CN114444252B - 基于环境容量及自然消减模型的土壤环境承载力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于环境容量及自然消减模型的土壤环境承载力计算方法，用以精细化定量评价土壤污染环境承载力，该方法基于敏感受体土壤污染风险阈值，计算土壤环境容量；利用污染物环境多介质传输模型模拟环境污染物在土壤中的输入通量；利用污染物土壤多界面分配模型模拟污染物在土壤中固‑液‑气三相中的自然消解过程；并借鉴生态学生物承载力的概念，建立土壤环境承载力定量估算方法；本发明的方法克服了现有土壤污染环境承载力估算方法的主观性和粗略性，和现有评价方法相比，本方法过程透明、参数定量、计算精细，结果具有客观性和科学性，为土壤污染环境承载力精细化估算提供了新的研究思路和技术方法。

Description

基于环境容量及自然消减模型的土壤环境承载力计算方法

技术领域

本发明属于土壤承载力计算技术领域，具体是涉及基于环境容量及自然消 减模型的土壤环境承载力计算方法。

背景技术

随着城市化和工业化过程的加快，土壤环境日益恶化，土壤污染问题已经 引起了社会的高度关注。土壤污染环境承载力指在一定时间和空间范围内，在 维持土壤环境系统结构和功能不发生改变的前提下，土壤单元所能承受的人类 活动规模和强度的阈值。因此，土壤环境承载力可以作为社会、经济发展的安 全阈值，土壤污染环境承载力研究是“土十条”中加强土壤污染防治基础研究的 重要内容。

然而，由于环境承载力的概念广泛，具有动态变化性、区域异质性和影响 因素复杂性，评价内容涵盖了区域污染物产排污、土壤污染物输入和输出、土 壤污染风险等多个不同尺度及维度的过程模拟及定量计算模型，导致土壤环境 承载力研究内容及定量评价难以做到系统性和全面性。其中，现有的土壤环境 容量通常采用土壤环境质量标准与土壤污染现状相减的方法，缺乏对土壤污染 风险阈值随着土地利用类型和土壤类型的空间异质性而发生变化的考虑。此 外，目前承载力估算的方法仅对土壤污染物的承载量(动态土壤环境容量)进 行了估算，或者仅采用综合指数法对社会、经济和人口等参数进行定性评估， 缺乏针对不同土地利用类型的敏感受体的人类活动规模和强度的综合定量化计 算。

由此可见，由于现有的土壤环境承载力估算方法缺乏空间异质性及对人类 活动规模、强度的定量化和标准化计算方法，导致估算结果缺乏精准性及对实 际土壤环境管理的指导性。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了基于环境容量及自然消减模型的土壤 环境承载力计算方法。

本发明的技术方案是：基于环境容量及自然消减模型的土壤环境承载力计 算方法，具体包括以下步骤：

(1)土壤污染现状调查、污染物源解析及排放清单分析

通过评估区域空间布点采样调查，获得污染物含量空间分布特征，采用 PMF受体模型，解析各个污染物来源及比例，查阅文献，调查并收集场地土壤 污染物的排放清单，获得各个来源中目标污染物的排放强度；

(2)土壤污染风险敏感受体识别及风险阈值确定

选择区域生态安全、农产品安全、地下水安全或人体健康安全的风险受 体，根据敏感风险受体选取相应的风险阈值C_r，同时确定土壤污染风险阈值C_r的空间分布；

(3)土壤污染环境容量计算

土壤环境容量根据公式计算：

Q＝10^-6.M·(C_r-C_i) (1)

式(1)中，Q为土壤环境容量(kg/hm²)，M为单位面积评估层土壤质量 (kg/hm²)，C_r为土壤污染物风险阈值(mg/kg)，C_i为土壤污染含量 (mg/kg)；

当Q＜0时，表明污染物在土壤环境单元内已经超过了其可容纳污染物的 最大负荷量，土壤不具备环境承载力，评估过程结束，建议尽快启动土壤修复 的程序。

当Q＞0时，表明土壤仍然具有可以容纳污染物的能力，执行步骤(4)；

(4)土壤污染物输入通量估算

基于场地土壤污染物源解析结果和排放清单，定期采集污染物不同输入过 程的介质样本，或采用污染物环境多介质传输模型定量计算土壤污染物输入通 量G；

(5)土壤污染物自然消减量计算

采用土壤包气带及地下水污染物迁移转化模型，进行土壤污染物在包气带 及地下水中的自然消减过程模拟，通过模型模拟分别定量计算污染物通过植物 吸收、降解、挥发、淋溶和固定在包气带和地下水中的浓度C_N；

(6)土壤污染物环境承载量计算

类比生态学承载力公式，单位时间内土壤污染物环境承载量的计算公式 为：

式(2)中，SECQ为土壤环境承载量(kg/hm²)，i为第i种土地利用类 型，t为污染物累积时间，Q_i为空间单元单位面积评估层土壤环境容量 (kg/hm²)，G_i，t为单位时间内土壤污染物输入量(kg/hm²)，M为单位面积评 估层土壤质量(kg/hm²)，CN_t为单位时间内土壤污染物自然消减浓度 (mg/kg)；

