北京市農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染環(huán)境風(fēng)險等級評價

1、農(nóng)業(yè)工程學(xué)報TransactionsoftheCSAE北京市農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染環(huán)境風(fēng)險等級評價姜菲菲1孫丹峰1李紅2周連第2（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院綜合發(fā)展研究所，北京100097；）摘要：為全面了解北京市農(nóng)業(yè)土壤中重金屬污染環(huán)境風(fēng)險等級及空間分布特征，采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對1018個采樣點的Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg8種重金屬進行污染的潛在生態(tài)風(fēng)險評

2、價，并運用指示克里格方法繪制污染風(fēng)險概率分布圖，對整個北京市農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染風(fēng)險的空間分布特征進行分析。結(jié)果表明：北京市農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染風(fēng)險已達到中低度，低度、中度、重度和嚴(yán)重四個風(fēng)險等級的樣點比例分別為42.63%、34.97%、18.57%、18.57%，8種金屬中Cd和Hg元素污染風(fēng)險最高，Cr、Ni、Zn元素生態(tài)風(fēng)險較低，風(fēng)險概率圖顯示城區(qū)周圍、大興、通州、密云等地風(fēng)險等級較高。基于不同風(fēng)險閾值的指示克里格進行空間分布特征研

3、究，了解潛在污染源才具有現(xiàn)實意義，為空間風(fēng)險和污染防治提供依據(jù)。關(guān)鍵字：農(nóng)業(yè)土壤；重金屬；環(huán)境風(fēng)險評價；Hakanson指數(shù)；指示克里格中圖分類號：文獻標(biāo)識碼：文章編號：姜菲菲，孫丹峰，李紅，等.北京市農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染環(huán)境風(fēng)險等級評價[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，24()：JiangFeifei，SunDanfeng，LiHong，etal.RiskAssessmentofHeavyMetalsinBeijingAgricultur

4、eSoils[J].TransactionsoftheCSAE201124()：.(inChinesewithEnglishabstract)0引言近年來農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染風(fēng)險日益加劇通過樣點定期監(jiān)測和早期風(fēng)險預(yù)警評價是防止污染和及早治理所必需的。土壤環(huán)境風(fēng)險評估包括人體健康風(fēng)險和生態(tài)風(fēng)險評價2個方面。發(fā)達國家的研究較為突出，建立有完整的土壤風(fēng)險評估體系，如美國法庭現(xiàn)在所通用的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險評價方法TCLP（Toxicityacteris

5、ticleachingprocedure）法[1]。Rapant提出的環(huán)境風(fēng)險指數(shù)法[2]和Hakanson的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[3]是目前重金屬風(fēng)1險評價中應(yīng)用最廣的方法。與Rapant指數(shù)法相比，Hakanson指數(shù)法計算公式中引入毒性系數(shù)，更符合生態(tài)風(fēng)險評價的內(nèi)涵，目前主要是針對湖泊、河流等水域底泥重金屬進行污染風(fēng)險評價的[4]，而有關(guān)土壤重金屬污染環(huán)境風(fēng)險評價研究報道相對較少。我國的風(fēng)險評價研收稿日期：20101110修訂日期：

6、20110622基金項目：“十五”國家科技攻關(guān)計劃（2004BA617B04）；國家科技支撐項目（2006BAD10A06032006BAB15B05）第一作者：姜菲菲（1988－），女，山東人，碩士，主要從事土地利用環(huán)境風(fēng)險評價研究。北京中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，100193。Email：jiangfeil@※通訊作者：孫丹峰（1971－），男，山東人，教授，主要從事農(nóng)業(yè)資源利用與信息技術(shù)研究。北京中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，100

7、193。Email：sundf@cau.究起步于20世紀(jì)90年代，且以借鑒國外研究經(jīng)驗為主，王學(xué)松用Rapant環(huán)境風(fēng)險指數(shù)法評價了徐州城市表層土壤的環(huán)境風(fēng)險[5]；樊文華等采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)研究了露天煤礦復(fù)墾土壤重金屬污染程度及潛在的生態(tài)危害性[6]。北京市提出了世界城市建設(shè)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提出了更高要求。霍霄妮等人對21世紀(jì)初期北京市農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染進行了系統(tǒng)研究，單因子指數(shù)法評價表明Cr污染狀態(tài)最嚴(yán)重，其次為

