CN104636627A - 一种土壤重金属生态风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，其至少包括联合概率曲线法。联合概率曲线法可以单独用于土壤中的重金属生态风险评价，也可以和现有技术的富集因子法、地积累指数法、潜在生态风险指数法中的一种或多种组合使用来评价土壤中的重金属生态风险，优选的技术方案是：联合概率曲线法与富集因子法、地积累指数法、潜在生态风险指数法这四种方法的结合。本发明的方法克服了单一评价方法的局限性，充分考虑到重金属的总量和有效态这两个变量对土壤的影响，能够全面和准确地对土壤中重金属生态风险进行评价。

Description

一种土壤重金属生态风险评估方法

技术领域

本发明涉及一种土壤重金属生态风险评估方法，具体来说，本发明涉及一种基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法。

背景技术

随着我国经济的发展，农业生产中化肥、农药和污水灌溉使用量加大，工业生产规模扩大，生活垃圾不合理处置和金属矿山开采，带来了土壤环境系统中重金属不断累积，引起土壤重金属污染，恶化土壤生态环境质量，对农作物的品质、产量产生较大影响，并通过食物链直接危害人类健康。据统计，我国重金属污染的农业土地面积为2500hm²左右，Hg和Cd的污染面积最大，As、Cr和Cu的污染也比较严重。近几年，我国城市土壤也受到不同程度的重金属污染，主要污染元素有Pb、Cd、Hg。2009年发生的陕西凤翔血铅超标事件、湖南浏阳镉中毒事件和贵州汞中毒事件等，都由重金属污染造成。由此可见土壤重金属污染范围之广，危害之大。因此，对土壤中重金属的生态风险进行正确评估，对于预测重金属的污染程度，从而预防重金属污染，制定土壤污染治理措施，具有非常重要的现实意义。

许桂苹等人发表在《农村经济与科技》(2014年第25卷第1期)上的文章“土壤重金属污染评价方法研究综述”中介绍了目前国内外常用的土壤中重金属污染的评价方法，主要有：单项污染指数法、内梅罗指数法、污染负荷指数法、环境风险指数法、地累积指数法、富集因子法、潜在生态危害指数法、物元分析法、灰色聚类法、基于GIS的地统计学评价法、健康风险评价法。现重点说明几个最常用的评价方法。

1.富集因子法。富集因子是评价人类活动对土壤中重金属富集程度影响的参数，为减少采样和制样过程中人为影响以及保证各指标间的可比性和等效性，一般选定参比元素作为参考标准。参比元素需要性质较稳定，不易受环境和分析测试环节的影响。常用的参比元素主要有Sc、Mn、Ti、Al、Fe、Ca等。其具体计算公式为：EF＝[C_n(样品)/C_ref(样品)]/[B_n(背景)/B_ref(背景)]

式中，EF为重金属在土壤中的富集系数；C_n(样品)和B_n(背景)分别表示某元素在评价区和参照区的浓度；C_ref(样品)和B_ref(背景)分别表示参比元素在评价区和参照区的浓度。C_n(样品)和C_ref(样品)的值通过实际测定得到；B_n(背景)和B_ref(背景)的值通过中国土壤元素背景值表中查找得到。

但是，富集因子在应用过程中也存在一些问题，主要是参比元素的选择具有不规范性以及不同地区背景值的不确定性。

2.地积累指数法。地积累指数(I_geo)是德国科学家Muller提出的一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标，除反映重金属分布的自然变化特征外，可判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动影响的重要参数。计算公式为：

I_geo＝log₂[C_n/1.5BE_n]

式中，C_n为样品中元素n的浓度，由实测得到；BE_n为土壤中元素n的地球化学背景值，可通过地球化学背景值表查找得到，例如可从中国环境监测总站主编的《中国土壤元素背景值》(中国环境科学出版社，1990)中查找。

地积累指数除考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值外，还考虑到由于自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素。这种方法给出了各采样点某种重金属的污染指数，但是无法对元素间或区域间环境质量进行比较分析，因而该方法不能系统了解评价区域的环境状况。

3.潜在生态风险指数法。潜在生态风险指数法是瑞典科学家Hakanson于1980年提出的关于评价重金属潜在生态风险的一种方法，主要是从沉积学的角度对土壤或者沉积物中的重金属进行评价。计算公式为：

