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污染場地及周邊土壤的層次化生態(tài)風險評估:以典型礦區(qū)污染場地為例

錢力1，2，許秋云3，史雅娟1，2

1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心機構/區(qū)域與城市生態(tài)安全全國重點實驗室北京 100085

2.中國科學院大學機構，北京 100049

3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學研究所，四川成都610041

摘要

場地污染會對周邊土壤生態(tài)系統(tǒng)健康造成危害, 而具有經(jīng)濟性及精細化的生態(tài)風險評估方法對其風險管控至關重要。該研究提出一種層次化生態(tài)風險評估方法, 通過在不同層次逐步納入源解析、空間回歸、生態(tài)風險指數(shù)、概率風險評估以及本土物種生態(tài)調(diào)查等方法和結(jié)果, 為污染場地提供多精度綜合的生態(tài)風險"污染-效應"關聯(lián)證據(jù)。2個不同類型的礦區(qū)案例研究結(jié)果證實了層次化生態(tài)風險評估方法的有效性與實用性, 該層次化生態(tài)風險評估方法通過"風險關聯(lián)識別-風險篩查-風險概率定量-風險關聯(lián)驗證"的多層次遞進, 逐步提升了風險評估的精度與生態(tài)現(xiàn)實性, 為污染場地及周邊土壤的生態(tài)風險管控提供了本土化、精細化的科學依據(jù)。

污染場地對周邊土壤生態(tài)系統(tǒng)和人群健康造成了危害[1-2]。開展風險評估是場地土壤污染風險管控、修復及后續(xù)開發(fā)再利用的重要依據(jù)[3]。目前我國的污染場地風險評估對象主要聚焦于健康風險，針對生態(tài)保護目標的風險評估體系較少[3]，污染場地土壤生態(tài)風險評估框架和方法的形成面臨著多重限制[2-3]。

層次化評估框架是對污染場地開展精細化土壤生態(tài)風險評估的有效范式[4-7]。該框架遵循“盡可能簡單，必要時復雜”的評估原則，旨在以遞進式評估平衡成本與精度，是針對特定場地風險評估的重要方式[6, 8]。層次化評估框架通常從評估資源投入需求較低的評估方法開始，隨層次遞進逐步增加評估區(qū)針對性的風險關聯(lián)證據(jù)，進而提高評估結(jié)論的生態(tài)現(xiàn)實性[3]。

不同國家對層次化評估框架中各層次的具體評估內(nèi)容和目標設定有所差異[5-6]。荷蘭的“Triad”方法在不同評估層次從化學、生態(tài)毒理學和生態(tài)學3個學科角度提供差異化精度的風險證據(jù)，利用證據(jù)權重法(一種系統(tǒng)化整合多源證據(jù)以支持決策的定性或半定量方法)獲得1個逐漸精確的綜合風險指數(shù)，其優(yōu)勢在于證據(jù)維度全面、綜合性強，但獲取各層次證據(jù)信息的成本較高[3-4]。英國的層次化評估框架從案頭工作和場地概念模型構建開始，逐步開展風險化學篩查和生態(tài)調(diào)查(或生物測試)，最后通過因果關系判定確定評估區(qū)“污染-效應”之間的關聯(lián)意義，其優(yōu)勢在于邏輯鏈條清晰，但沒有充分考慮污染暴露水平或受體生態(tài)效應的空間變異性[9]，也難以揭示污染空間的“源-匯”關系[5]。此外，一些學者提出的綜合確定性生態(tài)風險指數(shù)和概率風險評估層次框架減少了風險定量的不確定性[10-12]，但在高層次的污染-效應驗證時沒有綜合考慮各種環(huán)境因子的影響，降低了污染風險關聯(lián)的生態(tài)現(xiàn)實性[13]。

基于對已有的層次化評估框架的深入分析，筆者提出一種基于“風險關聯(lián)識別-風險篩查-風險概率定量-風險關聯(lián)驗證”的層次化生態(tài)風險評估框架，擬利用該框架在我國2個典型礦區(qū)場地驗證其有效性和可行性，為我國污染場地及周邊土壤的本土化、精細化生態(tài)風險管理提供方法和依據(jù)。

壹

層次化生態(tài)評估框架構建

一

框架總體設計

研究假設：通過層次遞進逐步納入多種風險評估方法結(jié)論，有機整合多來源、多精度的風險證據(jù)，實現(xiàn)從“化學表征”到“生態(tài)驗證”的逐級深化，從而提高生態(tài)風險表征精度與生態(tài)現(xiàn)實性。

