河道疏浚底泥還田利用潛在污染和生態風險評價

江 健,朱 峰,李雙喜,呂衛光,徐振宇

(1 上海市奉賢區農產品質量安全中心,上海 201499;2 上海市奉賢區農民科技教育培訓中心,上海 201499;3 上海市農業科學院生態環境保護研究所,上海 201403)

河道底泥是沉積在水體底部的泥土、沙等基質顆粒物,含有大量碳、氮、磷等養分以及植物生長必需的其他微量元素,是水體生態環境系統的重要組成部分。 但伴隨著我國城市化進程的不斷推進,城市人口劇增,工農業不斷發展,河道污染問題日益突出。 底泥不僅是重金屬的匯,不斷接納水體中的各類污染物質,也是重金屬污染的潛在來源,會向上覆水體源源不斷地釋放這些物質[1]。 當外界環境一旦發生變化,沉積于底泥中的重金屬極易被再次釋放,造成二次污染,惡化水質,毒害水生生物,并可能通過食物鏈直接或間接影響人類和動物的健康[2-3]。 在我國最近十幾年,內源污染控制研究快速發展,河道底泥清理可以有效降低底泥上層沉積物中的營養鹽和重金屬等污染物,對河道中的水質和生物群落變化都能產生很大影響。

目前,疏浚底泥的安全處置和底泥中的重金屬等污染物的環境風險是一個新問題。 處置底泥不僅要無害化和減量化,還要變廢為寶,資源利用化。 奉賢區內河網密集、縱橫交錯,其底泥的處理模式多樣,主要有資源化利用、衛生填埋和無害化處理等[4],其中資源化利用(農田綜合利用)是一種最具發展潛力的處置方式。 河道疏浚底泥還田可利用底泥中的高濃度營養物質來增加土壤肥力,還可使河道內源污染得到有效控制。 已有學者對上海市河道底泥中的養分含量、重金屬污染等進行了研究[5-6],但對有關鎮、村級河網底泥還田后的土壤養分、重金屬、有毒有害物質的含量描述及生態風險評價研究報道較少。 本研究以奉賢區境內河道疏浚底泥還田后土壤為對象,摸清底泥還田后的土壤耕地地力等級和生態風險評價,以期為其他郊區河道底泥安全農用提供參考。

1 研究區域概況

奉賢區位于上海市南部,地處長江三角洲東南端,東經121°21′—121°46′,北緯30°47′—31°01′,形似去尾的鯉魚,東接浦東新區,西連金山區和松江區,南臨杭州灣,北枕黃浦江,總面積720.68 km2,擁有31.6 km 的海岸線和13.7 km 的江岸線,地理位置優越。 境內地勢平坦,吳淞高程在3.5—4.5 m,受河流、湖泊、海水相互作用而形成。 全區屬黃浦江水系,為平原感潮河網地區,河道縱橫交錯(多為人工河道),水系發達。 據《2021 年上海市河道(湖泊)報告》統計,奉賢區共有河道3922 條,長度3 119.28 km,面積51.305 km2,河網密度4.54 km∕km2,湖泊1 個,面積0.541 km2,其他河道3.926 km2,全區河湖水面積共55.77 km2,河湖水面率8.11%。 在過去的二三十年,大量垃圾的匯入和長時間的不清理導致境內河底藏了大量淤泥,河道水質污染嚴重,甚至部分段河道水體出現黑臭現象。 根據《關于印發〈關于規范中小河道整治疏浚底泥消納處置的指導意見〉的通知》(滬水務〔2018 〕1109 號)文件要求,奉賢區對中小河道實施環境綜合整治工程,其中部分河段將疏浚整治。 該工程的實施,將實現中小河道全面消除黑臭,改善內河水質,暢通河網水系,對奉賢區水環境質量提升有積極作用。

