CN113020232B - 一种受污染耕地综合治理及动态调控方法 - Google Patents
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Abstract
一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，在两次单元划分基础上开展后期土壤修复治理措施得筛选实施，依据单元特性进行针对性防治技术措施筛选实施，减少大面积实施同一技术措施的资源浪费，同时有效提升土壤质量，保障农产品安全，并综合利用数据库信息，减少受污染耕地综合治理过程中样品检测、技术筛选等多过程的资金投入和时间耗费。
Description
技术领域
本发明属于农业环境技术领域，具体涉及一种受污染耕地综合治理及动态调控方法。
背景技术
随着工业的快速发展，土壤重金属污染已成为严重的环境问题，不但会影响农业生产发展和粮食安全问题，而且会间接影响地下水等与人类生活息息相关的环境要素的安全。根据全国土壤污染调查信息显示，我国土壤重金属污染总超标率为16.1％，占全国耕地面积的1/6，加强土壤重金属污染治理迫在眉睫，其中有效适用的受污染耕地治理修技术措施及动态调控方法的选取尤为重要。
上述技术方法存在的主要问题有：(1)已有耕地治理修复技术措施及动态调控方法适用性较低且推广性较差；(2)受污染耕地的修复治理技术措施多为区域面实施，资金投入大且耗费时间长；(3)受污染耕地土壤修复治理技术措施类型多，与后期动态调控方法的结合统一性较差。
发明内容
本发明在加密布点检测结果基础上，对目标区域进行初步单元划分，依据各单元污染特征进一步分区，选取对应修复治理措施，并对治理效果进行跟踪评估及动态调整。本发明包括数据库建立、单元划分、技术措施筛选实施、动态调整四个环节，各环节相辅相承，保障了监测工作的高效开展及土壤治理修复措施的针对性实施，进一步保障农产品质量安全及人体健康。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，所述方法包括：
(1)数据库建立
(1.1)明确目标区域重金属污染情况及背景信息；
所述目标区域重金属污染情况包括污染类型、污染指标、污染程度、污染范围，所述污染类型分别为土壤污染、农产品污染、土壤-农产品污染；所述污染指标包括土壤监测指标和/或农产品监测指标中的超标指标，所述土壤监测指标包括Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、pH、CEC、pE、SOM，农产品监测指标包括Cd、Hg、As、Pb、Cr；
(1.2)收集整理各类土壤治理修复技术措施，依据作用目标物及治理修复强度将所述土壤治理修复技术措施分为四大类技术类别：农艺调控、土壤调理、重金属钝化、深度修复；每类技术类别包括若干技术措施；
(1.3)收集整理已实施的各类土壤治理修复技术措施实施信息，所述土壤治理修复技术措施实施信息包括实施前、实施中、实施后三个阶段的数据；
(2)单元划分
(2.1)加密布点
(2.1.1)计算目标区域协同点位的最少布设数量，并采用均匀布点法、对角线布点法、梅花形布点法、棋盘式布点法、蛇形布点法中的一种或多种布点法进行点位布设并获取点位信息；点位数量计算公式如下：
其中，N为点位数量，t为T检验的通过阈值，m为容忍误差，Cv为变异系数，Cv＝σ/μ，σ和μ分别为目标区域内土壤监测指标的标准差和平均值；
(2.1.2)依据加密布点点位地理信息，进行协同样品采集，完成实验室检测，分别获取土壤及农产品检测结果；测定土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr五项重金属监测指标可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机态和残渣态五种存在形态的含量；
所述土壤与农产品监测指标同数据库监测指标一致；
(2.2)单元划分
(2.2.1)初始单元划分