根據(jù)研究假設，筆者提出的土壤層次化生態(tài)風險評估總體框架(圖 1)為：在風險篩查層融合源解析、空間分析及多種風險指數(shù)，明確污染物的“源-匯”關系和空間分布；在風險概率定量層采用概率風險評估方法量化風險概率，提升風險定量的精度與實用性；在風險關聯(lián)驗證層將本土生態(tài)調(diào)查與環(huán)境因子的多元統(tǒng)計相結(jié)合，強化評估結(jié)論的生態(tài)現(xiàn)實性。相關管理者可依據(jù)各層次生態(tài)風險評估結(jié)論和實際評估條件決定評估工作在哪一層次結(jié)束，逐步提高“污染-生態(tài)效應”之間的生態(tài)現(xiàn)實意義。

二

層次釋義

T1：風險關聯(lián)識別層。風險關聯(lián)識別層以信息搜集為主。通過搜集場地及周邊基本信息、污染源信息、暴露途徑信息、環(huán)境與生態(tài)受體信息等，了解場地及周邊污染“源-徑-匯”，判斷場地風險關聯(lián)的可能性。

(1) 基本信息：場地類型、歷史沿革、功能分區(qū)、平面布置、生產(chǎn)型場地的主要工藝流程及原輔材料等。

(2) 污染源信息(源)：場地及周邊土壤污染狀況調(diào)查報告、環(huán)境影響評價報告、排污許可記錄、場地污染特征數(shù)據(jù)。重點識別關注污染物的種類、濃度水平及潛在分布區(qū)域。

(3) 暴露途徑信息(徑)：場地及周邊污染物(包括潛在的)可能的遷移擴散途徑(如大氣沉降、地表徑流、地下水滲流)及其方向。

(4) 環(huán)境與生態(tài)受體信息(匯)：場地所在區(qū)域氣候水文條件、地形地貌、土壤類型、主導風向；場地所在區(qū)域內(nèi)主要的生態(tài)保護目標(如敏感物種、關鍵種、瀕危物種、具有重要生態(tài)功能的類群或生境)及其空間分布。

當結(jié)果表明場地某些污染物可能通過特定暴露方式接觸保護目標受體時，說明該場地可能存在污染風險關聯(lián)并進入下一層次評估；反之，當證據(jù)表明該場地不存在可能的風險關聯(lián)，可結(jié)束評估。

T2：風險篩查層。風險篩查層通過開展場地及周邊土壤采樣分析，結(jié)合污染物源解析、空間分析、風險指數(shù)計算等，篩查出需要進行優(yōu)先管控的特征污染物類型，并確定其生態(tài)風險指數(shù)大小和風險范圍。

(1) 土壤采樣分析：分析場地主要功能單元及周邊區(qū)域土壤中污染物的暴露特征，識別場地內(nèi)的特征污染物。

(2) 污染物源解析：確定哪些污染物，或有多少暴露量來自關注的場地，提供優(yōu)先管控污染物的定性或定量篩查證據(jù)。常用的土壤污染物源解析方法包括主成分分析法(PCA)、聚類分析法(CA)、因子分析法(FA)、化學質(zhì)量平衡法(CMB)、正定矩陣因子法(PMF)、同位素示蹤法等[14]。

(3) 風險指數(shù)計算：選擇合適的風險指數(shù)法進行場地及周邊生態(tài)風險大小和等級表征。常用指數(shù)包括潛在生態(tài)風險指數(shù)(PERI)、內(nèi)梅羅指數(shù)(PN)、污染負荷指數(shù)(PLI)等[15]。優(yōu)先選擇土壤生態(tài)保護相關的國家或地方標準作為參照值；如沒有，可通過相關文獻獲取或根據(jù)標準方法自行推導。

(4) 空間分析：結(jié)合地理信息系統(tǒng)，利用空間回歸分析污染物含量或風險指數(shù)在場地及周邊區(qū)域內(nèi)的空間格局，識別生態(tài)風險分區(qū)范圍。

評估者可根據(jù)場地及周邊區(qū)域污染特征、不同內(nèi)容方法適用條件及評估投入資源狀況，選擇一種或多種方法開展優(yōu)先管控污染物的風險篩查。

T3：風險概率定量層。當上層(T2層)顯示一種或多種優(yōu)先管控污染物存在中高風險時，相關污染物進入生態(tài)風險概率定量層，并進一步納入場地及周邊區(qū)域內(nèi)相關物種的生態(tài)毒性數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計外推建立暴露濃度和效應濃度的累積概率密度和聯(lián)合概率曲線(JPC)，定量污染物的總體風險概率值(ORP)[9]。

