随着我国工农业的迅猛发展和城镇化进程的加快，污染物排放量逐年增加,给土壤环境保护造成巨大压力. 2013年1月23日国务院办公厅发布《近期土壤环境保护和综合治理工作安排》中提出要建立严格的土壤环境保护制度，在集中式水源地和重点保护耕地建立土壤环境保护优先区，并分级划定实施差异性管控措施. 目前，已开展的土壤环境保护优先区划定工作多集中在耕地质量综合评价及其分级方法，形成了相对完整的理论和方法体系^{[1, 2, 3]}. 但是，针对水源地的土壤环境分级保护的技术方法与实践经验仍较为匮乏. 近年来，众学者多从水源地水质安全调查^{[4, 5]}、突发性水污染事故应急处置技术^[6]和水质健康风险评价^{[7, 8]}等方面开展研究，对水源地的保护多是关注水体本身，忽视了沿岸土壤与水体的交互作用以及土壤环境保护对水源质量养护的重要功能^{[9, 10, 11]}. 水源地土壤环境保护的核心内容是降低土壤中污染物迁移至水环境的可能性. 因此，对于水源地土壤环境保护等级的划分，除了需要重点考虑土壤和水体环境质量状况外，还需综合考虑各环境介质中污染物的迁移转化、沿岸土地利用现状等因素，以建立更加全面的分级评价方案. 本研究综合考虑水源地沿岸土壤环境质量、水体污染现状、环境脆弱性和污染源压力这4个方面，构建水源地土壤环境保护等级综合评价指标体系，建立水源地土壤环境保护优先区划分技术方法，并以广东省佛山市顺德水道为案例，开展实证研究，通过测算水源地沿岸土壤环境保护的压力指数来划分保护等级，以期为水源地土壤环境保护和可持续开发利用提供技术支撑.

顺德水道长48 km，河宽500-800 m，水深5-6 m，是广州市和佛山市重要的饮用水源地，沿河道分布着乐从水厂、龙江水厂、羊额水厂、北滘水厂等多个饮用水取水厂，日供水规模分别为25、15、40和15万m^3[12]. 全流域被划入水源地保护区，其水质安全关系着佛山和广州两市的饮水安全和经济社会发展.

在测算顺德水道水源地沿岸土壤环境保护的压力指数时，应当在对当地自然-社会-经济整体调研的基础上，从土壤环境质量、水体污染现状、环境脆弱性和污染源压力的特点出发，依据目的性、重点性、可行性、兼容性及综合性原则^[13]选取评价指标.

(1)土壤环境质量

调查和评价水源地沿岸土壤环境质量是划分土壤环境保护等级的核心内容. 我国现行的《土壤环境质量标准》(GB 15618-2008)^[14]中所罗列的污染物包括重金属与其他无机物、挥发性有机物、多环芳烃类有机物、持久性有机污染物与农药等. 区域相关研究显示：顺德区土壤中萘、苊、二氢苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘等多环芳烃和六六六、滴滴涕、硫丹硫酸盐、七氯、艾氏剂、狄试剂等有机氯农药的污染程度较轻^{[15, 16]}；然而该区域土壤中镉、汞、锌、铅、铜、砷、镍和铬的平均浓度远高于背景值，存在普遍污染^{[17, 18]}. 因此在评价土壤环境质量时应对土壤重金属污染情况进行重点关注. 加之各类重金属存在不同的来源和分布特征，单一类型不能全面地说明区域重金属污染情况，因此采用污染指数法进行综合评价.

