參考點位法在土壤基線判定中的改進與應用

韓林桅,全 元,付 曉,*,單 鵬,吳 鋼

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

環境損害鑒定評估是指對環境污染造成損害的范圍和程度進行科學合理的鑒定與量化評估,是環境管理與解決環境賠償案件的有效手段[1]。其中基線的判定是環境損害評估的關鍵環節與重要前提。基線指未受人類活動干擾的自然狀態或參考狀態,是判定損害是否發生以及發生程度的依據,如何科學、合理地確定基線水平是環境損害鑒定評估工作的重要內容[2]。目前基線的判定方法通常包括歷史數據法、參考點位法、環境標準法以及模型推斷法[3]。歷史數據法是將損害發生前該區域的調查數據作為基線,是結果最為準確的方法,但由于歷史資料在很多情況下并不完備,因此較難直接使用[4]。環境標準方法是將現行的環境標準值作為基線,操作起來較為簡單,但現行標準并未涉及全部的生態環境要素,并且目前的環境標準大多無法體現區域的差異性。模型推算法可以根據實際研究區域的情況通過設定不同的參數對基線進行計算[5],但模型推斷法需要大量的數據,實際操作起來較為困難。參考點位法是從一組生境類似的生態系統中,選擇未受到損害行為影響的區域的歷史數據或現場監測數據作為研究區域評定生態環境損害評估的基線值[6]。國外對于參考點位法在基線判定中的應用已積累了一些實踐經驗。例如Mabit等選取東斯洛文尼亞區域未受干擾的森林作為參考區域進行采樣,確定斯洛文尼亞的土壤侵蝕研究的基線水平[7]。Lejeune 等通過對科達倫河流域上游及附近區域進行評估來確定流域的資源基線[3]。在Blackbird Mine超基金場地水資源重金屬污染的評估工作中,評估人員將上游參考區域的重金屬濃度水平和水質標準作為損害基線[8]。這些案例均為在污染區域附近選取未受干擾的場地(如上游區域)進行采樣,確定基線水平。在缺乏歷史數據的情況下,參考點位法的應用較為直接,并且計算結果比較客觀,是目前使用最為廣泛的方法[9-10]。

然而,參考點位法在在生態環境損害基線判定的實際應用中依然存在一些問題。首先,參考點位法的重點與難點在于參考點位的選擇,而目前對于參考點位的選擇并沒有一個明確的標準。同時,在實際情況中不同場地總會受到各種不同類型的干擾,受到其他相同干擾影響但未受到損害事件影響的參考區域幾乎不存在,這使得依據參考區域數據所確定的損害基線結果經常會遭到質疑,導致參考點位法的應用范圍受到很大限制。此外,不同的評估區域與污染事件對于參考區域選擇過程中所考慮的主要環境要素各有不同。例如土壤環境參考區域的選擇主要側重于暴露土壤和地質條件與評價區域的相似程度,而地表水環境參考區域主要考慮水文條件等方面與研究區域的相似度。

針對以上問題,考慮我國日益突顯的土壤污染損害情況[3],本文提出了土壤基線判定的參考點位相似度評價指標體系,為土壤基線判定中參考點位的選擇提供了一個較為清晰的思路與標準,最后通過案例驗證方法的合理性,以期為參考點位法在基線判定中更為科學、合理地運用提供一定的參考與借鑒。

1 土壤基線判定的參考點位相似度評價指標體系

在選擇參考區域確定基線水平時,一般需要遵循兩個關鍵點:一是相似性,包括參考區域與研究區域在生境特征的相似性,同時還包括具體基線確定指標的數據獲取、計算方法的相似性;二是非相關性,即受限于相似性,參考區域與研究區域的空間距離一般不會太大,因此需要保證參考區域不會受到生態環境損害行為的影響[3]。依據參考點位選擇的一般遵循原則,結合土壤環境主要屬性與文獻調查,選取距離、自然背景、生態系統服務功能以及人類干擾情況4類,共13個指標,建立了土壤基線判定的參考點位相似度指標體系,具體見表1。

2 應用案例

2.1 研究區域

勝利一號露天礦位于內蒙古錫林浩特市西北部勝利蘇木境內[11],地理坐標為115°30′—116°26′E,43°57′—44°14′N。土壤類型主要為栗鈣土、草甸土和草甸栗鈣土[12],地帶性草原植被包括檸條、紫花苜蓿、黃花草木樨、沙打旺、沙蒿等。氣候類型屬于半干旱草原氣候,年平均降水量和蒸發量分別為294.74 mm和1794.64 mm。