(7)土壤污染物承载力定量评价

定量评估区域的土壤环境承载力，包括土壤环境承载力和土壤的环境承载 量负荷指数，其中，土壤环境承载力用以表征土壤能够承受的人类活动的规模 与强度，土壤的环境承载量负荷指数，用以表征土壤承载量的负荷强度。

进一步地，所述步骤(4)中污染物环境多介质传输模型为排放因子模型。

进一步地，所述步骤(5)中，包气带层污染物运移模型为HYDRUS-1D， 地下水污染物迁移模型VisualMODFLOW，通过具体的定量计算模型，可避免 采用综合指数进行定型评估而造成估算结果缺乏精准性。

进一步地，所述步骤(5)中以包气带层污染物运移模型HYDRUS-1D耦 合地下水污染物迁移模型Visual MODFLOW模拟土壤污染物在包气带及地下水 中的自然消减过程模拟，为土壤污染物自然消减量的确定提供精细化的方法。

进一步地，所述包气带-地下水在时间和空间交互作用的具体过程为：首 先，VisualMODFLOW从空间上将研究区离散成多个栅格，然后根据土壤水力 学性质、地质结构将栅格分成不同的区域；其次，通过HYDRUS-1D模型对Z 方向进行离散，将HYDRUS-1D的一个土壤剖面对应VisualMODFLOW中这些 区域里的每一个栅格，由此实现空间上的耦合；此外，耦合的HYDRUS- MODFLOW模型在水流、溶质输入时还需要在时间步骤上进行调整， HYDRUS-1D的多个时间步骤组合成VisualMODFLOW的一个应力期，即 VisualMODFLOW的输入需要根据它的输入时间步骤利用HYDRUS-1D每个剖 面的下边界输出来计算得到，通过以HYDRUS-1D耦合VisualMODFLOW过程 对土壤污染物自然消减量进行模拟并定量化计算，增加土壤环境承载力定量评 价的系统性和完整性。

进一步地，其特征在于，模型中的参数采用野外监测、文献资料收集、数 据库及计算软件获得，通过多种渠道获取参数，增加计算精确性。

进一步地，所述计算软件为EPISuiteTM软件。

进一步地，所述步骤(7)中，土壤环境承载力用以表征土壤能够承受的人 类活动的规模与强度，其函数表达形式为

P＝F(SECQ,I,A,D,T) (3)

式(3)中，P为剩余(可负载)的为对污染物排放有贡献的工业、农业、 日常生活和交通的规模和强度，SECQ为区域土壤环境承载量(kg/hm²)，I， A，D，T分别为对污染物排放有贡献的工业、农业、日常生活和交通的规模和 强度。

进一步地，所述步骤(7)中，土壤的环境承载量负荷指数的计算过程为：

式(4)中，SECQX_i为评估区域第i个土地利用方式地块的承载量负荷指 数，SECQ_i为评估区域第i个土地利用方式地块的承载量，Q_i为第i个土地利用 方式地块的土壤环境容量；

当SECQX_i＞1时，区域土壤环境承载量高于土壤环境容量，污染物在估算 时间内的输入量低于土壤的自然消减量，表明污染物输入通量并未影响土壤环 境承载力；

当0＜SECQX_i≤1时，区域土壤环境承载量低于土壤环境容量，污染物在估 算时间内的输入量超过了土壤自然消减量，但累积量低于土壤环境容量，表明 土壤对当前的污染物排放强度仍然具有一定的承载能力；

当SECQXi≤0时，区域土壤环境承载量为负，污染物输入通量超过了土壤 自然消减量，且累积量已经高于土壤环境容量，表明土壤对污染物排放已经不 再具有承载能力，需要采取提高土壤承载量负荷的措施。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

本发明的方法耦合了基于土壤污染物风险阈值的环境容量计算方法及土壤 自然消减定量计算方法，用以精细化定量评价土壤污染环境承载力，该方法基 于敏感受体土壤污染风险阈值，计算土壤环境容量；利用污染物环境多介质传 输模型模拟环境污染物在土壤中的输入通量；利用污染物土壤多界面分配模型 模拟污染物在土壤中固-液-气三相中的自然消解过程；并借鉴生态学生物承载 力的概念，建立土壤环境承载力定量估算方法；本发明的方法克服了现有基于 压力-胁迫-响应(P-S-R)模型法、环境容量校正系数法、污染负荷指数法等土 壤污染环境承载力估算方法的主观性和粗略性，和现有评价方法相比，本方法 过程透明、参数定量、计算精细，结果具有客观性和科学性，为土壤污染环境 承载力精细化估算提供了新的研究思路和技术方法。

附图说明

图1是本发明的实施例2中林草地土壤对应的PMF模型解析的各元素的源 贡献率；

图2是本发明的实施例2中农业用地土壤对应的PMF模型解析的各元素的 源贡献率。

具体实施方式

选择湖南省衡阳市某铜矿冶炼厂周边区域土壤作为研究对象，厂址周边主 要土地利用类型为农用地，土地经营模式为多为家户经营，每块农用地面积 100～1000000m²不等。以下实施例是以铜矿冶炼厂为中心，选取厂区周边半径 2km范围(约18.8km²)作为研究区，在研究区内不同的空间位置和距离随机布 设27个调查样点。调查样点涉及了林草地(自然植被)与农业用地两种土地类 型，其中林草地面积约为14.9km²，农业用地面积约为3.95km²。农业用地中包 括不同作物类型，主要为薯类、叶菜类和茄果类等蔬菜作物，以及水稻田。以 下实施例以Cd和Pb为例，分别估算该冶炼场地退役和在役两种情景下土壤污染物环境承载量，并进行土壤污染环境承载力的定量评价。

