第三节　农田土壤环境质量评价的主要技术方法

一、传统的土壤评价技术

农田土壤环境质量评价是农产品产地安全管理的一项最基础的工作，农田土壤环境质量评价对于强化产地安全管理、开展产地种植结构调整、保障农产品安全质量和维护人民群众身体健康都具有重要的指导意义。

当前，农田土壤环境质量评价常用化学评价法，此方法的主旨是将实际监测值与土壤环境质量基准值进行比较，并根据比较的结果评价土壤环境质量。1995年以前，我国土壤环境质量评价的基准值比较混乱，主要以当地的背景值为基础基准，以背景值+2倍标准差为土壤环境质量安全限值，如果污染物监测值超过了当地土壤污染物的背景值+2倍标准差水平，则可以根据一定的数学评价方法判断其质量安全水平。1995年以后，随着我国《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）（以下简称“《标准》”）的颁布与实施，土壤环境质量评价的基准得到了较好的统一，即一般以《标准》的一级标准作为土壤环境质量的背景值，以二级标准作为土壤环境质量的安全限值，如果土壤污染物超过了这一安全限值，则一般认为土壤受到了“污染”。基于这一准则，又由于土壤环境质量监测过程中常需监测多项指标，所以，系列土壤环境质量评价归一化方法应运而生，如常用的指数法（单项污染指数法、内梅罗指数法、综合指数法、混合加权指数法等）、模糊数学法、灰色系统评价法、物元分析与可拓集合法、人工神经网络法［4］、改进的层次分析法、生态危害指数法、地质累积指数法等。这些方法的特点为以土壤环境质量标准为准绳，以数学模型为核心，将土壤污染物监测值归一为1个指标，以评价土壤环境质量的优劣。虽然各个数学模型各有特色，各有优缺点，但这些方法所围绕的总根源不变，即为《标准》。我国的《标准》取值时遵循的原则为取小不取大，其制定的目的为充分保障人体健康及生态环境安全。但正如夏家淇［5］所言，土壤环境质量评价与水环境及大气环境质量评价不同，对于水及大气污染而言，如果监测的污染物超过了相关标准，则可认为当地的水或大气环境受到了污染，而土壤则不同，由于土壤是一个开放的缓冲系统，进入这个系统的污染物对生物及对生态环境的有效性受到多种因素的影响，如土壤pH值、有机质含量、氧化还原电位、质地等。因此，土壤污染物对人体及生态系统的危害性随着土壤性质的不同而有很大的差异性，而我国《标准》则是考虑到全国总体情况而选定的值。因此，评价土壤是否受到污染，不应仅以土壤污染物是否超过了《标准》二级标准值为依据，也就是说，《标准》二级标准值仅能作为土壤是否受到污染参考值，如果土壤污染物含量超过了这一值，是否为污染还应进行其他评价，以确定土壤污染物是否对人体及生态系统产生危害。

二、基于GIS和地统计的评价技术

随着计算机技术和信息技术的发展，地统计学和地理信息系统逐渐被引入土壤环境质量评价的研究和工作中。地统计学又称克力格法，是研究空间变异性比较稳健的工具，可以最大限度地保留空间信息，在地理信息系统软件的支持下，可以用来揭示区域土壤各重金属元素含量的空间分布特征和规律。地统计学虽然在我国起步较晚，但近年来，GIS和GPS技术的发展为其研究土壤空间变异性提供了准确、便捷的工具，使得地统计学的应用日益广泛。如王学军［6］等应用地统计分析的克力格法对北京东郊污灌土壤表层重金属含量进行空间分析获得东郊土壤重金属污染的空间分布情况；赵永存［7］等利用克力格插值技术研究吉林公主岭土壤中砷、铬和锌含量的空间变异性及分布规律，探讨了这些主要重金属元素分布与土壤理化性质的关系。张乃明［8］等运用地统计学的方法，研究了中尺度条件下太原污灌区耕层土壤Pb、Cd的统计特征和各向异性的空间分布特征，对未测点重金属含量进行了最优估计，绘制了等直线图，从而直观地反映出污灌区土壤重金属地空间变异特征。