(2)水体污染现状

对水源地的土壤环境实施优先保护的最终目的是保障水源地的水质安全，且不同河段的污染现状决定了对应区域开展土壤环境保护工作的紧迫性，故而是评价沿岸土壤环境保护压力的重要考虑因素之一. 顺德水道杨滘断面、大闸断面、羊额断面、乌洲断面的历史监测数据均表明，无论是高锰酸盐指数、溶解氧、生化需氧量等一般污染物指标，还是重金属、挥发性酚类、硝酸盐等有毒污染物指标，各断面的监测浓度均未超过国家《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中二级水质标准. 虽然顺德水道是开放性的河流型水源地，但是近年来点源输入对水质影响不是特别大，上、中、下游水质状况均满足集中式生活饮用水保护区的水质要求. 因此，单纯的水质数据不能很好地反映不同河段间污染程度的分布.

另外，水体不仅包括水，还包括水中的溶解物质、悬浮物质、沉积物等^[19]. 排入水体的污染物会通过多种途径汇聚到沉积物中，并可能在化学、物理和生物等作用下，与间隙水发生充分的交换和反应，从而向河道中释放污染物质^{[20, 21]}，是反映水体污染的重要指标. 区域相关研究表明，顺德水道沉积物中重金属含量偏高，对河道构成潜在生态风险，易于产生二次污染^{[22, 23, 24, 25]}.

因此，针对顺德水道的环境特点，本研究选择河道沉积物中重金属的浓度分布以反映陆源污染物的历史输入和不同河段间的污染情况的分布，同样采用污染指数法予以综合评价.

(3)环境脆弱性

顺德水道位于亚热带海洋性季风气候区，降水充沛，多年平均降雨量为1 627.8 mm. 地下水类型为松散岩类孔隙水，地下水埋深较浅，属感潮河段，河流水体在涨、落潮期受地下水侧向补、排影响较大^[26]. 因此，河流沿岸土壤水、地下水及河流水之间交互作用强烈. 此外，顺德水道位于珠江三角洲冲积平原中部，除零星分布的残丘台地外，大部分区域地形平缓，且全流域建有护堤. 综合以上特点，本研究在实际评价过程中，重点关注河流沿岸土壤中的污染物垂直入渗进入地下水，进而横向迁移污染河流水体的迁移途径.

顺德水道沿岸主要分布着湿潮土、赤红壤和潴育型水稻土，这三类土壤物理、化学特性的差异决定了其对重金属等污染物的持留和缓冲能力的强弱^[27]；顺德水道沿岸地下水埋深、含水层厚度、包气带介质、河网密度等水文地质条件具有空间异质性，使得地下水系统吸附、转化、降解、稀释污染物的能力存在空间差异^[28]；顺德水道沿岸的植被覆盖度不均，在植被覆盖度高的地方，植被冠层可以有效地阻止大气沉降带来的污染输入和积累^[29]，植物根系可以与土壤和微生物组成复合体系，对重金属等污染物起到吸附、沉淀、离子交换、降解等净化作用^[30]. 因此在实际评价过程中，应结合顺德水道自然环境条件，从土壤的理化性质、地下水敏感性、植被覆盖情况等区域环境本底条件以及空间分布进行综合分析.

(4)污染源压力

土地利用直接反映了其所承担的人类活动对土壤重金属空间分布和累积的影响^[31]. 顺德区以小家电制造业为支柱的工业、以水产养殖为特色的农业和人口密集的各城镇，在其发展过程中造成了生态土壤和沉积物中重金属的持续累积. 有学者对研究区不同土地利用类型的土壤污染程度进行了对比，结果表明工业用地的土壤污染程度大于农业用地和城镇用地^{[32, 33]}. 另外，污染源所对应的土地利用类型与顺德水道的距离越近，其排放的污染物迁移至河流所需的时间和距离就越短，经历的各种吸附、转化和降解作用越少^[34]；且距离河流越近，土壤水、浅层地下水与河水的交互作用越强烈^[35]. 因此，本研究从顺德水道沿岸土地利用和分布的角度出发，分析不同污染源对水源地土壤环境的压力.

针对顺德水道河流型水源地的特点，综合考虑河道沿岸土壤中主要污染物的分布特征、污染物在区域环境条件下迁移的难易程度、不同河段的污染现状、河流沿岸污染源的类型和分布等因素的共同影响，最终选取土壤污染程度、沉积物污染程度、土壤特性、地下水敏感性、植被覆盖度、污染源类型、污染源分布作为指标.