$\mathrm{RI}=\mathrm{\ΣEi}=\mathrm{\ΣTi}(C_s^i/C_n^i)$

式中为重金属i的实测值；为重金属i的参比值，采用工业化以前土壤中重金属的最高背景值，通常采用我国土壤环境背景值；_Ti为重金属i的毒性系数，反映该种重金属的毒性水平及土壤对其污染的敏感性，各种重金属的毒性系数例如可以从Hakanson L著“Anecological risk index for aquatic pollution control-A sedimentologicalapproach[J]”(Water Research,1980,14(8):975-1001)中查找；Ei为重金属i的潜在生态风险系数，RI为多因子潜在生态风险指数。

潜在生态风险指数法既考虑到了多种有害元素的加和作用又考虑到了重金属对生物的毒性不同，引入了毒性因子，使评价更侧重于毒理方面，对其潜在的生态危害进行评价，不仅为环境改善提供科学依据，还为人们健康生活提供科学参照。

从以上介绍可以看出：富集因子方法是将实际测定的重金属总量与土壤背景值进行比较，富集因子(EF)值大于10说明有人为污染的风险，比值越大风险越高。但重金属浓度常用总量平均值代替，不能反映真实的环境污染水平。地质累积指数法(I_geo)的评价等级共分为7级(0-6级)，表示污染程度由无至极强，仅说明了重金属的污染程度，但由于不同的重金属其形态和毒性不同，因此尚不能对其引起的生态系统危害和风险进行评价。潜在生态风险指数法(RI)中的重金属的生物毒性系数，只有7个重金属元素的毒性系数，但有的重金属仍是环境污染的重要组成部分，因此该方法不能评价其他重金属的危害程度，因此对于综合评价土壤污染风险尚存在不足。

我国土壤性质差异较大,重金属进入不同土壤，其迁移转化规律也不同，很难用一个标准值来界定某污染物的临界值。目前，土壤环境质量标准值是根据中国土壤背景值调查，以全国众多土壤样品的均值含量经综合考虑而制定的，即低于国家标准值，说明土壤没有受到污染，但如果高于标准值，土壤是否受到污染、污染的程度、是否对食品安全和人体健康产生影响以及是否需要修复、治理等问题都尚难确定。重金属在不同土壤中存在状态不同，但土壤污染对植物的效应主要是重金属有效态部分造成，因而在评价土壤中重金属污染时，应主要考虑有效态的含量。目前的评价指标均采用重金属总量，对于重金属有效态含量较低的土壤，则不能真实反映实际污染情况。现有的土壤中重金属风险评价如富集因子方法、地质累积指数法和潜在生态危害指数法等单一方法的评价，均用重金属总量来进行评价，不能反映土壤实际受到污染的真实情况，且没有考虑土壤生态系统中受暴露物种的慢性效应不同、生态系统中物种的敏感性范围以及单个物种的生态功能。

发明内容

针对现有的土壤重金属风险评价方法的缺陷，本发明提供一种基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，该方法通过同时分析重金属有效态的暴露浓度与毒性数据的概率分布曲线，考察重金属对生物的毒害程度，从而确定土壤中重金属对于生态系统的风险。

一种基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，其至少包括联合概率曲线法，联合概率曲线法的步骤包括：

(1)将重金属有效态暴露浓度和毒性数据浓度分别按照概率函数分布拟合，转换为概率函数并排序，其中μ表示分布数据的均值，σ表示分布数据的标准偏差；

$\∫(x,\mathrm{\μ},\mathrm{\σ})=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π\σ}}}{e}^{-{(x-\mathrm{\μ})}^1/{2\mathrm{\σ}}^1}$

(2)将转换后的概率(这里指的是步骤(1)得到的概率，包括重金属有效态的和毒性的)取以10为底数的对数值，并用线性回归拟合，求出线性方程的斜率m和截距b，其中y是由重金属有效态暴露浓度数据或毒性数据计算得到的概率，x是对数转化后的重金属有效态暴露浓度数据或毒性数据；

