我国土壤污染风险评价的研究进展

李胜涛,蔡五田,张 敏,刘雪松,张超宇

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北 保定 071051;2.中国国土资源经济研究院,北京 065201)

0 引 言

土壤是与人类关系最密切的环境要素。然而,随着城市化和工农业迅猛发展,特别是农业本身的高度集约化,化学污染物从多道进入人们赖以生存和发展的土壤环境,致使土壤和农产品污染日趋严重,并对水体和大气环境质量产生了较大的影响。目前,国内外的土壤环境安全问题日益突出,不同程度污染的土壤面积不断扩大,土壤污染己成为我国乃至全球农产品质量安全的严重隐患[1-5]。

在这一背景下,为了全面深入地研究外源污染物对环境质量的冲击程度以及对人类的危害程度,控制并修复土壤污染,国内外诸多国家都陆续展开了不同层面上的土壤污染研究,众多的污染现状调查、风险评价及其宏观决策管理等方面的相关研究相继开展,并取得了一定研究进展。总的来看,各种土壤污染研究在宏观上侧重政策法规、经济与技术手段等方面的研究,在微观上则注重土壤污染特征与来源、迁移转化、分析技术等内在机理研究[6-7]。其中,在微观上开展的土壤污染风险评价(土壤环境质量评价)研究作为有效评定土壤污染程度及其对人类健康适宜程度的重要措施,越来越多地引起业内人士以及国家和地方决策机构的广泛认同与高度重视。

1 主要概念

1.1 污染与土壤污染

一般而言,自然环境中混入对人体有害或破坏环境卫生、改变环境正常状态的现象,即谓之污染。对于土壤来说,只要土壤受到了外来有害物质或能量的侵害,就表明该土壤受到了污染。从污染范围看,既有点、线,又有面、片;从污染物种类看,几乎包括了自然界所有存在的物质,其中以重金属、石油烃、持久性有机污染物(POPs)等出现概率较多、危害较大;从污染源看,涉及工业、农业、生活、商业等多种污染源[34]。

1.2 风险与风险评价

风险是指一种可能性,主要指不利事件或不希望事件发生的可能性。风险评价中的风险是指“遭受损害、损失的可能性”,或者定义为“不良结果或不期望事件发生的机率”。用数学公式可表示为:

式中P表示某种影响或危害的风险;S表示影响或危害的严重程度;R为影响或危害发生的机率。

风险评价则是对人类活动或自然灾害的不利影响和可能性的评价,是对不良结果或不期望事件发生机率的描述及定量分析[8]。

1.3 土壤污染风险评价

土壤污染风险评价是在研究土壤环境质量变化规律的基础上,按一定的原则、标准和方法,对土壤污染程度进行评定,或是对土壤对人类健康适宜程度进行评定,目的是提高和改善土壤环境质量,并提出控制和减缓土壤环境不利变化的对策和措施[7]。

2 我国土壤污染风险评价的研究进程

国际上,土壤污染风险评价始于20世纪70年代末期的美国超级基金项目。该项目采用风险评价作为重要的政策工具,用于决定污染土地可能带给当地居民健康危害的风险,以风险评价为基础探讨修复技术的筛选以及污染土地修复(整治)目标。随后,荷兰、澳大利亚、加拿大、英国等国家先后制定了风险评价准则、草案及相关的政策法规[7-9]。

我国学者对于土壤污染风险评价的研究起步相对较晚。从20世纪90年代起,部分学者开展了香港、南京、广州、北京等城市的重金属含量和化学形态测定,主要研究集中在城郊蔬菜地和郊区土壤重金属污染调查方面。自上世纪90年代至本世纪初期,国内的土壤污染风险评价研究大多涉及在我国城市水、大气环境风险,水域生态风险等领域的分析和评价[7]。如曾光明[10-11]探讨了水环境健康风险评价模型及应用;仇付国等[12]研究了多种途径污水利用的健康风险;高继军[13]等对北京市饮用水源水中的重金属污染物进行了健康风险评价;钱家忠等[14]评价了城市供水水源地的水质健康风险;刘文新[7]等人则利用地积累指数法、潜在生态危害指数法、多变量脸谱图法等评估方法对水域生态风险进行评估;杨晓松[15-16]对区域环境风险评价方法进行了探讨;周启星等[17]人则对我国开展生态风险评价从不同角度进行了探讨,并建立了评价方法与程序。