基于加密布点的布点密度及点位分布情况，划分初始单元，所述初始单元内点位数量不低于2个；
(2.2.2)污染主因筛选
基于各初始单元内的土壤检测结果，计算各项重金属的信息熵、相关系数、熵权系数及信息度；信息熵Fi计算公式具体如下：
其中p(xi)为重金属监测指标i归一化后数值构成的矩阵；
相关系数公式具体如下：
其中q(xi)为除重金属监测指标i外的所有土壤监测指标归一化后数值构成的矩阵；熵权系数Wi具体公式如下：
其中k为重金属监测指标类型数量；
利用各初始单元内各项重金属监测指标的熵权系数及相关系数，依据线性回归模型分别获取对应系数ai，计算各项重金属监测指标信息度Vi，公式具体如下：
Vi＝aiWi+ri；
(2.2.3)聚类分区
依据目标区域内各初始单元的信息度Vi，进行聚类分析，并结合目标区域空间界限进行单元划定；各单元内信息度最大的1-3个重金属监测指标即为该单元污染主因；
(3)技术措施筛选实施
(3.1)目标区域污染指数计算
依据确定的各单元的受污染重金属监测指标，计算特定重金属监测指标i的单项污染指数Pi，计算公式具体如下：
其中Ci为特定重金属监测指标检测结果，Si为《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》中重金属监测指标i的农用地土壤污染风险筛选值；
若单元内污染重金属监测指标为多项，则综合污染指数P综计算公式具体如下：
其中P均为各项重金属监测指标的加权平均值
Pimax为单元内单项重金属监测指标的最大污染指数；
(3.2)数据库技术类别选取
基于数据库内治理修复技术措施类型及实施数据，计算历史研究区域各项修复治理技术类别的单项污染指数Pi(历)和/或综合污染指数P综(历)；基于目标区域各单元计算出的单项污染指数及综合污染指数，择优选取数据库内含有对应指数的技术类别；
(3.3)数据库技术措施改善度
依据筛选出的技术类别，确定历史研究区域的技术措施改善度cosθi，具体计算公式如下：
其中，S1为实施治理修复措施前某一特定重金属监测指标i对应的五种存在形态含量S1 i1、S1 i2、S1 i3、S1 i4、S1 i5所组成的矩阵，S2为实施治理修复措施后某一特定重金属监测指标i对应的五种存在形态含量S2 i1、S2 i2、S2 i3、S2 i4、S2 i5所组成的矩阵；
(3.4)技术措施实施
依据目标区域单元特征，选取实施技术措施改善度最大的对应技术措施；
(4)动态调整
各单元种植下一季农产品时，在农产品关键生长期进行协同样品采样及实验室检测，预测农产品超标概率q；当农产品超标概率>50％，则在下一关键生长期之前实施叶面调控技术措施；农产品超标概率计算过程具体如下：
其中，πi为目标区域农产品历史超标率；μ为所有土壤监测指标均向量；∑为所有土壤监测指标协方差矩阵；当y＝0时模型结果为q(0)，当y＝1时模型结果为q(1)，农产品超标概率q计算公式具体如下：
进一步地，所述背景信息包括：目标区域地理位置、耕地类型、面积，农产品类型、产量、种植制度，已实施土壤治理修复技术措施种类、施用量、频率、治理修复效果等，所述治理修复效果包括土壤重金属降低率、农产品未超标率；
进一步地，所述择优选取为选取Pi-10≤Pi(历)≤Pi+10或P综-10≤P综(历)≤P综+10对应指数的技术类别；
进一步地，若Pi(历)和/或P综(历)未在范围内，则选取与所述Pi和/或P综最为接近的一个或多个Pi(历)和/或P综(历)；
进一步地，当最为接近的多个Pi(历)和/或P综(历)之间的差值小于等于5时，则选取多个，否则选取一个；
进一步地，若选取出的Pi(历)或P综(历)对应的技术类别一致，则直接选定该技术类别；若技术类别不一致，则选取修复治理效果最优的技术类别；
进一步地，所述农艺调控技术类别包括但不限于：肥料类型替代或调整、灌溉用水替换、作物类型替代、耕种方式调整；土壤调理技术类别包括但不限于：pH调节、土壤氧化还原调节、土壤吸附及沉淀调节；重金属钝化技术类别包括但不限于：添加海泡石、活性炭、蒙脱土、黏土矿物质；深度修复技术类别包括但不限于：客土、土壤淋溶、种植超富集植物；
