土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法綜述

土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法綜述

0重金屬污染危機(jī)近年來，土壤硫污染日益嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅著人民群眾的生活安全和健康。據(jù)中國農(nóng)業(yè)部進(jìn)行的全國污灌區(qū)調(diào)查,約140萬hm2的污水灌區(qū)中,遭受重金屬污染的土地面積占污水灌區(qū)面積的64.8%。另外,2009年發(fā)生在中國湖南瀏陽鎘中毒事件、陜西鳳翔血鉛超標(biāo)事件、湖南砷中毒事件和貴州汞中毒事件等,都演化為威脅和諧社會(huì)建設(shè)的公共事件。重金屬在土壤中的積累、遷移不僅危害區(qū)域生態(tài)安全,影響動(dòng)植物的生長發(fā)育,而且通過食物鏈進(jìn)入人體,危害暴露區(qū)人體健康,導(dǎo)致一些慢性病、畸形、癌癥等的發(fā)生。由于重金屬在土壤中具有隱蔽性和潛伏性,不易降解,具有不可逆性和長期性,難以恢復(fù)性和污染后果的嚴(yán)重性,被環(huán)境學(xué)界喻為“化學(xué)定時(shí)炸彈”,造成的后果尤為嚴(yán)重,受到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注,成為近年來環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題,為此研究者探究出了多種適合于土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法。1模糊數(shù)學(xué)法分類評(píng)價(jià)目前土重金屬污染評(píng)價(jià)方法眾多,如單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、幾何均值綜合評(píng)價(jià)模式、污染負(fù)荷指數(shù)法、地積累指數(shù)法(Mull指數(shù))、沉積物富集系數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法,模糊數(shù)學(xué)法、灰色聚類法、基于GIS的地統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)價(jià)法、健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法等,各種評(píng)價(jià)方法都有其適用范圍、評(píng)價(jià)目的、優(yōu)點(diǎn)及不足。1.1iii的實(shí)測濃度單因子污染指數(shù)法是以土壤元素背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)重金屬元素的累積污染程度,表達(dá)式為:Pi=CiSi,其中Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Ci為污染物i的實(shí)測濃度;Si為i種重金屬的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)中II類標(biāo)準(zhǔn)的臨界值。若Pi≤1.0,則重金屬含量在土壤背景值含量之內(nèi),土壤沒有受到人為污染;若Pi>1.0,則重金屬含量已超過土壤背景值,土壤已受到人為污染,指數(shù)越大則表明土壤重金屬累積污染程度越高。該模型只能分別反映各個(gè)污染物的污染程度,不能全面、綜合地反映土壤的污染程度,因此這種方法僅適用于單一因子污染特定區(qū)域的評(píng)價(jià),但單因子指數(shù)法是其他環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量分級(jí)和綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。1.2顧單元素污染指數(shù)法當(dāng)評(píng)定區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)量作為一個(gè)整體與外區(qū)域土壤質(zhì)量比較,或土壤同時(shí)被多種重金屬元素污染時(shí),需將單因子污染指數(shù)按一定方法綜合起來應(yīng)用綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜合污染評(píng)價(jià)采用兼顧單元素污染指數(shù)平均值和最大值的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。該方法計(jì)算公式為:,其中P綜合為土壤綜合污染指數(shù);為土壤中各污染物的指數(shù)平均值;max(Pi)為土壤中單項(xiàng)污染物的最大污染指數(shù)。若P綜合≤1為非污染;若1<P綜合≤2為輕度污染;若2<P綜合≤3為中度污染;P綜合>3為重污染。該方法突出了高濃度污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響,能反映出各種污染物對土壤環(huán)境的作用,將研究區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量作為一個(gè)整體與外區(qū)域或歷史資料進(jìn)行比較。但是沒有考慮土壤中各種污染物對作物毒害的差別,只能反映污染的程度而難于反映污染的質(zhì)變特征。1.3幾何平均值綜合評(píng)價(jià)方法1.4單一金屬最高污染系數(shù)cfi該方法的評(píng)價(jià)模式為:其中Ci為元素i的實(shí)測值(mg/kg);C0i為元素i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg);n為評(píng)價(jià)元素的個(gè)數(shù);m為評(píng)價(jià)點(diǎn)的個(gè)數(shù)(即采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù));CFi為某單一金屬最高污染系數(shù);PLI為某點(diǎn)污染負(fù)荷指數(shù)PLI;PLIzone為評(píng)價(jià)區(qū)域污染負(fù)荷指數(shù)。