GSR公开课第二十四讲：区域和地块尺度土壤环境背景值探索——以深圳市为例
主讲人：罗飞 高级工程师
（2022年12月23日）
罗飞，博士，高级工程师，深圳市环境科学研究院土壤环境研究负责人，第十四届中国土壤学会土壤修复专业委员会委员。主要从事污染场地环境调查、健康与环境风险评估、地方标准体系建设、土壤环境可持续管理等相关的研究与咨询工作。作为核心骨干先后参加了多个国家级科研项目，作为技术负责人研发了我国首款污染场地健康与环境风险评估软件HERA，作为项目负责人先后主持了深圳市科研项目20余项。已发表学术论文25篇，获得发明专利授权3项，出版著作3部，作为第一起草人制定深圳市土壤地方标准、技术指南等8项。
课程概要：
2020年6月，深圳市发布了全国首部《土壤环境背景值》（DB4403/T68-2020）地方标准，2021年1月，《深圳市建设用地土壤状况调查与风险评估工作指引（2021版）》的发布提出了深圳市地块尺度土壤环境背景值的确定方法。本报告围绕两项标准的制定过程，介绍了深圳市区域和地块尺度土壤环境背景值的制定背景、参考标准、制定过程、应用与案例分析，对我国其他地区土壤环境背景值的标准制定具有重要的参考意义。
课程内容：
一、土壤环境背景值介绍
（一）土壤环境背景含量与土壤环境背景值
根据《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600-2018），土壤环境背景含量指一定时间条件下，仅受地球化学过程和非点源输入影响的土壤中元素或化合物的含量。土壤环境背景值指基于土壤环境背景含量的统计值。通常以土壤环境背景含量的某一分位值表示。在土壤环境管理当中土壤环境背景值是一个非常重要的评判标准，可以判断地块是否受到外来污染。
（二）区域尺度背景值与地块尺度背景值
根据尺度大小，土壤环境背景值又可以分为区域尺度背景值和地块尺度背景值。《区域性土壤环境背景含量统计技术导则（征求意见稿）》编制说明中定义，区域尺度背景值指具体地块所在区域土壤的背景浓度。地块尺度背景值指具体地块附近未受点源污染，与具体地块土壤理化、地质等特性相同或相似地块中土壤污染物的浓度。
二、区域尺度土壤环境背景值制定
2020年6月，深圳市发布全国首部《土壤环境背景值》(DB4403/T68-2020)地方标准，同时确定了赤红壤、红壤、黄壤3种主要土类20项污染物的土壤背景含量基本统计量。以下内容围绕标准制定过程进行展开。
（一）制定背景
《土壤污染防治法》明确提出国家支持土壤环境背景值研究。2018年6月我国发布修订版的《农用地土壤污染风险管控标准》，同时废止GB15618-1995，不再规定全国统一的土壤环境背景值，由地方政府根据相关规范自行确定本辖区的土壤环境背景值。另外，深圳市“土十条”提出要完善土壤环境保护标准体系，明确要求制定深圳市土壤环境背景值标准。
制定土壤背景值同也是深圳市的实际管理需求。深圳市土壤类型主要为赤红壤、红壤，具有典型的南方土壤特点，土壤中砷、铅等元素背景含量偏高，导致在日常土壤环境质量调查评估工作中，此类元素经常出现“无来源”超标，引发误判。早在“七五”期间，深圳市便开展了土壤环境背景初步调查。但经过30多年的快速发展，深圳的城市空间格局和土地利用方式已发生剧烈变化，原有的土壤环境背景调查结果无法满足当前的土壤环境管理需求。
图1 深圳土壤砷、铅背景值含量与全国及其他省份对比
（二）制定过程
深圳市《土壤环境背景值》(DB4403/T68-2020)地方标准从启动到发布，主要经历了如下过程（如图2所示）。
图2 《土壤环境背景值》标准制定过程
（1）土壤环境背景精细化调查
l 基础资料收集分析
调查收集了深圳市成土母质母岩、土壤类型、土地利用现状等数据，为后续划分采样单元提供重要的数据参考。
l 点位布设
2018年，深圳市生态环境局组织开展全国首例高度城市化地区土壤环境背景精细化调查，在全市很少或不受人为活动影响的区域布设了500个点位，其中包括450个表层点位和50个剖面点位。
图3 土壤环境背景精细化调查采样布点图
l 表层样品采集