实施例1

本实施例是以上述冶炼厂为退役场地时的情景进行估算的，本退役场地区 域近年来采取了一系列综合环境整治措施，厂区于2015年关停了主要冶炼部 门，仅留下了采矿和选矿工程，区域环境质量整体上有了极大改善，但仍然需 要进一步监测，该实施例的土壤污染环境承载力具体评估过程为：

(1)土壤污染现状调查、污染物源解析及排放清单分析

通过对场地及周边进行布点采样，采集农作物及土壤样品，分析样品Cd 和Pb的含量；实地走访厂区及研究区，调查研究区内人类活动的重金属排放情 况，收集研究区社会、经济、人口数据；调查结果显示，如今厂区近年采选矿 量为2500～7500t/a；冶炼厂关停后，研究区现仅余常住居民约200人；因此， 本实施例研究区污染的人类活动来源主要包括矿产采选、日常生活和农业活 动；

(2)土壤污染风险敏感受体识别及风险阈值确定

参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618-2018)的 污染元素风险管控值，根据土壤pH范围，土壤Cd的农产品风险管控值范围为 1.5～3mg/kg，所有样点Cd实测值均高于对应的风险管控值；土壤Pb的农产品 风险管控值范围为400～1000mg/kg，部分样点(25％)土壤Pb高于管控制；

(3)土壤污染环境容量计算

根据公式(1)，分别选择生态风险阈值和农产品风险阈值计算林草地和农 业用地土壤环境容量；

A1：林草地土壤环境容量

A11：Cd的环境容量：基于土壤Cd的生态风险阈值，林草地土壤Cd的环 境容量范围为19.6～43.0kg/hm²，区域土壤Cd的平均环境容量Q_{林草地，cd}为 31.2kg/hm²，该土地利用类型下，土壤环境仍然具有可以容纳污染物Cd的能 力。本案例将选用该环境容量作为计算林草地土壤Cd的环境承载量的依据；

A12：Pb的环境容量：基于土壤Pb的生态风险阈值，林草地土壤Pb的环 境容量范围为993～24883kg/hm²，区域土壤Pb的环境容量Q_{林草地，Pb}为 8870kg/hm²，该土地利用类型下，土壤环境仍然具有可以容纳污染物Pb的能 力。本案例将选用该环境容量作为计算林草地土壤Pb的环境承载量的依据；

A2：农业用地土壤环境容量

A21：Cd的环境容量：基于农产品质量的土壤Cd的安全阈值，土壤Cd的 环境容量范围为-58.8～-2.88kg/hm²，区域土壤Cd的环境容量Q_{农业用地，cd}为- 24.0kg/hm²。土壤Cd的环境容量Q_cd均小于0，表明Cd在多数农业用地土壤环 境单元内已经超过了其可容纳污染物的最大负荷量，建议尽快启动农业用地土 壤Cd修复的程序，如下步骤将不再讨论农业用地土壤的Cd承载力；

A22：Pb的环境容量：基于农产品质量的土壤Pb的安全阈值，土壤Pb的 环境容量范围为-1836～1149kg/hm²，研究区内土壤Pb的环境容量Q_{农业用地，Pb}为174kg/hm²。因此，土壤仍然具有可以容纳污染物的能力。本案例将选用该 环境容量作为计算农业用地土壤Pb的环境承载量的依据；

(4)土壤污染物输入通量估算

根据步骤(1)中土壤重金属的不同输入方式，估算土壤污染物输入通量， 即根据步骤(1)的调查结果，厂区及附近的铜矿采矿选矿工业活动排放的重金 属污染物主要通过大气沉降的方式进入土壤；日常生活产生的重金属主要通过 生活垃圾的形式进入土壤；农业活动产生重金属污染物主要通过农田灌溉与肥 料施用的方式进入(仅农业用地)土壤；

基于质量守恒原则，分别计算不同输入方式下土壤重金属的输入通量，根 据重金属Cd和Pb主要输入方式，在2019年7月至2020年6月，分别采集了 场地周边区域大气沉降样品和不同农作物灌溉水样品，分析不同土地利用类型 下(林草地与农业用地)土壤样品中不同重金属浓度；根据本地居民的生活方 式与居民总人数，估算居民生活的Cd和Pb排放通量；明确农用地的不同农作 物灌溉时间、灌溉水量、肥料施用量和肥料重金属Pb含量；分别计算土壤重金 属的年输入总通量(G)以及不同输入方式的贡献比例；

B1：工业活动污染物输入通量G_I

工业活动(大气沉降)的重金属年输入通量G_I计算公式为

式(5)中，G_I为大气沉降重金属的年输入通量(g/hm²·a)，C_I为大气沉 降样品中的重金属浓度，V_I为大气沉降灌中样品体积(L)，S为沉降罐的底面 积(cm²)，i为采集的月份，n为采集的总周期，n＝12；

