CN114062649B - 一种土壤污染趋势分析方法 - Google Patents

一种土壤污染趋势分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土壤污染趋势分析方法，包括以下步骤：S1、可比较点位筛选；S2、可比较数据建立：对步骤S1中采集的参考点位土壤样品中重金属含量进行测定，基于参考点位与历史调查中可比较点位的土壤重金属含量，构建两期调查的可比较数据集；S3、土壤污染变化速率计算：参考点位与可比较点位的土壤重金属含量变化速率计算；S4土壤污染趋势判定：根据土壤重金属含量变化速率的大小判断土壤污染变化趋势。本发明的土壤污染趋势分析方法通过建立不同调查项目间的可比较点位，构建可用于土壤污染状况趋势分析的可比较数据集，消除因不同项目间因土壤点位布设导致的数据集差异，为土壤污染状况时空分析等提供理论基础和科学依据。

Description

一种土壤污染趋势分析方法
技术领域
本发明涉及土壤污染分析技术领域，具体是涉及一种土壤污染趋势分析方法。
背景技术
土壤是由固体、液体、气体三相共同组成的复杂的多相体系，土壤固相包括矿物质、有机质和土壤生物，在固相物质之间为形状和大小不同的孔隙，孔隙中存在水分和空气，三相物质的相对含量，因土壤种类和环境条件而异，三相物质互相联系、制约，并且上与大气，下与地下水相连，构成一个完整的多介质多界面体系。
土壤环境调查是对土壤的组成分和物理、化学性质进行的定性、定量测定，是进行土壤生成发育、肥力演变、土壤资源评价、土壤改良和合理施肥研究的基础工作，也是环境科学中进行环境质量评价的重要手段。土壤污染受到人为活动和土壤背景值等多种因素影响。《土壤污染防治法》将土壤污染定义为“因人为因素导致某种物质进入陆地表层土壤，引起土壤化学、物理、生物等方面特性的改变，影响土壤功能和有效利用，危害公众健康或者破坏生态环境的现象”。然而，实际工作中往往难以区分土壤中污染物是来自于人为因素还是来自于自然背景。
我国对土壤环境状况的调查在许多机构或部门均开展过，但不同历史调查的调查目的、调查点位、调查技术方法、分析测试方法等存在差异。其中，土壤点位布设是影响不同调查的土壤监测数据可比性的关键因素。因此，虽然当前存在较为充足的土壤污染状况调查数据，但无法直接将多次调查所获得的土壤重金属数据纳入土壤污染状况趋势分析的基础数据集，无法真实的了解我国土壤环境状况的时空变化规律。
专利CN110969345A公开了一种基于土壤重金属污染途径分析的风险评估方法，包括如下步骤：步骤100、基于研究区历史数据确定被污染土壤重金属含量的空间分布并进行分区；步骤200、选择源项指标和评估指标，并根据源项指标和评估指标确定取样周期，持续获得源项指标和评估指标的监测数据，并基于监测数据进行处理获得预测数据；步骤300、基于神经网络法建立评估模型，并将预测数据输入评估模型内对研究区土壤的污染进行预测；该发明综合考量了各输入和输出项对土壤污染风险程度的影响，预测分析每个源项对土壤中重金属含量的贡献率和贡献趋势，基于累积趋势考量了不同重金属输入输出对土壤重金属累积及作物风险的影响。但是该方法缺乏对不同历史时期土壤污染的变化速率计算以及时空性分析。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种土壤污染趋势分析方法。
本发明的技术方案是：
一种土壤污染趋势分析方法，包括以下步骤：
S1、可比较点位筛选：
收集若干历史时期土壤污染状况调查数据，在本次待测土壤中设立参考点位，筛选参考点位周边1公里范围内相距最近的若干历史调查点位，对参考点位处土壤进行采集，若参考点位与筛选出的历史调查点位的土壤分类一致，则判定为一组可比较点位；
S2、可比较数据建立：
对步骤S1中采集的参考点位土壤样品中重金属含量进行测定，基于参考点位与历史调查中可比较点位的土壤重金属含量，构建两期调查的可比较数据集；
S3、土壤污染变化速率计算：
参考点位与可比较点位的土壤重金属含量变化速率计算：
Figure GDA0003604270100000021
式中：S为土壤重金属含量变化速率；C1为参考点位土壤重金属含量；C2为可比较点位中土壤重金属含量；T为档期调查与可比较点位开展年份的差值；
S4土壤污染趋势判定：
根据土壤重金属含量变化速率的大小判断土壤污染变化趋势，当S＞0时，表明土壤重金属含量上升；当S＜0时，表明土壤重金属含量下降。