若PLI<1,則污染等級(jí)0,無污染;若1≤PLI<2,則污染等級(jí)Ⅰ,中等污染;若2≤PLI<3,則污染等級(jí)Ⅱ,強(qiáng)污染;若PLI≥3,則污染等級(jí)Ⅲ,極強(qiáng)污染。該法優(yōu)點(diǎn)是能直觀地反映各個(gè)重金屬對污染的貢獻(xiàn)程度以及重金屬在時(shí)間、空間上的變化趨勢,應(yīng)用比較方便,但不能反映重金屬的化學(xué)活性和生物可利用性,且沒有考慮不同污染物源所引起的背景差別。1.5引發(fā)背景值變化的系數(shù)地積累指數(shù)法(Mull指數(shù)),近年來被國內(nèi)用于土壤重金屬污染的評(píng)價(jià),表達(dá)式為Igeo=log2[Cn/(k×Bn)],其中:Cn是元素n在沉積物中的含量;Bn是沉積物中該元素的地球化學(xué)背景值;k為考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取的系數(shù)(一般取值為1.5),用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其他影響。沉積物重金屬地積累指數(shù)分級(jí)與污染程度之間相互關(guān)系為:Igeo≥5,為6級(jí),極重污染;4≤Igeo<5,為5級(jí),介于重污染與極重污染之間;3≤Igeo<4,為4級(jí),重污染;2≤Igeo<3,為3級(jí),介于中污染與重污染之間;1≤Igeo<2,為2級(jí),中污染;0≤Igeo<1,為1級(jí),介于無污染與中污染之間;Igeo<0,為0級(jí),無污染。地積累指數(shù)法考慮了人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值,還特別考慮到自然成巖作用對背景值的影響,給出很直觀的重金屬污染級(jí)別,是用來反映沉積物中重金屬富集程度的常用指標(biāo),但其側(cè)重單一金屬,沒有考慮生物有效性、各因子的不同污染貢獻(xiàn)比及地理空間差異。1.6重金屬富集及含量該方法是通過測定沉積物中重金屬的含量來反映污染程度,其表達(dá)式為:式中:kSEF為沉積物中重金屬的富集系數(shù);Es為沉積物中重金屬的含量;Als為沉積物中Al的含量;Ea為未受污染沉積物中重金屬的含量;Ala為未受污染沉積物中Al的含量。由于Al在遷移過程中具有惰性,故選其作為參比元素。當(dāng)kSEF>0時(shí),有重金屬富集,富集程度可由數(shù)值大小直觀地表示出來。重金屬富集系數(shù)愈大,表示沉積物被重金屬污染程度愈高。該方法考慮到沉積物中重金屬的背景值,能反映重金屬污染的來源、化學(xué)活性,但只側(cè)重單一金屬,不能反映整體污染水平。1.7土壤重金屬污染程度tri該方法法是用于土壤或沉積物中重金屬污染程度及其潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)的一種方法,計(jì)算公式為:。其中:Cif為重金屬的富集系數(shù);Csi為重金屬i的實(shí)測含量;Cni為計(jì)算所需的參比值,一般以國家土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值作為參比值;Eri為土壤中第i種重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù);Tri為重金屬i的毒性系數(shù);RI為土壤中多種重金屬的綜合生態(tài)危害指數(shù)。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度劃分為:Eri<40,RI<150為輕微污染;40≤Eri<80,150≤RI<300為中等污染;80≤Eri<160,300≤RI<600為強(qiáng)污染;160≤Eri<320,600≤RI<1200為很強(qiáng)污染;Eri≥320,RI≥1200為極強(qiáng)污染。該法不但考慮了土壤重金屬含量,而且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和毒理學(xué)聯(lián)系起來綜合考慮了重金屬的毒性在土壤和沉積物中普遍的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?以及重金屬區(qū)域背景值的差異,消除了區(qū)域差異影響,劃分出重金屬潛在危害的程度,體現(xiàn)了生物有效性和相對貢獻(xiàn)及地理空間差異等特點(diǎn),是綜合反映重金屬對生態(tài)環(huán)境影響潛力的指標(biāo),適合于大區(qū)域范圍沉積物和土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)比較,但這種方法加權(quán)帶有主觀性。1.8污染分級(jí)的模糊性分析土壤重金屬污染級(jí)別的定義是一類模糊的概念,而解決這些具有模糊邊界的問題最為有效的是模糊綜合評(píng)價(jià)法,該評(píng)價(jià)方法來源于模糊數(shù)學(xué)。模糊數(shù)學(xué)法是基于重金屬元素實(shí)測值和污染分級(jí)指標(biāo)之間的模糊性,通過隸屬度的計(jì)算首先確定單種重金屬元素在污染分級(jí)中所屬等級(jí),進(jìn)而經(jīng)權(quán)重計(jì)算確定每種元素在總體污染中所占的比重,最后運(yùn)用模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算,得出污染等級(jí),其詳細(xì)數(shù)學(xué)模型和評(píng)價(jià)方法參見相關(guān)研究。模糊數(shù)學(xué)法在土壤重金屬污染重的應(yīng)用,充分考慮了各級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)界限的模糊性,使評(píng)價(jià)結(jié)果接近于實(shí)際,在確定各指標(biāo)權(quán)重時(shí)采用最優(yōu)權(quán)系數(shù)法,避免了確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的任意性,該方法簡單直觀,用于土壤重金屬污染評(píng)價(jià)有較好的效果。