通过计算可知，2019-2020年度场地周边Cd的大气沉降通量G_I，Cd为 103g/hm²·a；Pb的大气沉降通量G_I，Pb为1380g/hm²·a；

B2：居民生活污染物排放通量G_H

根据文献资料，基于我国典型村镇生活习惯和排放水平，我国典型村镇人 日均生活垃圾为1kg，生活垃圾中Cd含量为3.36mg/kg。Pb含量为 21.8mg/kg。根据当前研究区人数，假设10％的生活垃圾最终进入周边土壤，研 究区内Cd的日常生活的年输入通量G_H，Cd约为

研究区Pb的日常生活的年输入通量G_H，Pb约为：

B3：业活动污染物放通量G_A(仅考虑Pb在农业用地土壤的输入通量)

B3：灌溉水的重金属Pb输入通量G_irr计算公式为

式(6)中，G_irr为灌溉水中重金属的年输入通量(g/hm²·a)，C_irr为灌溉 水中重金属浓度(μg/L)，V_irr为灌溉用水量(L/hm²)，。按照当地不同作物 的常规种植方式与种植习惯，仅采集不同作物种植周期期间的灌溉水样品，调 查作物种植周期的需水量。i为灌溉的月份，n为作物的灌溉总周期；研究区内 农用地土壤Pb的灌溉年输入通量G_irr，Pb范围为0～5.90g/hm²·a，平均值为 20g/hm²·a；

B32：肥料中的重金属输入通量G_F为各肥料重金属含量与其施用量的乘积 求和，公式为：

G_F＝∑G_F，i·M_F，i×10^-3 (7)

式(7)中，G_F为肥料重金属的年输入通量(g/hm²·a)，即不同肥料的年 施用总量；i为不同肥料类别，按照当地不同作物的常规种植方式与种植习惯， 当地施用的肥料类别主要为有机肥和复合肥，C_F，i为某种肥料中的浓度 (mg/kg)，M_F，i为该肥料单位面积的年施用量(kg/hm²·a)；研究区内不同作 物类型下，土壤Pb的施肥年输入通量G_F，Pb范围为10.1～40.4g/hm²·a，平均值 为16.6g/hm²·a。；

因此，研究区(仅农业用地)土壤Pb的农业活动污染物排放通量G_A，Pb平 均值为17.8g/hm²·a；

综上，研究区不同土地利用类型如下：

林草地：

土壤Cd年输入通量G_{林草地，Cd}为103g/hm²·a，不同输入方式下，工业排放 G_I，Cd为103g/hm²·a，约占总通量的99.9％以上，日常生活排放G_H，Cd仅为 0.0130g/hm²·a，约占总通量的0.0001％，可忽略不计；

土壤Pb年输入通量G_{林草地，Pb}为1380g/hm²·a，不同输入方式下，工业排 放G_I，Pb为1380g/hm²·a，约占总通量的99.9％以上，日常生活排放G_H，Pb仅为 0.0846g/hm²·a，约占总通量的比例为0.000126％，可忽略不计；

农业用地：

土壤Pb年输入总通量G_{农业用地，Pb}为1398g/hm²·a，不同输入方式下，工业 排放G_I，Pb为1380g/hm²·a，约占总通量的98.7％，农业活动排放(灌溉与施 肥)G_A，Pb为17.8g/hm²·a，约占总通量的1.27％，日常生活G_H，Pb仅为 0.0846g/hm²·a，约占总通量的的0.00006％，可忽略不计；

(5)土壤污染物自然消减量计算

根据HYDRUS-1D和VisualMODFLOW模拟未来十年不同土地利用类型下 各点位土壤污染物自然消减过程，预测土壤重金属植物吸收、淋溶和土壤固定 的污染物浓度

C1：林草地

Cd在土壤固定的浓度G_{林草地，CN，Cd}范围为0.00458～28.2mg/kg，区域内土 壤固定浓度为5.28mg/kg；

Pb在土壤固定的浓度G_{林草地，CN，Pb}范围为47.1～2850mg/kg，区域内土壤 固定浓度为651mg/kg；

C2：农业用地

Pb在土壤固定的浓度G_{农业用地，CN，Pb}范围为64.5～1516mg/kg，区域内土壤 固定浓度为447mg/kg；

(6)土壤污染物环境承载量计算

根据公式(2)，定量计算研究区未来估算时间(10年)，不同土地利用 类型下土壤污染物环境承载量(SECQ)。基于污染物不同输入方式的贡献比 例，计算研究区土壤环境承载量；

D1：林草地

土壤Cd的环境承载量SECQ_{林草地，Cd}为40.4kg/hm²，其中，工业排放的环 境承载量SECQ_{林草地，I，Cd}为40.4kg/hm²，日常生活的环境承载量SECQ_{林草地，H，Cd}为0.0000404kg/hm²；

土壤Pb的环境承载量SECQ_{林草地，Pb}为8760kg/hm²；其中，工业排放的环 境承载量SECQ_{林草地，I，Pb}为8760kg/hm²，日常生活的环境承载量SECQ_{林草地，H，Pb}为0.0110kg/hm²；

D2：农业用地

土壤Pb的环境承载量SECQ_{农业用地，Pb}为1165kg/hm²；其中，工业排放的 环境承载量SECQ_{农业用地，I，Pb}为1150kg/hm²，农业生产的环境承载量SECQ_{农业用地，A，Pb}为14.8kg/hm²，日常生活的环境承载量SECQ_{农业用地，H，Pb}为 0.0000699kg/hm²；