进一步地，所述步骤S2中根据可比较数据集的数据分布情况选择合适的统计参数计算土壤重金属含量变化速率：
当可比较数据集分布服从正态分布时，选用算术平均值计算含量变化速率；
当可比较数据集分布服从对数正态分布时，采用几何平均值计算含量变化速率；
当可比较数据集分布既不服从正态分布也不服从对数正态分布，采用中位数含量变数速率。以尽可能消除因不同项目间因土壤点位布设导致的数据集差异。
进一步地，所述步骤S3中可比较点位为两组历史调查点位，C2为历史调查点位1或2的土壤重金属含量。以提高对土壤重金属含量变化率计算的精确度。
更进一步地，所述步骤S4中参考点位与历史调查点位1土壤重金属含量变化速率评价指标为S1，参考点位与历史调查点位2土壤重金属含量变化速率评价指标为S2，
当S2＞0、S1＞0、S1＜S2时，表明土壤重金属含量上升，且污染趋势持续加重；
当S2＞0、S1＞0、S1＜S2时，表明土壤重金属含量上升，但污染趋势初步遏制；
当S2＞0、S1＜0时，表明土壤重金属含量上升，但污染趋势初步遏制；
当S2＜0、S1＞0时，表明土壤重金属含量下降，但污染趋势可能反弹；
当S2＜0、S1＜0、S1＞S2时，表明土壤重金属含量下降，且污染趋势得到遏制；
当S2＜0、S1＜0、S1＜S2时，表明土壤重金属含量下降，且污染趋势得到遏制。
能够较准确地确定土壤重金属污染变化趋势。
进一步地，所述重金属含量为农用地土壤中镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍或锌中的一种或两种或两种以上的含量。涵盖了目前较常见的农业土壤污染主要重金属元素。
进一步地，所述步骤S1中采用网格布点法在农用地土壤布设采样点，调整网格间距使区域采样点数量达到50-150个，土壤样品采集时取0-20cm表层土壤。合理设置网格区间有利于提高采样检测精确度。
进一步地，所述步骤S4中还包括通过土壤污染变化速率计算单个元素的潜在生态指数Em以及重金属潜在生态风险综合指数RI，进而判断风险程度等级，具体计算公式如下：
单个元素的潜在生态指数
Figure GDA0003604270100000041
重金属潜在生态风险综合指数
Figure GDA0003604270100000042
其中，Qm为重金属元素m的生物毒性响应因子，Sm为对应金属元素的土壤重金属含量变化速率，n为历史调查点位的组数。用以评价土壤中重金属的风险程度。
更进一步地，所述Qm的取值具体为：镉＝30、汞＝40、砷＝10、铅＝5、铬＝2、铜＝2、镍＝5、锌＝1，针对不同重金属元素在土壤中的环境背景含量大小所确定。
优选地，所述单个元素的潜在生态指数Em和重金属潜在生态风险综合指数RI通过以下指标判断风险程度等级：
当Em＜4时，风险程度等级为轻微；
4≤Em＜8时，风险程度等级为中度；
8≤Em＜16时，风险程度等级为强；
16≤Em时，风险程度等级为极强；
当RI＜6时，风险程度等级为轻微；
6≤RI＜15时，风险程度等级为中度；
15≤RI＜30时，风险程度等级为强；
30≤RI时，风险程度等级为极强，风险程度等级越弱表明土壤污染趋势为减弱，风险程度等级越强表明土壤污染趋势为增强。更加清晰的反映土壤中重金属的污染趋势以及风险程度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的土壤污染趋势分析方法通过建立不同调查项目间的可比较点位，构建可用于土壤污染状况趋势分析的可比较数据集，以尽可能消除因不同项目间因土壤点位布设导致的数据集差异，从而为我国土壤污染状况调查和土壤环境状况时空分析等提供理论基础和科学依据，具有重大的应用价值和社会效益。
(2)本发明的土壤污染趋势分析方法通过计算单个元素的潜在生态指数Em以及重金属潜在生态风险综合指数RI能够更加清晰的反映土壤中重金属的污染趋势以及风险程度，结合不同重金属元素在土壤中的环境背景含量大小，对土壤重金属污染进行综合评价。
附图说明
图1是本发明的土壤污染趋势分析方法工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
一种土壤污染趋势分析方法，包括以下步骤：
S1、可比较点位筛选：