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行污染評(píng)價(jià)是否成功的關(guān)鍵問題是如何確定各指標(biāo)的權(quán)重。1.9評(píng)價(jià)方法的選擇不同灰色聚類法是在模糊數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,但與模糊數(shù)學(xué)方法又有所不同,特別是在權(quán)重處理上更趨于客觀合理?；疑垲惙ú粊G失信息,用于環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)所得結(jié)論比較符合實(shí)際,具有一定可比性。灰色聚類法認(rèn)為:土壤重金屬污染各因子的“重要性”隱含在其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中,因而同一因子在不同級(jí)別的權(quán)重以及不同因子在同一級(jí)別的權(quán)重都可能不同。通過計(jì)算不同因子在不同級(jí)別中的權(quán)重,確定聚類系數(shù),再根據(jù)“最大原則法”或“大于其上一級(jí)別之和”的原則確定土壤環(huán)境質(zhì)量級(jí)別。灰色聚類法模型和評(píng)價(jià)程序參見相關(guān)研究。一般灰色聚類法最后是按聚類系數(shù)的最大值,即“最大原則”來進(jìn)行分類,忽略比它小的上一級(jí)別的聚類系數(shù),完全不考慮聚類系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性,因而導(dǎo)致分辨率降低,評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)不盡合理的現(xiàn)象。鑒于此,人們研究應(yīng)用改進(jìn)灰色聚類法來評(píng)價(jià)重金屬對土壤的污染,該法較好地克服了這一不合理現(xiàn)象。它與一般灰色聚類法在確定灰色白化系數(shù)fij(x)、求標(biāo)定聚類權(quán)ηij、求聚類系數(shù)等步驟基本相同,但在確定聚類對象所屬級(jí)別上有所不同,一般灰色聚類法是根據(jù)聚類對象對各個(gè)灰類的聚類系數(shù)構(gòu)成的向量矩陣的行向量中,聚類系數(shù)最大者所屬的級(jí)別作為該聚類對象所屬的級(jí)別,即“最大原則”法,而改進(jìn)灰色聚類法則是根據(jù)“大于其上一級(jí)別之和”的分類原則進(jìn)行判定,即按下式進(jìn)行判定:若某一行向量中聚類系數(shù)δ*kj滿足:,式中δ*kj為聚類對象k對灰類j*的聚類系數(shù)(j*=1,2,3,…,h),則聚類對象所屬級(jí)別為j*。改進(jìn)灰色聚類法的出發(fā)點(diǎn)在于:既然下(上)一級(jí)別的值域?qū)ι?下)一級(jí)別的白化函數(shù)值彼此都有貢獻(xiàn),本身就說明了聚類系數(shù)之間具有關(guān)聯(lián)性。由此可見,改進(jìn)灰色聚類法結(jié)果更為可信,更接近實(shí)際。1.10空間變異函數(shù)分析有關(guān)土壤重金屬空間變異的地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究已有很多詳細(xì)的報(bào)道,如土壤中重金屬空間變化研究等。地統(tǒng)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)理論與方法主要包括:區(qū)域化變量、半方差函數(shù)、克立格空間插值技術(shù)。半方差函數(shù)可以用來描述研究土壤重金屬分布的空間相關(guān)性;而克立格插值可以對未采樣區(qū)土壤重金屬的含量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)。地統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究對象是區(qū)域化變量,能夠同時(shí)描述區(qū)域化變量這種性質(zhì)的工具是變異函數(shù)。假設(shè)區(qū)域化變量滿足二階平穩(wěn)和本征假設(shè),其變異函數(shù)可表示為:,式中:r(h)為變異函數(shù);h為為樣點(diǎn)空間間隔距離,稱為步長;N(h)表示間隔距離為h的樣點(diǎn)數(shù);Z(xi)和Z(xi+h)分別是區(qū)域化變量Z(x)在空間位置xi和xi+h的實(shí)測值。這樣對于不同的空間分隔距離h,根據(jù)變異函數(shù)公式計(jì)算出相應(yīng)的r(h)來。再以h為橫坐標(biāo),r(h)為縱坐標(biāo),畫出變異函數(shù)曲線圖。這樣的曲線圖可以直接的展示區(qū)域化變量Z(x)的空間變異特點(diǎn)。變異函數(shù)的計(jì)算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布,否則可能存在比例效應(yīng)。通過變異函數(shù)分析可得到各種元素的理論模型和相應(yīng)參數(shù)。這些參數(shù)反映了土壤中重金屬含量的變異特征,通過對比分析這些參數(shù),能夠從理論上認(rèn)識(shí)土壤重金屬的空間分布特征。一般采樣方法測得的數(shù)據(jù)不能完全覆蓋所要求的區(qū)域范圍,需要插值,將離散的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)插為連續(xù)的數(shù)據(jù)表面,空間插值方法是一種通過已知點(diǎn)數(shù)據(jù)推求同一區(qū)域其他未知點(diǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法。其論假設(shè)是空間位置上越靠近的點(diǎn),越可能具有相似的特征值;而距離越遠(yuǎn)的點(diǎn),其具有相似特征的可能性越小?；贕IS的空間插值方法很多,常用的有反距離插值法和基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的克立格插值法?？肆⒏穹ㄗ畲笙薅鹊睦昧丝臻g取樣所提供的各種信息,使這種估計(jì)比其他傳統(tǒng)的估計(jì)方法更加精確,更加符合實(shí)際,并且避免了系統(tǒng)誤差的出現(xiàn),而且能夠給出估計(jì)誤差和精度。