Spatiotemporal simulation, early warning, and policy recommendations of the soil heavy metal environmental capacity of the agricultural land in a typical industrial city in China: Case of Zhongshan City

成果信息：Pan Y, Ding L, Xie S, et al. Spatiotemporal simulation, early warning, and policy recommendations of the soil heavy metal environmental capacity of the agricultural land in a typical industrial city in China: Case of Zhongshan City[J]. Journal of Cleaner Production, 2021,285:124849.

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124849 

资助项目：国家自然科学基金项目（41877297）；中国地质调查局项目（DD20190219；12120100900015010）

作者信息：

潘羽杰，（第一作者），中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，硕士，研究方向为资源管理与生态可持续发展，panyujie@cug.edu.cn。

彭红霞，（通讯作者），中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，教授，博士，研究方向为环境演变与人类适应研究，penghx@cug.edu.cn。

1 研究背景

随着工业化和城市化的快速发展，土壤重金属污染已逐渐成为威胁土壤生态环境的关键因素。由于自然和人类活动，重金属污染物在土壤中积累，并作为主要污染物通过摄食、皮肤接触和呼吸等方式进入人体。土壤重金属环境容量是指一定的环境单元，在一定时限内遵循环境质量标准，即保证农产品的产量和生物学质量，同时也不使环境污染时，土壤所能容纳重金属污染物的最大负荷量。一旦超过负荷量，土壤将面临重金属污染，引发各种环境问题，威胁人类健康。土壤环境容量可以作为衡量土壤重金属污染状况的基础工具，为开展污染土壤修复与综合治理，健全土壤环境质量标准体系提供必要的基础数据和科学依据。

2 问题提出

典型工业城市的农用地土壤重金属环境容量状况及防治措施？

3 研究方法

3.1 物质平衡线性模型

3.1.1 静态环境容量

是指使用静止的观点表征土壤环境的容纳能力，土壤环境质量标准是个定值，不同类型土环境背景值与土壤环境风险基准值决定了土壤环境静态容量的高低，两者差值越大，土壤环境容量越高。

3.1.2 动态环境容量

元素在土壤中处于动态平衡状态，假定土壤污染物的输出量与土壤污染物含量之间呈直线关系，应用逐年递推方法得出平均动态年容量。

3.2环境负载容量法

    环境负载容量法不但在标准选择上实现了污染物的临界值与土壤背景值的双界面过程控制，而且考虑到了外源污染物在土壤中的累积与转化，模拟了污染物的动态平衡过程。

4 技术路线

本研究思路框架主要包括3个模块，分别为土壤重金属环境容量时空模拟，风险预警和政策建议，如图1所示。首先，通过地统计学分析和物质平衡线性模型对中山市农用地土壤重金属环境容量进行时空模拟。之后，结合环境负载容量法分析研究区环境容量风险状况，并通过对前人文献的整合分析，探讨了中国工业城市农用地土壤重金属的主要污染来源。最后，提出相应的靶向治理对策。

图1  思路框架图

5 主要观点

观点1：在2015年-2035年，中山市北部土壤重金属环境容量呈波动增长趋势；研究区土壤重金属环境容量变化较大，总体呈现自西南向东北递减的空间格局。

图2 中山北部土壤环境容量时空模拟分布图(从左到右分别为2015、2025和2035年)

观点2：①研究区综合风险预警指数平均值为0.71，中容量区和高容量区分布广泛，低容量区普遍富集As、Cr、Cu、Ni、Cd等多种元素，分布在北部平原。将中山市与我国其他三类轻工业城市的土壤环境容量和风险水平进行了比较(表3)，中山、南京、湖州和福州的土壤重金属综合容量指数分别为0.71、0.91、0.88和0.93。研究区土壤重金属综合环境容量指数低于其他三个轻工业城市。

图3 研究区土壤重金属环境容量风险预警图

②对中国各省市（港澳台除外）典型轻重工业城市的土壤重金属污染来源进行探讨，推断中国的轻工业城市农用地土壤重金属污染主要来源于工业废弃物和人类活动。然而，重工业城市更容易受到成土母质，矿物开采冶炼影响。工业城市的土壤治理要考虑到城市内重金属污染高危地区的实际情况，并落实相应的重金属污染防治措施。

图4 中国典型轻工业城市和重工业城市农用地土壤重金属因子旋转成分载荷

观点3：基于美丽中国之“土壤安全”指标，提出了针对中山市，中国工业城市以及全球可持续可持续发展的农用地土壤重金属污染整治思路。应至少包括5个方面内容：控制工业污染源、减少自然来源、规范人类活动和监管矿产开发与冶炼。

图5 工业城市“土壤安全”管理政策框架及主要内容

6 研究意义

本文提供了系统的工业城市农用地土壤重金属环境容量时空模拟和预警研究方法，并为加快中国制定农用地污染土壤管理政策提供借鉴。