暴露濃度分布將場地及周邊區(qū)域內(nèi)采樣點位濃度外推至暴露濃度概率分布，降低有限采樣點帶來的評估不確定性。物種敏感度分布外推通過搜集場地及周邊區(qū)域內(nèi)存在的物種生態(tài)毒性數(shù)據(jù)，構建符合當?shù)乇Ｗo特征的物種敏感度分布曲線，之后以污染物濃度作為中介，建立物種受影響比例與濃度超標概率之間的聯(lián)合概率曲線(JPC)，通過計算JPC和坐標軸構成的曲線下面積來表征污染物ORP[10]。當ORP<1.75%時，表明概率風險很小，可忽略；當1.75%≤ORP<9.82%，為低概率風險；當9.82%≤ORP<33%，為中概率風險；當33%≤ORP，為高概率風險[16]。當所有優(yōu)先管控污染物ORP<9.82%時結(jié)束評估工作，反之則進入T4層次，進行更加精準且實際的生態(tài)風險評估。

T4：風險關聯(lián)驗證層。風險關聯(lián)驗證層通過開展場地及周邊區(qū)域內(nèi)土壤生態(tài)調(diào)查或生物試驗，綜合前期的風險結(jié)論，結(jié)合多元統(tǒng)計方法，驗證場地及周邊區(qū)域內(nèi)更符合本土實際的“污染-生態(tài)效應”風險關聯(lián)，以統(tǒng)計學顯著性表征最終風險結(jié)論，進而提出針對性的土壤污染風險管控策略與建議。

(1) 生態(tài)調(diào)查/生物試驗：針對場地及周邊土壤的本地種、關鍵種或相關生態(tài)過程進行生態(tài)調(diào)查，以評估不同污染程度下的生態(tài)效應和環(huán)境狀況變化。評估者需針對當?shù)乇就翆嶋H選擇生態(tài)受體，并依據(jù)國內(nèi)外推薦的生態(tài)毒理學或生物測試標準化方法進行生態(tài)調(diào)查或生物試驗。

(2) 風險關聯(lián)性統(tǒng)計分析：通過多元統(tǒng)計分析將優(yōu)先管控污染物暴露狀況與實測生態(tài)效應、場地及周邊區(qū)域內(nèi)的環(huán)境因素進行因果關聯(lián)分析，判定風險聯(lián)系是否具有統(tǒng)計學意義，當存在顯著性，表明場地及周邊區(qū)域存在顯著的生態(tài)風險關聯(lián)，反之則表明不存在。所述多元統(tǒng)計方法包括相關性分析、因子分析、多元回歸分析等。

三

不確定性分析

對不同層次的評價結(jié)果進行不確定性來源及應對分析，增加評估結(jié)論可信度。

T1層次的不確定性主要源于信息源的完整性與可靠性。歷史資料可能存在缺失、錯誤或代表性不足(如報告年代久遠、監(jiān)測點位稀疏)。對于潛在暴露途徑和生態(tài)受體的判斷多基于文獻和專家經(jīng)驗，存在主觀性。因此，強化信息源可信度或進行保守評估可增加風險關聯(lián)初判結(jié)論的可靠性，減少誤判帶來的風險。

T2層次的不確定性主要來源于采樣點布設、樣品測試和模型方法分析過程。較強的場地污染空間異質(zhì)性及實驗室分析誤差可能帶來場地污染刻畫的不精準。此外，源解析模型因子選擇的主觀性、風險指數(shù)篩選標準選擇的合理性及空間分析樣本量的代表性也會影響評價結(jié)論的可靠度，需加強采樣分析及模型應用的質(zhì)控管理。

T3層次的不確定性主要來源于統(tǒng)計外推過程。在建立JPC時，暴露濃度分布中尾部極端值的估計可能存在較大不確定性，而構建物種敏感度分布(SSD)時有限的毒理數(shù)據(jù)及外推模型的選擇會影響擬合效果，進而造成ORP值的偏差。利用多模型平均算法進行SSD和JPC的構建是減少模型外推過程不確定性的有效方法[10]。

T4層次的不確定性來源于：(1)生態(tài)調(diào)查/生物測試：所選生態(tài)指標能否全面、敏感地反映當?shù)厥荏w的真實生態(tài)效應存在疑問；野外調(diào)查中環(huán)境因子(如溫度、濕度)的時空變異會干擾“污染-效應”信號的識別；可能存在未知或未測量的混雜因素，導致對生態(tài)影響的估計產(chǎn)生偏差。(2)關聯(lián)統(tǒng)計模型的選擇：由于真實環(huán)境因子交互影響復雜，因果判定的模型擬合結(jié)果可能較低，而T4層次的結(jié)論是建立在統(tǒng)計顯著性之上的關聯(lián)性證據(jù)，其因果關系的確定性仍存在一定限度。因此，需要對生態(tài)調(diào)查或生物測試設計及模型選擇的針對性和合理性進行綜合分析，以提高風險驗證過程的可信度。

