土壤和产地环境污染管控与修复岗位

李兆君 马倩倩 赵全胜

  1　前言

  葡萄是浆果类产品中贸易量最大的品种，种植范围广阔，是我国和世界重要的水果，品种繁多，营养丰富。我国葡萄栽培地域广阔，发展迅速，截至2015年底，中国葡萄栽培面积达79.9万hm2，从2011年起鲜食葡萄产量已稳居世界首位，2014年起葡萄栽培面积已跃居世界第2位，葡萄酒产量居世界第8位，中国已成为世界葡萄生产大国（吕捷等，2019）。葡萄种植虽经济收入可观，但随着种植时间的延长，连作障碍逐渐凸显。潘佳颖等（2017）研究贺兰山东麓葡萄主产区土壤重金属后，发现镍( Ni )、Cu和Cr达到轻度污染水平。 杨玉等（2017）通过采样长沙、株洲地区12个观光采摘葡萄园的土壤( 0~20cm 和 20~40 cm )，按照土壤环境质量二级标准和绿色食品产地环境质量标准，用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤重金属铅( Pb )、镉( Cd )、汞( Hg )、砷( As)和铬( Cr )污染的状况进行评价和影响因子分析发现，根据葡萄园上、下层土壤中 pH 值及 Pb、Cd、Hg、As、Cr 含量测定结果，上层土壤( 0~20 cm ) 5 种重金属含量均值都高于下层土壤( 20~40 cm )说明土壤的重金属除了来自成土母岩，受人为耕作或其他外来因素影响很大。刘子龙等（2010）对石河子葡萄主产区果园土壤环境质量研究后得出符合无公害葡萄产地土壤环境质量标准。

  随着种植年限的增加，许多老葡萄园出现了幼苗生长不良、病害严重等现象，表现出严重的连作障碍，面临重茬再植问题。了解葡萄不同种植年限种植土壤和产地重金属污染情况，对了解葡萄产地安全和安全质量，减少风险隐患具有重要意义。因此我们对不同种植年限葡萄园中Cu、Cd和Pb重金属分布情况进行了分析，并进行了评价，旨在为京津冀地区葡萄产地重金属污染管控提供支撑。

  2　京津冀区域土壤样品采集

  2.1　样品采集

  2.1.1　样品采集过程

  2019年10月份，土壤与产地环境污染管控与修复岗位科学家团队成员对京津冀地区典型葡萄园进行取样，总取样数达546个。其中，在北京地区取样地点包括通州、顺义、密云、延庆、昌平、大兴和房山7个区，12个大型典型葡萄园，共计146个土样。详细情况同2019年第四季度技术通讯（如表1和表2所示）。

  样品采集方法：取样用1 m管型土钻，分别在0-20 cm和20-40 cm两个土层进行五点混合取样，分别在距离葡萄栽培行左右两边40 cm处取样，葡萄行中间（株距之间）取一个土样。每个土样重约500 g。

  用自封袋装带回实验室。采样时使用GPS定位，记录样点定位信息，以便今后进行深入研究。

  2.1.2 　样品分布

  根据京津冀典型葡萄园土壤采集地具体位置的经纬度（GPS定位），标注绘制样品采集分布图如图1所示。样品采集地基本代表了京津冀葡萄种植的主要区域。

  2.2　风险评价

  2.2.1　风险评价方法

  目前应用于土壤重金属污染的评价方法比较多，主要有单指标法、潜在生态危害指数法、模糊数学评价法、内梅罗综合指数法、地质累积指数法等。其中，单指标法简单实用，潜在生态危害指数法强调多种重金属的综合作用，模糊数学评价法仅能定性地表征土壤的污染状况，内梅罗综合指数法和地质累积指数法均能表征单个重金属的污染程度和多种重金属共同作用下土壤的污染状况，地累积指数法是由德国科学家 Muller 于 1969 年提出的用于评价 沉积物的方法，地累积指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动影响的重要参数，因此得到了广泛的应用，但它只能给出各采样点某种重金属的污染指数，无法给出各采样点的多种微量元素污染综合指数和某种微量元素的地区综合指数。地累积指数法只能反映各因子分别作用于土壤环境的大小，而不能反映土壤环境受污染因子综合作用的效果。单因子污染指数法具有计算简单方便、可判定土壤中主要污染因子等特点，是综合污染评价的基础。但该方法不考虑各评价参数间的联系，只能分别反映重金属污染物的污染程度，不能全面地反映土壤的污染程度，仅适用于单一因子污染评价。而内梅罗综合指数法在计算出各元素因子污染指数的基础上再得出多因子的综合污染指数，可用来评价受污染地区的微量元素综合污染水平。内梅罗综合污染指数法可以全面反映各重金属对土壤的不同作用，避免了由于平均作用污染权值被削弱现象的发生，此外，该方法能反映污染的程度，单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法通常多用于土壤、水质环境质量污染程度的评价，反映各重金属对土壤、水质的影响。但这些方法单独使用时均存在一定缺陷，评价结果不尽如人意。