收集2组不同历史时期土壤污染状况调查数据，在本次待测土壤中设立参考点位，筛选参考点位周边1公里范围内相距最近的若干历史调查点位，对参考点位处土壤进行采集，若参考点位与筛选出的历史调查点位的土壤分类一致，则判定为一组可比较点位，分类即土壤分类，包括砖红壤、赤红壤、黄棕壤、灰黑土等；重金属为农用地土壤中镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍和锌，采用网格布点法在农用地土壤布设采样点，调整网格间距使区域采样点数量达到100个，土壤样品采集时取10cm表层土壤；
S2、可比较数据建立：
对步骤S1中采集的参考点位土壤样品中重金属含量进行测定，基于参考点位与历史调查中可比较点位的土壤重金属含量，构建两期调查的可比较数据集；
根据可比较数据集的数据分布情况选择合适的统计参数计算土壤重金属含量变化速率：
当可比较数据集分布服从正态分布时，选用算术平均值计算含量变化速率；
当可比较数据集分布服从对数正态分布时，采用几何平均值计算含量变化速率；
当可比较数据集分布既不服从正态分布也不服从对数正态分布，采用中位数含量变数速率；
S3、土壤污染变化速率计算：
参考点位与可比较点位的土壤重金属含量变化速率计算：
Figure GDA0003604270100000061
式中：S为土壤重金属含量变化速率；C1为参考点位土壤重金属含量；C2为可比较点位中土壤重金属含量；T为档期调查与可比较点位开展年份的差值；
可比较点位为两组历史调查点位，C2为历史调查点位1或2的土壤重金属含量；
S4土壤污染趋势判定：
根据土壤重金属含量变化速率的大小判断土壤污染变化趋势，当S＞0时，表明土壤重金属含量上升，当S＜0时，表明土壤重金属含量下降；
参考点位与历史调查点位1土壤重金属含量变化速率评价指标为S1，参考点位与历史调查点位2土壤重金属含量变化速率评价指标为S2，
当S2＞0、S1＞0、S1＜S2时，表明土壤重金属含量上升，且污染趋势持续加重；
当S2＞0、S1＞0、S1＜S2时，表明土壤重金属含量上升，但污染趋势初步遏制；
当S2＞0、S1＜0时，表明土壤重金属含量上升，但污染趋势初步遏制；
当S2＜0、S1＞0时，表明土壤重金属含量下降，但污染趋势可能反弹；
当S2＜0、S1＜0、S1＞S2时，表明土壤重金属含量下降，且污染趋势得到遏制；
当S2＜0、S1＜0、S1＜S2时，表明土壤重金属含量下降，且污染趋势得到遏制。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S1中重金属污染元素不同。
重金属污染指标为农用地土壤中的铅。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S1中重金属污染元素不同。
重金属污染指标为农用地土壤中的铅和铬。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S1中采样点数量不同。
调整网格间距使区域采样点数量达到50个。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S1中采样点数量不同。
调整网格间距使区域采样点数量达到150个。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S1中采集的土壤样本深度不同。
土壤样品采集时取0cm表层土壤。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：步骤S1中采集的土壤样本深度不同。
土壤样品采集时取20cm表层土壤。
实施例8
本实施例在实施例1的基础上提供了单个元素的潜在生态指数Em以及重金属潜在生态风险综合指数RI。
步骤S4中还包括通过土壤污染变化速率计算单个元素的潜在生态指数Em以及重金属潜在生态风险综合指数RI，进而判断风险程度等级，具体计算公式如下：
单个元素的潜在生态指数
Figure GDA0003604270100000081
重金属潜在生态风险综合指数
Figure GDA0003604270100000091
其中，Qm为重金属元素m的生物毒性响应因子，Sm为对应金属元素的土壤重金属含量变化速率，n为历史调查点位的组数，Qm的取值具体为：镉＝30、汞＝40、砷＝10、铅＝5、铬＝2、铜＝2、镍＝5、锌＝1；
单个元素的潜在生态指数Em和重金属潜在生态风险综合指数RI通过以下指标判断风险程度等级：
当Em＜4时，风险程度等级为轻微；
4≤Em＜8时，风险程度等级为中度；