貳

層次化生態(tài)風險評估法應用

于露天鐵礦區(qū)評估

一

露天鐵礦區(qū)及其周邊概況

圖2是露天鐵礦區(qū)及其周邊區(qū)域概況，該礦已開采20多年。該區(qū)域?qū)僦袦貛駶櫄夂騾^(qū)，周邊以農(nóng)田、森林、城市生態(tài)系統(tǒng)為主。主要植被類型包括人工栽植的落葉松林、次生灌叢以及農(nóng)田種植的玉米、大豆等農(nóng)作物。區(qū)域主要土壤類型為棕壤，呈微酸性，質(zhì)地較為疏松。

二

露天鐵礦區(qū)層次化生態(tài)風險評估

1

露天鐵礦區(qū)風險關聯(lián)識別

通過調(diào)研露天鐵礦區(qū)及其周邊區(qū)域的基礎信息，發(fā)現(xiàn)露天鐵礦區(qū)及其周邊區(qū)域可能的土壤污染物包括鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鉛(Pb)和鋅(Zn)6種重金屬，設評估區(qū)為礦區(qū)及其周邊5km范圍內(nèi)[17]。污染物可能暴露途徑為大氣沉降和地表徑流。評估區(qū)周邊主要種植玉米、大豆等農(nóng)作物，土壤中存在蚯蚓、跳蟲等無脊椎動物和微生物等多種生態(tài)保護受體目標。因此，評估區(qū)可能存在生態(tài)風險關聯(lián)性，評估進入T2層(風險篩查層)。

2

露天鐵礦區(qū)風險篩查

(1) 土壤采樣、檢測及數(shù)據(jù)分析

以露天鐵礦區(qū)及其周邊0~5km區(qū)域作為土壤采樣調(diào)查區(qū)域，考慮污染樣點代表性、可達性及關鍵篩查區(qū)域，在露天鐵礦區(qū)內(nèi)各功能單元(如采礦區(qū)、選礦區(qū)、廢石場、辦公區(qū))和礦區(qū)外圍(上風向、下風向及側(cè)向農(nóng)田)依據(jù)HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》布設16個采樣點(圖2)，選擇0~20cm表層土(大多數(shù)污染物主要累積在此層，且表層是土壤生態(tài)受體最集中、最活躍的棲息地與暴露界面，因此最能表征其對生態(tài)系統(tǒng)的潛在風險)進行采樣，6種重金屬按照GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》進行檢測。

對檢測結(jié)果進行露天鐵礦區(qū)內(nèi)外分組方差分析檢驗(ANOVA)。本案例采用聚類分析(CA)進行定性源解析。選擇CA是因為該案例的樣本量較少(n=16)，且源識別側(cè)重于初步識別有限的6種重金屬之間的共生組合關系，CA可直觀地判斷其可能共同的來源。采用內(nèi)梅羅指數(shù)(PN)對調(diào)查區(qū)的生態(tài)風險進行評價[15]。

式(1)中，Pi ave和Pi max分別為某重金屬單因子污染指數(shù)的平均值與最大值；Pi和PN分級標準：＜0.7為清潔，0.7~<1為警戒，1~<2為輕度生態(tài)風險，2~<3為中等生態(tài)風險，≥3為高生態(tài)風險[10]。

(2) 土壤污染特征與源解析

表 1為露天鐵礦區(qū)及其周邊不同點位分組的土壤重金屬含量。

結(jié)果表明，除土壤Pb、Cd含量在礦區(qū)內(nèi)外無顯著差異，Cr、Cu、Ni和Zn 4種重金屬在礦區(qū)內(nèi)部的含量顯著高于礦區(qū)外部，說明Cr、Cu、Ni和Zn是該露天鐵礦的特征伴生金屬；但所有污染物的變異系數(shù)均≤0.4，說明重金屬受到人為活動影響較小。各點位與GB15618—2018風險篩選值相比只有礦區(qū)外1個農(nóng)田點位的Cd含量超標，證明該露天鐵礦區(qū)及其周邊區(qū)土壤污染程度較輕。

重金屬聚類源解析結(jié)果(圖3)表明, 土壤Cd和Pb為同一來源，土壤Cr、Cu、Ni和Zn等重金屬為同一來源。結(jié)合采樣點的用地類型、污染特征和前期源解析結(jié)果[14]，該區(qū)域土壤Cd和Pb的累積主要來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而Cr、Cu、Ni和Zn來自礦業(yè)活動與地質(zhì)背景的累積。故初步判定Cr、Cu、Ni和Zn是該露天鐵礦采選活動帶來的優(yōu)先管控污染物。