本研究参照水源地保护区边界划定的要求，将顺德水道堤外坡脚向陆纵深2 km带状区域作为土壤环境保护优先区的研究范围^[36]，总面积为108.37 km². 其中，顺德区乐从镇、龙江镇、勒流街道、北滘镇和伦教街道被划入土壤环境保护优先区的面积分别为23.95、 12.49、 24.15、 25.97和21.80 km². 本研究于2014年对顺德水道开展土壤和水体环境调查，沿河布设采样点，并在重点水厂取水口附近加密(图 1)，共采集表层土壤样品51个、地表水样品12个、表层沉积物样品12个，通过实验分析测定3类样品中重金属等典型污染物的浓度. 通过广东省环境科学研究院获得研究区的土壤类型数据、土壤理化性质数据、水文地质空间数据和1 ∶50 000地形图等基础资料. 在遥感图像处理软件ERDAS IMAGINE 10.0和地理信息系统软件ArcGIS 10.1等软件的支持下，解译顺德区2014年度的Landsat7 TM遥感数据，得到研究区土地利用数据和归一化植被指数(NDVI). 通过层次分析法(AHP)建立水源地土壤环境保护优先区分等定级评价指标体系，计算各指标的权重. 在ArcGIS 10.1中对各指标数据进行标准化和空间化，建立基础数据图层，进而运用加权求和的评价模型对各指标数据进行空间叠加，计算出各评价单元的土壤环境保护压力综合指数. 制定环境保护等级分级方法和标准，将水源地沿岸陆地区域按照综合指数的大小划分为污染区、风险区和安全区. 在不同等级区域实行差异性管控措施，以缓解区域产业发展与水源地保护之间的矛盾. 基于顺德水道的水源地土壤环境保护优先区划分技术路线如图 2所示.

图 1

Fig. 1

图 1 顺德水道土壤、沉积物、水采样点位分布示意Fig. 1 Location of soil，sediment and water sampling sites of Shunde Channel

图 2

Fig. 2

图 2 顺德水道水源地土壤环境保护优先区分级技术路线Fig. 2 Technical route to classify priority area for soil environmental protection around the Shunde Channel water sources

(1)土壤污染程度

采用内梅罗污染指数法^[37]综合评价土壤中总镉、总汞、总锌、总铅、总铜、总砷、总镍、总铬的污染程度. 内梅罗综合污染指数法兼顾了单因子污染指数平均值和最高值，突出了较重污染物对环境质量的影响，其计算方法见式(1)及式(2)：

(2)沉积物污染程度

同样采用内梅罗污染指数法对不同河段沉积物中总镉、总汞、总锌、总铅、总铜、总砷、总镍、总铬的污染程度予以反映^[38]，计算方法同上. 结果表明，83.3%的沉积物采样点的P_m>3，属于重污染，且上游地区较中、下游地区污染严重. 用不同河段上的沉积物采样点的平均污染指数表示该区域的污染程度，获得基础图层.

(3)土壤特性

选择土壤中土壤黏粒的质量分数、有机质的质量分数、阳离子交换量对土壤特性进行综合评价，三者均与土壤的缓冲能力呈正相关^{[39, 40, 41]}. 由顺德水道沿岸土壤类型图和其对应土壤理化性质分析结果可知，在顺德水道沿岸，中上游地区主要分布着湿潮土和赤红壤，湿潮土中黏粒的质量分数为10.0%，有机质的质量分数为2.88%，阳离子交换量为19.7 cmol ·kg^-1；赤红壤中黏粒的质量分数为9.0%，有机质的质量分数为2.62%，阳离子交换量为10.3 cmol ·kg^-1. 下游地区分布的潴育型水稻土中的黏粒的质量分数为26.5%，有机质的质量分数为3.25%，阳离子交换量15.0 cmol ·kg^-1[27]. 据此判断赤红壤、潴育型水稻土、湿潮土对污染物的持留和缓冲作用依次增大，土壤环境保护压力依次减小. 将研究区土壤类型的空间分布数据及其对应的土壤理化性质录入ArcGIS中，生成土壤特性空间分布基础图层.

