土壤Cd含量风险管理论文范文

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1材料与方法

1.1土样采集为检测珠三角土壤元素变化，2001年建立了珠三角核心区的生态地球化学监控网络，共布设了98个监控点，以土壤为监控介质，以约160km2/点为监控点密度，土壤样点分布见图1。2007年对“监控网络”同点位表层土壤样品进行了采集。2001年和2007年，在监控点上分别采集了0~20cm的表层土壤样品。每个土壤样点均由4个副样混合组成，样品在常温下（20~24℃）风干，除去石子或其它杂物；土壤混合样过2mm的聚乙烯筛，然后在玛瑙研钵中研磨，过0.149mm筛[26]。为消除不同年份间的分析系统误差，2007年采集的“监控网络”表层土壤样品与2001年副样进行同批次分析。全部样品预处理后，在中国地质科学院廊坊物化探研究所进行分析测试。用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定了土壤重金属cd的全量。分析过程中进行分析质量监控，分别插入8%的GSS-1、GSS-2、GSS-3和GSS-8等国家一级标准物质和5%的密码重复样，监控样的分析数据显示样品分析质量符合《生态地球化学评价样品分析技术要求（试行）》的要求[27]。

1.2土壤重金属累积速率估算模型工业化程度越高，城市化发展速度越快，对土壤污染的“贡献”就越大，每年对土壤中污染物的叠加，不是等量的，对土壤的污染也不是等速的，而是加速的。因此，可认为土壤的污染过程可归纳为两个阶段：一是加速阶段，二是匀速阶段[29]。有研究表明：10a尺度土壤表层重金属元素积累符合线性关系[30~32]。根据研究区的工业化、城市化进程，产业结构以及人均GDP与环境的关系，2000年以后研究区土壤的污染过程进入匀速阶段[32]。因此，2000年以后土壤重金属的含量符合下式。

1.3土壤重金属时空分布预测模型1）时空模式。对不同时间下变量Z叠加累积速率，预测不同时间下变量Z的空间分布。先将时间ti下位置xj的变量Z，叠加累积速率。2）空时模式。先对变量Z进行空间分布预测，再将各点位的变量Z叠加累积速率，预测变量Z在不同时间下的空间分布。

2结果与讨论

2.1土壤Cd和pH特征2001年和2007年土壤pH和Cd的描述性统计结果、两期数据的均值多重比较分别见表1、2。从表1可知，2001年和2007年土壤pH的平均值分别为5.65和6.02，属于微酸性土壤。两者均值多重比较结果表明（表2），pH的均值变化达到显著水平。从表2可知，土壤pH通过Levene检验，显著性为0.099，均值比较选用方差相等条件下的t检验，pH的检验结果拒绝H。假设，即从2001年至2007年研究区土壤pH发生了显著变化。总体上土壤pH有所升高，这与该区土地利用方式包含较多的建筑用地、居民用地、道路用地等，受石灰性填充物的影响较大有关。6a间土壤Cd的平均累积量不变（表1），但是两者均值多重比较结果表明（表2），Cd的均值变化达到显著水平。从表2可知，Cd没有通过Lev-ene检验，均值比较选用方差不相等条件下的t检验，检验结果拒绝H。假设，即从2001年至2007年该研究区土壤Cd发生了显著变化。2001年和2007年两期次土壤Cd平均含量（0.28mg/kg）是广东土壤背景值（0.06mg/kg）的5倍；与《土壤环境质量标准》（二级标准）相比较，2001年、2007年两期次土壤Cd平均含量与其相当，但是其最大值分别是《土壤环境质量标准》[33]（二级标准）的6倍和3.5倍，表明两期次土壤Cd含量在土壤中富集程度高，且有部分地区Cd含量超过了危害生态安全的阈值。变异系数在某种程度上定量刻画了数据的离散程度和变异性。在本研究中，2007年Cd的变异系数较2001年有降低，但变异水平仍属于强变异，暗示了土壤Cd主要来源于人为成因。以“土壤Cd”和“珠三角”为关键词，对CNKI数据库进行文献检索，得出2007年以来珠三角各类土壤中Cd含量（表3）。从表3可知，随着时间的推移，珠三角土壤Cd含量有累积趋势，佛山比较突出。

2.2土壤Cd累积速率估算采用土壤重金属累积速率估算模型对研究区各地市土壤Cd进行累积速率估算（表4）。从表4可知，区域性土壤重金属Cd的年均累积速率KC2007-C2001为0.016mg/kg，对比研究区2007年与2012年珠三角工业企业周边蔬菜土壤Cd含量，土壤Cd的年均增长率KC2012-C2007为0.014mg/kg，为成都经济区土壤Cd累积速率的2.7倍[40],这可能与当地经济发展程度有一定联系。其中，东莞、广州、江门、深圳、中山和珠海土壤中Cd的年累积速率KC2007-C2001分别为0.003、0.004、0.003、0.075、0.017和0.053mg/kg，而佛山、惠州和肇庆土壤Cd的累积速率为负值。假设土壤Cd的本底含量值为2007年土壤Cd最小值，即0.02mg/kg，则36a后土壤Cd含量可达到国家土壤环境质量二级标准，61a后则达到国家土壤环境质量三级标准；若土壤Cd的本底含量值为2007年土壤Cd含量的平均值，即0.28mg/kg，则10a后土壤Cd含量可达到国家土壤环境质量二级标准，45a后则可达到国家土壤环境质量三级土壤标准。

