【技術(shù)交流】污染場地及周邊土壤的層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：?以典型礦區(qū)污染場地為例

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（來源：生態(tài)修復(fù)網(wǎng)）

污染場地及周邊土壤的層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估:以典型礦區(qū)污染場地為例

錢力1，2，許秋云3，史雅娟1，2

1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心機(jī)構(gòu)/區(qū)域與城市生態(tài)安全全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100085

2.中國科學(xué)院大學(xué)機(jī)構(gòu)，北京 100049

3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學(xué)研究所，四川成都610041

摘要

場地污染會(huì)對(duì)周邊土壤生態(tài)系統(tǒng)健康造成危害, 而具有經(jīng)濟(jì)性及精細(xì)化的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)管控至關(guān)重要。該研究提出一種層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法, 通過在不同層次逐步納入源解析、空間回歸、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及本土物種生態(tài)調(diào)查等方法和結(jié)果, 為污染場地提供多精度綜合的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)"污染-效應(yīng)"關(guān)聯(lián)證據(jù)。2個(gè)不同類型的礦區(qū)案例研究結(jié)果證實(shí)了層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的有效性與實(shí)用性, 該層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法通過"風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)識(shí)別-風(fēng)險(xiǎn)篩查-風(fēng)險(xiǎn)概率定量-風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證"的多層次遞進(jìn), 逐步提升了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的精度與生態(tài)現(xiàn)實(shí)性, 為污染場地及周邊土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控提供了本土化、精細(xì)化的科學(xué)依據(jù)。

污染場地對(duì)周邊土壤生態(tài)系統(tǒng)和人群健康造成了危害[1-2]。開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是場地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控、修復(fù)及后續(xù)開發(fā)再利用的重要依據(jù)[3]。目前我國的污染場地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)象主要聚焦于健康風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系較少[3]，污染場地土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架和方法的形成面臨著多重限制[2-3]。

層次化評(píng)估框架是對(duì)污染場地開展精細(xì)化土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的有效范式[4-7]。該框架遵循“盡可能簡單，必要時(shí)復(fù)雜”的評(píng)估原則，旨在以遞進(jìn)式評(píng)估平衡成本與精度，是針對(duì)特定場地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要方式[6, 8]。層次化評(píng)估框架通常從評(píng)估資源投入需求較低的評(píng)估方法開始，隨層次遞進(jìn)逐步增加評(píng)估區(qū)針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)證據(jù)，進(jìn)而提高評(píng)估結(jié)論的生態(tài)現(xiàn)實(shí)性[3]。

不同國家對(duì)層次化評(píng)估框架中各層次的具體評(píng)估內(nèi)容和目標(biāo)設(shè)定有所差異[5-6]。荷蘭的“Triad”方法在不同評(píng)估層次從化學(xué)、生態(tài)毒理學(xué)和生態(tài)學(xué)3個(gè)學(xué)科角度提供差異化精度的風(fēng)險(xiǎn)證據(jù)，利用證據(jù)權(quán)重法(一種系統(tǒng)化整合多源證據(jù)以支持決策的定性或半定量方法)獲得1個(gè)逐漸精確的綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，其優(yōu)勢在于證據(jù)維度全面、綜合性強(qiáng)，但獲取各層次證據(jù)信息的成本較高[3-4]。英國的層次化評(píng)估框架從案頭工作和場地概念模型構(gòu)建開始，逐步開展風(fēng)險(xiǎn)化學(xué)篩查和生態(tài)調(diào)查(或生物測試)，最后通過因果關(guān)系判定確定評(píng)估區(qū)“污染-效應(yīng)”之間的關(guān)聯(lián)意義，其優(yōu)勢在于邏輯鏈條清晰，但沒有充分考慮污染暴露水平或受體生態(tài)效應(yīng)的空間變異性[9]，也難以揭示污染空間的“源-匯”關(guān)系[5]。此外，一些學(xué)者提出的綜合確定性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估層次框架減少了風(fēng)險(xiǎn)定量的不確定性[10-12]，但在高層次的污染-效應(yīng)驗(yàn)證時(shí)沒有綜合考慮各種環(huán)境因子的影響，降低了污染風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)的生態(tài)現(xiàn)實(shí)性[13]。

基于對(duì)已有的層次化評(píng)估框架的深入分析，筆者提出一種基于“風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)識(shí)別-風(fēng)險(xiǎn)篩查-風(fēng)險(xiǎn)概率定量-風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證”的層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架，擬利用該框架在我國2個(gè)典型礦區(qū)場地驗(yàn)證其有效性和可行性，為我國污染場地及周邊土壤的本土化、精細(xì)化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理提供方法和依據(jù)。