8、As、Cu、Zn、Cd、Hg、Pb、Ni；內(nèi)梅羅指數(shù)法則幾乎所有的樣點都處于輕度污染狀態(tài)[7]；對服從對數(shù)正態(tài)分布的Cr、Ni、Zn、Hg，用地統(tǒng)計學(xué)方法分析了空間結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)[9]；用空間自相關(guān)分析法研究了它們?nèi)趾途植靠臻g結(jié)構(gòu)[810]，并結(jié)合空間自相關(guān)分析與地統(tǒng)計學(xué)方法進行土壤重金屬空間插值[89]，利用空間自回歸模型探討了區(qū)域土地利用對4種重金屬富集的貢獻[811]。但對不服從正態(tài)分布的Cu、As、Cd、Pb元素沒有研究他們的

9、空間分布特點和區(qū)域制圖，限制了對北京市農(nóng)業(yè)土壤整體重金屬污染環(huán)境風(fēng)險評估的研究。因此本文采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg8種重金屬污姜菲菲等：北京市農(nóng)業(yè)土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險等級評價除Hg的背景值來自李健等的《環(huán)境背景值數(shù)據(jù)手冊》，其余來自陳同斌等的《北京市土壤重金屬背景值的系統(tǒng)研究》1.3指示克里格指示克里格法屬于非線性克里格方法范疇，它表示該點超過預(yù)先設(shè)定的一個閾值的概率的多少

10、。指示克里格不要求原始數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，并能抑制特異值對變異函數(shù)穩(wěn)健性的影響，是處理有偏數(shù)據(jù)的有力工具，假設(shè)在區(qū)域D上采樣測定了某變量，若該變量在區(qū)域D上的閾值或邊界值為z，則在x∈D處可定義如下階梯函數(shù)(即指示函數(shù))：?()()1()0xxZzxzZzI???（5）在給定的閾值Z的條件下，記Z(x)≥z（即I(x，z)=1）的概率為：F(z)=prob[I(x，z)=1]（6）則指示函數(shù)I(xz)的期望值為：()()()()10[1]

11、xzZZzEIFFF??????（7）式(7)表明x處Z(x)≥z(即I(xz)=1)的概率等于指示變換值的平均值。當(dāng)I(xhz)和I(xz)為被矢量h分隔的2個指示變換數(shù)據(jù)點時，則指示變異函數(shù)可定義為：12()()()12[]hzxhzxzEII????（8）可見用式(8)求得的指示變異函數(shù)，可通過普通克里格估計得到的未知點的I(xz)值，即為Z(x)≥z在該點出現(xiàn)的概率，即：1()()nFzIx???????（9）式中:F為Z(x)

12、≥z的概率F的克里格估計；n是在待估點x的鄰域中的有效點數(shù)；xα是第α個采樣點的位置；λα是克里格權(quán)系數(shù)。用式(9)可以估計Z(x)≥z的條件概率圖[14]。1.4圖形制作與數(shù)據(jù)處理本研究中，采用ArcGIS9.2軟件進行克里格插值和空間分析。在進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析之前，對所有數(shù)據(jù)采用SPSS13.0軟件進行正態(tài)分布檢驗，其它統(tǒng)計分析采用Excel2003等軟件。2結(jié)果與分析2.1環(huán)境風(fēng)險評價Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法能分別評價單個

13、污染物的風(fēng)險程度（表2）和整體潛在生態(tài)風(fēng)險（表3）。從各元素的生態(tài)危害指數(shù)平均值比較看，各元素危害風(fēng)險程度排序為：HgCdAsCuPbNiCrZn。1018個土壤樣點中Cr、Ni和Zn3種金屬元素的潛在生態(tài)危害較低，全部樣點處于低污染級別，對北京市土壤重金屬潛在生態(tài)污染危害貢獻較低。而Cd和Hg是危害最嚴(yán)重的2種金屬，部分樣品達到了中度和較重生態(tài)危害水平。Cd元素樣品中，有40.86%的樣點處于低污染級別，35.56%處于中污染級別，2

14、1.41%處于較重污染級別，1.77%處于重污染級別，有4個樣點處于嚴(yán)重污染級別，占總樣品的0.39%。可見Cd元素已有一半以上樣品出現(xiàn)中度以上的污染級別，對整個區(qū)域的土壤重金屬潛在生態(tài)危害污染貢獻較為突出。Hg元素樣品中，處于五個等級的污染樣點比例分別為30.65%、27.80%、24.95%、11.79%和4.81%，即41.55%的樣品處于較重污染程度以上級別，整體潛在生態(tài)危害程度呈惡化趨勢。Cu、As和Pb都是有小部分樣點污染風(fēng)