以上可以看作我国土壤污染风险评价的初级阶段,主要污染源多为重金属及类金属(As)等无机污染物,主要研究多集中在小范围的土壤和农产品污染问题(如一块农田、绿色食品生产基地和污水灌溉区等)。

进入21世纪以来,我国土壤污染风险评价研究进入了快速发展时期,有机污染土壤,特别是石油类污染场地越来越受到人们的关注,同时,针对省级单元或全国性大范围土壤和农产品重金属污染现状及其危害的调查评价方法也被列入研究进程。郑袁明,陈同斌等[18]以北京市为例在国内率先开展了省级单元的大规模区域土壤环境质量评价与污染风险研究,该研究工作从1999年开始,先后在北京地区采集了1 500多个土壤和蔬菜样品,完成了1万余样次的重金属(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等)的分析测定工作,取得大量的科学数据和重要的理论、技术进展;曹云者等[19]分析了国际上石油烃污染场地环境管理方法的特点和发展趋势,并结合我国的实际情况,提出了在我国建立基于风险的石油烃污染场地环境管理模式的对策建议;赵沁娜等[20]以某区域土地置换开发为案例,结合区域未来土地利用类型,采用健康风险评价模型对土壤多环芳烃(PA Hs)污染可能给未来入住人群带来的健康风险进行了评价;何巧力等[21]利用ISO推介的标准试验方法研究了蚯蚓回避行为试验在萘污染土壤生态风险评价中的应用。

与此同时,国家性的支撑和引导也逐渐浮出水面。2001年国家环保局发布的《国家环境科技发展“十五”计划纲要》中把研究建立环境风险管理制度作为适应市场经济的现代环境政策、建立科学决策的技术支撑体系的科技工作之一。2004年11月我国在南京召开的“第二届土壤污染与修复国际会议”表明了今后土壤安全问题将会是一个新的热点。2007年,国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局制订了《展览会用地土壤环境质量评价标准》(暂行)HJ350-2007,于2007年颁布实施,这一标准的执行为我国城市土壤污染风险评价提供了一个参考标准[7,22]。

从国内外研究进展来看,风险评估、风险分析方法和风险管理已经逐渐作为一种政策分析工具和管理手段广泛应用于解决复杂、困难的环境问题,特别是在污染土地的治理方面。但目前我国在城市土壤污染风险评价、风险管理方面仍存在相当的缺口。如何根据我国国情,在借鉴国外经验的基础上,探讨我国土壤污染风险评估标准和风险管理制度,是今后环境保护工作面临的一个新挑战[22]。虽然起步较晚,但是随着相关政策的支持及大批科研力量的投入,符合我国国情的,更为完善的评价技术要求、技术规范、评价方法呼之欲出。

3 主要评价方法的研究现状

保护人体健康和生态安全是进行污染防治的最终目的[23]。因此,土壤污染风险评价一般可分为健康风险评价和生态风险评价两大类。

3.1 土壤污染健康风险评价

健康风险评价起源于欧美发达国家,它是在收集和整理毒理学、流行病学、环境监测及暴露情况等资料的基础上,通过一定的方法或使用模型来估计某一暴露剂量的化学或物理因子对人体健康造成损害的可能性及损害的性质和程度大小[22]。

从国内土壤污染健康风险评价的研究现状看,主要研究多集中在对污染点进行健康风险评价,而基于健康风险评价确定污染治理监测计划方面的研究还不多见,特别是在将健康风险分析评价与土壤污染治理进行系统结合方面的研究还未见报道。

为了保护工矿企业内工人的身体健康,我国国家环保总局早在1999年发布了《工业企业土壤环境风险评价基准》。该基准考虑了食入和皮肤接触污染土壤以及饮用被污染的地下水这两个暴露途径,并依此分别制定了89种常见工业污染物的土壤基准直接接触和土壤基准迁移至地下水,这为筛查工矿企业的土壤污染起到了一定的指导作用。但是该基准仅适用于工矿企业界区内土壤污染的环境质量风险评价,同时也没有明确如何指导后续的污染治理[25]。北京市环境保护科学研究院的姜林和王岩[26]在参考了大量国内外有关场地评价文献的同时结合所在单位多年来在场地评价实践中积累的经验于2004年编著出版了《场地环境评价指南》,该书重在对工矿企业造成的土壤污染进行健康风险评价、为场地交易提供决策依据。清华大学的李广贺教授和陈华[27]应用USEPA的多介质风险评价模型MMSOILS,通过建立不同国家土壤环境基准值与健康风险值之间的线性回归关系,以10～6作为人类健康风险限值,初步确定了重金属、芳烃类、氯代烃类、杀虫剂和除草剂等61项污染物的风险基准值,作为我国土壤环境标准的建议值;同时应用MMSOILS模型对山东淄博大武水源地烯烃厂苯污染导致的健康风险进行了评价。但是MMSOILS模型仅是一个风险评价模型,没有建立基于风险确定污染治理目标的模型。