(4)地下水敏感性

参考顺德水道水文地质条件的空间分布情况和围绕当地开展的有关地下水敏感性评价的研究，提取了地下水敏感性相关指标，包括地下水埋深、含水层厚度、包气带介质和河网密度，这些指标在一定程度上可以反映顺德水道所在区域地下水系统的固有特性对污染物缓冲、衰减和稀释的作用^{[26, 35]}. 在ArcGIS中将变异性比较大的指标与所对应的地点进行空间匹配，获得地下水敏感性空间分布信息. 顺德水道沿岸地下水埋深约0-6 m，含水层厚度为5-10 m，包气带介质厚度为1-3.5 m，且被河网切割得支离破碎. 综合判断顺德水道所在地区地下水敏感性总体较强，且部分近河区域地下水敏感性极高.

(5)植被覆盖度

本研究采用归一化植被指数(NDVI)来反映植被覆盖度的空间分布^[42]，进而反映区域植物截留污染物能力的差异. 绿色植被对可见光红色波段(波长0.63-0.69 μm)有较高的吸收率，对近红外波段(波长0.76-0.90 μm)有较高的反射率. NDVI即是根据植被反射光谱的特征，利用这两个最典型的波段值进行组合运算而得到，计算公式见式(3).

(6)污染源类型

本研究以2014年覆盖研究区域的Landsat7 TM影像为数据源，以顺德区1 ∶50 000地形图为标准，首先在ERDAS IMAGINE遥感图像处理软件中进行几何校正和监督分类，初步获得水体、农田、城镇、建设用地等土地利用类型；之后通过实地探勘，重点对建设用地的斑块属性进行走访调查，区分其中的工业用地，并用GPS技术记录经纬度信息；最后在ArcGIS中将ERDAS IMAGINE的监督分类结果和实地调查数据综合起来，进行人工目视解译，获得包括工业用地、农业用地和城镇用地在内的土地利用分类. 参考研究区工业用地的土壤污染程度大于农业用地和城镇用地的关系^{[32, 33]}，对各类土地利用类型的污染强度进行赋值，形成污染源类型基础分布图层.

(7)污染源分布

污染源与顺德水道的相对位置，反映了其产生并在土壤中积累的污染物对河流水体影响的大小. 本研究利用ArcGIS的欧氏距离(Euclidean distance)工具计算沿岸污染源到顺德水道的距离. 污染源的缓冲距离越短，土壤环境保护压力越大.

由于上述各指标对水源地土壤环境保护压力的影响程度不同，本研究采用层次分析法(AHP)^[43]，并参考水源地相关研究确定各评价指标的权重值^{[44, 45]}. 将土壤污染程度、沉积物污染程度、土壤特性、地下水敏感性、植被覆盖度、污染源类型、污染源分布这7个土壤环境保护压力指标划分为土壤环境质量、水体污染现状、环境脆弱性、污染源影响强度4个子系统，并建立3个层次的土壤环境保护压力评价指标体系，见表 1. 其中，A、B、C分别为目标层、准则层和指标层.