$y=\mathrm{xm}+b,m=\frac{(y-b)}{x},b=y-(m\·x)$

(3)利用重金属有效态暴露浓度数据集和毒性浓度数据集两个线性回归方程所计算的斜率和截距来计算某一浓度对生物物种造成指定百分比影响的概率，prob(X)是指期望保护的某水平(X％)物种的概率单位值，m_tox和b_tox分别指经过对数转化的毒性浓度数据所对应的概率单位数据线性回归方程的斜率和截距，m_exp和b_exp分别指经过对数转化的重金属有效态暴露浓度数据所对应的概率单位数据线性回归方程的斜率和截距；

Concentration(X)＝(prob(X)-b_tox)/m_tox

大于X％的浓度＝(prob(X)-b_exp)/m_exp

即：

土壤中重金属浓度对X％物种产生影响的概率

prob(X)＝m_tox.Concentration(X)+b_tox

Concentration(X)指对X％物种产生影响的浓度。

根据上述基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，其还包括富集因子法，其中，富集因子法中的富集因子的计算公式为：

EF＝[C_n(样品)/C_ref(样品)]/[B_n(背景)/B_ref(背景)]

式中，EF为重金属在土壤中的富集系数；C_n(样品)和B_n(背景)分别表示某元素在评价区和参照区的浓度；C_ref(样品)和B_ref(背景)分别表示参比元素在评价区和参照区的浓度。

根据上述基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，其还包括地积累指数法，其中，地积累指数法中的地积累指数的计算公式为：

I_geo＝log₂[C_n/1.5BE_n]

式中，I_geo是地积累指数，C_n为样品中元素n的浓度；BE_n为土壤中元素n的地球化学背景值。

根据上述基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，其还包括潜在生态风险指数法，其中，潜在生态风险指数法中的潜在生态风险指数的计算公式为：

$\mathrm{RI}=\mathrm{\ΣEi}=\mathrm{\ΣTi}(C_s^i/C_n^i)$

式中，RI为多因子潜在生态风险指数，为重金属i的实测值；为重金属i的参比值；Ti为重金属i的毒性系数；Ei为重金属i的潜在生态风险系数。

根据上述基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，其依序包括富集因子法、地积累指数法、潜在生态风险指数法和联合概率曲线法。

附图说明

图1概率-浓度线性回归曲线图。

具体实施方式

本发明的发明人经过长期研究和大量实验，发明了一种新的土壤重金属生态风险评估方法，即联合概率曲线法，该方法是以毒性数据的累积函数和重金属有效态的暴露浓度的反累积函数作图，该曲线反映了各损害水平下，暴露浓度超过相应临界浓度值的概率，体现了暴露状况和暴露风险之间的关系。联合概率曲线的x轴表示不良效应产生的影响，y轴表示产生某种强度效应的概率。联合概率曲线上的每一个点都表示对一定水平生物产生不良效应的发生概率。联合概率曲线越靠近坐标轴说明引起不良效应的概率越小。

联合概率曲线法可以单独用以土壤中的某一种重金属或更多种重金属(具体种类可以不受数量限制)生态风险评价，也可以和现有技术的富集因子法、地积累指数法、潜在生态风险指数法中的一种或多种组合使用来评价土壤中的重金属生态风险。

本发明最优选的实施方案是按照由简单到复杂，包括富集因子法、地积累指数法、潜在生态风险指数法和联合概率曲线法共四个等级的土壤重金属评价方法，构成从重金属总量到有效态的双指标多等级的综合评估方法。

本发明首次将联合概率曲线法引入土壤风险评价中，建立基于双指标多等级综合评估的土壤中重金属生态风险评估模型，同时采用重金属总量和有效态双指标，连续应用低层次的筛选到高层次的风险评价，把多种风险评价法进行综合，用以提高土壤中重金属生态风险评估的全面性和准确性。

下面以一个具体实例详细阐述本发明。

实施例1

采集汀江流域某河段企业周边土壤样品，对样品中的Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb等重金属的全量和有效态进行分析测定，结果见表1。我国土壤环境质量标准(GB15618-1995)中的重金属标准限值均指的是全量，将本研究与标准进行比较。2#样品Cu含量超土壤Ⅱ级标准，3#样品Cu含量超土壤Ⅲ级标准；3#样品Zn含量超土壤Ⅱ级标准；2#样品As含量超土壤Ⅲ级标准，3#样品As含量超土壤Ⅰ级标准；三个点位Pb含量均超土壤Ⅰ级标准。