表层样品采用多点增量法（MIS, Multi Increment Sampling）进行采样，以采样点为中心，划定10m×10m或20m×20m采样单元，在该采样单元中划定50个方格，在各个方格内采集约100g土壤，现场剔除异物、混匀，共采集不少于3kg的土样。
l 剖面样品采集
每个剖面均采集A、B、C三层土样，过渡层一般不采样。自下而上逐层采集土样，各土层样品以划定的土层范围为界上下均匀全覆盖多点采集混合而成。
图4 采样剖面示意图
l 样品分析测试
此次调查，共测试了基本理化性质、常规重金属、碱金属、硼族元素、稀土元素、多环芳烃、有机氯农药、领苯二甲酸酯、石油烃等项目，共计96项。
通过背景调查也形成了深圳市土壤类型分布图，调查数据为后续制定深圳市《土壤环境背景值》标准奠定了基础。
（2）国内外区域尺度土壤背景值标准制定方法调研
国际标准化委员会《土壤质量-背景值确定指南》（ISO19258：2018）明确了背景值确定的程序，包括取样、土壤分析、数据处理和背景值表达。该标准定义土壤背景值为统计量。荷兰基于国家土壤质量基线调查，以全国作为统计单元确定背景浓度。英国基于土壤背景浓度研究，确定各领域的背景含量上限。加拿大不列颠哥伦比亚省环境部规定，土壤背景浓度可以使用环境部关于区域背景浓度的估计值。
2021年7月前，我国未正式出台土壤环境背景含量统计与表征方面的技术规范，但发布了一些与土壤环境背景调查相关的规范性文件。《土壤环境监测技术规范》（HJ/T166-2004）规定了区域土壤环境背景监测要求；《全国土壤污染状况调查点位布设技术规定》（2006）明确了土壤环境背景回顾性调查的背景点布设要点；《农田土壤环境质量监测技术规范》（NY/T395-2012）规定了区域农田土壤环境背景监测布点要求；2020年8月，生态环境部公开征求《区域性土壤环境背景含量统计技术导则》（征求意见稿）意见，2021年7月正式发布。
在查阅国内外规范基础上，团队还咨询了制定这些标准的相关专家。
（3）污染物项目选择
根据筛选原则和污染物检出情况，最终确定20项污染物，包括无机物18项（镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌、锰、钴、硒、钒、锑、铊、钼、铍、钡、总氟化物）、有机物2项（16种多环芳烃总量1项、石油烃（C10-C40）1项）。
（4）统计划分单元
深圳市土壤类型主要有赤红壤、红壤、黄壤、水稻土、滨海砂土、滨海盐渍土等10种，其中赤红壤分布最广。赤红壤、红壤和黄壤，约占全市面积的68.2%。本次将土类分为赤红壤、红壤和黄壤3个统计单元，再按照每个统计单元分别进行数据分布类型检验、剔除异常值，确定每个统计单元内污染物项目土壤环境背景含量的基本统计量。
（5）异常值剔除
对于符合正态分布的元素，采用格拉布斯（Grubbs）检验法、狄克逊（Dixon）检验法、T（Thompson）检验法；对于符合对数正态分布的元素，数据取对数后参照正态分布执行；其他分布的元素，采用箱线图法。在剔除异常值时，判断异常值属于外来污染或来自高背景区，对于点位周边没有明显污染源、采样时也没有发现有明显污染痕迹的异常值予以保留。
（6）土壤环境背景含量统计与表征
国内外对土壤环境背景含量的统计方式主要包括：分位值、平均值和标准差、组合方式。本标准规定，一般以顺序统计量的95%分位值作为土壤环境背景值，用于土壤环境背景状况评价。如国家出台确定土壤环境背景值的具体规定，则按照国家有关要求执行（国家要求一图一表一报告：最小值、最大值、分位值、平均值、标准差、置信范围等）。本标准列出了不同统计单元土壤环境背景含量的基本统计量，包括顺序统计量、算术平均值、几何平均值、标准差。土壤中污染物含量等于或者低于背景值的，表明土壤环境质量保持自然背景水平；超过背景值的，可能受到人为活动或外来污染的影响。
（三）应用情况
《土壤环境背景值》（DB4403/T68-2020）标准适用于深圳市赤红壤、红壤和黄壤的土壤环境背景状况评价。目前，已在饮用水水源地、农用地、建设用地的土壤环境管理中广泛应用。
图5 《土壤环境背景值》的应用
三、地块尺度土壤环境背景值确定
（一）确定方法
（1）国内外地块尺度土壤环境背景值确定方法调研
①美国弗洛里达州环保署