2 研究方法

2.1 樣品采集與分析

在當季水稻收割后,疏浚底泥以泥漿方式還田后進行自然干化,干化后厚度不得超過10 cm。 根據河泥還田區域的面積,將地塊按80 m ×80 m 劃分若干個采樣單元,每個采樣單位采集1 個混合土壤樣品,每個地塊不少于1 個監測點位。 土樣采集技術按照《土壤檢測第1 部分:土壤樣品的采集、處理和貯存》(NY∕T 1121.1—2006)方法進行,“S”形采樣,需避開路邊、田埂、溝邊、肥堆等特殊部位,采集耕作層深度0—20 cm,共采集200 個樣品,并需增加采集不少于總樣品數的5%土樣作為平行樣。

從野外采集回來的土樣及時放在樣品盤上,攤成薄薄的一層,剔除碎石,樹枝、枯葉等雜質,置于干凈整潔的室內通風處陰干,嚴禁暴曬,并注意防酸堿氣體及灰塵污染。 風干后的土樣經研磨過篩后備用。用于重金屬和有毒有害元素分析的土樣需在采樣、風干、研磨、運輸和貯存等環節中,不可接觸可能導致污染的重金屬和有毒有害器皿,以防二次污染。 檢測土壤養分及屬性因子包括:有機質(SOM)、全氮(TN)、有效磷(AP)、速效鉀(AK)、pH、耕層厚度(Apl)、容重(CY)、水溶性鹽總量(TDS)、陽離子交換量(CEC);重金屬包括鎘(Cd)、鉻(Cr)、汞(Hg)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、砷(As)、銅(Cu)和鋅(Zn);有毒有害物質包括六六六(BHC)、滴滴涕(DDT)和苯并[a]芘(BaP)。

2.2 分析方法

樣品分析參照國家標準分析方法或行業標準分析方法,分析方法見表1。 試驗數據檢測設有較全面的質控數據管理。

表1 測試因子的分析方法Table 1 Analysis method of test factors

2.3 指標評價方法

根據《上海市補充耕地質量評定技術規范(試行)》(滬農技[2016]25 號),對河道疏浚底泥還田的土壤進行耕地地力評價。 土壤環境指標按照《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)和《農用污泥污染物控制標準》(GB 4284—2018)進行風險評估,對土壤中各重金屬元素進行單項、綜合污染和潛在生態危害指數評價。

2.3.1 耕地生產性能綜合指數

耕地生產性能綜合指數(耕地地力指數)計算,是采用加法模型,對各評價單元各評價指標的實測值進行權重和隸屬度數學運算,獲得耕地生產性能綜合指數。

式中:IFI為耕地地力指數,Fi為第i個評價指標的隸屬度(即評價指標隸屬函數值),Ci為第i個評價指標的權重。

2.3.2 土壤肥力分級標準

參照上海市耕地質量監測指標分級標準(表2),對土壤中的養分含量、pH 和其他屬性進行等級評價。為提高土壤肥力評價結果的準確性,采用“域值處理”法,即以樣本的均值與均方差的倍數之和( ±3σ)為門檻值對樣本數據進行剔除或替換。 經過剔除特異值處理,各評價因子合理取樣數達到92.52%以上。

表2 土壤各養分指標分級標準Table 2 Grading standard of each soil fertility indexe

2.3.3 單項污染指數評價

單項污染指數計算公式為:

式中,Pi為污染物i的單項污染指數,Ci為污染物i的實測值(mg∕kg);Si為污染物i的評價標準(mg∕kg)。 當Pi≤1 時,表示土壤未受污染;Pi＞1 時,表示土壤受到污染,且Pi值越大,土壤受到污染越嚴重。

2.3.4 綜合污染指數評價

綜合污染指數是兼顧單項污染指數的平均值和最高值,全面反映樣品中各重金屬的平均污染水平,計算公式為:

式中,PZ為重金屬元素綜合污染指數,Pave為各重金屬單項污染指數的平均值,Pmax為各重金屬單項污染指數的最大值。 污染評價分級見表3。

表3 土壤重金屬污染分級標準Table 3 Grading standard of heavy metal pollution in soil

2.3.5 潛在生態風險評價

河道疏浚底泥還田的潛在生態風險評價采用Hakanson 潛在生態危害指數法,是眾多沉積物重金屬評價方法中尤為全面,不但可以評價單個重金屬的潛在危害程度,還能夠評價多種重金屬的綜合潛在生態危害[7]。 計算公式為:

3 結果與分析

3.1 耕地地力評價

在進行河道疏浚底泥還田耕地地力評價前,需按照農業生產條件符合性評價指標和評價標準對耕地進行農業生產基本條件符合性判定評價。 選取有效土層厚度、礫石含量、耕作層有機質、田面坡度、土壤酸堿度、田間排灌設施、其他土壤污染(重金屬、有機、化學或物理污染物等)、10 mm 及以上土壤侵入體比例、水溶性鹽總量作為農業生產條件符合性評價指標。 經綜合評價計算,耕地農業生產條件符合評價結果(CAR)為78,達到農業生產基本條件要求( ＞60),后續可以開展耕地地力評價。

通過對2 140 個評價因子IFI 值的計算,按照地力等級的劃分指標,確定每個評價單元的地力等級,匯總結果如表4。 研究區內河道疏浚底泥還田的土壤總體上處于較高等級,其中,高產田(一級地和二級地)占總補充耕地面積的97.20%(一級地占81.31%,二級地占15.89%),中產田(三級地)占2.34%,低產田(四級地和五級地)占0.47%。 研究中的中低產田面積占比很少(占2.81%),無等級最差的五級地,故研究區的河道疏浚底泥還田土壤環境質量良好,在當前管理水平下,其土壤本身特征、自然條件和農田基礎設施水平等要素均較好,可開展農業生產。

3.2 河道疏浚底泥還田土壤養分和屬性狀況

河道疏浚底泥還田土壤中的SOM、TN、AP、AK、pH、Apl、CY、TDS 和CEC 平均含量為23.88 g∕kg、1.07 g∕kg、39.96 mg∕kg、154.60 mg∕kg、7.67、27.82 cm、1.52 g∕cm3、0.50 g∕kg 和21.36 cmol∕kg(表5),分別處于監測指標分級標準的第3 級、3 級、1 級、1 級、3 級、1 級、5 級、1 級和2 級。 除CY 處于5 級(低)水平外,其余土壤養分元素和屬性指標處于1 級(中)—3 級(高)水平。 變異系數越大,土壤中的元素受到外界因子影響較大,使其空間變異增強。 pH 變異系數為4.17%,屬于弱變異強度,該元素空間差異較小,在區域分布中較均勻,其余8 種元素的變異系數在10.26%—57.23%,空間上屬于中等變異強度。 相比2019 年全區耕地質量調查結果,河道疏浚底泥還田可保持原有土壤的SOM 含量穩定,維持在3 級水平,而土壤養分TN、AP、AK 的含量卻有所降低,TN 等級水平由2 級降為3 級,AP、AK 等級不變,仍為1 級;底泥還田后,可明顯增加原有土壤耕層厚度(增加76.08%),降低土壤含鹽量(減少76.19%),并提升了Apl、TDS 含量分級標準,達到1 級水平;而疏浚底泥對耕地土壤的pH 和CY 有增加作用,使原有田塊中的pH 由中性(7.11)向弱堿性(7.67)增加,等級由1 級降低至3 級,CY 提高16.92%,由3 級降低至5 級?？偟膩碇v,河道疏浚底泥還田土壤能夠保持土壤有機質和氮磷鉀養分,肥力質量較好,能夠滿足農業基礎生產需要。

表5 各因子含量的描述性統計Table 5 Descriptive statistics of different element content in soil