表1土壤样品中6种重金属全量和有效态的测定结果(μg·g^-1)

等级1：富集因子法

选择在土壤中比较稳定和迁移性差的Ti作为参比元素，背景值取自中国土壤元素背景值，三个样品中7种重金属的富集因子计算结果见表2。3#点位Cu富集系数为33.2明显高于其他元素，且远高于2#点位和1#点位；Zn也呈现同样趋势，即3#>1#>2#，富集因子分别为4.91、0.80和1.26；2#点位As富集因子较高为19.59，大于1#点位2.15和3#点位4.56；其他元素富集因子在0.6～3.35之间，3#较其他两个点位略高。富集因子大于10可认为该元素由于污染而富集在土壤中，计算结果表明样品中Cu、As存在人为污染，可能来源于其上游的冶炼工厂。

表2土壤样品中6种重金属的富集因子计算结果

等级2：地积累指数法

采用全国土壤环境背景值调查结果中，该地区土壤背景值的几何均值作为参比值，比较了三个点位各种重金属的污染程度，详细结果见表3。Cu除1#无污染之外，其他两个点位为5和6级的极强污染，As在2#为5级强度污染，Pb为2级中度污染，Zn为无～中度污染，Ni、Cr为无污染。根据重金属的地积累指数I_geo均值，综合分析该地区6种重金属的污染程度，由强至弱依次为Cu>As>Zn>Pb>Ni>Cr。

表3样品中重金属地积累指数I_geo及污染程度分级

注：I_geo≤0为0级，无污染；0～1为1级，无～中度污染；1～2为2级，中度污染；2～3为3级，中～强度污染；3～4为4级，强度污染；4～5为5级，强～极强污染；>5为6级，极强污染。

等级3：潜在生态风险指数法

5种元素Cu、Pb、Zn、Cr和As在该方法中有给出生物毒性系数Ti，故通过计算这5种元素的Ei和RI值来对样品进行潜在生态风险评价。C_n采用全国土壤环境背景值调查结果中当地土壤背景值的几何均值作为参比值，最终得出生态风险评价指数详细结果见表4。

表4样品中重金属生态危害评价指数

Pb、Zn和Cr的Ei值均小于40，表示这3种重金属污染轻微；Cu在1#、2#和3#的Ei值依次增高，分别为5.41、79.6和166，表示生态危害程度轻微、中等和很强；As在2#生态危害程度很强，Ei值为196，1#和3#分别为轻度和中等。根据生态危害系数，5种重金属的潜在生态危害由强到弱的顺序为Cu>As>Pb>Zn>Cr。

等级4：联合概率曲线法

经上述三种方法评价后，Cu的风险最高，本阶段对Cu进行联合概率曲线法评价。选择与土壤相关的物种，文献收集汇总其毒性相关数据，计算得出期望保护的某水平物种的概率单位值prob(X)，见表5。

表5与土壤相关某物种毒性和概率数据汇总

将毒性浓度数据和对应的概率单位数据进行对数转化，再将二者进行线性回归，结果见图1。

其中，图1中，直线对应的方程的斜率m_tox＝0.0167，截距b_tox＝1.7014。土壤中重金属浓度对物种产生影响的概率＝(m_tox·concentration(X))+b_tox，将三个点位土壤中有效态Cu的浓度数据代入上述公式，得出概率分别1.79、2.96和4.36。

由该实施例可以看出，利用富集因子法，将实测点位的土壤中重金属浓度与土壤元素背景值进行比较，反映真实的土壤重金属污染水平；利用地质累积指数法，定量的表征重金属的污染等级；利用潜在生态危害指数法，反应重金属的浓度效应、多种重金属污染物的协同效应、不同重金属的毒性效应和土壤对不同重金属污染物的敏感性；利用联合概率曲线法，即同时分析重金属暴露浓度与毒性数据的概率分布曲线，考察重金属对生物的毒害程度，从而确定土壤中重金属对于生态系统的风险。如果将这四种方法相结合，则可以充分利用各种方法和手段，实现从简单到复杂的多等级综合评价。既考虑了土壤生态系统中受暴露物种的慢性效应不同，又兼顾生态系统中物种的敏感性范围以及单个物种的生态功能。采用本模型对某地土壤中重金属的生态风险进行评价，可以更好的掌握该地区的污染状况和潜在风险，为降低该地区重金属污染、提高人群健康状况提供依据，同时也为也为今后开展相关研究提供科学参考。

