3.3.2 单项及综合污染指数评价

经过单项和综合污染指数计算,河道疏浚底泥还田土壤中Hg、As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 和Ni 的单项污染指数Pi平均值分别为0.25、0.39、0.17、0.16、0.13、0.26、0.30 和0.18,总体小于1,底泥还田土壤未受到重金属污染。 经综合污染指数计算得到,底泥还田土壤重金属综合污染指数值为0.32,低于0.7,处于清洁水平,表明奉贤区的河道疏浚底泥还田土壤的环境质量整体较安全,无重金属污染超标点。

3.3.3 潜在生态风险评价

按照生态风险指数评价步骤,计算出重金属危害系数和危害指数,对照两者的分级标准,评价出重金属潜在危害程度(表7)。 这8 种重金属中,潜在危害由大到小排列为:Hg ＞Cd ＞As ＞Cu ＞Pb ＞Ni ＞Cr ＞Zn。 Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 的潜在指数为1.02—25.99,潜在生态危害程度为轻微危害,而Hg 的潜在危害最大,平均危害指数达到80.09,危害程度为强;其中Hg 危害程度达到强的底泥还田土壤点位有95 个,占总点位的45.89%,轻微程度的点位仅占4.83%,对Hg 危害强的土壤需要考虑减少淤泥输入或深翻,以缓解土壤Hg 含量的累积。 整个研究区域内,底泥还田土壤重金属的平均RI值为126.88,综合危害程度为轻微。 从8 种重金属加合的潜在生态危害程度来看,RI值为27.50—210.91,危害程度轻微的点位居多,占78.04%,中等占21.96%,强或强以上的点位无。 总体来讲,底泥对耕地土壤危害较轻。

4 结论与讨论

本研究考察奉贤区境内河道疏浚底泥还田土壤中养分、土壤属性、重金属和有毒有害物质含量,经耕地地力评价和生态风险评价,得到以下结论:(1)河道疏浚底泥还田土壤达到农业生产基本条件要求,耕地地力等级总体处于较高等级,以高产田为主,中低产田很少。 (2)底泥因自身土壤理化性质因素,还田后可引起土壤pH 和CY 等级大幅降低,特别是CY 降低至5 级,而其余养分元素和SOM 含量等级均可维持不变,Apl 和TDS 分级标准却表现为明显提高,达到1 级。 总体上河道疏浚底泥还田土壤的养分和其他属性可以满足农业生产基本需求,但需要进行多次深翻和轮作等措施,改善土壤黏性。 (3)8 种重金属含量未超《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》农用地土壤污染风险筛选值,3 种有毒有害物质未检出,故河道疏浚底泥还田土壤环境较安全,可以作为耕地使用。 (4)与背景值相比,底泥还田土壤中Hg 含量明显高于上海市土壤重金属背景值,为背景值的2 倍。 经潜在生态风险指数评价,它的危害程度为强,其强危害点位占总样点的45.89%。 后续在河道疏浚底泥还田中,应考虑Hg 累积污染。 但经单项和综合污染指数评价,这8 种重金属污染水平总体处于清洁状态,无重金属污染。

目前,对于河道疏浚底泥还田后的耕地地力评价、土壤环境生态风险评价等尚未制定出安全统一的标准,其耕地地力评价一般采用补充耕地质量评定技术规范来计算,土壤环境生态风险评价参考《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》《农用污泥污染物控制标准》等标准来评价其重金属和有毒有害物质的污染程度和生态风险,这与实际的底泥还田后土壤肥力状况、环境污染危害和风险评价有一定差距。 底泥还田后土壤中重金属Hg 的含量远超上海土壤环境背景值,且Hg 的潜在生态风险级别为强危害,其他重金属元素都属于轻微级别。 这与相关上海地区内河道底泥重金属污染研究结论一致[10-12]。 农业生产中化肥、农药、粪肥和农膜的长期大量使用也是导致河道重金属Hg 污染的一个重要因素,在利用河道疏浚底泥还田时,应控制好添加比例,避免重金属的大量输入可能带来的土壤污染问题。重金属的评价方法不仅受其环境背景值、沉积物质量基准等评价指标影响,还与重金属在土壤和底泥中的存在形态、迁移特征、污染来源等有密切关系[13],因此不同的评价方法综合分析沉积物重金属的生态风险状况有所不同,未来可针对这部分进行完善。