耿 耿 ， 袁姍姍 ， 劉君麗 ， 王大陸

( 河南省化工研究所有限責任公司 ， 河南 鄭州 450052)

建設用地土壤質量情況直接影響到密切接觸人群的健康情況，因此在對建設用地開展利用前，需要確定其土壤質量是否符合相關規(guī)劃要求，即進行建設用地土壤污染狀況調查。目前土壤污染狀況調查與修復的體系如下：不超過該標準中相應風險篩選值的，認為土壤污染風險可以忽略；超過篩選值未達到管控值的，應當開展詳細調查；超過管控值的，應當依據(jù)相關技術導則和標準要求開展風險評估，確定風險水平，判斷是否需要采取風險管控或修復措施[1-2]。

土壤質量評價有多種方法。其中《土壤環(huán)境質量建設用地土壤污染風險管控標準》(GB36600—2018)給出的評價方法屬于標準值法。該方法操作簡單，不足之處在于不適用于個別元素背景值較高的區(qū)域，也沒有考慮多點位、多元素潛在污染的疊加，無法深入掌握潛在污染成因。除此之外，還有綜合污染指數(shù)法、富集因子法、地質積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法，這些方法原理不同、各有利弊。本文根據(jù)某建設用地土壤重金屬元素的檢測結果，以《土壤環(huán)境質量建設用地土壤污染風險管控標準》(GB 36600—2018)給出的標準值法為基礎，采取多種方法進行評價，對比了不同評價方法的差別，認為綜合污染指數(shù)法能夠較準確地客觀描述土壤污染狀況。

1 土壤重金屬污染評價方法介紹

1.1 標準值法

《土壤環(huán)境質量建設用地土壤污染風險管控標準》(GB 36600—2018)共列出了85種(類)物質，包括45項基本因子和40種其他項目。土壤污染狀況調查應當對45種基本因子和特征因子開展調查，然后直接將檢測結果和規(guī)劃用途對應的篩選值或管制值進行對比。這種評價方法優(yōu)點是操作簡單，不足之處在于不適用于個別元素背景值較高的區(qū)域。此外，該方法沒有考慮各潛在污染因子的復合效應和累積效應，無法深入掌握潛在污染成因。

1.2 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是一種通過單因子污染指數(shù)得出綜合污染指數(shù)的方法，它能夠較全面地評判重金屬污染程度[3]。其中，內美羅指數(shù)法是在評價土壤重金屬污染時運用最廣泛的綜合指數(shù)法。與單因子指數(shù)法不同，綜合污染指數(shù)法能夠全面、綜合地反映土壤總體污染程度。單項及綜合污染指數(shù)為：

(1)

(2)

式中：Pi為單項污染指數(shù)；ci為污染物實測值，mg/kg；Si為根據(jù)需要選取的評價標準或環(huán)境質量指標，mg/kg；P綜合為綜合污染指數(shù)；Pi為單項污染指數(shù)平均值；Pimax為最大單項污染指數(shù)。

1.3 富集因子法

富集因子法由C.E.Gorden于1974年提出，最早用于研究大氣氣溶膠粒子中元素的富集程度，判斷氣溶膠粒子中各元素的自然來源和人為來源。元素的富集因子是以定量評價污染程度與污染來源的重要指標，它選擇滿足一定條件的元素作為參考元素，樣品中污染元素濃度與參考元素濃度的比值與背景區(qū)中二者濃度比值的比率即為富集因子。現(xiàn)在被國內外地質學家和土壤研究者用于計算土壤和沉積物中某些重金屬元素污染評價[4-6]。富集系數(shù)的計算公式為：

(3)

式中：EF為富集系數(shù)；ci為調查區(qū)域內目標元素i的實測結果，mg/kg；cj為調查區(qū)域內參比元素j的實測結果，mg/kg。

參比元素通常選用地球化學過程中人為污染來源較少、化學性質相對穩(wěn)定、易于測定、分析結果精確度高的元素，國際上通常采用Al、Si、Fe、Sc、Ti等，選用上述元素在地殼中的含量。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有29種元素在清潔環(huán)境中有較高的EF值，即選用不同參比元素可能存在較大差異，因此在使用時需要注意不同元素的EF值之間不具備可對比性。

1.4 地質積累指數(shù)法

地質積累指數(shù)又稱為Muller指數(shù)，不僅能夠反映重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動對環(huán)境的影響，能夠區(qū)分人為活動和天然地質變化的影響。地質積累指數(shù)的計算公式為：

(4)

式中：Igeo為地質累積指數(shù)；ci為樣品中第i種重金屬元素的平均濃度，mg/kg；BEn為選取元素的平均地球化學背景值，通常為全球頁巖元素的平均值(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn依次為13、0.4、62、45、0.35、68、34、118 mg/kg)；1.5為校正由于風化等效應引起的背景值差異的系數(shù)。

該方法既可用于單一元素評價，也可用于多種元素的綜合評價。在進行單一元素評價時，直接以Igeo大小來衡量污染程度；在進行多種元素綜合評價時，一般按照“從劣不從優(yōu)”的原則確定土壤污染等級，即以各參與評價元素地址積累指數(shù)最大的一項對應的污染等級定為該采樣點的綜合污染等級。