壹

層次化生態(tài)評(píng)估框架構(gòu)建

一

框架總體設(shè)計(jì)

研究假設(shè)：通過層次遞進(jìn)逐步納入多種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法結(jié)論，有機(jī)整合多來源、多精度的風(fēng)險(xiǎn)證據(jù)，實(shí)現(xiàn)從“化學(xué)表征”到“生態(tài)驗(yàn)證”的逐級(jí)深化，從而提高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)表征精度與生態(tài)現(xiàn)實(shí)性。

根據(jù)研究假設(shè)，筆者提出的土壤層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估總體框架(圖 1)為：在風(fēng)險(xiǎn)篩查層融合源解析、空間分析及多種風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，明確污染物的“源-匯”關(guān)系和空間分布；在風(fēng)險(xiǎn)概率定量層采用概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法量化風(fēng)險(xiǎn)概率，提升風(fēng)險(xiǎn)定量的精度與實(shí)用性；在風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證層將本土生態(tài)調(diào)查與環(huán)境因子的多元統(tǒng)計(jì)相結(jié)合，強(qiáng)化評(píng)估結(jié)論的生態(tài)現(xiàn)實(shí)性。相關(guān)管理者可依據(jù)各層次生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論和實(shí)際評(píng)估條件決定評(píng)估工作在哪一層次結(jié)束，逐步提高“污染-生態(tài)效應(yīng)”之間的生態(tài)現(xiàn)實(shí)意義。

二

層次釋義

T1：風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)識(shí)別層。風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)識(shí)別層以信息搜集為主。通過搜集場地及周邊基本信息、污染源信息、暴露途徑信息、環(huán)境與生態(tài)受體信息等，了解場地及周邊污染“源-徑-匯”，判斷場地風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)的可能性。

(1) 基本信息：場地類型、歷史沿革、功能分區(qū)、平面布置、生產(chǎn)型場地的主要工藝流程及原輔材料等。

(2) 污染源信息(源)：場地及周邊土壤污染狀況調(diào)查報(bào)告、環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告、排污許可記錄、場地污染特征數(shù)據(jù)。重點(diǎn)識(shí)別關(guān)注污染物的種類、濃度水平及潛在分布區(qū)域。

(3) 暴露途徑信息(徑)：場地及周邊污染物(包括潛在的)可能的遷移擴(kuò)散途徑(如大氣沉降、地表徑流、地下水滲流)及其方向。

(4) 環(huán)境與生態(tài)受體信息(匯)：場地所在區(qū)域氣候水文條件、地形地貌、土壤類型、主導(dǎo)風(fēng)向；場地所在區(qū)域內(nèi)主要的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)(如敏感物種、關(guān)鍵種、瀕危物種、具有重要生態(tài)功能的類群或生境)及其空間分布。

當(dāng)結(jié)果表明場地某些污染物可能通過特定暴露方式接觸保護(hù)目標(biāo)受體時(shí)，說明該場地可能存在污染風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)并進(jìn)入下一層次評(píng)估；反之，當(dāng)證據(jù)表明該場地不存在可能的風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)，可結(jié)束評(píng)估。

T2：風(fēng)險(xiǎn)篩查層。風(fēng)險(xiǎn)篩查層通過開展場地及周邊土壤采樣分析，結(jié)合污染物源解析、空間分析、風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算等，篩查出需要進(jìn)行優(yōu)先管控的特征污染物類型，并確定其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小和風(fēng)險(xiǎn)范圍。

(1) 土壤采樣分析：分析場地主要功能單元及周邊區(qū)域土壤中污染物的暴露特征，識(shí)別場地內(nèi)的特征污染物。

(2) 污染物源解析：確定哪些污染物，或有多少暴露量來自關(guān)注的場地，提供優(yōu)先管控污染物的定性或定量篩查證據(jù)。常用的土壤污染物源解析方法包括主成分分析法(PCA)、聚類分析法(CA)、因子分析法(FA)、化學(xué)質(zhì)量平衡法(CMB)、正定矩陣因子法(PMF)、同位素示蹤法等[14]。

(3) 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算：選擇合適的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行場地及周邊生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小和等級(jí)表征。常用指數(shù)包括潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(PERI)、內(nèi)梅羅指數(shù)(PN)、污染負(fù)荷指數(shù)(PLI)等[15]。優(yōu)先選擇土壤生態(tài)保護(hù)相關(guān)的國家或地方標(biāo)準(zhǔn)作為參照值；如沒有，可通過相關(guān)文獻(xiàn)獲取或根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法自行推導(dǎo)。