地理信息系统（GIS），其基于地理位置和与该位置有关的地物属性的空间分析十分适合环境信息的获取和处理，可以对区域环境做出定量评价，同时利用GIS技术可以对评价结果进行可视化表达，直观显示区域污染情况的分布变化，因此GIS相关技术在研究土壤污染物的空间分布、分析区域土壤污染的空间动态变化规律和趋势等方面就有着不可替代的作用。20世纪90年代后，随着GIS在我国各行业的广泛应用，逐渐有人尝试利用GIS及其相关技术进行土壤环境质量的分析和评价。尹君［9］以GIS技术为依托，结合土壤环境质量综合污染指数，对抚宁县绿色食品基地土壤环境质量进行评价，输出土壤环境质量的评价结果图和相应数据。

三、农产品产地安全适宜性评价技术

由于现行的《标准》中的限量值并不能作为农产品产地安全评价和禁止区划分的依据［10］。大量的产地土壤环境质量监测结果显示，按此标准评价，土壤中污染物超标，达到了污染水平，但生产出的农产品并不超标。如全国无公害基地县的环境质量评价中云南、广西、广东和四川等地区，皆属于高背景值区，土壤重金属含量要高于国家《标准》的二级标准限值，但产出的农产品并不超标，有些地区生产的农产品甚至是多年来当地出口创汇的主打产品，其产品甚至经得起欧盟、美国等发达地区和国家在食品卫生方面的严格检查。此外，我国幅员辽阔，土壤种类众多，种植作物品种差异很大，土壤类型、作物品种、土壤pH值、阳离子交换量以及气候条件、有机质含量等众多因素均会影响作物对土壤中污染物的吸收，一个全国性的《标准》显然远远不能满足和适应我国农产品产地安全质量评价的需要。

以土壤背景值为标准对土壤重金属污染进行评价，仅是相对于背景水平的一种比较意义上的评价，缺少环境和生态意义，并不能真正体现污染程度对于农作物的产量和安全质量造成危害的程度和水平。土壤背景值差异很大，对于土壤地质类型变化较为显著的区域来说，不同监测点的背景值也会各不相同。例如：镉在全国41种土类表层20cm中的含量平均值从风沙土的0.044mg/kg到石灰（岩）土的1.115mg/kg，以土壤背景值作为评价标准，在各个实测值与背景值之间建立一一对应关系往往难以实现。对土壤重金属元素背景值及土壤重金属生物影响临界值的研究表明，不同地区、不同元素间的背景值与临界值之比并不相同，有的甚至相差极大。如在褐色土壤中，重金属Cd背景值与临界值之比为12.87，而重金属As背景值与临界值之比仅为2.6，当Cd背景值与临界值之比为2.6倍时，其含量为0.287mg/kg，属于轻度污染，而As背景值在2.6倍时为21mg/kg，属于重度污染。同为背景值的2.6倍，其污染程度却相差很大，若考虑到多元素的综合评价，以背景值作为评价标准就更为混乱。

因此，从保障农产品安全的目的出发，就必须制定不同土壤类型和种植作物的重金属阈值，并据此开展农产品产地安全适宜性评价，全面考虑农产品产地对各种种植作物的安全性和适宜性。农产品产地的适宜性评价是针对某种作物在特定地域种植的土壤适宜程度作出的结论性评价，具有实践性、经验性、客观性及应用性的特点，是对具体作物在具体地域上能否生长做出定性、定量和定位的评价，不仅有利于充分利用自然资源，开发土地潜力，实现作物高产，而且能够在现有基础上优化作物种植的总体布局，使区域经济结构和生态环境实现可持续发展。传统的土壤适宜性评价，多数学者通常是从研究区的土壤属性影响因素中分别选取多个指标构建指标体系并进行作物适宜性评价及分区，而对影响作物种植的其他因素，如社会经济因素、农户经济行为等没有充分地加以考虑。