进一步地，所述农艺调控、土壤调理、重金属钝化、深度修复四类土壤治理修复技术措施对应土壤污染程度由轻到重；
进一步地，所述土壤重金属监测指标的五种存在形态利用Tessier五步提取法进行测定；
进一步地，所述聚类方法包括但不限于：K-means聚类算法、层次聚类算法、SOM聚类算法、FCM聚类算法；
进一步地，所述空间界限包括但不限于：行政边界、地物边界(河流水系、公路铁路、房屋等)、海拔高度；
进一步地，所述农产品历史超标率为前一阶段农产品样品检测结果依据《食品安全国家标准食品中污染物限量》评价获得；所述关键生长期因农产品类型不同而时间点不同，如水稻的分蘖期、拔节抽穗期、灌浆期；所述叶面调控技术措施依据数据库内信息，确定喷施阻控剂及喷施浓度与频率；
本发明的一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，具有以下优点：
1.本发明在两次单元划分基础上开展后期土壤修复治理措施得筛选实施，依据单元特性进行针对性防治技术措施筛选实施，减少大面积实施同一技术措施的资源浪费，同时有效提升土壤质量，保障农产品安全；
2.本发明综合利用数据库信息，减少受污染耕地综合治理过程中样品检测、技术筛选等多过程的资金投入(约15％)和时间耗费(约25％)；
3.本发明在农产品各关键生长期进行超标概率计算及对应页面调控措施实施，进一步阻断重金属在农产品内的累积，保障人体健康。
附图说明
图1为一种受污染耕地综合治理及动态调控方法技术流程图；
图2为加密布点分布图；
图3为各单元污染主导因子示意图；
图4为各单元土壤污染指数示意图；
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
以R县为调控对象
1.数据库建立
(1)确定R县为目标区域，收集整理历史土壤及农产品监测信息；
(2)通过查阅文献、会议记录、新闻采访等方式获取土壤修复治理技术措施，并进行分类；
(3)收集整理历史研究区域已实施过土壤修复治理技术措施案例79个，并获取出各案例的单项污染指数及综合污染指数；
2.单元划分
(1)通过计算获得R县加密布点点位数量为118个，点均面积为120亩，采取均匀布点原则，获取点位信息(图2)，同时采集农产品及土壤样品，进行实验室检测，获取检测结果；
(2)以500亩为一个初始单元，按照从左往右，从上至下的原则，划分初始单元37个，分别计算各初始单元内土壤重金属监测指标的信息熵、相关系数、熵权系数及信息度；
(3)利用SPSS，对各初始单元内重金属监测指标的信息度进行聚类分析，将R县分为5个单元，选取各单元内>85％的重金属监测指标即为该单元的主要污染因子，见图3；
3.技术措施筛选实施
(1)计算各单元重金属污染指数，其中2、4、5三个单元为单项污染指数，1、3两个单元为综合污染指数；
(2)依据各单元土壤污染指数(图4)，确定2、3、4单元应选取重金属钝化技术，1单元应选取土壤调理技术，5单元应选取农艺调控技术；
(3)确定R县主要为水田，多种植水稻(品种均为糯RE)，且土壤为酸性土壤，主要为红壤；选取数据库内与R县土壤、农产品特征相似的土壤修复治理技术措施实施案例，各单元选取技术措施改善度最大的技术措施并实施；
4.动态调整
(1)各单元土壤修复治理技术措施实施完毕，计算加密布点的水稻超标率；
(2)下一季农产品(水稻)种植关键期之前，计算农产品超标概率，结果显示3单元水稻灌浆期之前农产品超标概率>50％，其余4个单元各阶段农产品超标概率均小于50％；
(3)依据3单元土壤、农产品特征及重金属污染指数，结合数据库历史研究区域的叶面调控技术措施改善度，选择喷施含硅的阻控剂(1g/L)，阻断重金属进入水稻籽粒。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (10)
1.一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)数据库建立