(4) 空間分析：結(jié)合地理信息系統(tǒng)，利用空間回歸分析污染物含量或風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在場地及周邊區(qū)域內(nèi)的空間格局，識(shí)別生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)范圍。

評(píng)估者可根據(jù)場地及周邊區(qū)域污染特征、不同內(nèi)容方法適用條件及評(píng)估投入資源狀況，選擇一種或多種方法開展優(yōu)先管控污染物的風(fēng)險(xiǎn)篩查。

T3：風(fēng)險(xiǎn)概率定量層。當(dāng)上層(T2層)顯示一種或多種優(yōu)先管控污染物存在中高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，相關(guān)污染物進(jìn)入生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)概率定量層，并進(jìn)一步納入場地及周邊區(qū)域內(nèi)相關(guān)物種的生態(tài)毒性數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)外推建立暴露濃度和效應(yīng)濃度的累積概率密度和聯(lián)合概率曲線(JPC)，定量污染物的總體風(fēng)險(xiǎn)概率值(ORP)[9]。

暴露濃度分布將場地及周邊區(qū)域內(nèi)采樣點(diǎn)位濃度外推至暴露濃度概率分布，降低有限采樣點(diǎn)帶來的評(píng)估不確定性。物種敏感度分布外推通過搜集場地及周邊區(qū)域內(nèi)存在的物種生態(tài)毒性數(shù)據(jù)，構(gòu)建符合當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)特征的物種敏感度分布曲線，之后以污染物濃度作為中介，建立物種受影響比例與濃度超標(biāo)概率之間的聯(lián)合概率曲線(JPC)，通過計(jì)算JPC和坐標(biāo)軸構(gòu)成的曲線下面積來表征污染物ORP[10]。當(dāng)ORP<1.75%時(shí)，表明概率風(fēng)險(xiǎn)很小，可忽略；當(dāng)1.75%≤ORP<9.82%，為低概率風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)9.82%≤ORP<33%，為中概率風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)33%≤ORP，為高概率風(fēng)險(xiǎn)[16]。當(dāng)所有優(yōu)先管控污染物ORP<9.82%時(shí)結(jié)束評(píng)估工作，反之則進(jìn)入T4層次，進(jìn)行更加精準(zhǔn)且實(shí)際的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

T4：風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證層。風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證層通過開展場地及周邊區(qū)域內(nèi)土壤生態(tài)調(diào)查或生物試驗(yàn)，綜合前期的風(fēng)險(xiǎn)結(jié)論，結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)方法，驗(yàn)證場地及周邊區(qū)域內(nèi)更符合本土實(shí)際的“污染-生態(tài)效應(yīng)”風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)，以統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性表征最終風(fēng)險(xiǎn)結(jié)論，進(jìn)而提出針對(duì)性的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控策略與建議。

(1) 生態(tài)調(diào)查/生物試驗(yàn)：針對(duì)場地及周邊土壤的本地種、關(guān)鍵種或相關(guān)生態(tài)過程進(jìn)行生態(tài)調(diào)查，以評(píng)估不同污染程度下的生態(tài)效應(yīng)和環(huán)境狀況變化。評(píng)估者需針對(duì)當(dāng)?shù)乇就翆?shí)際選擇生態(tài)受體，并依據(jù)國內(nèi)外推薦的生態(tài)毒理學(xué)或生物測試標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行生態(tài)調(diào)查或生物試驗(yàn)。

(2) 風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)性統(tǒng)計(jì)分析：通過多元統(tǒng)計(jì)分析將優(yōu)先管控污染物暴露狀況與實(shí)測生態(tài)效應(yīng)、場地及周邊區(qū)域內(nèi)的環(huán)境因素進(jìn)行因果關(guān)聯(lián)分析，判定風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)系是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，當(dāng)存在顯著性，表明場地及周邊區(qū)域存在顯著的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)，反之則表明不存在。所述多元統(tǒng)計(jì)方法包括相關(guān)性分析、因子分析、多元回歸分析等。

三

不確定性分析

對(duì)不同層次的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行不確定性來源及應(yīng)對(duì)分析，增加評(píng)估結(jié)論可信度。

T1層次的不確定性主要源于信息源的完整性與可靠性。歷史資料可能存在缺失、錯(cuò)誤或代表性不足(如報(bào)告年代久遠(yuǎn)、監(jiān)測點(diǎn)位稀疏)。對(duì)于潛在暴露途徑和生態(tài)受體的判斷多基于文獻(xiàn)和專家經(jīng)驗(yàn)，存在主觀性。因此，強(qiáng)化信息源可信度或進(jìn)行保守評(píng)估可增加風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)初判結(jié)論的可靠性，減少誤判帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