表 1 (Table 1)

表 1 土壤环境保护压力评价指标及其权重 Table 1 Evaluation factors and their weights in soil environmental protection pressure evaluation 目标层 准则层 (B) 指标层 (C) wj1) 参评因子 土壤环境保护压力(A) 土壤环境质量 (B1) 土壤污染程度 (C1) 0.35 总铅、总镉、总汞、总铜、总砷、总镍、总锌、总铬的内梅罗指数 水体污染现状 (B2) 沉积物污染程度 (C2) 0.12 总铅、总镉、总汞、总铜、总砷、总镍、总锌、总铬的内梅罗指数 环境脆弱性 (B3) 土壤特性 (C3) 0.07 黏粒的质量分数、有机质的质量分数、阳离子交换量 地下水敏感性 (C4) 0.03 地下水埋深、含水层厚度、包气带介质、河网密度 植被覆盖度(C5) 0.06 归一化植被指数 污染源压力 (B4) 污染源类型(C6) 0.12 土地利用类型 污染源分布(C7) 0.25 距河道距离 1)wj为土壤环境保护压力评价指标的权重

表 1 土壤环境保护压力评价指标及其权重 Table 1 Evaluation factors and their weights in soil environmental protection pressure evaluation

采用德尔菲法(Delph)^[46]讨论准则层中B₁、B₂、B₃、B₄对目标层A的相对重要性，构造目标层与准则层的两两判断矩阵(表 2)，并计算该矩阵的特征根与特征向量，从而得到准则层对目标层各指标的权重W_n，其一致性比例为CR=0.017 3<0.10，表明判断矩阵的一致性在容许范围内，可用特征向量作为权向量^[45]. 采用同样的方法构造指标层C对相应准则层B的两两判断矩阵，通过层次单排序、层次总排序和一致性检验，最后得到归一化的顺德水道沿岸土壤环境保护压力各评价指标的权重w_j(表 1).

表 2 (Table 2)

表 2 目标层(A)与准则层(B)的判断矩阵 Table 2 Judgment matrix between object layer(A)and rule layer(B) A B1 B2 B3 B4 Wn B1 1 3 2 1 0.35 B2 1/3 1 1 1/4 0.12 B3 1/2 1 1 1/2 0.16 B4 1 4 2 1 0.37

表 2 目标层(A)与准则层(B)的判断矩阵 Table 2 Judgment matrix between object layer(A)and rule layer(B)

由于各指标的量纲、数量级都不相同，且部分指标为定性指标，不便于综合分析，因此，应结合各指标与评价目标的关系进行标准化处理. 对于定量指标，土壤污染程度、沉积物污染程度、地下水敏感性、污染源分布与土壤环境保护压力正相关，用式(4)进行标准化；植被覆盖度与土壤环境保护压力负相关，用式(5)进行标准化：

根据各评价单元土壤环境保护压力综合指数D的大小和空间格局，参考土壤环境质量评价结果，确定2个临界值(0.64和0.22)，依此将土壤环境保护优先区划分为安全区、风险区和污染区这3个等级(表 3)，对应的土壤环境保护压力依次提升. 原则如下：要保证土壤环境重污染区域全部划入污染区；土壤环境中轻度污染区域全部划入风险区或污染区；安全区必须全部为土壤环境无污染的区域. 因此，在ArcGIS 10.1中，将土壤内梅罗指数P_m大于3的区域提取出来，该区域内D的最低值 (0.64) 即为区分土壤环境风险区与污染区的临界值. 同理，1<P_m≤3的区域内D的最低值 (0.22) 即为区分土壤环境风险区与安全区的临界值.

表 3 (Table 3)

表 3 顺德水道水源地土壤环境优先保护区分级标准 Table 3 Classification criterion of priority area for soil environmental protection of Shunde Channel water sources 保护等级 分值 特征 污染区 0.64<D≤1 土壤环境质量较差，距离河道极近，环境缓冲能力较弱，严重威胁水源地水质安全 风险区 0.22<D≤0.64 土壤环境质量中等，距离河道较近，环境缓冲能力中等，可能威胁水源地水质安全 安全区 0<D≤0.22 土壤环境质量较好，距离河道较远，环境缓冲能力较强，几乎不威胁水源地水质安全

表 3 顺德水道水源地土壤环境优先保护区分级标准 Table 3 Classification criterion of priority area for soil environmental protection of Shunde Channel water sources