(3) 內(nèi)梅羅指數(shù)

圖3展示了內(nèi)梅羅指數(shù)結(jié)果，參照相應的土壤生態(tài)風險篩選標準，露天鐵礦區(qū)內(nèi)外所有點位的單因子污染指數(shù)(Pi)和綜合風險指數(shù)(PN)均處在預警線以下(＜1)，且礦區(qū)外的所有點位處于清潔線以下(PN＜0.7)。依據(jù)風險篩查層的風險判定標準，所有優(yōu)先管控污染物(Cr、Cu、Ni和Zn)的生態(tài)風險指數(shù)均位于清潔或警戒水平以下，未指示存在風險，評估可結(jié)束。但后續(xù)仍需關注礦業(yè)持續(xù)活動帶來的Cr、Ni、Cu等污染物的累積問題。此外，對應1.3節(jié)列出的不確定性來源分析，數(shù)據(jù)獲取及風險結(jié)果的不確定性較低，風險結(jié)論較為可靠。

叁

層次化生態(tài)風險評估法應用

于鉛鋅礦區(qū)評估

一

鉛鋅礦區(qū)及其周邊區(qū)域概況

圖4是鉛鋅礦區(qū)及其周邊區(qū)域概況，該礦已有30多年地下開采歷史。該區(qū)地處陰山與河套平原交匯處，屬于溫帶大陸性季風干旱氣候區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。周邊自然植被以典型的荒漠草原為主，優(yōu)勢植物種類包括戈壁針茅(Stipa tianschanica var. gobica)、檸條(Caragana spp.)等。周邊農(nóng)田主要種植向日葵和玉米等農(nóng)作物。主要土壤類型為棕鈣土與灰漠土，其特點是土層薄、有機質(zhì)含量低、砂質(zhì)性強、pH值偏高。

二

鉛鋅礦區(qū)層次化生態(tài)風險評估

1

鉛鋅礦區(qū)風險關聯(lián)識別

通過分析鉛鋅礦區(qū)的環(huán)境影響評價報告及其他相關文獻等資料，發(fā)現(xiàn)鉛鋅礦區(qū)周邊存在較嚴重的土壤重金屬污染，主要污染物包括As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn，設評估區(qū)為鉛鋅礦區(qū)及其周邊10 km[19]范圍。主要污染物暴露途徑可能是礦石開采、研磨和運輸過程中產(chǎn)生的含重金屬的顆?；蚍蹓m經(jīng)由大氣干沉降所導致。評估區(qū)土壤中存在植物、無脊椎動物和微生物等多種生態(tài)受體。判定評估區(qū)內(nèi)采礦活動帶來的各種重金屬污染物排放可能通過大氣沉降積累在周圍土壤，威脅當?shù)赝寥郎鷳B(tài)受體，評估工作可進入下一層次[20]。

2

鉛鋅礦區(qū)風險篩查

(1) 土壤采樣、重金屬檢測及數(shù)據(jù)分析

依據(jù)上層(風險關聯(lián)識別層)信息，以鉛鋅礦區(qū)場地為中心向外擴延10km作為評估區(qū)，在礦區(qū)不同功能單元和礦區(qū)距離梯度設置38個土壤表層點位(圖4)。具體采樣布點原則、重金屬檢測方法與2.2節(jié)相同。

利用克里金插值法刻畫污染物的空間分布；采用PCA進行定性污染源解析。因樣本量較多(n=38)，PCA不僅能識別污染物之間的關聯(lián)性，還能通過因子載荷量化各污染源對總體數(shù)據(jù)方差的貢獻率，并可通過得分圖反映樣本在空間上的分布模式，從而更有效地解析和量化多種來源的貢獻。利用潛在生態(tài)風險指數(shù)(PERI)進行評估區(qū)生態(tài)風險評價，建立PERI與鉛鋅礦區(qū)距離之間的回歸方程，確定生態(tài)風險范圍。

式(2)中，Er為單個污染物的潛在生態(tài)風險指數(shù)；Ci和Cb分別為污染物i的環(huán)境濃度和土壤背景濃度，mg·kg-1；Tr為毒性響應系數(shù)，對應As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的值分別為10、30、2、5、40、5、5和1。其中Er＜40表示低生態(tài)風險，40≤Er＜80表示中等生態(tài)風險，80≤Er＜160表示較高生態(tài)風險，160≤Er＜320表示高生態(tài)風險，Er≥320表示極高生態(tài)風險；PERI＜150為低風險，150 ≤PERI≤ 300為中等風險，PERI＞300為高風險[21]。