美国弗洛里达州环保署通过采样规划—样品采集—数据分析的步骤来判断污染物是否来源于背景。基于实际情况，许多地块无需严格参照美国环保署的采样分析方法来判断地块污染物是否源自背景，在背景样本有限时，可采用简易的非统计学方法，步骤如下：
l 确定地块背景浓度上限（可理解为地块尺度背景值），取以下两者的较小值为上限：
a）背景地块数据集的最大值；b）背景地块平均浓度的两倍。
l 将调查地块的最大浓度与确认的背景浓度上限相比较，若最大浓度小于等于该上限，则该污染物可被视为背景来源。
l 使用此方法时需要满足以下要求：
a）至少需要7个离散样本以确定背景地块浓度；b）来自不同土壤层的数据不应合并分析，除非能证明污染物含量不随深度变化；c)对于背景样本的未检出值，在计算平均背景浓度时使用检出限的1/2代替。
②中国香港环保署
l 布点采样
a）在地块外未受污染影响的背景区域布设至少6个采样点；b）在背景区域采集的土壤种类与目标地块保持一致；
l 数据分析
a）分别计算目标地块和背景区域相同土壤层中土壤污染物数据的平均值和标准差等统计量，并进行对比；b）将背景区域土壤数据与区域尺度土壤背景值范围进行对比。
l 结果判断
若目标地块土壤数据（平均值、标准差）与背景区域数据相近，且与区域尺度土壤背景值范围接近，则可判定地块污染物来源于自然背景。
③中国生态环境部
我国生态环境部发布的《生态环境损害鉴定评估指南环境要素第1部分：土壤与地下水》中采用了基线水平调查法。
l 选择对照区域
选择一个或多个与评估区域可比且未受污染环境或破坏生态行为影响的对照区域。对照区域内土壤的物理、化学、生物学性质应与受影响区域类似。
l 点位布设
一般情况下，土壤对照点应均匀布设于受影响区域外部，对照点数量≥5个。
l 采样深度
采样深度应尽可能与受影响区域内采样深度相同。
l 剔除异常值
识别数据中的极值或异常值并分析其原因，确定是否剔除极值或异常值。
l 确定基线
对于服从正态分布的数据，采用数据的算术平均数＋1.65倍标准差作为基线；对于不服从正态分布的数据，采用数据的第90百分位数作为基线。
（2）深圳市地块尺度土壤环境背景值确定方法
2021年1月，《深圳市建设用地土壤状况调查与风险评估工作指引（2021版）》的发布提出了深圳市地块尺度土壤环境背景值的确定方法，如图6所示。
图6 深圳市地块尺度土壤环境背景值确定方法
（二）示例分析
下面通过某金属制品企业地块土壤中砷背景浓度的计算作为模拟案例，介绍深圳市地块尺度土壤环境背景值的确定方法。
（1）布点采样
该地块为某金属制品企业用地，砷不属于地块当前和历史上的特征污染物，地块土壤类型属赤红壤，区域背景值为55.1mg/kg。通过在篮球场布设6个土壤对照点位BJ1~BJ6，分别采集砂质粉土、砂土中的样品，每种土层各采集2个土壤样品，测试砷浓度。
图7 地块背景值调查采样布点图
（2）按土层性质将检测数据分类
（3）识别异常值并分析原因
常用的异常值判断方法如下：
若数据符合正态分布，可以采用Grubbs法、Dixon法、T（Thompson）法；若数据符合对数正态分布，取对数后参照正态分布执行；若数据为其他分布，可使用箱线图法。
（4）检验数据的分布类型
可采用皮尔逊x2检验法、夏皮洛-威尔克W检验法和偏度峰度检验法。
（5）计算关键统计值，包括算术平均值、标准差、90%分位值。
（6）地块土壤环境背景值的确定
l 若检测数据服从正态分布，地块背景值=算术平均值＋1.65倍标准差；
l 若检测数据不服从正态分布，地块背景值=90%分位值。
图8 地块土壤环境背景值的计算示例
（7）结果判断
通过对不同土层性质下砷的检测结果与计算出地块背景值进行比较，如图9所示，土壤中砷检出浓度均低于地块背景值，可认为地块砷的高浓度检出不是外来污染导致。
图9 砷检出浓度与地块背景值的比较
四、小结
（1）市级尺度的土壤环境背景值可反映全市土壤环境背景的整体状况，背景值数值相对确定，便于统一监督实施；同时可用于评价饮用水水源地、自然保护区等区域的土壤环境质量状况，评价农用地土壤污染物的累积情况，辅助修正建设用地土壤中高背景污染物的筛选值。
（2）地块尺度的土壤环境背景值，可更准确地反映地块的土壤环境背景状况，可用于合理判断建设用地土壤污染物为地质高背景或人为污染来源，有助于精细化、科学化管理。
课程总结：董林明 邓璟菲 高铭晓