3.2 土壤污染生态风险评价

生态风险评价是以土壤生态系统为对象,评价土壤中一个种群、生态系统和整个景观的正常功能受到外界胁迫,从而在目前和将来减小该系统内部某些要素或其本身的健康、生产力、遗传结构、经济价值和美学价值的可能性。

生态风险评价在欧美都有法律依据和技术规则。从1983年美国国家科学院提出土壤生态风险评价方法发展到Suter(1993)、EPA(1998)模型、MMSOILS等各种多介质模型,生态风险评价基本已形成体系,其重点在评价DDT、PCDD等土壤中有机农药的生态风险[28]。

生态风险评价能够灵活地组织和运用各种数据、信息、假设和不确定性,对产生不利的生态效应进行评价。我国也有很多学者开展了此方面的研究,但主要研究多集中在土壤中重金属污染的风险评价,采用的主要方法有:概念模型法、数学模型法、生态风险指数法、形态分析法、生物评价法等[29]。其中,风险指数法是国际上众多科学家从沉积学角度提出的多种重金属污染评价方法,主要有潜在生态风险指数法、地质累积指数法、污染指数法、回归过量分析法等。虽然这些方法大多用于沉积物污染评价,但用于土壤重金属评价的实例也逐年增多。如:宣昊等[30]在地球化学基线的基础上利用潜在生态风险评价方法对江西省德兴铜矿周围土壤中7种重金属进行了评价,将研究区划分为轻微生态风险区、中等生态风险区和强生态风险区;滕彦国等[31-33]应用地质累积指数对攀枝花地区昔格达组黏土的重金属污染进行了评价,提出应选择与该沉积物有直接联系的地球化学背景,由此分析污染状况才更真实。

4 存在的主要问题与发展趋势

总的来看,我国土壤污染风险评价已进入了快速发展阶段,但是与发达国家相比依然存在着明显的差距,主要表现在:

1)并未形成真正的基于风险评价的土壤污染监测、治理模式,总体上依然施行基于环境标准的刚性模式;

2)尚未形成适合我国国情的风险评价指标体系和评价方法体系,国家级的法律法规尚不完善,诸多研究多处于国外相关体系、成果的借鉴和探索阶段;

3)评价对象主要为污染点或较小范围的污染场地,缺乏国家性的数据库建设,较大区域的土壤污染风险调查评价仍处于探索阶段,评价方法尚不成熟,全国性的污染现状与危害依然“家底”不清。

基于此,我国土壤污染风险评价的研究应在以下几个方面加强:

1)通过制定相关政策法规,鼓励基于风险评价的柔性监测治理模式的形成,逐步替代现行的基于环境标准的刚性监测治理模式;

2)加强典型土壤污染场地的风险评价研究与示范,加强国际上优秀成果的引入和借鉴,逐步形成适合我国国情的污染场地风险评价理论和评价方法体系;

3)开展全国性的土壤污染调查和风险评价,建设完善国家性的基础数据库;

4)在风险评价的基础上开展土壤污染的监测与治理研究,引导我国土壤污染治理进入柔性化、低成本、多途径和公众广泛参与的新局面。

[1] 张久根,蔡士悦.国内土壤污染研究状况[J].环境科学研究, 1990,3(1):56-60.

[2] 龚子同,张甘霖.人为土研究的新趋势[J].土壤,1998,(1):54-56.

[3] 张桃林,潘剑君.土壤质量研究进展与方向[J].土壤,1999, (1):1-7.

[4] 王慎强,陈怀满.我国土壤环境保护研究的回顾与展望[J]土壤,1999,(5):255-261.