(2) 土壤污染特征與源解析

表 2列出了鉛鋅礦評估區(qū)不同分組的土壤重金屬含量。土壤Pb、Cd、Cu、Zn和Hg含量在距離礦區(qū)1km內(nèi)的變異系數(shù)均超過0.5，說明可能受到采礦活動影響。此外，隨著采樣點位與鉛鋅礦區(qū)之間距離的增加，土壤Pb、Cd、Cu和Zn含量顯著下降，到2.5km之外各組之間沒有顯著差異。

利用克里金插值法對污染物進行空間分析(圖 5)，結(jié)果表明土壤Pb、Cd、Cu和Zn含量與GB 15618—2018中農(nóng)用地土壤污染風險篩選值[18]相比均有所超標，超標點集中在礦區(qū)周邊1 km范圍內(nèi)，說明這4種元素的土壤污染較為嚴重。Pb、Cd、Cu和Zn的空間分布格局大致相同，含量衰減梯度與鉛鋅礦評估區(qū)主導風向存在空間關聯(lián)性，提供了這些污染物暴露同源性以及隨大氣沉降遷移的直接證據(jù)。

PCA源解析結(jié)果(圖 6)表明，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn 8種重金屬可提取2個特征值＞1的主成分，對第一主成分(PC1)載荷較高的重金屬為Pb、Cd、Cu、Zn和Hg，這些元素的變異系數(shù)在礦區(qū)內(nèi)較高(0.86~1.32，表 2)，且距離礦區(qū)<1 km的采樣點明顯集中于PC1的高得分區(qū)域。根據(jù)鉛鋅礦評估區(qū)污染特征和前期土壤源解析研究[14]，PC1主要與礦業(yè)活動密切相關，受采礦、選礦及運輸?shù)然顒拥闹苯佑绊戄^顯著。對第二主成分(PC2)載荷較高的重金屬為As、Cr和Ni，這些元素的變異系數(shù)在礦區(qū)內(nèi)外變化不大(表 2)，主要與區(qū)域自然成土過程有關。在距離礦區(qū)>2.5 km的區(qū)域，采樣點多沿PC2方向分布，說明隨著距離增加，礦業(yè)活動干擾逐漸減弱，土壤重金屬含量更多受自然背景因素控制。綜上，污染物空間分析和源解析可以初步篩選Pb、Cd、Cu、Zn和Hg為礦區(qū)優(yōu)先管控污染物。

(3) 潛在生態(tài)風險特征

利用PERI對污染物生態(tài)風險特征進行分析(圖 7)，結(jié)果表明鉛鋅礦評估區(qū)土壤Pb、Cd、Cu、Zn和Hg存在中度至極高的潛在生態(tài)風險，而土壤Cr、Ni和As均顯示為低生態(tài)風險，結(jié)果與污染特征和源解析結(jié)果相一致。低、中和高風險點分別占樣本總數(shù)的44.7%、18.4%和36.9%。

利用PERI進行空間回歸分析(圖 8)，結(jié)果顯示PERI與點位距礦區(qū)的距離顯著相關(P<0.001)，潛在生態(tài)風險點主要集中在礦區(qū)周邊2.2 km范圍內(nèi)(PERI＞150)，極高風險點位于礦區(qū)的主要生產(chǎn)區(qū)。通過污染特征分析、源解析以及PERI指數(shù)分析，篩查出Pb、Cd、Cu、Zn和Hg這5種污染物為優(yōu)先管控污染物，主要隨主導風大氣沉降，對礦區(qū)周邊2.2 km范圍造成潛在風險，判定需進入下一層次定量其生態(tài)風險概率大小。

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鉛鋅礦區(qū)風險概率定量

以不同PERI風險等級對樣點進行分組，建立不同風險區(qū)的土壤Pb、Cd、Cu、Zn、Hg聯(lián)合概率曲線(JPCs)，計算相應的總體風險概率值(ORP)(圖 9)。在整個調(diào)查區(qū)域內(nèi)，Zn對當?shù)赝寥郎鷳B(tài)系統(tǒng)構成高概率風險，Pb屬于中概率風險，Cu和Cd屬于低概率風險，Hg概率生態(tài)風險可忽略。在PERI中高風險區(qū)中，Zn和Pb的概率風險等級不變，而Cu、Cd和Hg均上升1個風險等級；在PERI低風險區(qū)中，除Zn屬于低概率風險外，Pb、Cd、Cu和Hg 4種重金屬的概率風險均可忽略。鉛鋅礦評估區(qū)潛在生態(tài)風險的污染物優(yōu)先控制順序是Zn>Pb>Cu>Cd，這4種污染物存在中高概率生態(tài)風險，Hg風險因其ORP較低(< 2%)可進一步排除。值得注意的是，本層(風險概率定量)與風險篩查層獲得的污染物排序(Cd>Pb>Hg>Cu>Zn)有所差別，主要是PERI風險指數(shù)和概率風險表征方法之間的區(qū)別：PERI指數(shù)高度依賴于污染物的背景濃度和毒性響應系數(shù)，且該層概率風險評估獲得的ORP進一步融合了鉛鋅礦評估區(qū)內(nèi)各污染物的實際暴露濃度分布與物種敏感度分布，更能反映其對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的綜合實際風險。