(7)土壤污染物承载力定量评价

按照研究区内现有工业采选规模，根据现有污染物不同输入方式的贡献比 例，估算不同土地利用类型未来10年的环境承载力；

E1：林草地

E11：Cd的承载力：根据当前工业生产排放强度，研究区林草地土壤十年 内可以容纳的Cd的工业排放承载量SECQ_{林草地，I，Cd}(40.4kg/hm²)约为当前排 放通量G_I，Cd(1.03kg/(hm²·10a))的39.2倍，因此，研究区林草地土壤Cd的承 载力能够承受矿区现有的工业采选规模，理论上最高可以承受294000t/a铜矿的 采选规模；

除去矿区现有的工业采选规模的环境压力外，基于我国典型村镇生活习惯 和排放水平，余下的土壤Cd的承载力(39.4kg/hm²)在未来10年内仍可承受 足够大的居民生活中Cd的排放压力，此用地类型能够容纳相当人数的村镇规 模；

根据公式(4)计算林草地土壤Cd的环境承载力指数

研究区林草地土壤Cd的环境承载力指数大于1，表明Cd在单位时间的输 入量低于土壤的自然消减量，明林草地中Cd输入通量并未影响土壤环境承载 力；

E12：Pb的承载力：根据当前工业生产排放强度，研究区林草地土壤十年 内可以容纳的Pb的工业排放承载量SECQ_{林草地，I，Pb}(8760kg/hm²)约为当前 排放通量G_I，Pb(13.8kg/(hm²·10a))的635倍，因此，研究区土壤Pb承载力能 够承受矿区现有的工业采选规模，理论上最高可以承受4762500t/a铜矿的采选 规模；

除去矿区现有的工业采选规模的环境压力外，基于我国典型村镇生活习惯 和排放水平，余下的土壤Pb承载力(8746kg/hm²)在未来十年内仍可承受足够 大的居民生活中Pb的排放压力，此用地类型能够容纳相当人数的村镇规模；

根据公式(4)计算林草地土壤Pb的环境承载力指数

因此，研究区内林草地土壤Pb的环境承载力指数在0与1之间，Pb在单 位时间的输入量超过了土壤自然消减量，但累积量仍远低于土壤环境容量，且 林草地土壤Pb的环境容量较高，故土壤对Pb的排放强度仍具有较高的承载能 力；

E2：农业用地

E21：Pd的承载力：根据当前工业生产排放强度，研究区农业用地土壤十 年内可以容纳的Pb的工业排放承载量SECQ_{农业用地，I，Pb}(1150kg/hm²)约为当 前排放通量G_I，Pb(13.8kg/(hm²·10a))的83.3倍，因此，研究区土壤Pb承载力 能够承受矿区现有的工业采选规模，理论上最高可以承受采选624750t/a铜矿的 采选规模；

根据研究区内现有农业规模，研究区土壤可以容纳的Pb的农业排放承载量SECQ_{农业用地，A，Pb}(14.8kg/hm²)约为当前排放通量G_A，Pb(0.178kg/(hm²·10a) 的83.1倍，因此，研究区土壤承载力能够承受现有种植的作物结构与规模；

除去矿区现有的工业采选规模与农业活动的环境压力外，基于我国典型村 镇生活习惯和排放水平，余下的土壤Pb承载力(1151kg/hm²)在未来十年内仍 可承受足够大的居民生活中Pb的排放压力，此用地类型能够容纳相当人数的村 镇规模；

根据公式(4)计算农用地土壤Pb的环境承载力指数

因此，研究区内研究区土壤环境承载量高于土壤环境容量，污染物在单位 时间的输入通量低于土壤的自然消减量研究区土壤环境承载力能够承受区域内 当前人类活动的强度。

实施例2

本实施例是以上述冶炼厂为仍然按照冶炼区关闭之前的生产规模运行的情 景进行估算的，该实施例的土壤污染环境承载力具体评估过程为：

(1)土壤污染现状调查、污染物源解析及排放清单分析

通过对场地及周边进行布点采样，采集林草地以及农业用地土壤样品；

A1：林草地

采集林草地土壤样品，为便于土壤污染物源解析，提取源贡献矩阵，同时 分析了土壤中Cu、Cd、Pb和Zn的浓度，采用受体模型(PMF)，解析土壤重金 属Cd和Pb的来源及比例，明确土壤重金属的主要来源、贡献量与贡献比例， 研究结果表明林草地土壤重金属Cd和Pb的主要来源分别为：工业活动、日常 生活，以及自然来源。不同元素源贡献量与贡献率如表1和图1所示：

表1PMF模型解析的各元素源贡献量与贡献率

A2：农业用地

相似地，采集不同农作物类型下农业用地土壤样品，为便于土壤污染物源 解析，提取源贡献矩阵，同时分析了土壤中Cu、Cd、Pb和Zn的浓度；采用受 体模型(PMF)，解析土壤重金属Cd和Pb的来源及比例，明确研究区重金属的 主要来源、贡献量与贡献比例，研究结果表明农业用地土壤重金属Cd和Pb的 主要来源分别为：工业活动、日常生活，以及自然来源。不同元素源贡献量与 贡献率如表2和图2所示：