[5] 林玉锁,李 波,张孝飞.我国土壤环境安全面临的突出问题[J].环境保护,2004,(10):39-42.

[6] 施加春.浙北环太湖平原不同尺度土壤重金属污染评价与管理信息系统构建[D].杭州:浙江大学,2006.

[7] 朱 成.重庆市典型搬迁企业土壤污染现状及健康风险评价[D].重庆:西南大学,2008.

[8] 董志贵.地下水污染风险评价方法研究及软件设计开发[D].哈尔滨:东北农业大学,2008.

[9] 王建刚.西方发达国家污染土地审计的引介[J].中国标准化, 2002,(7):21-25.

[10] 曾光明,卓 利,钟政林,等.水环境健康风险评价模型及其应用[J].水电能源科学,1997,15(4):28-33.

[11] 曾光明,卓 利,钟政林,等.水环境健康风险评价模型[J].水科学进展,1998,9(3):212-217.

[12] 仇付国,王晓吕.污水再生利用的健康风险评价方法[J].环境污染与防治,2003,25(l):49-51.

[13] 高继军,张力平,黄圣标,等.北京市饮用水源重金属污染物健康风险的初步评价[J].环境科学,2004,25(5):47-50.

[14] 钱家忠,李如忠,汪家权,等.城市供水水源地水质健康风险评价[J].水利学报,2004,(8):1-5.

[15] 杨晓松,谢 波.区域环境风险评价方法的探讨[J].矿冶, 2000,9(3):107-110.

[16] 杨晓松,谢 波.区域环境风险综合评价的程序和方法[J].国外金属矿选矿,1998,(11):26-28.

[17] 赵沁娜,徐启新.城市土地置换过程中土壤多环芳烃污染的健康风险评价[J].长江流域资源与环境,2009,3(18):286-292.

[18] 郑袁明,陈同斌.北京市土壤和蔬菜重金属污染与风险评价[J].地理研究,2004,23(5):i001.

[19] 曹云者,施烈焰,李丽和,等.石油烃污染场地环境风险评价与风险管理[J].生态毒理学报,2007,2(3):165-272.

[20] 赵沁娜,徐启新,城市土地置换过程中土壤多环芳烃污染的健康风险评价[J].长江流域资源与环境,2009,3(18):286-292.

[21] 何巧力,颜增光,汪群慧,等.利用蚯蚓回避试验方法评价萘污染土壤的生态风险[J].农业环境科学学报,2007,26(2):538-543.

[22] 赵沁娜.城市土地置换过程中土壤污染风险评价与风险管理研究[D].上海:华东师范大学,2006.

[23] 陈炼钢,武晓峰.基于环境风险的土壤地下水污染治理[J].环境保护,2005,(10):52-55.

[24] 陈炼钢.土壤地下水污染治理健康风险分析系统研究[D].北京:清华大学,2005.

[25] HJ/T 25-1999,工业企业土壤环境质量风险评价基准[S].

[26] 姜 林,王 岩.场地环境评价指南[M].北京:中国环境科学出版社,2004:42-54.

[27] 陈 华.石油污染场地土壤风险基准值与环境风险评价技术研究[D].北京:清华大学,2005.

[28] 刘 晶,滕彦国,崔艳芳,等.土壤重金属污染生态风险评价方法综述[J].环境监测管理与技术,2007,19(3):6-10.

[29] 许 杰,柯 欣,宋 静,等.弹尾目昆虫在土壤重金属污染生态风险评估中的应用[J].土壤学报,2007,44(3):544-548.

[30] 宣 昊,滕彦国,倪师军,等.基于地球化学基线的土壤重金属污染潜在生态风险评价[J].矿物岩石,2005,25(4):69-72.

[31] 赵沁娜,徐启新,杨 凯.潜在生态危害指数法在典型污染行业土壤污染评估中的应用[J].华东师范大学学报(自然科学版),2005,(3):111-116.

[32] 李章平,陈玉成,杨学春.重庆市主城区土壤重金属的潜在生态危害评价[J].西南农业大学学报(自然科学版),2006,28 (4):227-230.

[33] 郭 平,谢忠雷,李 军.长春市土壤重金属污染特征及其潜在生态风险评价[J].地理科学,2005,25(1):108-112.

[34] 周启星,宋玉芳.污染土壤修复原理与方法[M].北京:科学出版社,2004.