調查中發現(圖1),河道疏浚底泥還田土壤中的SOM 含量＞15 g∕kg 的頻率居多, 占總樣品數的69.16%, ＞35 g∕kg 的樣品占13.55%;對≤15 g∕kg(17.29%)這部分土壤要增加有機肥或者有機物料的投入,加快土壤有機質的積累速度、提高含量,培育土壤肥力。 大部分樣品TN 含量處于中等和較低水平,其中集中在1.0—1.5 g∕kg 的樣品占50.93%,≤1.0 g∕kg 占43.45%;而＞1.5 g∕kg 的樣品只占5.61%,故底泥還田土壤中的TN 含量水平總體較低,需要增施一定氮肥以維持土壤全氮含量,提高土壤供氮水平。 AP 和AK 含量的頻率趨勢表現一致,大部分樣品含量在高水平,分別占總樣品的51.42%和49.53%,能夠滿足大田作物需磷鉀量。 其中仍有11.79%的底泥還田土壤AP 含量≤15 mg∕kg,相對于糧田來講,供磷水平屬于較低;而AK 含量總體較高,主要是因為上海耕地土壤發育于沉積母質,本身鉀素儲量較多,但仍有11.69%底泥還田土壤≤90 mg∕kg,處于較低水平,可在農業生產中增施鉀肥或噴施含鉀葉面肥。 鉀素進入土壤后易被土壤吸收而不易流失,故對AK 含量較高的土壤可少施或不施鉀肥。 研究區底泥還田土壤pH 都在6.90—8.50,多呈弱堿性,集中分布在1 級(6.50—7.50)和3 級(7.50—8.50),分別占總樣品的37.32% 和62.68%。 這與研究區的地理位置相關,其土壤是由長江攜帶的大量泥沙堆積發育形成的石灰性沖積平原土壤,其酸堿性質多為中偏堿性[8]。 Apl 和TDS 的頻率分布表現一致,集中于高水平,均占總樣品97.98%。 受外界底泥還田影響,Aal 增厚,直接提升了其含量分級頻率,利于作物生長;而TDS 因當地雨量充沛、淡水資源豐富,使河道底泥的TDS 含量較少,還田之后降低了土壤含鹽量,提高含量等級分布。由于河道底泥黏性較大,使底泥還田土壤有51.17%的樣品CY 在1.5 g∕cm3以上,嚴重影響農作物根系生長與穿插;有24.88%的土壤CY 在1.4—1.5 g∕cm3,根系在這樣的土壤中進行生命活動,需要消耗更多的能量。 對于CY 較高的土壤,要適當增加輪作措施和秸稈還田,以改善土壤結構,逐漸降低CY。 CEC 的大小與土壤膠體數量、性質有關。 奉賢區土壤中黏土礦物以水云母為主,并含有較多蒙脫石,使土壤CEC含量總體不低,大部分樣品含量分布在16—30 cmol∕kg,占71.70%。

圖1 各元素含量分級頻率分布Fig.1 Grading frequency of element content

3.3 重金屬、有毒有害物質污染風險評價

3.3.1 底泥還田土壤中重金屬、有毒有害物質含量分析

由表6 可知,底泥還田土壤中的Hg、As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 和Ni 的均值分別為0.20 mg∕kg、8.43 mg∕kg、0.114 mg∕kg、53.00 mg∕kg、22.87 mg∕kg、26.93 mg∕kg、87.73 mg∕kg 和25.42 mg∕kg。 與上海市土壤背景值(1991 年)[9]相比,Hg 的平均含量要明顯高于背景值,是背景值的2.00 倍,表明該地區河道底泥的重金屬Hg 元素積累較多,但其值未超過《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》農用地土壤污染風險篩選值。 有毒有害物質BHC、DDT 和BaP 均未檢測出有效數值,且根據《農用污泥污染物控制標準》,各重金屬含量均屬于A 級污泥產物級別,可以作為耕地、園地、牧草地使用。 土壤8 種重金屬元素的變異系數處于15.38%—34.75%,均為中等變異強度。

表6 底泥還田土壤中重金屬含量分析Table 6 Analysis of heavy metal content in dredged sewage river sediment

3.3.2 單項及綜合污染指數評價

經過單項和綜合污染指數計算,河道疏浚底泥還田土壤中Hg、As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 和Ni 的單項污染指數Pi平均值分別為0.25、0.39、0.17、0.16、0.13、0.26、0.30 和0.18,總體小于1,底泥還田土壤未受到重金屬污染。 經綜合污染指數計算得到,底泥還田土壤重金屬綜合污染指數值為0.32,低于0.7,處于清潔水平,表明奉賢區的河道疏浚底泥還田土壤的環境質量整體較安全,無重金屬污染超標點。