T2層次的不確定性主要來源于采樣點(diǎn)布設(shè)、樣品測試和模型方法分析過程。較強(qiáng)的場地污染空間異質(zhì)性及實(shí)驗(yàn)室分析誤差可能帶來場地污染刻畫的不精準(zhǔn)。此外，源解析模型因子選擇的主觀性、風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)篩選標(biāo)準(zhǔn)選擇的合理性及空間分析樣本量的代表性也會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)論的可靠度，需加強(qiáng)采樣分析及模型應(yīng)用的質(zhì)控管理。

T3層次的不確定性主要來源于統(tǒng)計(jì)外推過程。在建立JPC時(shí)，暴露濃度分布中尾部極端值的估計(jì)可能存在較大不確定性，而構(gòu)建物種敏感度分布(SSD)時(shí)有限的毒理數(shù)據(jù)及外推模型的選擇會(huì)影響擬合效果，進(jìn)而造成ORP值的偏差。利用多模型平均算法進(jìn)行SSD和JPC的構(gòu)建是減少模型外推過程不確定性的有效方法[10]。

T4層次的不確定性來源于：(1)生態(tài)調(diào)查/生物測試：所選生態(tài)指標(biāo)能否全面、敏感地反映當(dāng)?shù)厥荏w的真實(shí)生態(tài)效應(yīng)存在疑問；野外調(diào)查中環(huán)境因子(如溫度、濕度)的時(shí)空變異會(huì)干擾“污染-效應(yīng)”信號(hào)的識(shí)別；可能存在未知或未測量的混雜因素，導(dǎo)致對(duì)生態(tài)影響的估計(jì)產(chǎn)生偏差。(2)關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)模型的選擇：由于真實(shí)環(huán)境因子交互影響復(fù)雜，因果判定的模型擬合結(jié)果可能較低，而T4層次的結(jié)論是建立在統(tǒng)計(jì)顯著性之上的關(guān)聯(lián)性證據(jù)，其因果關(guān)系的確定性仍存在一定限度。因此，需要對(duì)生態(tài)調(diào)查或生物測試設(shè)計(jì)及模型選擇的針對(duì)性和合理性進(jìn)行綜合分析，以提高風(fēng)險(xiǎn)驗(yàn)證過程的可信度。

貳

層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法應(yīng)用

于露天鐵礦區(qū)評(píng)估

一

露天鐵礦區(qū)及其周邊概況

圖2是露天鐵礦區(qū)及其周邊區(qū)域概況，該礦已開采20多年。該區(qū)域?qū)僦袦貛駶櫄夂騾^(qū)，周邊以農(nóng)田、森林、城市生態(tài)系統(tǒng)為主。主要植被類型包括人工栽植的落葉松林、次生灌叢以及農(nóng)田種植的玉米、大豆等農(nóng)作物。區(qū)域主要土壤類型為棕壤，呈微酸性，質(zhì)地較為疏松。

二

露天鐵礦區(qū)層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1

露天鐵礦區(qū)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)識(shí)別

通過調(diào)研露天鐵礦區(qū)及其周邊區(qū)域的基礎(chǔ)信息，發(fā)現(xiàn)露天鐵礦區(qū)及其周邊區(qū)域可能的土壤污染物包括鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鉛(Pb)和鋅(Zn)6種重金屬，設(shè)評(píng)估區(qū)為礦區(qū)及其周邊5km范圍內(nèi)[17]。污染物可能暴露途徑為大氣沉降和地表徑流。評(píng)估區(qū)周邊主要種植玉米、大豆等農(nóng)作物，土壤中存在蚯蚓、跳蟲等無脊椎動(dòng)物和微生物等多種生態(tài)保護(hù)受體目標(biāo)。因此，評(píng)估區(qū)可能存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)性，評(píng)估進(jìn)入T2層(風(fēng)險(xiǎn)篩查層)。

2

露天鐵礦區(qū)風(fēng)險(xiǎn)篩查

(1) 土壤采樣、檢測及數(shù)據(jù)分析

以露天鐵礦區(qū)及其周邊0~5km區(qū)域作為土壤采樣調(diào)查區(qū)域，考慮污染樣點(diǎn)代表性、可達(dá)性及關(guān)鍵篩查區(qū)域，在露天鐵礦區(qū)內(nèi)各功能單元(如采礦區(qū)、選礦區(qū)、廢石場、辦公區(qū))和礦區(qū)外圍(上風(fēng)向、下風(fēng)向及側(cè)向農(nóng)田)依據(jù)HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》布設(shè)16個(gè)采樣點(diǎn)(圖2)，選擇0~20cm表層土(大多數(shù)污染物主要累積在此層，且表層是土壤生態(tài)受體最集中、最活躍的棲息地與暴露界面，因此最能表征其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn))進(jìn)行采樣，6種重金屬按照GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》進(jìn)行檢測。