8≤Em＜16时，风险程度等级为强；
16≤Em时，风险程度等级为极强；
当RI＜6时，风险程度等级为轻微；
6≤RI＜15时，风险程度等级为中度；
15≤RI＜30时，风险程度等级为强；
30≤RI时，风险程度等级为极强，风险程度等级越弱表明土壤污染趋势为减弱，风险程度等级越强表明土壤污染趋势为增强。
实验例
本实验例以实施例8为例，以重庆市某县为实验区，对该区域土壤重金属污染状况趋势分析进行实施验证。本实验例的具体步骤如下：
(1)可比较点位筛选：
按照代表性原则、均匀性原则、典型性原则的要求进行采样方案的采样点布设。土壤的采集采样点均匀分布在研究区域内并采用GPS进行样点定位。土壤样品放入聚乙烯袋包装后带回实验室，对土壤重金属含量进行测定。如表1所示，本实例共采集到107个土壤重金属样品，同时收集到两期历史调查数据，分别包括102和104个土壤重金属数据。历次调查土壤重金属含量统计见表1。
表1重庆市某县历次调查土壤重金属含量统计
Figure GDA0003604270100000101
注：含量表征为算术平均值(最小值-最大值)，下同
以本次调查土壤为参考点位，筛选参考点位周边1公里范围内相距最近的若干历史调查点位，若参考点位与筛选出的历史调查点位的土壤分类一致，则判定为一组可比较点位。如表2所示，本次分析共收集两期的可比较点位。其中，本次调查与历史调查1的可比较点位共35个，本次调查本次调查与历史调查2的可比较点位共44个。
表2重庆市某县历次调查可比较点位统计
Figure GDA0003604270100000102
(2)可比较数据集建立：
基于参考点位与历史调查中可比较点位的土壤重金属含量，分别构建两期调查的可比较数据集。
表3重庆市某县历次调查可比较点位土壤重金属含量统计
Figure GDA0003604270100000111
(3)土壤污染变化速率计算
两组可比较数据集分布均服从正态分布时(Kolmogorov–Smirnov>0.05)，因此选用算术平均值计算含量变化速率。参考点位与历史调查点位1土壤重金属含量变化速率评价指标为S1，参考点位与历史调查点位2土壤重金属含量变化速率评价指标为S2。土壤重金属含量变化速率计算结果见表4。
表4重庆市某县历次调查可比较点位土壤重金属含量统计
Figure GDA0003604270100000112
Figure GDA0003604270100000121
(4)土壤污染趋势判定
根据土壤重金属含量变化速率的大小判断土壤各元素的污染变化趋势。
土壤重金属Ni、Zn和Cr含量近10年土壤污染变化速率大于0，且近5年土壤污染物变化速率大于近10年，则认为土壤污染物的含量持续增长，且近年来土壤污染物增量呈现上升趋势，则认为当前和今后一个时期土壤污染趋势可能呈现持续加重的态势。
E1 Cr＝3.965风险程度轻微，E2 Cr＝10.74风险程度强，RICr＝14.705风险程度中度；
E1 Ni＝8.885风险程度强，E2 Ni＝9.78风险程度强，RINi＝18.665风险程度强；
E1 Zn＝0.3785风险程度轻微，E2 Zn＝4.926风险程度中度，RIZn＝5.3045风险程度轻微；
土壤重金属Cd、Pb和Cu含量近10年土壤污染变化速率大于0，且近5年土壤污染物变化速率小于近10年，则认为土壤污染物的含量持续增长，但近年来土壤污染物的增量呈现下降趋势，即当前和今后一个时期土壤污染加重趋势得到初步遏制。
E1 Cd＝0.51风险程度轻微，E2 Cd＝0.03风险程度轻微，RICd＝0.54风险程度轻微；
E1 Pb＝20.475风险程度极强，E2 Pb＝2.5425风险程度轻微，RIPb＝23.0175风险程度强；
E1 Cu＝3.453风险程度轻微，E2 Cu＝2.594风险程度轻微，RICu＝6.047风险程度中度；
土壤重金属Hg、As含量近10年土壤污染变化速率小于0，但近5年土壤污染变化速率大于近10年，则认为尽管与10年前相比土壤污染物含量与有所下降，但近年来土壤污染物含量下降的趋势正在减少或是呈现含量增加的态势，即当前和今后一个时期土壤污染物含量存在增加的可能，污染趋势存在反弹的风险。
E1 Hg＝-1.06风险程度轻微，E2 Hg＝1.48风险程度轻微，RIHg＝0.42风险程度轻微；
E1 As＝-2.505风险程度轻微，E2 As＝-1.57风险程度轻微，RIAs＝4.075风险程度轻微。

Claims (7)