1.5 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

1980年瑞士科學家Hakanson提出了潛在生態(tài)危害指數(shù)法，根據(jù)重金屬性質及其在環(huán)境中遷移轉化沉積等行為特點，從沉積學的角度對土壤和沉積物中的重金屬進行評價。該方法首先對土壤中重金屬的含量進行檢測，通過與土壤中重金屬元素背景值的比值得到單項污染系數(shù)，然后引入重金屬毒性相應系數(shù)，得到潛在生態(tài)危害單項系數(shù)，最后加權得到此區(qū)域土壤中重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)[7]。單元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)計算公式為：

(5)

式中：Ei為潛在生態(tài)危害指數(shù)；Ti為重金屬的毒性系數(shù)(Hakanson提出As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的毒性系數(shù)分別為10、30、2、5、40、2、5、1)；ci為重金屬的平均濃度，mg/kg；c0為參比值，采用全球工業(yè)化前沉積物中重金屬的最高背景值(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn依次為15、0.5、60、30、0.25、40、25、80 mg/kg)。

多元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)計算公式為：

(6)

即多元素綜合指數(shù)RI為各元素計算結果之和。

根據(jù)上述評價方法的定義和實際應用情況，參考其他文獻報道劃分出4類污染等級，見表1。

表1 污染等級劃分方法

如調查結果屬于無污染，則綜合考慮計算結果和背景值的對比，確定相關位置的土壤環(huán)境是否受到了生產(chǎn)過程的影響。

2 實例分析

2.1 評價對象、評價指標和評價參數(shù)的選取

針對某化工廠地塊進行調查分析。該廠于2010年前后進行建設投產(chǎn)，后為響應國家嚴格控制“兩高”發(fā)展的政策，主動進行了停產(chǎn)搬遷。按照所在行政區(qū)域規(guī)劃，該地塊將作為工業(yè)用地進行二次開發(fā)利用。

結合企業(yè)提供資料和相關專業(yè)知識，確定As、Pb、Hg、Ni為主要潛在污染物。為進行富集因子法計算，擬采用Ti作為參比元素。Ti元素與原地塊生產(chǎn)工藝不相關，性質穩(wěn)定可靠、易于檢測，符合參比元素的要求。采用規(guī)范的操作流程，在該地塊重點區(qū)域和地塊區(qū)域以外進行了土壤采樣和檢測，并采取全流程空白、運輸空白、平行樣和質控樣等方法進行了質量控制。各項質控措施綜合表明，檢測結果(見表2)真實可信，現(xiàn)基于檢測結果展開分析，按照各評價方法計算結果見表3。作為對比，采用標準值法計算各點位、各元素最大占標率見表4。

表2 土壤樣品中As、Pb、Hg、Ni和Ti的檢測結果 mg/kg

表2中樣品編號為X-Y格式，其中X代表位置，1、2、3分別為3個生產(chǎn)車間，Y代表深度，1、2、3、4分別代表表層以下0.5、1.5、2.5、4.5 m處的樣品；背景選擇在地塊上風向150 m處的未利用地表層，經(jīng)現(xiàn)場勘查和走訪確定自建廠以來此位置土壤中目標元素或化合物未發(fā)生超預期的富集、損失或含量水平的變化[8]。

表3 4種評價方法計算結果

表4 各點位、各元素最大占標率(第二類用地)

2.2 結果分析與討論

采用標準值法計算了各點位、各元素最大占標率，表4列出了以第二類用地作為規(guī)劃的各點位最大占標率。單從標準值法計算結果來看，本地塊不存在超標污染的情形。其它一些地區(qū)由于原生地質原因，某種元素在地殼中明顯富集，即使沒有人類活動，按照標準值法評價也是超標的。因此不考慮地理因素、單純依靠標準值法進行判斷可能會出現(xiàn)嚴重失誤。采用除標準值法的其它4種方法對目標地塊重點區(qū)域進行評價，評價結果見表3。由表3可知，采用綜合污染指數(shù)法、地質累計指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)評價結果均為Ⅰ級，采用富集因子法評價結果均為Ⅱ級。

對表3列出的評價結果進行分析，并綜合考慮表4列出的最大占標率，可以發(fā)現(xiàn)在每個評價數(shù)據(jù)上，綜合污染指數(shù)法和地質積累指數(shù)法具有相近的變化趨勢。富集因子評價等級高于其它3種方法，且存在結果上的逆反性：檢測結果不但滿足規(guī)劃需要的GB 36600—2018第二類用地篩選值，而且滿足其最嚴格的第一類用地篩選值，按富集因子法被判定為存在輕度污染。潛在生態(tài)危害指數(shù)法的評價結果與綜合污染指數(shù)法基本一致。

