寧波土壤有機污染物環境容量與承載力核算基礎數據平臺

摘要：為動態監測、評估預警土壤有機污染物環境承載能力，提升土壤有機污染物防治能力，以寧波市為例構建土壤有機污染物環境容量與承載力核算基礎數據平臺。該平臺系統采用B/S架構，主要包括系統安全用戶與主界面設置、土壤屬性空間分布、環境質量評價、環境閾值、靜態環境容量、動態環境容量、健康風險評估、環境承載力和管理措施建議共九大功能模塊；建立基于環境閾值空間分異的區域土壤環境容量、人體健康風險、年動態環境容量飽和度等精細化算法。該平臺系統實現了區域環境容量與承載力的精細化核算與差異化管理，可為相關部門在土壤有機污染物防治方面提供技術支撐。

關鍵詞：土壤有機污染物；多環芳烴；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）11-2604-11 doi：10.11654/jaes.2024-0830

土壤是生態系統的重要組成部分，對農業生產和人類健康至關重要。然而，重金屬和有機物等污染不僅影響農業生產可持續性發展，還可能通過食物鏈進入人體引發多種健康問題，進而嚴重威脅全球糧食安全[1]。隨著工業化進程加快，易產生多環芳烴（PAHs）、苯系物等有機污染物的石油化工行業造成的土壤污染問題日益嚴重。有機污染物具有烴類、醇類、酚類和酯類等多樣的化學結構，其中以多環芳烴為代表的持久性有機污染物（POPs），毒性強、持久性高，能在土壤和水體之間遷移傳播，進而影響整個生態鏈[2]。為有效應對土壤污染問題，2016年政府頒布《土壤污染防治行動計劃》（簡稱“十點土壤計劃”）、2018年頒布《中華人民共和國土壤污染防治法》明確了污染風險控制標準和土壤修復的響應措施，為土壤污染的防治提供了法律依據，但關于土壤有機污染物環境容量和承載力核算的研究尚處于起步階段。

土壤環境容量受土壤性質、環境因素以及污染物的綜合影響，通常定義為特定環境單元和時間限制內，維持土壤生態系統結構與功能的同時所能容納污染物的最大負荷量[3]。呂悅風等[4]基于國家標準與區域土壤環境負載容量對研究區耕地5種土壤重金屬污染風險進行評價；王霞等[5]以人體健康、地下水安全、土壤生物為受體，構建了不同土地利用方式下場地土壤環境容量的評價方法。土壤環境容量是一個靜態概念，強調土壤污染物的吸納量，土壤環境承載能力則是一個動態概念，指土壤生態系統在不損害其功能結構的情況下，能夠承受生物活動、容納污染物以及自我凈化修復的能力。土壤環境承載力評價內容涵蓋土壤環境容量、土壤污染物凈輸入通量、人類活動強度與污染物排放之間關系等方面的定量核算模型。李笑諾等[6]以土壤凈化緩沖功能為核心，提出基于評價指標安全系數進行土壤重金屬環境承載力定量評價；王秦等[7]基于水環境、大氣環境和地質環境3個維度構建雄安新區環境承載力評價指標體系；丁壽康等[8]針對廢棄化工場地，計算3種主要污染物的土壤環境承載力并估算修復目標值；鄒子航等[9]利用效應區間低/中值法和毒性當量法評價土壤PAHs污染生態風險狀況。土壤環境容量與區域承載力主要基于污染物濃度或風險指數評估，不同土地利用等人為活動強度與污染物排放之間的定量關系研究較少。土壤容量與承載力的評估方法缺乏統一性，未得到詳實基礎數據支撐，評價結果不能準確反映其空間異質性，難以對未來情景下差異化的人類活動強度提供有效動態預警，因此構建一個全面、結構化的土壤有機污染物環境容量與承載力核算基礎數據平臺迫在眉睫。

當前致力于集成數據、實時監測污染物的數據平臺，如清華大學開發的中國多尺度排放清單模型（ME?IC）[10]旨在構建高分辨率的中國人為源大氣污染物及二氧化碳排放清單；基于此開發的中國未來排放動態評估模型（DPEC）[11]，能夠精細模擬在不同社會經濟情景和氣候目標約束下中國未來大氣成分排放的變化。中國環境監測總站（https：//www.cnemc.cn/sssj/）提供空氣質量預報、水質自動監測數據等實時監測數據；中國大氣復合污染綜合數據共享平臺（https：//www.capda?tabase.cn/）提供外場、衛星、污染源清單、同化、實驗室測量等多項寶貴數據。但目前關于區域土壤有機污染物的環境承載力核算模型、數據集成平臺較少。寧波作為我國重要的石化產業基地，化工產業規模位居全國七大石化產業基地前列，石化產業的快速發展和產業集聚效應使得寧波市在土壤有機污染物的環境承載力研究方面具有代表性和緊迫性。因此本研究以寧波市為例，研發空間精細化的區域土壤有機污染物環境容量與承載力核算基礎數據平臺系統，評估土壤環境容量、人體健康風險，計算土壤有機污染物環境承載能力，從而為土壤有機污染物的有效防治提供決策支持，利于實現土壤生態風險管控。