對(duì)檢測結(jié)果進(jìn)行露天鐵礦區(qū)內(nèi)外分組方差分析檢驗(yàn)(ANOVA)。本案例采用聚類分析(CA)進(jìn)行定性源解析。選擇CA是因?yàn)樵摪咐臉颖玖枯^少(n=16)，且源識(shí)別側(cè)重于初步識(shí)別有限的6種重金屬之間的共生組合關(guān)系，CA可直觀地判斷其可能共同的來源。采用內(nèi)梅羅指數(shù)(PN)對(duì)調(diào)查區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[15]。

式(1)中，Pi ave和Pi max分別為某重金屬單因子污染指數(shù)的平均值與最大值；Pi和PN分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：＜0.7為清潔，0.7~<1為警戒，1~<2為輕度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，2~<3為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，≥3為高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[10]。

(2) 土壤污染特征與源解析

表 1為露天鐵礦區(qū)及其周邊不同點(diǎn)位分組的土壤重金屬含量。

結(jié)果表明，除土壤Pb、Cd含量在礦區(qū)內(nèi)外無顯著差異，Cr、Cu、Ni和Zn 4種重金屬在礦區(qū)內(nèi)部的含量顯著高于礦區(qū)外部，說明Cr、Cu、Ni和Zn是該露天鐵礦的特征伴生金屬；但所有污染物的變異系數(shù)均≤0.4，說明重金屬受到人為活動(dòng)影響較小。各點(diǎn)位與GB15618—2018風(fēng)險(xiǎn)篩選值相比只有礦區(qū)外1個(gè)農(nóng)田點(diǎn)位的Cd含量超標(biāo)，證明該露天鐵礦區(qū)及其周邊區(qū)土壤污染程度較輕。

重金屬聚類源解析結(jié)果(圖3)表明, 土壤Cd和Pb為同一來源，土壤Cr、Cu、Ni和Zn等重金屬為同一來源。結(jié)合采樣點(diǎn)的用地類型、污染特征和前期源解析結(jié)果[14]，該區(qū)域土壤Cd和Pb的累積主要來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而Cr、Cu、Ni和Zn來自礦業(yè)活動(dòng)與地質(zhì)背景的累積。故初步判定Cr、Cu、Ni和Zn是該露天鐵礦采選活動(dòng)帶來的優(yōu)先管控污染物。

(3) 內(nèi)梅羅指數(shù)

圖3展示了內(nèi)梅羅指數(shù)結(jié)果，參照相應(yīng)的土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)篩選標(biāo)準(zhǔn)，露天鐵礦區(qū)內(nèi)外所有點(diǎn)位的單因子污染指數(shù)(Pi)和綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(PN)均處在預(yù)警線以下(＜1)，且礦區(qū)外的所有點(diǎn)位處于清潔線以下(PN＜0.7)。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)篩查層的風(fēng)險(xiǎn)判定標(biāo)準(zhǔn)，所有優(yōu)先管控污染物(Cr、Cu、Ni和Zn)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均位于清潔或警戒水平以下，未指示存在風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估可結(jié)束。但后續(xù)仍需關(guān)注礦業(yè)持續(xù)活動(dòng)帶來的Cr、Ni、Cu等污染物的累積問題。此外，對(duì)應(yīng)1.3節(jié)列出的不確定性來源分析，數(shù)據(jù)獲取及風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果的不確定性較低，風(fēng)險(xiǎn)結(jié)論較為可靠。

叁

層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法應(yīng)用

于鉛鋅礦區(qū)評(píng)估

一

鉛鋅礦區(qū)及其周邊區(qū)域概況

圖4是鉛鋅礦區(qū)及其周邊區(qū)域概況，該礦已有30多年地下開采歷史。該區(qū)地處陰山與河套平原交匯處，屬于溫帶大陸性季風(fēng)干旱氣候區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。周邊自然植被以典型的荒漠草原為主，優(yōu)勢植物種類包括戈壁針茅(Stipa tianschanica var. gobica)、檸條(Caragana spp.)等。周邊農(nóng)田主要種植向日葵和玉米等農(nóng)作物。主要土壤類型為棕鈣土與灰漠土，其特點(diǎn)是土層薄、有機(jī)質(zhì)含量低、砂質(zhì)性強(qiáng)、pH值偏高。