3.3.3 潛在生態風險評價

按照生態風險指數評價步驟,計算出重金屬危害系數和危害指數,對照兩者的分級標準,評價出重金屬潛在危害程度(表7)。 這8 種重金屬中,潛在危害由大到小排列為:Hg ＞Cd ＞As ＞Cu ＞Pb ＞Ni ＞Cr ＞Zn。 Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn 的潛在指數為1.02—25.99,潛在生態危害程度為輕微危害,而Hg 的潛在危害最大,平均危害指數達到80.09,危害程度為強;其中Hg 危害程度達到強的底泥還田土壤點位有95 個,占總點位的45.89%,輕微程度的點位僅占4.83%,對Hg 危害強的土壤需要考慮減少淤泥輸入或深翻,以緩解土壤Hg 含量的累積。 整個研究區域內,底泥還田土壤重金屬的平均RI值為126.88,綜合危害程度為輕微。 從8 種重金屬加合的潛在生態危害程度來看,RI值為27.50—210.91,危害程度輕微的點位居多,占78.04%,中等占21.96%,強或強以上的點位無。 總體來講,底泥對耕地土壤危害較輕。

4 結論與討論

本研究考察奉賢區境內河道疏浚底泥還田土壤中養分、土壤屬性、重金屬和有毒有害物質含量,經耕地地力評價和生態風險評價,得到以下結論:(1)河道疏浚底泥還田土壤達到農業生產基本條件要求,耕地地力等級總體處于較高等級,以高產田為主,中低產田很少。 (2)底泥因自身土壤理化性質因素,還田后可引起土壤pH 和CY 等級大幅降低,特別是CY 降低至5 級,而其余養分元素和SOM 含量等級均可維持不變,Apl 和TDS 分級標準卻表現為明顯提高,達到1 級。 總體上河道疏浚底泥還田土壤的養分和其他屬性可以滿足農業生產基本需求,但需要進行多次深翻和輪作等措施,改善土壤黏性。 (3)8 種重金屬含量未超《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》農用地土壤污染風險篩選值,3 種有毒有害物質未檢出,故河道疏浚底泥還田土壤環境較安全,可以作為耕地使用。 (4)與背景值相比,底泥還田土壤中Hg 含量明顯高于上海市土壤重金屬背景值,為背景值的2 倍。 經潛在生態風險指數評價,它的危害程度為強,其強危害點位占總樣點的45.89%。 后續在河道疏浚底泥還田中,應考慮Hg 累積污染。 但經單項和綜合污染指數評價,這8 種重金屬污染水平總體處于清潔狀態,無重金屬污染。

目前,對于河道疏浚底泥還田后的耕地地力評價、土壤環境生態風險評價等尚未制定出安全統一的標準,其耕地地力評價一般采用補充耕地質量評定技術規范來計算,土壤環境生態風險評價參考《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》《農用污泥污染物控制標準》等標準來評價其重金屬和有毒有害物質的污染程度和生態風險,這與實際的底泥還田后土壤肥力狀況、環境污染危害和風險評價有一定差距。 底泥還田后土壤中重金屬Hg 的含量遠超上海土壤環境背景值,且Hg 的潛在生態風險級別為強危害,其他重金屬元素都屬于輕微級別。 這與相關上海地區內河道底泥重金屬污染研究結論一致[10-12]。 農業生產中化肥、農藥、糞肥和農膜的長期大量使用也是導致河道重金屬Hg 污染的一個重要因素,在利用河道疏浚底泥還田時,應控制好添加比例,避免重金屬的大量輸入可能帶來的土壤污染問題。重金屬的評價方法不僅受其環境背景值、沉積物質量基準等評價指標影響,還與重金屬在土壤和底泥中的存在形態、遷移特征、污染來源等有密切關系[13],因此不同的評價方法綜合分析沉積物重金屬的生態風險狀況有所不同,未來可針對這部分進行完善。