四、农产品产地土壤风险评价技术

随着对土壤学研究的不断深入，人们认识到土壤本身就是一个完整的生态系统，土壤中既有生产者、消费者，也有分解者，而土壤本身为这个生态系统的核心物质提供者。既然土壤是一个生态系统，其自身的发展、变化必然遵循生态系统的规律、规则。于是自然而然人们想到了采用生态系统的理论方法去评价土壤污染水平，即土壤一旦受到外界污染物的污染，其生态系统某一环节或某些环节必然受到破坏，从而影响到整个土壤生态系统的健康。如土壤受到污染后，土壤中的线虫、微生物的形态结构、数量、组成、体内污染物含量必然会受到某种程度的影响，从而可采用某项指标的变化或某一类指标的变化指示土壤受到的污染程度。周启星［11］在其著作《健康土壤学——土壤健康质量与农产品安全》一书中指出可以采用指标植物、土壤动物、土壤微生物、土壤酶活性等指标反映土壤环境质量水平。而随着这一方法相关研究的不断深入，一门全新的土壤环境评价方法——生态风险评价法逐步形成。美国是这一方法研究的先行者，美国环保局根据多年的研究成果，制定了一系列与土壤污染生态风险评价相关的导向性文件，并就不同的生态风险评价终点确定了有关重金属的生态风险基准值［相对于植物而言，As 18mg/kg，Cu 70mg/kg，Pb 120mg/kg，Cd（饮食性）32mg/kg］。这一系列研究成果促进了土壤污染评价技术的发展。而与此同时，澳大利亚、欧洲等国家和地区也进行了大量相关研究。

生态风险评价法虽然是土壤环境质量评价的一种非常重要的方法，但由于其理论复杂，评价终点选择难度大，对研究者分析问题、解决问题的能力要求较强。因此，其适用性受到一定的限制。

土壤环境质量评价按一定的质量标准和运用一定的评价方法，对某一区域土壤环境质量进行评价和预测，这种评价和预测应根据目的的不同而有相应的改变，其评价目的不外乎两个：一是评价土壤环境质量对生态系统的适宜性；二是土壤环境对农产品及人群健康的支持能力。而风险评价是达到以上两个评价目的有效的工具之一。土壤环境质量风险评价有两个分枝：一为生态风险评价（前文已有论述）、二为人体健康风险评价，分别对应于土壤环境质量评价的两个目的。虽然现在各国科研人员都提倡将两种风险评价进行有机整合，并对此进行了系列研究，如美国环保局在2003年提出了《累积性风险评价框架》。但现阶段两种风险评价模式共存的局面不会发生根本性的改变。相对于生态风险评价而言，基于人体健康的风险评价技术的研究更加趋于成熟，其评价方法相对简单，评价的结果直接针对人体健康，更能说明土壤环境质量的优劣。

土壤污染相对于人体健康的风险评价方法克服了化学评价方法的缺陷，避免了生态风险终点选择的多样性和复杂性，综合运用流行病学、人口学、环境学、统计学等多学科知识，采用多学科相关研究成果，更加科学、合理地评价土壤环境质量的现状及危害，是土壤环境质量评价的必然发展方向之一。