二

鉛鋅礦區(qū)層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1

鉛鋅礦區(qū)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)識(shí)別

通過分析鉛鋅礦區(qū)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告及其他相關(guān)文獻(xiàn)等資料，發(fā)現(xiàn)鉛鋅礦區(qū)周邊存在較嚴(yán)重的土壤重金屬污染，主要污染物包括As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn，設(shè)評(píng)估區(qū)為鉛鋅礦區(qū)及其周邊10 km[19]范圍。主要污染物暴露途徑可能是礦石開采、研磨和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的含重金屬的顆?；蚍蹓m經(jīng)由大氣干沉降所導(dǎo)致。評(píng)估區(qū)土壤中存在植物、無脊椎動(dòng)物和微生物等多種生態(tài)受體。判定評(píng)估區(qū)內(nèi)采礦活動(dòng)帶來的各種重金屬污染物排放可能通過大氣沉降積累在周圍土壤，威脅當(dāng)?shù)赝寥郎鷳B(tài)受體，評(píng)估工作可進(jìn)入下一層次[20]。

2

鉛鋅礦區(qū)風(fēng)險(xiǎn)篩查

(1) 土壤采樣、重金屬檢測及數(shù)據(jù)分析

依據(jù)上層(風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)識(shí)別層)信息，以鉛鋅礦區(qū)場地為中心向外擴(kuò)延10km作為評(píng)估區(qū)，在礦區(qū)不同功能單元和礦區(qū)距離梯度設(shè)置38個(gè)土壤表層點(diǎn)位(圖4)。具體采樣布點(diǎn)原則、重金屬檢測方法與2.2節(jié)相同。

利用克里金插值法刻畫污染物的空間分布；采用PCA進(jìn)行定性污染源解析。因樣本量較多(n=38)，PCA不僅能識(shí)別污染物之間的關(guān)聯(lián)性，還能通過因子載荷量化各污染源對(duì)總體數(shù)據(jù)方差的貢獻(xiàn)率，并可通過得分圖反映樣本在空間上的分布模式，從而更有效地解析和量化多種來源的貢獻(xiàn)。利用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(PERI)進(jìn)行評(píng)估區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，建立PERI與鉛鋅礦區(qū)距離之間的回歸方程，確定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)范圍。

式(2)中，Er為單個(gè)污染物的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Ci和Cb分別為污染物i的環(huán)境濃度和土壤背景濃度，mg·kg-1；Tr為毒性響應(yīng)系數(shù)，對(duì)應(yīng)As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的值分別為10、30、2、5、40、5、5和1。其中Er＜40表示低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，40≤Er＜80表示中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，80≤Er＜160表示較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，160≤Er＜320表示高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Er≥320表示極高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；PERI＜150為低風(fēng)險(xiǎn)，150 ≤PERI≤ 300為中等風(fēng)險(xiǎn)，PERI＞300為高風(fēng)險(xiǎn)[21]。

(2) 土壤污染特征與源解析

表 2列出了鉛鋅礦評(píng)估區(qū)不同分組的土壤重金屬含量。土壤Pb、Cd、Cu、Zn和Hg含量在距離礦區(qū)1km內(nèi)的變異系數(shù)均超過0.5，說明可能受到采礦活動(dòng)影響。此外，隨著采樣點(diǎn)位與鉛鋅礦區(qū)之間距離的增加，土壤Pb、Cd、Cu和Zn含量顯著下降，到2.5km之外各組之間沒有顯著差異。

利用克里金插值法對(duì)污染物進(jìn)行空間分析(圖 5)，結(jié)果表明土壤Pb、Cd、Cu和Zn含量與GB 15618—2018中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值[18]相比均有所超標(biāo)，超標(biāo)點(diǎn)集中在礦區(qū)周邊1 km范圍內(nèi)，說明這4種元素的土壤污染較為嚴(yán)重。Pb、Cd、Cu和Zn的空間分布格局大致相同，含量衰減梯度與鉛鋅礦評(píng)估區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向存在空間關(guān)聯(lián)性，提供了這些污染物暴露同源性以及隨大氣沉降遷移的直接證據(jù)。