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鉛鋅礦區(qū)風險關聯(lián)驗證

(1) 土壤理化性質(zhì)測定、生態(tài)調(diào)查及多元統(tǒng)計分析

風險關聯(lián)驗證層實地檢測的土壤理化指標包括土壤總碳(TC)和有機碳(TOC)含量、土壤總氮(TN)含量、土壤pH值。TC、TN和TOC通過C-N-S元素分析儀進行定量分析，TOC通過濃度為1 mol·L-1的HCl加熱酸洗，去除無機碳之后再上機檢測[21]。土壤pH值通過電位法測定。

土壤微生物是污染暴露最直接、響應最快的生態(tài)受體，利用土壤磷脂脂肪酸(PLFA)譜圖分析能高效、低成本地表征土壤微生物總生物量和群落結(jié)構，是國際公認的評估土壤污染生態(tài)效應的敏感生態(tài)指標[22]。因此，本案例生態(tài)調(diào)查選擇土壤PLFA作為調(diào)查對象。按照國際標準化組織(ISO)推薦的土壤PLFA含量測定方法[23]，將不同PLFA表征的微生物分為革蘭氏陽性菌(GP)、革蘭氏陰性菌(GN)、放線菌(A)以及真菌(F)4類。利用代表相同類型微生物的PLFA含量總和表示對應微生物的豐度，利用不同類型微生物含量的比值表示PLFA的結(jié)構，包括真菌/細菌(F/B)、革蘭氏陰性菌/陽性菌(GN/GP)[22]。

采用ANOVA比較不同PERI風險水平的土壤性質(zhì)與PLFA豐度和結(jié)構的差異；采用Spearman、Mantel檢驗探討不同環(huán)境變量與PLFA效應之間的相關性；利用結(jié)構方程模型(SEM)確定重金屬生態(tài)風險對土壤PLFA豐度和結(jié)構的直接和間接影響，相關統(tǒng)計分析通過R軟件(http://www.Rproject.org)實現(xiàn)。

(2) 土壤理化性質(zhì)變化

不同PERI組土壤pH值及TOC、TC、TN含量(表 3)結(jié)果表明，土壤pH值和TC含量受到重金屬污染的顯著影響。PERI中高風險組pH平均值較低風險組降低了0.39，土壤TC平均含量也顯著降低近30%，而TOC與TN含量無顯著變化。這主要是因為礦區(qū)位于典型堿性土壤環(huán)境區(qū)，且土壤碳酸鹽含量較高[24]，礦區(qū)排放的重金屬以及伴生硫化物進入土壤后會發(fā)生水解產(chǎn)生氫離子，進而導致土壤酸化，溶解碳酸鹽，降低土壤pH值和TC含量，類似情況在我國西藏拉屋礦區(qū)也有報告[25]。

(3) 土壤PLFA豐度和結(jié)構變化

不同PERI組的PLFA豐度和結(jié)構變化(圖 10)表明，只有低風險組的真菌PLFA豐度明顯高于中高風險組，而其他微生物組的PLFA豐度沒有明顯差異。在PLFA結(jié)構方面，低風險組GN/GP和F/B顯著高于中高風險組，表明土壤重金屬污染顯著降低了土壤真菌豐度，改變了微生物群落組成。就PLFA豐度而言，一般金屬污染會導致細菌、真菌和放線菌PLFA的豐度顯著下降[22]，本研究表明只有真菌PLFA有所差異，其他門類差異不顯著，這可能是由于特定地點的土壤條件和微生物適應機制不同所致。鉛鋅礦評估區(qū)土壤pH值高(7.5~9.2)、濕度低，可降低土壤重金屬生物有效性，從而減輕對細菌和放線菌的毒性作用[26]。此外，此鉛鋅礦評估區(qū)開采歷史悠久，土壤長期暴露在高含量的重金屬環(huán)境下可能會導致部分微生物類群產(chǎn)生金屬抗逆性，從而提高一些細菌和放線菌群在重金屬壓力下的生態(tài)穩(wěn)定性[27]。在PLFA結(jié)構方面，PERI風險中高點位的F/B和GN/GP值較低風險點位顯著下降，印證了土壤中真菌比細菌對重金屬污染更為敏感。