顺德水道水源地土壤环境保护优先区分级结果如图 3所示. 土壤环境保护压力呈现出上游向下游逐渐降低，河道两岸向外侧逐渐减弱的态势. 污染区面积为6.90 km²，占区域总面积的6.37%，呈点状分布在顺德水道上游、河道回旋处和中下游地区，该区土壤环境质量较差，环境缓冲能力弱，污染源压力较高，距离河道极近，严重威胁顺德水道水质安全. 风险区面积为65.99 km²，占区域总面积的60.90%，呈带状分布在河道沿岸，宽度从上游向下游逐渐变窄，该区土壤环境质量中等，土壤与地下水环境对污染物具有一定的缓冲能力，但由于其距离河道较近，对水源地水质安全存在潜在风险. 安全区面积为35.46 km²，占区域总面积的32.73%，呈带状分布在风险区的外侧，该区土壤环境质量较好，环境缓冲能力强，距离河道较远，污染源压力低，可认为一般情况下不会对顺德水道的水质安全造成威胁.

图 3

Fig. 3

图 3 顺德水道饮用水源地土壤环境保护优先区分级结果 Fig. 3 Classification result of priority area for soil environmental protection around the Shunde Channel water sources

从污染区、风险区、安全区在研究区各镇的比例来看，位于上游和河道回旋处的乐从镇、龙江镇、勒流街道的土壤环境保护压力较高，3镇被划入非安全区(风险区和污染区)的比例分别为77%、88%、82%. 这一地区工业用地较多，家具、塑料建材、小家电及纺织服装等制造业的长期发展，造成了土壤和沉积物中重金属的持续累积，且该区广泛分布着湿潮土，对污染物的缓冲性较弱，环境敏感性较高. 另外，位于北滘镇的污染区虽然面积较小，但因其距离水厂取水口距离较近，应给予格外关注.

依据顺德水道饮用水源地土壤环境保护优先区的分级结果，在污染区、风险区、安全区应实行差异性的管控措施，设置禁止开发区、限制开发区和可开发利用区，削弱土壤对水源地水质的污染风险，保障水源地水质安全，确保公众健康，促进区域经济社会可持续发展. 在污染区实行强制性保护，严禁新建项目，现有生产能力在规定的期限内停产或关闭，禁止水产养殖等一切可能对土壤环境产生干扰与破坏的行为，并尽快开展土壤污染治理与修复. 在风险区坚持“在保护中发展”的原则，有目的性地限制对土壤环境影响较大的开发活动的进入，或在能够补偿产业所造成的环境影响的基础上有条件地批准开发建设活动. 在安全区坚持“在发展中保护”的原则，科学利用土壤环境容量，结合产业污染排放、风险隐患特征等因素，合理确定产业发展规模并完善相关配套设施.

(1)本研究以广东省佛山市的顺德水道为案例区，建立了河流型饮用水源地土壤环境保护优先区的划定技术方法，结合当地自然和社会经济条件，重点关注了河道沿岸土壤的重金属污染，综合考虑其在河流沿岸地表覆被、土壤特性和地下水本质属性的影响下迁移的难易程度，并结合顺德水道不同河段水体的污染现状和沿岸污染源的影响，对顺德水道土壤环境保护区进行分等定级，以缓解区域经济发展与水源地保护之间的矛盾，为当地管理部门对水源地保护提供了理论和技术支撑.

(2)本研究与我国现行的饮用水水源保护区划相辅相成，且与之相比，更加关注水源地的陆地区域土壤环境质量状况、沿岸土地利用现状以及各环境介质关系的耦合，对水源地的可持续开发利用具有指导意义. 然而，本评价方法是基于广东省河流型水源地的环境特点设计的，具有一定的区域限制性，加之我国南北方水源地自然-社会-经济条件的显著差异，如何构建较为全面、系统、科学的水源地土壤环境保护优先区的划分方法，仍需深入研究.