這些是克立格法的最大優(yōu)點(diǎn)。但是,如果變異函數(shù)和相關(guān)分析的結(jié)果表明區(qū)域化變量的空間相關(guān)性不存在,則克呂格方法不適用。1.11土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)土壤健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是近幾年應(yīng)用較多的一種土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法。健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的內(nèi)容主要包括估算污染物進(jìn)入人體的數(shù)量、評(píng)估劑量與負(fù)面健康效應(yīng)之間的關(guān)系。污染場地健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法基本包括3個(gè)步驟4方面內(nèi)容:數(shù)據(jù)收集和分析、暴露評(píng)估、毒性評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)表征。毒性評(píng)估,是利用場地目標(biāo)污染物對暴露人群產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)的可能證據(jù),估計(jì)人群對污染物的暴露程度和產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)的可能性之間的關(guān)系,污染物毒性有急性和慢性之分,在土壤重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)研究的是長期暴露于小劑量化學(xué)污染物引起的致癌和非致癌風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)估算,以致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌危害指數(shù)表示,通常采用單污染物風(fēng)險(xiǎn)和多污染物總風(fēng)險(xiǎn)以及多暴露途徑綜合健康風(fēng)險(xiǎn)方式表示。綜合健康風(fēng)險(xiǎn)就是各暴露途徑總風(fēng)險(xiǎn)之和。土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),為土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理提供可能引起不良環(huán)境效應(yīng)的信息,為環(huán)境決策提供依據(jù)。到目前為止,在土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面,還沒有一種公認(rèn)的可廣泛接受的模型或方法,因而在實(shí)際運(yùn)用中,應(yīng)結(jié)合評(píng)價(jià)礦區(qū)土壤重金屬含量、生物中重金屬含量、評(píng)價(jià)目的以及可參照值,來選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)方法。1.12元素的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)aci和ier的計(jì)算Rapant等人于2003年提出環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對污染環(huán)境進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)表征,該方法規(guī)定了相應(yīng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的劃分標(biāo)準(zhǔn),可以定量地度量重金屬污染的土壤或沉積物中樣品的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度大小。計(jì)算公式為:為超臨界限量的第i中元素的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);ACi為第i種元素的分析含量(mg/kg);RCi為第i種元素的臨界限量(mg/kg);IER為待測樣品的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。如果ACi<RCi,則定義IERi的數(shù)值為0。Rapant等應(yīng)用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對斯洛伐克共和國的環(huán)境進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分級(jí),分析了各種重金屬對環(huán)境污染的貢獻(xiàn)程度和對環(huán)境污染貢獻(xiàn)最大的重金屬元素。該方法在國內(nèi)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方面目前暫未見研究者應(yīng)用。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法能定量反映重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)程度的大小,能用數(shù)值來反映污染物對環(huán)境現(xiàn)狀的危害程度,但這種方法不能反映出重金屬污染在這個(gè)時(shí)間和空間的變化特征。2重金屬污染評(píng)價(jià)模式的確定上述各種土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法都只是通過簡單的數(shù)字和表格體現(xiàn)某個(gè)區(qū)域的污染狀況,各種評(píng)價(jià)方法都有一定的局限和不足之處,沒有絕對最佳的方法,只有在特定的條件下針對不同研究區(qū)的實(shí)際情況,對實(shí)測數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)進(jìn)行充分分析,反復(fù)試驗(yàn)比較,