  在环境监测中，对于土壤的重金属污染需要进行量化评级，不同的评级方式侧重于不同的评价侧向。由于土壤中的重金属具有隐蔽性、难降解、移动性差和易被富集等特点，故土壤重金属污染具有长期性、累积性、潜伏性和不可逆等特点，这对土壤、地下、水、微生物、植物等生态系统构成了严重威胁，是农业可持续发展和环境质量改善面临的重要问题，重金属超标不仅影响植物的生长发育，而且会间接影响人体和其他动物的健康。随着我国土壤环境质量标准( GB15618-1995) (以下简称国标) 农田土壤环境质量监测技术规范( NY /T 395 2000) 和土壤污染防治行动计划的颁布实施，土壤重金属污染越来越引起重视。依据重金属总量，采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法评价土壤重金属污染程度，被广泛用于土壤重金属污染评价中。我们选取京津冀典型葡萄园为研究区域，通过测定土壤中镉(Cd) 铅 ( Pb)铜( Cu) 这3种重金属总量，在研究重金属元素总量分布特征的基础上，基于单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对葡萄园土壤中的重金属进行评价，旨在综合全面地反映出土壤中重金属综合污染程度，为提升葡萄园耕地质量以及重金属污染防治提供科学依据。

  在重金属评价的研究中，研究区土壤背景值或者国家土壤环境质量、农用地土壤污染风险管控标准( GB15618-2018)的污染风险筛选值均可以作为评价标准。农用地土壤污染风险管制值（risk interventionvalues for soil contamination ofagricultural land）指农用地土壤中污染物含量超过该值的，食用农产品不符合质量安全标准等农用地土壤污染风险高，原则上应当采取严格管控措施。另外，不同类型的土壤中某种元素的背景值可能存在很大差异，因此应该选择同一地区同一或者相近类型的土壤中元素的平均含量作为评价标准。在该研究中，土地被利用为耕地，因此对土地的质量要求较高。我们选择农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)的土壤污染风险筛选值作为评价标准（如表3所示）。

  （1）单因子污染指数（thesingle factor pollution index，Pi）是目前国内普遍采用的一种重金属污染评价的方法，通过单因子评价，可以确定主要的重金属污染物及其危害程度，以重金属含量实测值和评价标准相比除去量纲来计算污染指数，其计算公式为：Pi =Ci /Si式中：Pi为污染物 i 的污染指数；Ci 为污染物 i 的实测浓度（mg/kg）；Si 为污染物 i 计算时的评价标准，本研究选择农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)的土壤污染风险筛选值作为评价标准。当Pi ≤ 1 时，表示未污染；当1< Pi ≤ 2 时，表示轻度污染；当2 <Pi ≤ 3 时，表示中度污染；当 Pi > 3时，表示重度污染，Pi 越大，表明超标程度越重（如表4所示）。

  （2）内梅罗（N.C.Nemerow）综合污染指数( comprehensivepollution index) 是由单因子污染指数法发展而来的，是当前国内外进行综合污染指数计算最常用的方法之一，由于单因子指数只能反映各个重金属元素的污染程度，不能全面地反映土壤的污染状况，而内梅罗综合污染指数是一种兼顾单项污染指数平均值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数，并可以计算得到各单个污染物的污染指数，能全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，突出污染最严重的污染物给环境造成的危害，适合对土壤重金属这类联合污染进行综合评价。可以综合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度，具体的计算公式为：式中 PN 表示重金属的综合污染指数；I为所有重金属单项污染指数平均值；IiMax为所有重金属单项污染指数中的最大值。按照内梅罗综合污染指数划定污染等级（如表5所示）。

  2.2.2　风险评价结果

  采用单因子指数法和内梅罗综合指数法（表4、表5）相结合的方法，以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618-2018，表6）为参比值，根据其累积程度对京津冀葡萄园Cu、Pb和Cd 3种重金属元素按照区域和种植年限进行了土壤环境质量评价，评价结果见表7、8和9。