表2 PMF模型解析的各元素源贡献量与贡献率

通过查询场地资料，实地走访调查厂区及研究区周边居民，获得厂区污染 物排放清单和环境影响报告，相关资料显示，冶炼厂关停前，采用熔炼、吹 炼、阳极炉精炼和电解的铜冶炼系统，年产铜约2000t，粗铜约6000t，副产品 硫酸约1万t，矿区冶炼区每年实际排放的废气与煤(烟)尘中Cd约1.68吨， Pb约16.8吨，每年实际产生固体废弃物64254t/a,多数固体废弃物异地处置，厂 区污水经净化处理后Cd浓度为0.003mg/L，Pb浓度为0.05mg/L，环境影响报 告指出，冶炼厂关停前，厂区污染物大气环境评估范围包括以厂址为中心，向各方向延伸4km，面积约62.8km²，该区域内(曾经)共有常住职工或本地居 民共4160人；

(2)与实施例1相同；

(3)与实施例1相同；

(4)土壤污染物输入通量估算

厂区及附近的铜矿采矿选矿冶炼等工业活动排放的重金属污染物主要通过 大气沉降的方式进入土壤；日常生活产生的重金属主要通过生活垃圾的形式进 入土壤；农业活动产生重金属污染物主要通过农田灌溉与肥料施用的方式进入 (仅农业用地)土壤；

基于质量守恒原则，分别计算土壤Cd和Pb年输入通量，根据重金属主要 输入方式，分别估算本实施例中大气沉降的进入场地周边区域土壤的Cd、Pb 浓度和灌溉水的Pb浓度；根据居民的生活方式，估算居民生活的Cd、Pb排放 量；确定不同农作物灌溉时间、灌溉水量、肥料施用量和肥料重金属Pb含量， 计算Cd、Pb的土壤年输入总通量(G)以及不同输入方式的贡献比例；

B1：工业活动污染物输入通量G_I

假设研究区工厂废气与煤(烟)尘总量的80％排放量最终沉降进入大气污 染影响评估区域(64km²)，选择线性函数模型模拟研究区大气沉降运移规 律，即大气沉降的浓度随厂区向周边4km区域内线性递减；

B11：Cd的输入通量

根据此前工厂废气与煤(烟)尘排放的Cd含量(1.68t)，在研究区内侧 (距离厂址中心0.5km处)Cd的年排放量为0.0583t/km²·a，研究区外侧(距离 厂址中心2.5km处)Cd的年排放量为0.0292t/km²·a，在大气污染评估区域外侧 (距离厂址中心4.5km处)Cd的年排放量为0t/km²·a；

研究区面积Cd年大气沉降量为

B12：Pb的输入通量

根此前工厂废气与煤烟)尘排放的Pb含量(16.8t)，在研究区内侧(距离 厂址中心0.5km处)Pb的年排放量为0.583t/km²·a，研究区外侧(距离厂址中 心2.5km处)Pb的年排放量为0.292t/km²·a，在大气污染评估区域外侧(距离 厂址中心4.5km处)Pb的年排放量为0t/km²·a；

根据冶炼厂此前冶炼生产规模，本研究区内Pb的大气沉降总量为

研究区单位面积内Pb年大气沉降量为

B2：居民生活污染物排放量G_H

根据文献料，基于我国典型村镇生活习惯和排放水平，我国典型村镇人日 均生活垃圾为1kg，生活垃圾中Cd含量为3.36mg/kg，Pb含量21.8mg/kg。根 据当前研究区人数，假设10％的生活垃圾最终进入周边土壤，

研究区内Cd的日常生活的年输入通量G_H，Cd约为

研究区内d的日常生活的年输入通量G_H，Pb约为

B3：农活动污染物排放通量G(仅考虑Pb在农业用地土壤的输入)

B31：灌溉的重金属输入通量G_irr计算公式为

式(6)中，G_irr为灌溉水中重金属的年输入通量(g/hm²·a)，C_irr为灌溉 水中重金属浓度(μg/L)，V_irr为灌溉用水量(L/hm²)；据冶炼厂废水排放标 准，C_irr＝50mg/L，按照当地不同作物的常规种植方式与种植习惯，调查作物种 植周期的需水量同实施例1，本实施例中，研究区内土壤Pb的灌溉年输入通量 G_irr，Pb范围为54～545g/hm²·a，平均值为120g/hm²·a；

B32:本实施例中，肥料中的重金属输入通量G_F,Pb同实施例1中方式的输入 量，即Pb的施肥年输入通量G_F,Pb范围为10.1～40.4g/hm²·a，平均值为 16.6g/hm²·a；

因此，研究区(仅农业用地)土壤Pb的农业活动污染物排放通量G_A，Pb平 均值为137g/hm²·a；

综上，本实施例中，不同土地利用类型下：

林草地：

土壤Cd年输入通量G_{林草地，Cd}为406g/hm²·a，不同输入方式下，工业排放 G_I，Cd为406g/hm²·a，约占总通量的99.9％以上，日常生活排放G_H，Cd仅为 0.271g/hm²·a，约占总通量的0.0667％，可忽略不计；

土壤Pb年输入总通量G_{林草地，Pb}为4066g/hm²·a，不同输入方式下，工业 排放G_I，Pb为4064g/hm²·a，约占总通量的99.9％以上，日常生活G_H，Pb为 1.76g/hm²·a，约占总通量的0.0433％；

