文献阅读 | 中国典型工业城市农用地土壤重金属环境容量时空模拟、风险预警及政策建议—以中山市为例

题目

Spatiotemporal simulation, early warning, and policy recommendations of the soil heavy metal environmental capacity of the agricultural land in a typical industrial city in China: Case of Zhongshan City

作者

Yujie Pan, Lei Ding, Shuyun Xie, Min Zeng, Jing Zhang, Hongxia Peng*

期刊

Journal of Cleaner Production

时间

2020年10月

一作

单位

Department of Geography, School of Geography and Information Engineering, China University of Geosciences

链接

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124849

摘要

    土壤环境容量和风险预警是土壤安全研究的核心内容。研究采用地统计学分析、物质平衡线性模型和环境负荷容量法对中山市北部农用地土壤的汞、砷、铬、铜、镍、铅、锌、镉等8种重金属的环境容量进行了模拟，并进行了风险预警评估，最后据此提出了以“土壤安全”为目标的土壤重金属污染治理策略。结果显示：(1)2015年至2035年间，研究区采集的土壤样品中重金属的年平均容量增长了1.73倍。除汞外，总体上重金属环境容量呈上升趋势，低容量区主要分布在北部平原。以土壤重金属环境容量为基础，综合风险等级为中等。(2)汞、砷、铬、铅的平均环境容量指数均大于1，为无风险。而Ni和Zn的值分别为0.8和0.7，为轻度风险，Cu和Cd的值均小于0，为极端风险。(3)此外，政府在制定有针对性的措施以控制工业城市的农业用地重金属污染时，有必要考虑主要污染源。研究为工业城市农用地重金属环境容量风险预警提供了理论依据，并为加快制定农用地污染治理政策提供实践参考。

引言

        随着工业化和城市化的快速发展，土壤重金属污染已逐渐成为土壤生态环境的重要威胁因素。联合国粮农组织发布的《世界土壤资源状况报告》显示，全球土壤面临重金属污染等诸多问题，严重制约粮食供应能力。重金属污染物通过自然和人类活动在土壤中积累，并作为主要污染物通过摄食、皮肤接触和呼吸等方式进入人体。健康的农田生态系统不仅是食品安全的基本要求，也是人类健康根本保障。

       土壤重金属环境容量是指一定的环境单元，在一定时限内遵循环境质量标准，即保证农产品的产量和生物学质量，同时也不使环境污染时，土壤所能容纳重金属污染物的最大负荷量。一旦超过负荷量，土壤将面临重金属污染，引发各种环境问题，威胁人类健康。土壤重金属环境容量也可作为衡量土壤重金属污染状况的基本工具，为实施修复提供必要的基础数据，并可用于改善土壤环境质量标准体系。自1980年以来，我国开展了土壤重金属环境容量的研究。特别是对土壤重金属环境容量的定义、评价方法、研究框架和指标进行了初步评价。但工业城市土壤重金属环境容量的评估仍然没有得到调查。随着工业化和城市化进程的不断加快，建立工业城市土壤重金属环境容量变得越来越有必要。近年来，对部分工业城市的土壤重金属环境容量进行了评价，但并没有考虑产业结构的差异，忽略了不同行业的不同污染源，从而降低了土壤重金属环境容量准确性。

       劳动密集型产业的长期粗放发展，加剧了珠江三角洲生态环境的脆弱性，也产生了城市病”问题，特别是土壤污染。中山市地处粤港澳大湾区中心，在东西部联动中发挥着重要作用，已逐步发展成为中国典型的轻工业城市。纺织、家电、食品、日化等众多轻工业不仅对中山市的经济发展起到了重要的推动作用，而且对该地区的土壤生态环境也产生了重大影响，但至今学界仍未对该城市的土壤重金属环境容量进行研究。

       因此，本研究采用地统计学分析、物质平衡线性模型和环境负荷量法相结合的方法，对中山市农用地土壤重金属环境容量进行了系统的模拟和预警。研究主要目的为：(1)研究土壤重金属环境容量的时空动态特征；(2)结合土地统计分析和环境负荷能力提供土壤容量风险预警，探索我国轻重工业城市农用地可能存在的土壤重金属污染源；(3)提出工业城市农用地重金属污染治理对策。以期为世界工业城市农用地土壤重金属预警管理提供指导和参考。

材料与方法

（1）研究框架

       本研究的框架主要包括土壤重金属环境容量时空模拟、风险预警和政策建议三个模块，如图1所示。首先，通过地统计学分析和物质平衡线性模型对中山市农用地土壤重金属环境容量进行时空模拟。之后，结合环境负荷容量方法分析研究区环境容量风险状况，并通过现有文献整合分析，探讨了中国工业城市农用地土壤重金属的主要污染来源。最后，提出相应的靶向治理对策。

Figure 1 Study framework diagram

（2）研究区概况

       中山市是我国重要的轻工业城市，其工业经济的快速发展也带来许多环境问题。中山市拥有几个先进的产业，包括电气机械、制药、纺织和家具制造业。同时，农业集约化程度高，是广东省重要的经济作物基地。采用网格法和随机抽样法在中山市北部农用地采集60件表层土壤样品，分析了其基本理化性质，并运用汞和砷的含量用原子荧光光谱(AFS-933)和电子耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定Hg、As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn和Cd重金属含量。研究区位置和采样点分布如图1所示。

Figure 2 Geographic location of Zhongshan City and soil sample collection site map