1 區域概況與數據來源

1.1 區域概況

浙江省寧波市（28°51′～30°33′N，120°55′～122°16′E）地處中國海岸線中段，長江三角洲南翼，東有舟山群島，北瀕杭州灣，西接紹興，轄海曙、江北、鎮海、北侖、鄞州、奉化6個區，寧海、象山2個縣，慈溪、余姚2個縣級市，陸域總面積9 816 km2，海域總面積8 355 km2。寧波屬北亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，四季分明。常年平均氣溫16.4 ℃，多年平均降水量約1 480 mm，常年平均日照時數1 850 h，無霜期一般為230～240 d。地貌分為山脈、丘陵、盆地和平原，地勢西南高，東北低。土壤類型主要包括潮土、紅壤、黃壤、濱海鹽土、水稻土、粗骨土、紫色土7 個大類（圖1）。寧波東南處的東海西湖凹陷區域總面積22 000km2，天然氣儲量超過700億m3，加上化工產業主要以石油化工，生產化工原料、橡膠、塑料染料等為主，不合理的工業生產活動導致有機污染物進入土壤[12]，使得農產品質量下降、人體健康風險增加，嚴重威脅生態環境質量，迫切需要開展有機污染物環境容量與承載力精細化核算研究，準確評估區域土壤容納和凈化污染物的差異化能力，這將有助于土壤有機污染的精準防控與管理。

1.2 土壤樣點

根據研究區土地利用、土壤類型分布及污染企業位置確定調查樣點數量和空間分布，2022—2023 年實地調查218個土壤樣點（圖1）。土地利用類型重點考慮耕地和建設用地，其中耕地包括水田和旱地，建設用地包括林地、草地、其他建設用地、城鎮用地等（圖2）。由于鎮海石油化工園區的環境狀況較為典型，重點在其建設用地和耕地范圍內，考慮土壤污染狀況和敏感受體進行加密布點。

土壤樣品主要用于分析測定與土壤有機污染物環境容量計算相關的土壤理化性質（pH，有機質，黏粒、粉粒、砂粒含量）、多環芳烴、含氯有機物（OCPs）以及石油烴。其中，多環芳烴包括萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、熒蒽、芘、苯并[a]蒽、?、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘、二苯并[a，h]蒽、苯并[g，h，i]苝和茚并[1，2，3-c，d]芘等16種多環芳烴；含氯有機物（OCPs）包括α-六六六、β-六六六、γ-六六六等。土壤pH測定采用1∶2.5（m/V）的土壤-水懸浮液，通過pH 計測定，土壤SOM采用重鉻酸鉀加熱法測定，土壤陽離子交換量采用乙酸銨方法測定，土壤顆粒組成采用吸管法測定[13-14]。按照氣相色譜-質譜法[15]測定土壤多環芳烴；按照氣相色譜法測定土壤含氯有機物和石油烴[16-17]。

1.3 基礎圖層空間數據集

收集建立寧波市土壤、水文、地質、氣候等潛在影響土壤對污染物的吸附、降解、遷移行為的空間數據集以及與環境容量及承載力核算有關的土地利用、社會經濟等空間數據集（表1）。圖層數據均經過坐標變換、重采樣、裁剪等預處理，空間分辨率均為100m，坐標系采用WGS 1984 UTM Zone 51N。

2 基礎數據平臺架構與功能模塊

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、土壤屬性空間分布、環境質量評價、環境閾值、靜態環境容量、動態環境容量、健康風險評估、環境承載力和管理措施建議共九大功能模塊（表2）。

3 主要功能模塊算法

3.1 環境質量評價

根據土壤多環芳烴污染分級標準[18]，從樣點和空間分布兩個層面開展土壤16種優控多環芳烴指標的污染狀況評價，其中污染狀況空間分布圖由反距離權重插值方法（IDW）生成。基于表層土壤樣點調查數據，將16種優控多環芳烴指標按含量劃分為無污染、輕度污染、中度污染和重度污染4個污染水平（表3）。寧波表層土壤樣點的多環芳烴含量主要以無污染水平為主，污染比例為93.59%；少量指標處于輕度污染水平，污染比例為5.25%；中度和重度污染比例分別為0.67%和0.49%。其中，萘、苊烯和芴均處于無污染水平，芘、熒蒽、苯并[b]熒蒽和?的輕度污染比例分別為11.10%、10.56%、10.00%和9.44%（表4）。

3.2 土壤環境容量模塊算法

3.2.1 環境閾值

根據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）和《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600—2018），將土地利用圖層按照農用地、一類建設用地和二類建設用地進行重分類[19]，并生成不同用地類型表層土壤有機污染物風險篩選值圖層和風險管控值圖層（表5和表6）。其中六六六總量為α-六六六、β-六六六、γ-六六六、δ-六六六4 種異構體的含量總和。滴滴涕總量為p，p ′ -滴滴伊、p，p ′ -滴滴滴、o，p ′ -滴滴涕、p，p ′-滴滴涕4種衍生物的含量總和。