农业用地：

土壤重金属Pb年输入总通量G_{农业用地，Pb}为4199g/hm²·a，不同输入方式 下，工业排放G_I，Pb为4064g/hm²·a，约占总通量的96.8％，日常生活G_H，Pb为 1.76g/hm²·a，约占总通量的0.0419％，农业活动排放通量G_A，Pb为137g/hm²·a， 占总通量的3.26％；

(5)同实施例1相同

(6)土壤污染物承载力定量评价

根据公式(2)，按照土壤污染物源解析的结果，确定污染物当前的来源结 构比例，定量计算估算时间(10年)内不同土地利用类型下土壤污染物环境承 载量；

C1：林草地

土壤Cd的环境承载量SECQ_{林草地，Cd}为37.4kg/hm²，其中，工业排放的环 境承载量SECQ_{林草地，I，Cd}为37.4kg/hm²，日常生活的环境承载量SECQ_{林草地，H，Cd}为0.0134kg/hm²；

土壤Pb的环境承载量SECQ_{林草地，Pb}为8733kg/hm²，其中，工业排放的环 境承载量SECQ_{林草地，I，Pb}为7205kg/hm²，日常生活的环境承载量SECQ_{林草地，H，Pb}为1528kg/hm²；

C2：农业用地

土壤Pb的环境承载量SECQ_{农业用地，Pb}为1137kg/hm²，其中，工业排放的 环境承载量SECQ_{农业用地，I，Pb}为951kg/hm²，日常生活的环境承载量SECQ_{农业用地，H，Pb}为0.455kg/hm²，农业活动的环境承载量SECQ_{农业用地，A，Pb}为 185kg/hm^2；

(7)土壤污染物承载力定量评价

D1：林草地

D11：Cd的承载量

单位面积内土壤在十年内可以容纳的Cd工业排放承载量SECQ_{林草地，I，Cd} (37.4kg/hm²)约为当前排放通量G_{林草地，Cd}(4.06kg/(hm²·10a))的9.21倍，因 此，研究区土壤承载力能够承受矿区本实施例的工业生产规模，如保持原有工 业冶炼工艺，在废气与煤(烟)尘等其它各项环境评价指标达标的前提下，本 区域理论上最大可容纳年产铜18420t，粗铜55260t，和硫酸9.12万t的生产规 模；

根据本实施例步骤(6)中Pb日常生活的环境承载量，研究区土壤可以容 纳的村镇居民人数为

因此，研究区壤承载力最多能够承受足够大的村镇规模；

根据公式(4)林草地土壤Pb的环境承载力指数

因此，在实施例中，研究区内研究区土壤Cd环境承载量高于其环境容 量，污染物在单时间的输入通量低于土壤的自然消减量，研究区土壤环境承载 力能够承受区域内当前的人类活动强度；

D12：Pb的承载量

单位面积内土壤在十年内可以容纳的Pb工业排放承载量SECQ_{林草地，I，Pb} (7205kg/hm²)约为当前排放通量G_{林草地，Pb}(40.6kg/(hm²·10a))的177倍，因 此，研究区土壤承载力能够承受矿区现有的工业采选规模，如保持原有工业冶 炼工艺，在废气与煤(烟)尘等其它各项环境评价指标达标的前提下，本区域 理论上最大可容纳年产铜354000t，粗铜1062000t，和硫酸177万t的工业生产 规模；

根据本实施例步骤(6)的Pb日常生活的环境承载量SECQ_{林草地，H，Pb} (1528kg/hm²)，研究区土壤可以容纳的村镇居民人数为

因此，研究区土壤承载力理论上最多能够承受足够大的村镇规模；

根据公式(4)林草地土壤Pb的环境承载力指数

因此，在实施例中，研究区内林草地土壤Pb环境承载量高于其环境容量， 污染物在单位时间的输入通量于土壤的自然消减量，林草地土壤环境承载力能 够承受该情景下的人类活动强度；

D2：农业用地

D21：Pb承载量

研究区农业用地单位面积内土壤在十年内可以容纳的Pb工业排放承载量SECQ_{农业用地，I，Pb}(951kg/hm²)约为当前排放通量G_I，Pb(40.6kg/(hm²·10a)) 的23.4倍，因此，研究区土壤承载力能够承受矿区现有的工业采选规模，如保 持原有工业冶炼工艺，在废气与煤(烟)尘等其它各项环境评价指标达标的前 提下，本区域理论上最大可容纳年产铜46800t，粗铜140400t，和硫酸23.4万t 的采选、冶炼的生产规模；

根据本实施例步骤(4)的Pb通过居民生活排放进入土壤的通量估算，研 究区土壤可以容纳的村镇居民人数为

因此，研究土壤承载力最多能够承受足够大的村镇规模；

根据本实施例步骤(4)的Pb通过农业活动进入土壤的通量估算，研究区 单位面积内土壤十年内可以容纳的Pb的农业活动承载量SECQ_{农业用地，A，Pb} (185kg/hm²)约为当前排放通量G_A，Pb(1.37kg/(hm²·10a))的135倍。因此， 当前土壤承载力能够维持现有农业活动和农作物种植结构；

根据公式(4)农用地土壤Pb的环境承载力指数

因此，在本情景中，研究区林草地土壤环境承载量高于其环境容量，污染 物在单位时间的输入通量低于土壤的自消减量，研究区土壤环境承载力能够承 受该情景下的人类活动强度。