采用標準值法進行評價，發(fā)現(xiàn)各點位、各項污染物濃度均不超過第二類用地篩選值。結合表1和表4，發(fā)現(xiàn)檢測結果滿足規(guī)劃需要的GB 36600—2018第二類用地篩選值，而且滿足更嚴格的第一類用地篩選值。1號和2號點位As濃度明顯超過3號點位和背景點，但未構成污染。從地塊上原先存在企業(yè)生產(chǎn)工藝及用地歷史來看，無法在1號和2號點位給出As濃度偏高的理論原因。這體現(xiàn)了標準值法的特點，容易掌握是否達標，但不能對數(shù)據(jù)異常給出解釋。

采用綜合污染指數(shù)法進行評價，各單一元素評價結果分級情況主要受選取的環(huán)境質量標準或限值影響。綜合評價過程考慮了所有參與評價元素的平均值和極值，實際上消除了前期單一元素含量與限值差異較大帶來的影響。本次評價中確定Hg和Ni為重點潛在污染物，實際測定后發(fā)現(xiàn)各點位、各深度處測定結果與背景值相差不大，表明地塊重點區(qū)域內不存在Hg、Ni含量的明顯改變。如果僅考慮單一元素評價結果，PHg僅為0.001，顯然是不能準確反映地塊現(xiàn)狀的。Pi平均值為0.07，也是受到Hg和Ni的影響，不能反映1、2號點位各深度處As超過背景值1～2倍的狀況。而綜合評價后得到污染指數(shù)為0.17，這符合觀察者對于數(shù)據(jù)的直觀感受，也是相對合理的結果。

采用富集因子法進行評價，需要選擇合適的參比元素進行檢測并參與計算。本例中選擇了Ti作為參比元素，對采集樣品均進行了測定。評價結果與其它方法評價結果存在較大差異，原因可能與該方法的本身特性有關。首先，常用的參比元素有Al、Si、Fe、Ti、Sc等，其中Sc尚無以土壤為基質的標準檢測方法，實驗室檢測準確性、可靠性存在疑問；其余4種元素均為地殼中常量元素，含量遠高于其它目標元素和檢測范圍，試樣需要經(jīng)過較大倍數(shù)稀釋方可進行測定，稀釋過程可能引入較大的誤差。其次，在參比元素含量差別不大的情況下，該方法轉變?yōu)槟繕藚^(qū)域內外目標元素含量的對比，只要參與評價樣品平均值超過背景值就會被評價為存在污染，作為土壤污染狀況研究顯然不夠科學。對比本例中各元素最大占標率，結論是顯而易見的。

采用地質積累指數(shù)法進行評價，對比的背景值是全球頁巖元素的平均值。簡單推理可知，采用該評價方法得出存在污染的前提是檢測結果超過全球頁巖元素平均值的3倍。而事實上與“全球平均值”對比的做法意義不大，應當充分認識到地殼中各元素在各處含量存在顯著差異。例如全球頁巖中As的平均含量為13 mg/kg，我國境內多種土壤類型中As背景值超過40 mg/kg，北回歸線附近多分布的赤紅壤等則超過60 mg/kg[1]。不考慮區(qū)域內實際情況和目標規(guī)劃，直接套用“全球平均值”無疑是不適當?shù)淖龇?。如果能獲得區(qū)域性土壤環(huán)境背景含量統(tǒng)計結果，該方法可行性、科學性將大大提高。該方法實際上是單因子指數(shù)法的改進，計算結果與Pi存在聯(lián)系，從本例的評價結果不能得到比單因子指數(shù)法更多的信息。

采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行評價，綜合考慮了重金屬污染物的濃度和毒性作用。在相關計算公式中，用到了“重金屬的毒性系數(shù)”，通過毒性系數(shù)半定量評價污染物的潛在生態(tài)危害情況。在確定該項系數(shù)時，結合金屬在地球各個環(huán)境中的豐度系數(shù)和釋放效應得出：某一金屬的潛在生物毒性與其豐度成反比；金屬的釋放系數(shù)等于淡水中金屬的背景值與工業(yè)化前沉積物中重金屬的背景含量。每一重金屬的平均豐度乘以釋放系數(shù)得到校正豐度，以常見元素中校正豐度最小的Zn作為標準，將其他金屬的校正豐度除以Zn的校正豐度，經(jīng)過開平方、規(guī)正化得到毒性系數(shù)。本研究中僅針對4種主要潛在污染物進行測定和評價。如果盡可能多地測定重金屬元素，則能更準確確定土壤污染狀況，但不會影響污染級別的確定。應當注意到此方法主要針對研究較多的金屬元素和多氯聯(lián)苯類污染物，對于不穩(wěn)定的污染物和未經(jīng)充分研究的新型物質是無能為力的。

3 結論

本文根據(jù)某建設用地土壤檢測結果，以《土壤環(huán)境質量建設用地土壤污染風險管控標準》(GB 36600—2018)給出的標準值法為基礎，采用綜合污染指數(shù)法、富集因子法、地質積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行評價，對比了這幾種評價方法的差別，認為綜合污染指數(shù)法能夠較準確地客觀描述土壤污染狀況，并對其它方法的局限性進行了探討。