  以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618-2018）为评价标准，有一项单项污染指数大于1，即可判定为土壤不合格。北京、天津和河北葡萄园0-20cm和20-40cm土层单项污染指数（Cu、Pb和Cd）均小于1，即可定为土壤均无污染（表4、5）。具体看来，北京、天津和河北地区葡萄园不同土层土壤Cu重金属污染程度均为：0-20cm土层 > 20-40cm 土层。而且，不同地区土壤Cu重金属污染程度分别为：0-20cm土层，河北 > 天津 >北京；20-40cm土层，天津 > 河北 >北京。但是有意思的是，0-20cm和20-40cm两个土层极大值均出现在河北分别为0.88和0.67（表7）。

  北京、天津和河北地区葡萄园不同土层土壤Pb重金属污染程度均为：0-20cm土层≥20-40cm 土层，其中北京地区Pb重金属污染程度在两个土层持平，均为0.46。而且0-20cm和20-40cm两个土层不同地区土壤Pb重金属污染程度均为：天津 > 北京 > 河北（表8）。有意思的是，0-20cm和20-40cm两个土层极大值均出现在北京分别为0.79和0.89。北京、天津和河北地区葡萄园不同土层土壤Cd重金属污染程度均为：0-20 cm土层 > 20-40 cm 土层,。而且0-20 cm土层和20-40 cm两个土层，与前面Pb重金属污染程度类似，不同地区土壤Cd重金属污染程度也是均为：天津 > 北京 > 河北（表9）。0-20 cm和20-40 cm两个土层极大值分别出现在天津和河北分别为0.52和0.51。

  内罗梅综合污染指数法兼顾了单因子污染指数的平均值和最高值，可以突出污染较重的重金属污染物的作用。以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618-2018）为评价标准，评价结果表明，在0-20cm土层，北京、天津和河北葡萄园土壤内梅罗污染指数分别为 0.60、0.58和0.65，处于 I 级水平（0.7）；在20-40cm土层，北京、天津和河北葡萄园土壤内梅罗污染指数分别为0.66、0.56和0.50，也处于 I 级水平（0.7），三个地区葡萄园在两个土层均属于清洁等级。其中，北京与天津地区葡萄园内梅罗污染指数均为20-40cm土层 > 0-20cm土层，而河北地区葡萄园内梅罗污染指数为0-20cm土层 > 20-40cm土层（表10）。

  以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618-2018）为评价标准，有一项单项污染指数大于1，即可判定为土壤不合格。北京、天津和河北葡萄园不同种植年限在0-20和20-40 cm土层单项污染指数（Cu、Pb和Cd）均小于1，即可定为土壤均无污染（表11、12、13）。具体看来，Cu单项污染指数在不同种植年限，均为0-20cm土层> 20-40cm土层，而且1-5年种植年限在0-20和20-40cm土层污染指数均最高，分别为0.27和0.24（表11）。Pb单项污染指数在不同种植年限，0-20 cm和20-40 cm两个土层并无普遍规律可循（表12），有趣的是1-5和11-15两个种植年限在两个土层Pb单项污染指数持平，分别为0.39和0.41。0-20 cm土层极大值出现在6-10种植年限，0-20 cm土层极大值出现11-15种植年限。

  Cd单项污染指数在不同种植年限，0-20 cm和20-40 cm两个土层除了11-15种植年限持平均为0.18外（表13），其余均是0-20 cm > 20-40 cm 土层，有趣的是20-40 cm 不同种植年限极小值均为0.09，而0-20 cm和20-40 cm极大值分别出现在1-5种植年限和16-20两个种植年限，分别为0.60和0.51。

  内罗梅综合污染指数法兼顾了单因子污染指数的平均值和最高值，可以突出污染较重的重金属污染物的作用。以土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618-2018）为评价标准，评价结果表明，在0-20 cm土层，1-5、6-10、11-15、16-20和>20各种植年限葡萄园土壤内梅罗污染指数分别为 0.75、0.84、0.86、0.71和0.75，均处于Ⅱ级水平（0.7< P≤1），属于较清洁等级（表14）；其中污染指数最高值出现在11-15种植年限；在20-40 cm土层，1-5、6-10、11-15、16-20和>20各种植年限葡萄园土壤内梅罗污染指数分别为 0.54、0.65、0.66、0.41和0.45，均处于 I 级水平（0.7），属于清洁等级，有趣的是，污染指数最高值也出现在11-15种植年限。