土壤元素污染等级划分方法及其应用

第38卷第6期中国地质

Vol．38，No．6Dec.，2011

2011年12月GEOLOGYINCHINA

土壤元素污染等级划分方法及其应用

陈国光1梁晓红1周国华2张

明1林才浩3

（1．中国地质调查局南京地质调查中心，江苏南京210016；2．中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，

河北廊坊，065000；3．福建省地质调查研究院，福建福州350013）

提要：以土壤中有毒有害元素含量为依据，以元素污染叠加程度为准则，提出了土壤污染等级标准的确定方法。长江三角洲、福建沿海地区的试验研究表明，表、深层土壤成土母质具有同源性，元素含量具有较好的相关性，深层土壤基本不受人类活动的影响，基于深层土壤元素含量确定的地球化学基准值是土壤污染等级划分的基础依据，据此建立了长江三角洲地区土壤污染等级标准，取得了该地区土壤污染等级划分结果。根据土壤污染成因及其生态环境意义，厘定了不同土壤污染等级的内涵。研究认为土壤污染等级区的生态效应需综合各种因素进行分析。关

键

词：有毒有害元素；土壤污染等级；土壤元素地球化学基准值；生态地球化学效应；长江三角洲；福建沿海地区

文献标志码：A

文章编号：1000-3657（2011）06-1631-09

中图分类号：P66

随着多目标区域地球化学调查在中国中、东部地区的全面推进以及在西部地区的不断扩展，积累了大量的表层和深层土壤中元素含量的高精度数据。根据区域地质背景、土壤类型和土地利用情况，经统计分析可取得土壤元素的地球化学基准值和背景值，进一步评价土壤污染程度、划分土壤污染等级，从而为土地利用规划和生态环境保护提供依据。本文以长江三角洲、福建沿海地区为研究区，以多目标区域地球化学调查数据为依据，探讨了土壤污染程度评价及其等级划分的思路与方案。

难确定污染物累积与危害发生的截然界线。土壤污染与环境污染一样，包含土壤环境质量的下降和危及人类或生物生存和发展，但为了研究的可操作性和可行性，本文将土壤污染定义为人类活动影响下土壤环境质量的下降，并综合考虑土壤环境质量的下降（即污染）程度和污染元素的生态危害临界值确定污染危害的界线。其实质就是以未受人为活动影响的深层土壤元素含量（地球化学基准值）为参比，度量土壤环境的相对变化程度，综合考虑土壤污染的生态效应，确定土壤污染等级划分标准，划分土壤污染等级。

需要说明的是，环境生态学意义上的污染程度是指人为活动叠加到一定程度，产生生态环境危害影响的程度，多指已发生了的污染危害。本文中的土壤污染程度是以地球化学元素基准值为参比计算得到的数值，当较低时反映了人为污染叠加量较小，往往没有明显的污染危害效应；而当高于某一临界值

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土壤污染的概念

环境污染是指人类活动所引起的环境质量下降

而有害于人类或生物正常生存和发展的现象[1]。这一定义包含二层意思：（1）由人类活动引起的环境质量下降；（2）环境质量下降危及人类或生物生存和发展。显然，环境污染是一个从量变到质变的发展过程[2]，很

收稿日期：2011-03-06；改回日期：2011-09-06

基金项目：“全国土壤现状调查及污染防治”专项“长江三角洲地区多目标区域地球化学系列图编制”（GZTR20060202）和国土资源

大调查项目“福建省沿海经济带生态地球化学调查”（1212010310307）资助。

作者简介：陈国光，男，1964年生，博士，教授级高工，现主要从事应用地球化学研究；E-mail：cguoguang@http://wendang.chazidian.com。

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中国地质2011年

时，其危害风险较高。中含量存在较大的差异。

（2）表层与深层土壤元素含量相关性较好求取长江三角洲每16km2网格表层土壤元素算术平均值，再计算表层与深层土壤元素含量的相关系数，结果（表2）显示：除Au、Cd、Cu等人为影响显著的元素相关性较差外，其他元素均表现为正相关。其中，常量组分MgO、CaO、Na2O、K2O、SiO2、