Claims (8)

1.基于环境容量及自然消减模型的土壤环境承载力计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)土壤污染现状调查、污染物源解析及排放清单分析

通过评估区域空间布点采样调查，获得污染物含量空间分布特征，采用PMF受体模型，解析各个污染物来源及比例，收集场地土壤污染物的排放清单，获得各个来源中目标污染物的排放强度；

(2)土壤污染风险敏感受体识别及风险阈值确定

选择区域生态安全、农产品安全、地下水安全或人体健康安全的风险受体，根据敏感风险受体选取相应的风险阈值C_r，同时确定土壤污染风险阈值C_r的空间分布；

(3)土壤污染环境容量计算

土壤环境容量根据公式计算：

Q＝10^-6·M·(C_r-C_i) (1)

式(1)中，Q为土壤环境容量(kg/hm²)，M为单位面积评估层土壤质量(kg/hm²)，C_r为土壤污染物风险阈值(mg/kg)，C_i为土壤污染物含量(mg/kg)；

(4)土壤污染物输入通量估算

基于场地土壤污染物源解析结果和排放清单，定期采集污染物各个输入过程的介质样本，或采用污染物环境多介质传输模型定量计算土壤污染物输入通量G；

(5)土壤污染物自然消减量计算

采用包气带污染物迁移转化模型及地下水污染物迁移转化模型，进行土壤污染物在包气带及地下水中的自然消减过程模拟，通过模型模拟分别定量计算污染物通过植物吸收、降解、挥发、淋溶和固定在包气带和地下水中的浓度C_N；

(6)土壤污染物环境承载量计算

类比生态学承载力公式，单位时间内土壤污染物环境承载量的计算公式为：

式(2)中，SECQ为土壤环境承载量(kg/hm²)，i为第i种土地利用类型，t为污染物累积时间，Q_i为空间单元单位面积评估层土壤环境容量(kg/hm²)，G_i,t为单位时间内土壤污染物输入量(kg/hm²)，M为单位面积评估层土壤质量(kg/hm²)，C_N,t为单位时间内土壤污染物自然消减浓度(mg/kg)；

(7)土壤污染物承载力定量评价

定量评估区域的土壤环境承载力，包括土壤环境承载力和土壤的环境承载量负荷指数，其中，土壤环境承载力用以表征土壤能够承受的人类活动的规模与强度，土壤的环境承载量负荷指数，用以表征土壤承载量的负荷强度。

2.根据权利要求1所述的基于环境容量及自然消减模型的土壤环境承载力计算方法，其特征在于，所述步骤(4)中污染物环境多介质传输模型为排放因子模型。

3.根据权利要求1所述的基于环境容量及自然消减模型的土壤环境承载力计算方法，其特征在于，所述步骤(4)中污染物环境多介质传输模型为II级模型。

4.根据权利要求1所述的基于环境容量及自然消减模型的土壤环境承载力计算方法，其特征在于，所述步骤(5)中，包气带污染物迁移转化模型为HYDRUS-1D，地下水污染物迁移转化模型为VisualMODFLOW。

5.根据权利要求3所述的基于环境容量及自然消减模型的土壤环境承载力计算方法，其特征在于，所述步骤(5)中以包气带污染物迁移转化模型HYDRUS-1D耦合地下水污染物迁移转化模型Visual MODFLOW模拟土壤污染物在包气带及地下水中的自然消减过程模拟。

6.根据权利要求4所述的基于环境容量及自然消减模型的土壤环境承载力计算方法，其特征在于，所述包气带-地下水在时间和空间交互作用的具体过程为：首先，VisualMODFLOW从空间上将研究区离散成多个栅格，然后根据土壤水力学性质、地质结构将栅格分成不同的区域；其次，通过HYDRUS-1D模型对Z方向进行离散，将HYDRUS-1D的一个土壤剖面对应VisualMODFLOW中这些区域里的每一个栅格，由此实现空间上的耦合；此外，耦合的HYDRUS-MODFLOW模型在水流、溶质输入时需要在时间步骤上进行调整，HYDRUS-1D的多个时间步骤组合成VisualMODFLOW的一个应力期，即VisualMODFLOW的输入需要根据它的输入时间步骤利用HYDRUS-1D每个剖面的下边界输出来计算得到。

7.根据权利要求1所述的基于环境容量及自然消减模型的土壤环境承载力计算方法，其特征在于，所述步骤(7)中，土壤环境承载力用以表征土壤能够承受的人类活动的规模与强度，其函数表达形式为

P＝F(SECQ,I,A,D,T) (3)

式(3)中，P为剩余的为对污染物排放有贡献的工业、农业、日常生活和交通的规模和强度，SECQ为区域土壤环境承载量(kg/hm²)，I，A，D，T分别为对污染物排放有贡献的工业、农业、日常生活和交通的规模和强度。

8.根据权利要求1所述的基于环境容量及自然消减模型的土壤环境承载力计算方法，其特征在于所述步骤(7)中，土壤的环境承载量负荷指数的计算过程为：

式(4)中，SECQX_i为评估区域第i个土地利用方式地块的承载量负荷指数，SECQ_i为评估区域第i个土地利用方式地块的承载量，Q_i为第i个土地利用方式地块的土壤环境容量。

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