结果与讨论

（1）土壤重金属环境容量的时空模拟

       2015年-2035年，中山市北部土壤重金属汞的环境容量呈持续下降趋势，2015年、2025年和2035年的平均容量分别为3.34、0.65和0.50，其它重金属环境容量呈波动增长趋势；研究区土壤重金属环境容量变化较大，总体呈现自西南向东北递减空间格局。研究区工业活动的迅速发展，导致工业和城市污水、废气、废渣的排放量大幅增加。东南部丘陵地区工业废水排放污染比北部平原地区严重。因此，相关部门有必要重视土壤重金属的污染治理，既要遏制污染的蔓延和加剧，又要保护污染较少地区。

Figure 3 Spatiotemporal simulated distribution map of soil environmental capacity in northern Zhongshan (2015, 2025 and 2035, respectively, from left to right)

（2）风险预警与污染源分析

       研究区土壤中汞、砷、铬、铅等元素的平均环境容量指数均>1，总体环境容量较高，土壤汞、砷、铬、铅含量总体较好。风险值较低的地区主要位于中山市南部，与点状和面状污染相对应，铅风险因子的分布特征最为显著。镍和锌的平均风险指数分别为0.8和0.7，相当于II级风险水平。容量水平处于中等容量区，容量越大对应轻度污染，警示区和超载区相对较小，主要位于中山市城区，应加强风险预警。研究区综合风险预警指数平均值为0.71，中容量区和高容量区分布广泛，低容量区普遍富集As、Cr、Cu、Ni、Cd等多种元素，分布在北部平原。这些元素的高浓度同时出现，可能与它们的污染源有关，比如当地的工业生产。这些地区是中山市高污染企业集中区。总的来说，中山市北部土壤重金属含量处于中等容量水平，即风险水平较低。因此，有必要警惕铜、镉污染，并采取相应污染控制措施。

Figure 4 Early warning using soil heavy metal environmental capacity

       工业城市土壤环境容量和农用地风险水平的差异可能源于不同城市主导工业类型和数量差异。为了探索造成这种差异的机制，有必要调查不同工业城市的土壤污染源。因此本研究采用文献整合分析方法，检索了中国31省(不含港澳台)城市土壤重金属文献，选取各省1个典型轻工业城市和1个典型重工业城市，共选取了62个典型工业城市，在提取土壤重金属样品数据时，将每项研究的土壤重金属含量平均值作为现值，排除重金属含量明显超过附近地区样品，城市分布如图1所示。

Figure 5 Rotating component load of heavy metal factors in the agricultural land of typical light industry cities and heavy industry cities in China

       如图5所示，我国轻工业城市农用地土壤重金属污染主要来源于工业废弃物和人类活动。然而，重工业城市更容易受到母质土壤材料、矿产开采和冶炼造成的土壤污染的影响。因此，工业城市的土壤治理要考虑城市重金属污染高危地区实际情况，并落实相应重金属污染防治措施。

（3）工业城市重金属污染治理政策建议

       中国政府机构正在努力建立工业城市农用地重金属污染治理的有效框架，并在这方面出台了相关的防治政策。2016年，中国国务院印发《土壤污染防治行动计划》，即《土壤十条》。2020年，国家发展改革委发布关于印发《美丽中国建设评价指标体系和实施方案》的通知，其中规定评价体系应包括新鲜空气、清洁水、土壤安全、良好生态、清洁人居等五项指标，表达中国政府改善土壤质量强烈意愿。

Figure 6 “Soil safety” policy framework and main contents for industrial cities

       研究结果表明，在未来的环境治理中，必须考虑不同城市主导产业类型的不同，以保护土壤质量。因此，政府不应该采取“一刀切”的政策，而应该在不同类型的工业城市采取符合其污染源的措施。对于轻工业城市①垃圾堆放焚烧现象在中山市已经非常普遍。因此，首先要加强对生活垃圾分类的宣传，促进垃圾的回收利用，提高生活垃圾的低成本、无害化处理。其次，要禁止现场堆放、简易填埋等处置方式。最后，鼓励污染企业的技术创新，改善废物处理基础设施，促进循环经济和清洁生产。②人类活动如交通运输，需要开发新动力能源，优化汽车发动机结构，居民应该发展更环保和低消费的生活方式，比如使用自行车和公共交通，政府应该加强安全监管。对于重工业城市。③自然过程是土壤重金属最基本的来源，应在背景值较高的地区进行环境风险评估，并对背景价值较高地区的开发利用活动进行科学监管，需要在监管能力、监管体制和科技支撑等方面不断完善和创新。最后土壤保护法律、法规和标准进行研究。④发电厂和轻重工业的燃煤排放仍然是空气污染的主要来源。因此，政府有必要加强煤炭消费总量控制政策，促进煤炭企业优化转型。企业要加强煤炭清洁高效利用，致力于发展循环经济。

结论

       研究对中国典型工业城市中山市北部8种土壤重金属进行时空模拟和预警，在此基础上，讨论了中国工业城市土壤重金属环境容量及可能的污染源。在此基础上，提出“土壤安全”管理政策，并对中国典型工业城市农用地土壤重金属环境容量进行了系统探讨。研究为工业城市掌握土壤重金属环境容量的动态变化趋势以及污染风险预警提供了一种方法借鉴。政府或者机构还可以借鉴“土壤安全”管理对策，制定差别化控制策略，实施精准防控。

编辑：潘羽杰

排版：吴凯

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