2.3土壤Cd时空分布预测采用“时空模式”和“空时模式”对土壤Cd进行空间预测（图2、3）。从图2、图3可知，2020年土壤Cd的高值空间分布模式主要呈斑块状分布，形成包括佛山-江门-中山在内的连绵区，土壤Cd的低值主要分布在研究区的西南和东北部分。“时空模式”的土壤Cd空间预测（图2），可能是由于各点位叠加的累积速率是各市的平均累积速率，且采用克里金插值进行空间预测时，会产生“平滑效应”，即产生过高或过低估值，该效应在大量的文献中有相关的报道[41~44]。“空时模式”的空间预测（图3），图上有空白点或区，即其值为0。这是由于各点的累积速率不是平均累积速率，而是经过空间预测后，各点位本身的累积速率，导致土壤Cd相对累积量增加或减少的点在未来累积趋势中，其累积趋势相应地增加或减少。对比“时空模式”和“空时模式”空间预测结果，在时间序列资料较少的情形下，“时空模式”的预测结果较稳健。

2.4风险管理珠三角土壤Cd污染具有区域性、多源性和复合性。当前及今后中短期，研究区土壤Cd污染依然十分严重，有污染或重度污染的面积占相当比例（图2、3），土壤Cd污染引起的环境问题直接威胁着区域土壤生态、环境安全。因此，应加强土壤Cd环境风险管理，建议以防为主,预防、控制和修复相结合的原则,预防土壤污染,从Cd污染的源头进行控制，防止土壤污染扩散,修复受污染土壤。1）无污染区域——预防策略。从图2、3可知，广州东北部增城和惠州部分地区无土壤Cd污染。该区域土壤Cd污染预防需要建立以法律法规、评价标准、管理政策和公众参与等4个部分为支撑的体系。实行“清洁生产”、“全程控制”、“源头削减”等预防政策，建立和完善环境监管政策与税收政策,建立土壤环境质量例行和动态监控体系及其信息网络共享平台等。2）有污染区域——控制策略。从图2、3可知，广州市、珠海市、东莞部分区域是土壤Cd有污染区域。该区域应通过物理、化学和生物学技术途径,降低土壤Cd污染物浓度,从源头进行控制，防止污染扩散或暴露,是一种有效的土壤污染控制策略。通过发展物化控制技术、生物学控制技术，利用功能性植物、微生物资源控制土壤污染，阻断重金属从土壤向地下和地表水体的迁移,削减暴露风险。同时，引导生活和工作于该区域的人们采取有效防御措施尽量减少对土壤污染物的暴露和对产于此区域的粮食和蔬菜的食用;鼓励农民在此区域种植非食用的经济作物，防止污染物通过食物链进入人体。3）重污染区域——修复策略。从图2、3可知，南海、番禺、佛山、江门、中山以及东莞部分与广州接壤的区域为土壤Cd重污染区域。该区域受污染的土壤,当其环境、生态和健康风险达到不可接受水平时,需要修复。土壤修复技术发展策略包括绿色与环境友好的生物修复、联合修复、原位修复、基于环境功能修复材料的修复、基于设备化的快速场地修复、土壤修复决策支持系统及修复后评估等技术,为解决农业土壤污染、工业搬迁场地土壤污染、矿区及周边土壤污染及土壤含水层污染等问题提供技术支撑。建立土壤修复技术规范、评价标准和管理政策,以推动土壤环境修复技术的市场化和产业化发展。此外，对居住于此区域的人群采取环境移民；禁止当地居民播种粮食作物。

3结论

1）珠三角城镇密集区土壤Cd平均含量Cˉ2001和Cˉ2007均为0.28mg/kg，为广东省土壤背景值的5倍；2001年Cd的变异系数为0.83，2007年Cd的变异系数为0.72，两者变异水平属于强变异，暗示了土壤Cd主要来源于人为成因。通过对CNKI数据库进行文献检索，珠三角蔬菜地土壤Cd含量有逐年累积的趋势。2）2001年和2007年土壤pH的平均值分别为5.65和6.02，属于微酸性土壤。两者均值多重比较结果表明，pH的均值变化达到显著水平。总体上土壤pH有所升高，这与该区土地利用方式包含较多的建筑用地、居民用地、道路用地等，受石灰性填充物的影响较大有关。3）基于两期次的土壤重金属累积速率估算模型，土壤Cd的累积速率KC2007-C2001与KC2012-C2007分别为0.016、0.014mg/kg，年均累积速率相当。采用“时空模式”和“空时模式”预测珠三角城镇密集区土壤Cd含量，2020年土壤Cd的高值空间分布模式主要呈斑块状分布，形成包括佛山-江门-中山在内的连绵区，土壤Cd的低值主要分布在研究区的西南和东北部分。在时间序列资料较少的情形下，“时空模式”的预测结果较稳健。4）珠三角土壤Cd污染具有区域性、多源性和复合性。土壤Cd环境风险管理应以防为主,预防、控制和修复相结合的原则,预防土壤污染,从Cd污染源头控制，防止土壤污染扩散,修复受污染土壤。对无污染区域，采取预防策略；对有污染区域，采取控制策略；对重污染区域，采取修复策略。

作者：李勇余天虹赵志忠周永章窦磊何翔单位：海南师范大学地理与旅游学院中山大学地球科学与地质工程学院广东省地质调查院