(1.1)明确目标区域重金属污染情况及背景信息；
所述目标区域重金属污染情况包括污染类型、污染指标、污染程度、污染范围，所述污染类型分别为土壤污染、农产品污染、土壤-农产品污染；所述污染指标包括土壤监测指标和农产品监测指标中的超标指标，所述土壤监测指标包括Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、pH、CEC、pE、SOM，农产品监测指标包括Cd、Hg、As、Pb、Cr；
(1.2)收集整理各类土壤治理修复技术措施，依据作用目标物及治理修复强度将所述土壤治理修复技术措施分为四大类技术类别：农艺调控、土壤调理、重金属钝化、深度修复；每类技术类别包括若干技术措施；
(1.3)收集整理已实施的各类土壤治理修复技术措施实施信息，所述土壤治理修复技术措施实施信息包括实施前、实施中、实施后三个阶段的数据；
(2)单元划分
(2.1)加密布点
(2.1.1)计算目标区域协同点位的最少布设数量，并采用均匀布点法、对角线布点法、梅花形布点法、棋盘式布点法、蛇形布点法中的一种或多种布点法进行点位布设并获取点位信息；点位数量计算公式如下：
其中，N为点位数量，t为T检验的通过阈值，m为容忍误差，Cv为变异系数，Cv＝σ/μ，σ和μ分别为目标区域内土壤监测指标的标准差和平均值；
(2.1.2)依据加密布点点位地理信息，进行协同样品采集，完成实验室检测，分别获取土壤及农产品检测结果；测定土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr五项重金属监测指标可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机态和残渣态五种存在形态的含量；
所述土壤监测指标与农产品监测指标同数据库监测指标一致；
(2.2)单元划分
(2.2.1)初始单元划分
基于加密布点的布点密度及点位分布情况，划分初始单元，所述初始单元内点位数量不低于2个；
(2.2.2)污染主因筛选
基于各初始单元内的土壤检测结果，计算各项重金属的信息熵、相关系数、熵权系数及信息度；信息熵Fi计算公式具体如下：
其中p(xi)为重金属监测指标i归一化后数值构成的矩阵；
相关系数公式具体如下：
其中q(xi)为除重金属监测指标i外的所有土壤监测指标归一化后数值构成的矩阵；熵权系数Wi具体公式如下：
其中k为重金属监测指标类型数量；
利用各初始单元内各项重金属监测指标的熵权系数及相关系数，依据线性回归模型分别获取对应系数ai，计算各项重金属监测指标信息度Vi，公式具体如下：
Vi＝aiWi+ri；
(2.2.3)聚类分区
依据目标区域内各初始单元的信息度Vi，进行聚类分析，并结合目标区域空间界限进行单元划定；各单元内信息度最大的1-3个重金属监测指标即为该单元污染主因；
(3)技术措施筛选实施
(3.1)目标区域污染指数计算
依据确定的各单元的受污染重金属监测指标，计算特定重金属监测指标i的单项污染指数Pi，计算公式具体如下：
其中Ci为特定重金属监测指标检测结果，Si为《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》中重金属监测指标i的农用地土壤污染风险筛选值；
若单元内污染重金属监测指标为多项，则综合污染指数P综计算公式具体如下：
其中P均为各项重金属监测指标的加权平均值
Pimax为单元内单项重金属监测指标的最大污染指数；
(3.2)数据库技术类别选取
基于数据库内治理修复技术措施类型及实施数据，计算历史研究区域各项修复治理技术类别的单项污染指数Pi历和综合污染指数P综历；基于目标区域各单元计算出的单项污染指数及综合污染指数，择优选取数据库内含有对应指数的技术类别；
(3.3)数据库技术措施改善度
依据筛选出的技术类别，确定历史研究区域的技术措施改善度cosθi，具体计算公式如下：
其中，S1为实施治理修复措施前某一特定重金属监测指标i对应的五种存在形态含量S1 i1、S1 i2、S1 i3、S1 i4、S1 i5所组成的矩阵，S2为实施治理修复措施后某一特定重金属监测指标i对应的五种存在形态含量S2 i1、S2 i2、S2 i3、S2 i4、S2 i5所组成的矩阵；