勝利煤田一號露天煤礦由神華北電勝利能源有限責任公司開發建設,一期工程設計生產能力為年產1000萬t,于2004年完成開工前準備工作,2005年正式開工,至2009年達一期規模。二期擴建工程于2012年開始,至2015年生產能力達到年產2000萬t。露天礦區的開發不僅對土壤造成了直接的挖損與壓占,同時大量剝離巖土中一般存在重金屬Cu、Zn、Pb等有害元素,煤礦開采將不同深度的巖土從地下深處轉移到地表,巖土中重金屬元素在地表重新分異,有可能造成局部的土壤污染[11]。隨著礦區建成時間的增加,土壤中有機質、重金屬等一些成分的含量也會發生一定的變化[13]。

表1 土壤基線判定的參考點位相似度指標體系

2.2 參考點位相似度評價指標體系

依據參考點位選擇的一般遵循原則與研究區域土壤環境的特征,建立了土壤損害基線判定的參考點位相似度指標體系,分別從與評價區域的距離、自然背景、生態系統服務功能3個方面對參考點位與評價區域的相似度進行評價,具體指標見表2。

2.3 數據來源與分析

本文通過ArcGIS建立緩沖區的方式確定參考區域的范圍。區域自然背景值及生態系統服務功能類指標主要依據區域環境影響評價報告與實地考察進行確定。

于2013年7月進行土壤取樣。采用網格法布點,每個采樣點以“S”形多點(5—12點)混合取樣法,用有機玻璃鏟,采集表層(0—20 cm)土壤樣品,裝入自封塑料袋中。將土壤樣品放置于實驗室陰干,剔除碎石與枯枝,研磨過200目(0.074 mm)尼龍篩,裝入密封袋中備測。采用SJ- 4A型pH計測定土壤pH值;重鉻酸鉀氧化法測定有機質(TOC);半微量凱氏法測定全氮(TN);采用微波消解法測定土壤重金屬總量。使用ICP-MS(Agilent USA)測定重金屬元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb的濃度。

3 結果

3.1 參考點位選擇結果

依據土壤損害的參考點位相似度評價指標體系,本文最終確定的參考點位,如圖1所示。所選取的參考點位于研究區域3 km緩沖區范圍內,用地類型屬于典型草原,以栗鈣土為主,土質為輕壤。該區域不屬于自然保護區,且未進行煤炭開采及生態恢復措施,符合控制指標的要求。此外參考指標與研究區域相似,依據參考點位相似度指標,是符合標準的參考點位。

表 2 研究區域土壤基線判定的參考點位相似度指標體系及評判標準

圖1 參考點選取結果Fig.1 The results of reference point selection

3.2 土壤環境損害基線

依據露天開采對生態環境的損害特征分析,本研究選擇pH、TN、TOC、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb。依據參考點所確定的土壤損害基線結果見表3。

表3 參考點位法的基線確定結果

4 討論

4.1 基線與評價區域采樣結果比較

對評價區域進行采樣,對pH、TN、TOC、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb含量進行測定,所得結果見表4。比較土壤基線測定結果與評價區域測定結果可得,評價區域的Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb元素含量均高于參考點的基線計算結果,應為受采礦活動的影響。其中Cu、Zn、Cd、Hg元素含量變化幅度較大,差值百分比在30%以上。此外,評價區域的總氮與總有機碳含量較參考區域降低且變化幅度較大,差值百分比在40%以上。pH值較參考區域略有升高,但均呈堿性,應為煤炭開采對土壤的侵蝕與污染造成了土壤有機質含量的下降。這與文獻中的結果大體一致[11-12],說明依據參考點位法計算的基線結果具有一定的現實可靠性。

表4 基線結果與評價區域實測結果比較

注:差值百分比計算公式:(S評價區域-S參考點位)/S評價區域×100

4.2 與歷史數據法基線結果比較

基于研究區域2000年的環境監測數據,運用歷史數據法對區域土壤損害基線進行計算,結果見表5。將參考點位法計算的基線結果與歷史數據法計算結果相比較,可得兩種方法的計算結果大致相同,差值百分比均在10%左右。因此在歷史數據缺乏的情況下,運用參考點位法進行土壤損害基線的計算是可行的。

表5 基線結果與歷史數據結果比較

注:差值百分比計算公式:(S歷史數據-S參考點位)/S歷史數據×100

5 結論

(1)基于參考點位法的基線計算結果可以較為清晰地體現出研究區域的土壤環境變化趨勢,且與歷史數據法所得的基線結果大體一致,說明運用參考點位進行土壤損害基線的計算具有一定的真實性與可靠性。

(2)運用參考點位法進行土壤損害基線計算的關鍵在于參考點位的選擇,依據評價區域的特征建立參考點位的相似度評價指標體系可以提高參考點位選擇的效率。通過設置參考類指標與控制類指標,在保證參考點位選取的可信度的情況下提高了參考點位法在土壤損害基線判定中的實際應用能力。

(3)運用參考點位法判定土壤損害基線的過程中應注意評價要素的選擇。因為在實際情況中受到其他相同干擾影響但未受損害事件影響的參考區域幾乎是不存在。但通過控制與評價相關的主要環境要素可以在一定程度上保證參考點位選擇的可靠性,并提高方法的實用性。