PCA源解析結(jié)果(圖 6)表明，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn 8種重金屬可提取2個(gè)特征值＞1的主成分，對(duì)第一主成分(PC1)載荷較高的重金屬為Pb、Cd、Cu、Zn和Hg，這些元素的變異系數(shù)在礦區(qū)內(nèi)較高(0.86~1.32，表 2)，且距離礦區(qū)<1 km的采樣點(diǎn)明顯集中于PC1的高得分區(qū)域。根據(jù)鉛鋅礦評(píng)估區(qū)污染特征和前期土壤源解析研究[14]，PC1主要與礦業(yè)活動(dòng)密切相關(guān)，受采礦、選礦及運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)的直接影響較顯著。對(duì)第二主成分(PC2)載荷較高的重金屬為As、Cr和Ni，這些元素的變異系數(shù)在礦區(qū)內(nèi)外變化不大(表 2)，主要與區(qū)域自然成土過程有關(guān)。在距離礦區(qū)>2.5 km的區(qū)域，采樣點(diǎn)多沿PC2方向分布，說明隨著距離增加，礦業(yè)活動(dòng)干擾逐漸減弱，土壤重金屬含量更多受自然背景因素控制。綜上，污染物空間分析和源解析可以初步篩選Pb、Cd、Cu、Zn和Hg為礦區(qū)優(yōu)先管控污染物。

(3) 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征

利用PERI對(duì)污染物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征進(jìn)行分析(圖 7)，結(jié)果表明鉛鋅礦評(píng)估區(qū)土壤Pb、Cd、Cu、Zn和Hg存在中度至極高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，而土壤Cr、Ni和As均顯示為低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果與污染特征和源解析結(jié)果相一致。低、中和高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分別占樣本總數(shù)的44.7%、18.4%和36.9%。

利用PERI進(jìn)行空間回歸分析(圖 8)，結(jié)果顯示PERI與點(diǎn)位距礦區(qū)的距離顯著相關(guān)(P<0.001)，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要集中在礦區(qū)周邊2.2 km范圍內(nèi)(PERI＞150)，極高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位于礦區(qū)的主要生產(chǎn)區(qū)。通過污染特征分析、源解析以及PERI指數(shù)分析，篩查出Pb、Cd、Cu、Zn和Hg這5種污染物為優(yōu)先管控污染物，主要隨主導(dǎo)風(fēng)大氣沉降，對(duì)礦區(qū)周邊2.2 km范圍造成潛在風(fēng)險(xiǎn)，判定需進(jìn)入下一層次定量其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)概率大小。

3

鉛鋅礦區(qū)風(fēng)險(xiǎn)概率定量

以不同PERI風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)樣點(diǎn)進(jìn)行分組，建立不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的土壤Pb、Cd、Cu、Zn、Hg聯(lián)合概率曲線(JPCs)，計(jì)算相應(yīng)的總體風(fēng)險(xiǎn)概率值(ORP)(圖 9)。在整個(gè)調(diào)查區(qū)域內(nèi)，Zn對(duì)當(dāng)?shù)赝寥郎鷳B(tài)系統(tǒng)構(gòu)成高概率風(fēng)險(xiǎn)，Pb屬于中概率風(fēng)險(xiǎn)，Cu和Cd屬于低概率風(fēng)險(xiǎn)，Hg概率生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)可忽略。在PERI中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中，Zn和Pb的概率風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不變，而Cu、Cd和Hg均上升1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；在PERI低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中，除Zn屬于低概率風(fēng)險(xiǎn)外，Pb、Cd、Cu和Hg 4種重金屬的概率風(fēng)險(xiǎn)均可忽略。鉛鋅礦評(píng)估區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的污染物優(yōu)先控制順序是Zn>Pb>Cu>Cd，這4種污染物存在中高概率生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Hg風(fēng)險(xiǎn)因其ORP較低(< 2%)可進(jìn)一步排除。值得注意的是，本層(風(fēng)險(xiǎn)概率定量)與風(fēng)險(xiǎn)篩查層獲得的污染物排序(Cd>Pb>Hg>Cu>Zn)有所差別，主要是PERI風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和概率風(fēng)險(xiǎn)表征方法之間的區(qū)別：PERI指數(shù)高度依賴于污染物的背景濃度和毒性響應(yīng)系數(shù)，且該層概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估獲得的ORP進(jìn)一步融合了鉛鋅礦評(píng)估區(qū)內(nèi)各污染物的實(shí)際暴露濃度分布與物種敏感度分布，更能反映其對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的綜合實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)。

4

鉛鋅礦區(qū)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證

(1) 土壤理化性質(zhì)測定、生態(tài)調(diào)查及多元統(tǒng)計(jì)分析

風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證層實(shí)地檢測的土壤理化指標(biāo)包括土壤總碳(TC)和有機(jī)碳(TOC)含量、土壤總氮(TN)含量、土壤pH值。TC、TN和TOC通過C-N-S元素分析儀進(jìn)行定量分析，TOC通過濃度為1 mol·L-1的HCl加熱酸洗，去除無機(jī)碳之后再上機(jī)檢測[21]。土壤pH值通過電位法測定。