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土壤污染的判别准则

大量研究表明：表层土壤既受到成土过程中表

生地球化学作用的改造，又受到人类活动的影响；而深层土壤基本不受人为活动的影响，反映了原始成土母质的地球化学特征。因而表层和深层土壤地球化学特征既有成因联系，又有组成上的差异。多目标区域地球化学调查资料表明，表层和深层土壤地球化学特征虽有差异，但总体上仍有密切的联系。具体表现为：

（1）表层与深层土壤元素的同源性

从地质角度看，表层与深层土壤同属第四系松散物质，多数情况下物源、沉积环境相同，因此，除因水动力条件、风力条件、沉积环境变化而造成局部性的沉积物粒度、结构和组成差异外，其原始物质组成是相同或相近的。多目标区域地球化学调查资料表明，长江三角洲大多数沉积环境中表层土壤元素背景值与深层土壤地球化学基准值很接近。表生环境中活动性弱的Zr元素最为典型，除冲洪积、残积环境外，其他环境中表层土壤元素背景含量与深层土壤地球化学基准值十分接近（表1）。其他表生活动性较弱或人类活动影响较小的元素和组分，包括

Fe2O3、Al2O3以及微量元素Sr、U、Rb、Li、Zr、Ba、Nb、Ti、Ni、V等的相关系数大于0.4，达显著正相关水

平。这说明表层和深层土壤元素的区域分布模式十分相似，成因来源基本相同。

（3）深层土壤元素基本不受人为活动的影响早在多目标区域地球化学调查全面实施之前，中国地质调查局部署开展了“厚覆盖区地球化学调查和评价方法技术研究”、“区域环境地球化学调查方法研究”等项目，在珠江三角洲、南京、鄱阳湖周边、成都盆地、江汉平原等地，针对不同地质背景、地理景观、土地利用现状，研究了土壤剖面元素地球化学特征，结果发现人为活动（污染）影响的深度多在

100cm左右，个别可达160cm。综合考虑野外采样

效率等因素，多目标区域地球化学调查深层土壤样品的采集深度确定为大于150cm。由此得到的深层土壤元素含量基本反映了原始沉积物质（成土母质）的化学组成，人为活动（污染）的影响可以忽略。

多数情况下表层土壤与深层土壤的沉积环境、

SiO2、Al2O3、Ge、Li、Nb、Rb、Th、W等，在表、深层土

壤中含量也很接近。当然，表生活动性强或人为污染明显的元素，如Hg、S、C、OrgC等，在表、深层土壤

表1长江三角洲土壤Zr背景值、基准值（mg/kg）及其比值

Table1Geochemicalbackgroundandbaselineindifferentgeologicalsettingsofthe

YangtzeRiverdelta

表2长江三角洲表层土壤与深层土壤中元素含量相关系数

Table2Correlationcoefficientsofelementconcentrationsintopsoilsandbottom

soilsoftheYangtzeRiverdelta

注:样本数为4553；置信度为95％时相关系数临界值为0.081。

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成土母质基本相同，深层土壤元素含量特征可以作为表层土壤成土母质特征。因此，深层土壤元素含量可以作为判断表层土壤人为作用（污染叠加）程度的参比值，即地球化学基准值是判断表层土壤污染程度的依据。本文所述的土壤元素污染等级划分，即是相对于土壤元素地球化学基准值的表层土壤元素富集程度，以反映表层土壤相对于深层土壤的污染元素叠加量，同时考虑土壤污染级次所对应的生态效应所确定的土壤污染程度。

在具体制定土壤污染等级过程中，还应根据每种元素的迁移特征和研究区的自然地理环境等因素进行修正。

一级污染：区域性因素或表生作用引起表层土壤元素含量增高，呈现地球化学元素区域性高背景分布，需研究分析其成因。

二级污染：工业生产、农业生产等局域性因素引起的表层土壤元素含量轻度增高，矿化作用外带、特殊地质体分布区土壤元素含量，地球化学元素分布呈现为弱异常带或弱异常区。需研究土壤元素含量变化趋势，综合评价区内生态效应。

三级污染：工业生产、矿山开采等引起局部地区表层土壤元素含量增高，矿化作用中带分布区土壤元素含量,地球化学元素分布呈现为异常带或异常区。需定时监测土壤元素含量变化，定时监控其生态效应。