(4) 污染風險關聯(lián)驗證

將土壤PLFA與土壤理化性質(zhì)、重金屬等環(huán)境因子進行相關性分析(圖 11)，結(jié)果顯示土壤PLFA豐度與土壤TOC、TC和TN含量呈顯著正相關，與重金屬含量相關性不顯著。PLFA豐度與結(jié)構則與Pb、Zn、Cd、Hg、Cu含量和PERI指數(shù)呈顯著負相關，與土壤pH值、TC含量以及距礦區(qū)距離呈顯著正相關。因此，重金屬含量對土壤中各類PLFA豐度沒有顯著影響，但可以改變PLFA結(jié)構，而土壤TOC和TN作為微生物生長的直接營養(yǎng)來源對PLFA豐度起關鍵作用。

結(jié)構方程模型(SEM)探索關鍵環(huán)境變量與土壤PLFA豐度以及結(jié)構之間的因果聯(lián)系(圖 12)表明，構建的2個SEMs均有較好模型擬合度(P>0.05)。

對PLFA豐度的SEM結(jié)果表明，4種主要重金屬(Zn、Pb、Cu、Cd)污染對PLFA豐度的影響主要通過改變土壤pH值，進而影響TC和TOC含量，這是此SEM的顯著路徑。重金屬污染對PLFA豐度的綜合效益值為-0.26，說明重金屬污染還通過改變土壤理化性質(zhì)間接降低了PLFA的豐度。對PLFA結(jié)構的SEM結(jié)果也表明PLFA結(jié)構的改變是由于重金屬污染降低土壤pH值，而pH值直接影響了GN/GP和F/B。因此，本層(污染風險關聯(lián)驗證)最終結(jié)論證實了前期篩查出的優(yōu)先管控的重金屬會通過改變土壤理化性質(zhì)而間接影響土壤微生物豐度和結(jié)構。對評估過程中各層次的不確定性來源進行分析，表明數(shù)據(jù)獲取、模型選擇、生態(tài)調(diào)查等評價過程的不確定性較低，風險結(jié)論較為可靠。

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展望與結(jié)論

該研究針對場地及周邊區(qū)域土壤的生態(tài)污染問題建立了一種層次化生態(tài)風險評估方法，并在2個典型礦區(qū)進行了案例驗證。露天鐵礦區(qū)評估結(jié)果在風險篩查層次就排除了所有污染物的生態(tài)風險。鉛鋅礦區(qū)評估結(jié)果表明, 土壤Pb、Cd、Cu、Zn和Hg是鉛鋅礦評估區(qū)內(nèi)的優(yōu)先管控污染物，主要通過主導風的大氣沉降對礦區(qū)周邊2.2 km范圍造成潛在生態(tài)風險，在此風險區(qū)內(nèi)存在中高概率風險的污染物優(yōu)先管控順序是Zn(80.18%)> Pb(23.20%)> Cu(20.65%)> Cd(13.08%)。土壤PLFA生態(tài)調(diào)查和風險關聯(lián)分析表明，這些污染物可改變風險區(qū)內(nèi)的土壤理化性質(zhì)，進而對土壤PLFA豐度和結(jié)構產(chǎn)生影響，證實了礦業(yè)活動帶來的重金屬污染對當?shù)赝寥牢⑸锶郝涞奈：π?個案例研究證明了筆者提出的層次化生態(tài)風險評估方法的有效性與科學性，該方法通過將單一指數(shù)法、概率評估法及實地生態(tài)調(diào)查等傳統(tǒng)的生態(tài)風險評估方法系統(tǒng)納入層次化框架中，既避免了單一指數(shù)法的片面性，又避免了直接實地生態(tài)調(diào)研的高成本，并通過本土化設計增強了適用性，有效實現(xiàn)了評估成本、效率和結(jié)果現(xiàn)實性之間的平衡。

未來，層次化生態(tài)風險評估框架可應用于更多污染場地，驗證其在不同污染場地類型中的實踐指導作用。對于一些土壤污染程度較輕的行業(yè)場地可僅開展低層次(風險關聯(lián)識別-風險篩查)評估，避免不必要的資源投入。而對于高風險的復雜污染場地，可在風險篩查層次的基礎上進一步量化關鍵污染物的風險特征，并開展本土生態(tài)效應關聯(lián)驗證，提高評估結(jié)果的生態(tài)現(xiàn)實性。

參考文獻

(生態(tài)修復網(wǎng))