(3.4)技术措施实施
依据目标区域单元特征，选取实施技术措施改善度最大的对应技术措施；
(4)动态调整
各单元种植下一季农产品时，在农产品关键生长期进行协同样品采样及实验室检测，预测农产品超标概率q；当农产品超标概率>50％，则在下一关键生长期之前实施叶面调控技术措施；农产品超标概率计算过程具体如下：
其中，πi为目标区域农产品历史超标率；μ为所有土壤监测指标均向量；∑为所有土壤监测指标协方差矩阵；当y＝0时模型结果为q(0)，当y＝1时模型结果为q(1)，农产品超标概率q计算公式具体如下：
2.如权利要求1所述的一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，其特征在于，所述背景信息包括：目标区域地理位置、耕地类型、面积，农产品类型、产量、种植制度，已实施土壤治理修复技术措施种类、施用量、频率、治理修复效果，所述治理修复效果包括土壤重金属降低率、农产品未超标率。
3.如权利要求1所述的一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，其特征在于，所述择优选取为选取Pi-10≤Pi历≤Pi+10或P综-10≤P综历≤P综+10对应指数的技术类别。
4.如权利要求3所述的一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，其特征在于，若Pi历和/或P综历未在范围内，则选取与所述Pi和/或P综最为接近的一个或多个Pi历和/或P综历；当最为接近的多个Pi历和/或P综历之间的差值小于等于5时，则选取多个，否则选取一个；若选取出的Pi历或P综历对应的技术类别一致，则直接选定该技术类别；若技术类别不一致，则选取修复治理效果最优的技术类别。
5.如权利要求1所述的一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，其特征在于，所述农艺调控技术类别包括：肥料类型替代或调整、灌溉用水替换、作物类型替代、耕种方式调整；土壤调理技术类别包括：pH调节、土壤氧化还原调节、土壤吸附及沉淀调节；重金属钝化技术类别包括：添加海泡石、活性炭、蒙脱土、黏土矿物质；深度修复技术类别包括：客土、土壤淋溶、种植超富集植物。
6.如权利要求5所述的一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，其特征在于，所述农艺调控、土壤调理、重金属钝化、深度修复四类土壤治理修复技术措施对应土壤污染程度由轻到重。
7.如权利要求1所述的一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，其特征在于，所述土壤重金属监测指标的五种存在形态利用Tessier五步提取法进行测定。
8.如权利要求1所述的一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，其特征在于，所述聚类分析的方法包括：K-means聚类算法、层次聚类算法、SOM聚类算法、FCM聚类算法。
9.如权利要求1所述的一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，其特征在于，所述空间界限包括：行政边界、地物边界、海拔高度，所述地物边界包括河流水系、公路铁路、房屋。
10.如权利要求1所述的一种受污染耕地综合治理及动态调控方法，其特征在于，所述农产品历史超标率为前一阶段农产品样品检测结果依据《食品安全国家标准食品中污染物限量》评价获得；所述关键生长期因农产品类型不同而时间点不同，如水稻的分蘖期、拔节抽穗期、灌浆期；所述叶面调控技术措施依据数据库内信息，确定喷施阻控剂及喷施浓度与频率。
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