该实施例只是为了演示本发明，并不构成对本发明的任何限制，在不违背本发明精神的情况下，可以对本发明进行一些改进和替换，这些改进和替换在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，其至少包括联合概率曲线法，联合概率曲线法的步骤包括：

(1)将重金属有效态暴露浓度和毒性数据浓度分别按照概率函数分布拟合，转换为概率并排序，其中μ表示分布数据的均值，σ表示分布数据的标准偏差；

$\∫(x,\mathrm{\μ},\mathrm{\σ})=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π\σ}}}{e}^{-{(x-\mathrm{\μ})}^1/{2\mathrm{\σ}}^1}$

(2)将转换后的概率取以10为底数的对数值，并用线性回归拟合，求出线性方程的斜率m和截距b，其中y是由重金属有效态暴露浓度数据或毒性数据计算得到的概率，x是对数转化后的重金属有效态暴露浓度数据或毒性数据；

$y=\mathrm{xm}+b,m=\frac{(y-b)}{x},b=y-(m\·x)$

(3)利用重金属有效态暴露浓度数据集和毒性浓度数据集两个线性回归方程所计算的斜率和截距来计算某一浓度对生物物种造成指定百分比影响的概率，prob(X)是指期望保护的某水平(X％)物种的概率单位值，m_tox和b_tox分别指经过对数转化的毒性浓度数据所对应的概率单位数据线性回归方程的斜率和截距，m_exp和b_exp分别指经过对数转化的重金属暴露浓度数据所对应的概率单位数据线性回归方程的斜率和截距；

Concentration(X)＝(prob(X)-b_tox)/m_tox

大于X％的浓度＝(prob(X)-b_exp)/m_exp

即：

土壤中重金属浓度对X％物种产生影响的概率

prob(X)＝m_tox.Concentration(X)+b_tox

Concentration(X)指对X％物种产生影响的浓度。

2.根据权利要求1的基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，其还包括富集因子法，其中，富集因子法中的富集因子的计算公式为：

EF＝[C_n(样品)/C_ref(样品)]/[B_n(背景)/B_ref(背景)]

式中，EF为重金属在土壤中的富集系数；C_n(样品)和B_n(背景)分别表示某元素在评价区和参照区的浓度；C_ref(样品)和B_ref(背景)分别表示参比元素在评价区和参照区的浓度。

3.根据权利要求1或2的基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，其还包括地积累指数法，其中，地积累指数法中的地积累指数的计算公式为：

I_geo＝log₂[C_n/1.5BE_n]

式中，I_geo是地积累指数，C_n为样品中元素n的浓度；BE_n为土壤中元素n的地球化学背景值。

4.根据权利要求1或2的基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，其还包括潜在生态风险指数法，其中，潜在生态风险指数法中的潜在生态风险指数的计算公式为：

$\mathrm{RI}=\mathrm{\ΣEi}=\mathrm{\ΣTi}(C_s^i/C_n^i)$

式中，RI为多因子潜在生态风险指数，为重金属i的实测值；为重金属i的参比值；Ti为重金属i的毒性系数；Ei为重金属i的潜在生态风险系数。

5.根据权利要求3的基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，其还包括潜在生态风险指数法，其中，潜在生态风险指数法中的潜在生态风险指数的计算公式为：

$\mathrm{RI}=\mathrm{\ΣEi}=\mathrm{\ΣTi}(C_s^i/C_n^i)$

式中，RI为多因子潜在生态风险指数，为重金属i的实测值；为重金属i的参比值；Ti为重金属i的毒性系数；Ei为重金属i的潜在生态风险系数。

6.根据上述任一权利要求的基于双指标多等级的土壤重金属生态风险评估方法，其依序包括富集因子法、地积累指数法、潜在生态风险指数法和联合概率曲线法。