四级污染：工业生产、矿山开采等引起局部地区表层土壤元素明显增高，矿化作用内带分布土壤元素含量，地球化学元素分布呈现为局部高异常区。需对土壤元素含量变化进行长期监控，评价土壤元素的生态效应、人居环境的安全性。

五级污染：工业生产、矿山开采等引起局部小区域表层土壤元素显著增高，矿区内主要成矿元素含量，地球化学元素分布呈现为局部异常浓集中心区。若为农业用地，需进行土壤污染修复。若为建设用地，需评价并监测土壤污染对人居环境的影响。

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土壤元素污染分级标准

中国幅员辽阔，自然地理、地球化学景观变化

3.1标准的多层次性

大，表生地球化学作用差异显著。为消除不同区域景观条件下成土过程中元素活化、迁移、重分配的差异性影响，有效地反映人类活动（污染叠加）的作用，拟建立由全国、大区域、省级、局部构成的多层次的土壤污染等级划分标准，以满足不同区域和工作精度评价的需要。

3.2污染等级的含义

土壤污染等级划分一方面要反映相对于原始物质组成的富集程度，即外来物质（污染）导致的元素含量增加程度；另一方面，要尽可能反映这种叠加作用与生态效应的联系。划分土壤污染等级的基本目标是：（1）等级划分结果应能反映土壤元素含量总体变化特征；（2）有利于判别污染的强度和污染类别，即反映工业污染、农业污染、矿山开采污染等人为活动污染特征；（3）土壤污染级次应遵循一定的规律，并尽可能简单、易操作；（4）等级划分有利于对土壤污染区评价、监测等研究工作的部署。

为达到上述目标，污染分级不能太少，分级太少时划分结果往往无法反映污染成因及作用特点；而实际工作中由于污染成因识别、生态效应判断的难度相当大，且很难有截然界线，因而污染级次又不宜过多。考虑这些因素，拟将土壤污染等级分为六级：清洁级、一级污染、二级污染、三级污染、四级污染、五级污染。各污染级次的含义为：

清洁级：土壤保持了原始沉积物（成土母质）的组成特征，没有明显的人为污染叠加。

3.3污染等级标准定值方法试验及其应用效果

清洁级土壤是指土壤地球化学组成特征处于自然背景状态，实际工作中以未受人类活动影响的深层土壤地球化学组成（地球化学基准值）作为清洁级土壤的判别标准，即以“地球化学基准值+2倍标准离差”作为清洁级的界限，反映的是深层土壤样品累积频率95%分位数相对应的元素含量值。以清洁级界限值的倍数或“地球化学基准值+n倍标准差”作为一级污染至五级污染的界限值，得到长江三角洲、福建沿海地区土壤污染等级标准试验值（表3～4）。

对比发现，以清洁级界限值的倍数作为一级污染至五级污染的界限值，方法简单、易操作。同时发现，采用上述土壤污染等级划分土壤污染程度，可以反映土壤污染的内部特征，且不同污染强度与变差系数间有一定的关系。鉴于土壤元素含量与生态效应关系的复杂性，一级污染至五级污染的界限值应根据生态效应作适当的修正。例如，对比发现按照方案4划分得到的长江三角洲、福建沿海地区Cd污染等级，能较好地反映如下特征：

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表4福建省沿海经济带土壤污染等级标准试验值

Table4Soilcontaminationgradestandardsbasedonpreliminarystudiesinthe

coastlineareasofFujianProvince

结构特征基本一致（图1～2）。分结果。对比土壤污染等级分区、分布结构特征与土

壤元素区域分布、生态效应的空间关系，认为采用清

洁级元素含量界限值的倍数作为各污染等级划分标

准，所取得的评价结果最符合客观实际。通过研究确

定的各污染等级界限值与清洁级土壤元素含量的倍

数关系见表5。4应用实例：长江三角洲土壤污染等级划分前节以长江三角洲、福建沿海地区为例，探讨了4.1污染等级标准的定值方法

土壤污染等级标准的各种定值方法，给出了污染分

级标准值，据此得到了两个试验区土壤污染等级划4.2土壤污染等级标准根据前述污染等级标准定义、定值方法，以及根