鷹潭土壤重金屬環境容量與承載力核算基礎數據平臺構建

摘要：為提升地區土壤重金屬污染評估與風險管控技術，針對銅采選和冶煉等工礦場地帶來的土壤重金屬污染物，研發鷹潭市土壤重金屬環境容量與承載力核算基礎數據平臺系統。系統采用B/S架構，包括系統安全用戶與主界面設置、數據管理與決策支持、基礎圖層、環境質量評價、環境閾值、靜態環境容量、動態環境容量、環境承載力和管理措施建議九大功能模塊，新提出了基于環境閾值空間分異的區域土壤環境容量、飽和度以及承載力的概念和精細化算法。系統應用表明，該基礎數據平臺可為相關部門在區域土壤環境容量與承載力管理方面提供技術支撐。

關鍵詞：土壤重金屬；環境閾值；環境容量與飽和度；環境承載力；可視化平臺

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）11-2595-09 doi：10.11654/jaes.2024-0831

重金屬作為土壤主要環境污染物，具有隱蔽性、滯后性、積累性和難治理等特點，并可隨食物鏈傳遞危害人類健康[1-2]。當進入土壤中的重金屬在土壤環境容量范圍之內時，土壤可利用其本身自凈能力和緩沖作用凈化，若一旦超過承受上線，土壤將面臨重金屬污染[3]。隨著我國工業化進程的不斷推進，土壤重金屬污染成為當今最突出的環境污染問題。進行土壤環境容量及承載力精細化核算并構建基礎化數據平臺，可為城市工業區規劃和環境管理提供技術支撐。

土壤環境容量是指在一定區域和時限內遵循的環境質量標準，是在保證農產品產量和生物學質量基礎上所能容納污染物的最大負荷量[4-5]。目前，對土壤環境容量的估算主要有靜態容量法和動態容量法[6-7]。安文超等[8]計算了青島市農用地土壤8種重金屬的環境容量，結果表明，重金屬環境容量均處于中容量水平。土壤環境承載力通常指在一定時間和空間范圍內，土壤環境對污染物的容納能力和對人類活動的承載能力[9]，其與土壤環境容量相互聯系，相互區別，土壤環境承載力更多體現在土壤系統對人類社會和經濟活動的最大承載能力[10]。目前，國內外學者對土壤環境承載力的指標體系、評價方法等進行了研究，主要的研究方法包括模型法、承載力飽和等[11]。例如，丁壽康等[12]以江蘇省某化工場地土壤中的3種主要污染物為研究對象，估算了污染物的土壤環境承載力和修復目標值。Zhou等[13]根據檢測到的29種農藥，評估出當前農藥施用模式下29 種農藥均未超土壤承載力閾值，但有5種農藥可能在10 a內達到閾值。然而，目前仍然缺乏統一、高效的承載力核算方法。

江西省鷹潭市作為我國重要的銅加工和生產基地，長期以銅作為支柱產業，素有“世界銅都”的美譽。但不合理的開采活動導致重金屬進入土壤，對當地生態環境造成不良影響。通過研發鷹潭市土壤環境容量及承載力精細化核算方法，并建立可視化基礎數據平臺，可為鷹潭市工業生產規劃和環境管理提供技術支撐。

1 研究區域概況

江西省鷹潭市（27°35′～28°41′N，116°41′～117°30′E）位于江西省東北部，是連接東南沿海的重要通道之一。鷹潭市下轄2區1市（月湖區、余江區和貴溪市），共42個鄉鎮，區域總面積達3 560 km2。其東臨上饒市的戈陽、鉛山縣，西接撫州市的金溪、東鄉縣，南臨福建省光澤縣和撫州市資溪縣，北部與余干和萬年縣接壤。

鷹潭市屬亞熱帶濕潤季風氣候，光照充足、雨量充沛、四季分明。年均溫18 ℃，年均降雨量1 750mm。區域內地勢整體呈現東南高西北低的特點，地形主要分為東南部山區、西北部丘陵區和中部盆地三類。鷹潭市土壤類型包括紅壤、水稻土、黃壤、潮土和黃棕壤（圖1a），分別占46.80%、52.80%、0.31%、0.01%和0.01%。土地利用類型以林地、耕地、建設用地、水域為主，分別占54.7%、25.6%、10.1%、4.3%（圖1b）。同時，鷹潭市境內礦產資源豐富，目前已探明的金屬礦種有金屬礦巖金、砂金、銀礦和鉛鋅礦。

2 基礎數據平臺框架及數據來源

2.1 平臺系統架構

基礎數據平臺采用B/S架構，其中屬性數據庫、空間數據庫管理分別采用PostgreSQL、PostGIS研發，空間數據運算及可視化分別采用GeoTools、OpenLay?ers 研發。系統主要包括系統安全用戶與主界面設置、數據管理與決策支持、基礎圖層、環境質量評價、環境閾值、靜態環境容量、動態環境容量、環境承載力和管理措施建議九大功能模塊（圖2）。

2.2 基礎數據來源

土壤樣點調查與分析重點考慮耕地、園地、林地、草地、采礦用地、工礦倉儲用地和空閑地7種土地利用類型，保證樣點覆蓋所有土壤類型并分布在鷹潭示范區全域。根據以上布設原則，在研究區共布設了219個樣點，樣點空間分布見圖3。共采集219個表層和194 個亞表層土壤樣本用于測定土壤pH、礫石含量和土壤重金屬含量，其中的131個表層樣品和106個亞表層樣品用于測定土壤容重。土壤pH采用pH計測定（土壤-水懸浮液，土水比為1∶2.5）[14]。土壤礫石含量通過篩分法測定。土壤容重采用環刀法測定[15]。土壤重金屬Cu、Cr、Zn、Pb、Cd 和As 的含量采用高精度X射線熒光光譜儀（HDXRF）測定。

2.3 平臺基礎數據圖層構建方法

根據采樣點數據，采用克里格插值法（Kriging）生成表層和亞表層土壤理化性質的空間分布，理化性質包括土壤pH、容重和礫石含量。此外，采用反距離加權法（IDW）生成表層和亞表層土壤重金屬Cu、Cr、Zn、Pb、Cd和As的空間分布，用于后續動態環境容量計算（圖4）。

收集鷹潭市46家重金屬冶煉加工企業的污染信息，利用EIApro預測軟件，采用高斯擴散公式構建預測模型，模擬各企業大氣排放重金屬的大氣沉降濃度及空間分布情況。同時，由于排污企業數據和模型本身的不確定性，設定8個長期監測點位，采集周期為1 a的大氣沉降樣品對模擬結果進行修正，獲取較為精準的區域重金屬Cu、Cr、Zn、Pb、Cd和As的大氣沉降數據[16]（圖5a至圖5f）。

測定2022年7—8月采集的56個稻米樣本中的重金屬含量，利用反距離加權插值法生成研究區稻米中重金屬Cu、Cr、Zn、Pb、Cd和As含量的空間分布圖（圖5g至圖5l）[17]。

以上這些構成了土壤重金屬環境容量與承載力核算平臺基礎數據圖層。