基于人体健康的风险评价技术兴起于20世纪70年代几个工业发达国家，尤以美国在这方面的研究独领风骚。在短短20多年中，就环境风险评价技术而言，大体上经历了3个时期：20世纪70～80年代初，风险评价处于萌芽阶段，风险评价内涵不甚明确，仅仅采取毒性鉴定的方法；80年代中期，风险评价得到很大发展，为风险评价体系建立的技术准备阶段。美国国家科学院提出的风险评价由四个部分组成，称为风险评价“四步法”，即危害鉴别、剂量-效应关系评价、暴露评价和风险表征，并对各部分都做了明确的定义。由此，风险评价的基本框架已经形成。在此基础上，美国环保局制定和颁布了有关风险评价的一系列技术性文件、准则或指南。例如，1986年发布了《致癌风险评价》《致畸风险评价》《化学混合物健康风险评价》《发育毒物健康风险评价》《暴露评价》《超级基金场地（Superfund sites）危害评价和风险评价》等指南。1988年又发布了《内吸毒物（systemic toxicants）健康风险评价向导》和“男女繁殖性能毒物”等评价指南。1989年，美国环保局还对1986年指南进行了修改。因此，从1989年起，风险评价的科学体系基本形成，并处于不断发展和完善的阶段，此外，美国环保局不断对相关向导文件进行修订和补充，如1992年修订了《暴露评价向导》，1996年发布了《土壤筛选值技术向导》（第二版），2005年修订了《致癌物风险评价向导》等。除了美国在人体健康风险评价方面的研究外，英国、荷兰、澳大利亚、加拿大、日本等国及世界卫生组织（WHO）、世界粮农组织（FAO）等相关国际组织都开展了相关的研究工作。如1998年英国农渔食品部对食品中镉、铅和汞的风险评价进行了研究，并给出了研究报告。英国环保署在2002年根据风险评价的结果制定了砷、镉、铅等重金属针对不同利用方式的风险阈值。WHO及FAO的食品中污染物和添加剂专家委员会（JECFA）也对土壤重金属污染对人体健康影响的风险评价进行了研究，并提出了大量有实用价值的研究报告，如1972后JECFA在第16次会议上首次给出了汞、铅和镉风险评估报告。此后，该委员会对在第33次、53次、55次、61次会议上相继给了某些重金属（汞、锡、铅、镉等）的风险评价报告。我国有关土壤污染风险评价工作起步较晚，制定的相关标准及发布的相关报告很少，而相关的研究成果也不多见。如我国在1999年颁布了《工业企业土壤污染风险评价基准》，农业部在2004年启动了984项目“农产品质量安全风险分析准则的引进与建立”，建立了农产品质量安全风险评价专家委员会。

土壤污染对人体危害的风险评价方法主要有两类：一类是以定量模型为主的风险评价方法；另一类是以不确定性模型如Monte-Carlo模型为主的风险评价方法，两种方法的应用条件、适用范围有所不同。定量模型计算简单，使用方便，输出结果基本上能代表某一监测区的平均水平，适用于监测区数据量较少、要求精度不高的情况。其缺点是计算精度不高，有可能忽略一些重要的信息，无法进行不确定性分析等。

土壤污染对人体健康影响的另一种评价方法为Monte-Carlo法，Monte-Carlo法不同于确定性数值方法，它是一种用一系列随机数来近似解决问题的方法，是通过寻找一个概率统计的相似体并用实验取样过程来获得该相似体的近似解的处理数学问题的一种手段。运用该近似方法，所获得的问题的解更接近于实验结果，而不是经典数值计算结果。Monte-Carlo方法主要适用于研究区资料较全、数据量较大且需进行高层次的环境质量分析的情况。

基于以上分析可知，土壤环境质量的评价已有多年的研究历史，方法也较多，但随着科学技术的发展，基于风险评价技术的农田环境质量评价已成为土壤环境质量评价的发展趋势之一，是农田环境质量评价与区域环境质量比较较好的解决方法。但也必须看到，我国关于这方面的研究还相当缺乏，虽然相关计算模型已较成熟，但模型参数的确定问题却因区域不同、研究对象不同而差异较大，且进行风险评价后，区域环境质量的比较问题依然没有解决。本研究基于以上问题，在大量实际监测的基础上，研究模型中各参考的确定方法，解决了风险评价后区域环境质量的比较问题。