1.一种土壤污染趋势分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、可比较点位筛选：
收集若干历史时期土壤污染状况调查数据，在本次待测土壤中设立参考点位，筛选参考点位周边1公里范围内相距最近的若干历史调查点位，对参考点位处土壤进行采集，若参考点位与筛选出的历史调查点位的土壤分类一致，则判定为一组可比较点位；
S2、可比较数据建立：
对步骤S1中采集的参考点位土壤样品中重金属含量进行测定，基于参考点位与历史调查中可比较点位的土壤重金属含量，构建两期调查的可比较数据集；
S3、土壤污染变化速率计算：
参考点位与可比较点位的土壤重金属含量变化速率计算：
Figure 201316DEST_PATH_IMAGE001
式中：S为土壤重金属含量变化速率；C1为参考点位土壤重金属含量；C2为可比较点位中土壤重金属含量；T为档期调查与可比较点位开展年份的差值；
可比较点位为两组历史调查点位，C2为历史调查点位1或2的土壤重金属含量；
S4土壤污染趋势判定：
根据土壤重金属含量变化速率的大小判断土壤污染变化趋势，当S＞0时，表明土壤重金属含量上升；当S＜0时，表明土壤重金属含量下降；
参考点位与历史调查点位1土壤重金属含量变化速率评价指标为S1，参考点位与历史调查点位2土壤重金属含量变化速率评价指标为S2，
当S2＞0、S1＞0、S1＜S2时，表明土壤重金属含量上升，且污染趋势持续加重；
当S2＞0、S1＞0、S1＞S2时，表明土壤重金属含量上升，但污染趋势初步遏制；
当S2＞0、S1＜0时，表明土壤重金属含量上升，但污染趋势初步遏制；
当S2＜0、S1＞0时，表明土壤重金属含量下降，但污染趋势可能反弹；
当S2＜0、S1＜0、S1＞S2时，表明土壤重金属含量下降，且污染趋势得到遏制；
当S2＜0、S1＜0、S1＜S2时，表明土壤重金属含量下降，且污染趋势得到遏制。
2.根据权利要求1所述的一种土壤污染趋势分析方法，其特征在于，所述步骤S2中根据可比较数据集的数据分布情况选择合适的统计参数计算土壤重金属含量变化速率：
当可比较数据集分布服从正态分布时，选用算术平均值计算含量变化速率；
当可比较数据集分布服从对数正态分布时，采用几何平均值计算含量变化速率；
当可比较数据集分布既不服从正态分布也不服从对数正态分布，采用中位数含量变数速率。
3.根据权利要求1所述的一种土壤污染趋势分析方法，其特征在于，所述重金属含量为农用地土壤中镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍或锌中的一种或两种或两种以上的含量。
4.根据权利要求1所述的一种土壤污染趋势分析方法，其特征在于，所述步骤S1中采用网格布点法在农用地土壤布设采样点，调整网格间距使区域采样点数量达到50-150个，土壤样品采集时取0-20cm表层土壤。
5.根据权利要求1所述的一种土壤污染趋势分析方法，其特征在于，所述步骤S4中还包括通过土壤污染变化速率计算单个元素的潜在生态指数Em以及重金属潜在生态风险综合指数RI，进而判断风险程度等级，具体计算公式如下：
单个元素的潜在生态指数：
Figure 554937DEST_PATH_IMAGE002
重金属潜在生态风险综合指数：
Figure 556391DEST_PATH_IMAGE003
其中，Qm为重金属元素m的生物毒性响应因子，Sm为对应金属元素的土壤重金属含量变化速率，n为历史调查点位的组数。
6.根据权利要求5所述的一种土壤污染趋势分析方法，其特征在于，所述Qm的取值具体为：镉=30、汞=40、砷=10、铅=5、铬=2、铜=2、镍=5、锌=1。
7.根据权利要求5所述的一种土壤污染趋势分析方法，其特征在于，所述单个元素的潜在生态指数Em和重金属潜在生态风险综合指数RI通过以下指标判断风险程度等级：
当Em＜4时，风险程度等级为轻微；
4≤Em＜8时，风险程度等级为中度；
8≤Em＜16时，风险程度等级为强；
16≤Em时，风险程度等级为极强；
当RI＜6时，风险程度等级为轻微；
6≤RI＜15时，风险程度等级为中度；
15≤RI＜30时，风险程度等级为强；
30≤RI时，风险程度等级为极强，风险程度等级越弱表明土壤污染趋势为减弱，风险程度等级越强表明土壤污染趋势为增强。
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