土壤微生物是污染暴露最直接、響應(yīng)最快的生態(tài)受體，利用土壤磷脂脂肪酸(PLFA)譜圖分析能高效、低成本地表征土壤微生物總生物量和群落結(jié)構(gòu)，是國際公認(rèn)的評(píng)估土壤污染生態(tài)效應(yīng)的敏感生態(tài)指標(biāo)[22]。因此，本案例生態(tài)調(diào)查選擇土壤PLFA作為調(diào)查對(duì)象。按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)推薦的土壤PLFA含量測定方法[23]，將不同PLFA表征的微生物分為革蘭氏陽性菌(GP)、革蘭氏陰性菌(GN)、放線菌(A)以及真菌(F)4類。利用代表相同類型微生物的PLFA含量總和表示對(duì)應(yīng)微生物的豐度，利用不同類型微生物含量的比值表示PLFA的結(jié)構(gòu)，包括真菌/細(xì)菌(F/B)、革蘭氏陰性菌/陽性菌(GN/GP)[22]。

采用ANOVA比較不同PERI風(fēng)險(xiǎn)水平的土壤性質(zhì)與PLFA豐度和結(jié)構(gòu)的差異；采用Spearman、Mantel檢驗(yàn)探討不同環(huán)境變量與PLFA效應(yīng)之間的相關(guān)性；利用結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)確定重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)土壤PLFA豐度和結(jié)構(gòu)的直接和間接影響，相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析通過R軟件(http://www.Rproject.org)實(shí)現(xiàn)。

(2) 土壤理化性質(zhì)變化

不同PERI組土壤pH值及TOC、TC、TN含量(表 3)結(jié)果表明，土壤pH值和TC含量受到重金屬污染的顯著影響。PERI中高風(fēng)險(xiǎn)組pH平均值較低風(fēng)險(xiǎn)組降低了0.39，土壤TC平均含量也顯著降低近30%，而TOC與TN含量無顯著變化。這主要是因?yàn)榈V區(qū)位于典型堿性土壤環(huán)境區(qū)，且土壤碳酸鹽含量較高[24]，礦區(qū)排放的重金屬以及伴生硫化物進(jìn)入土壤后會(huì)發(fā)生水解產(chǎn)生氫離子，進(jìn)而導(dǎo)致土壤酸化，溶解碳酸鹽，降低土壤pH值和TC含量，類似情況在我國西藏拉屋礦區(qū)也有報(bào)告[25]。

(3) 土壤PLFA豐度和結(jié)構(gòu)變化

不同PERI組的PLFA豐度和結(jié)構(gòu)變化(圖 10)表明，只有低風(fēng)險(xiǎn)組的真菌PLFA豐度明顯高于中高風(fēng)險(xiǎn)組，而其他微生物組的PLFA豐度沒有明顯差異。在PLFA結(jié)構(gòu)方面，低風(fēng)險(xiǎn)組GN/GP和F/B顯著高于中高風(fēng)險(xiǎn)組，表明土壤重金屬污染顯著降低了土壤真菌豐度，改變了微生物群落組成。就PLFA豐度而言，一般金屬污染會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌、真菌和放線菌PLFA的豐度顯著下降[22]，本研究表明只有真菌PLFA有所差異，其他門類差異不顯著，這可能是由于特定地點(diǎn)的土壤條件和微生物適應(yīng)機(jī)制不同所致。鉛鋅礦評(píng)估區(qū)土壤pH值高(7.5~9.2)、濕度低，可降低土壤重金屬生物有效性，從而減輕對(duì)細(xì)菌和放線菌的毒性作用[26]。此外，此鉛鋅礦評(píng)估區(qū)開采歷史悠久，土壤長期暴露在高含量的重金屬環(huán)境下可能會(huì)導(dǎo)致部分微生物類群產(chǎn)生金屬抗逆性，從而提高一些細(xì)菌和放線菌群在重金屬壓力下的生態(tài)穩(wěn)定性[27]。在PLFA結(jié)構(gòu)方面，PERI風(fēng)險(xiǎn)中高點(diǎn)位的F/B和GN/GP值較低風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位顯著下降，印證了土壤中真菌比細(xì)菌對(duì)重金屬污染更為敏感。

(4) 污染風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證

將土壤PLFA與土壤理化性質(zhì)、重金屬等環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析(圖 11)，結(jié)果顯示土壤PLFA豐度與土壤TOC、TC和TN含量呈顯著正相關(guān)，與重金屬含量相關(guān)性不顯著。PLFA豐度與結(jié)構(gòu)則與Pb、Zn、Cd、Hg、Cu含量和PERI指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤pH值、TC含量以及距礦區(qū)距離呈顯著正相關(guān)。因此，重金屬含量對(duì)土壤中各類PLFA豐度沒有顯著影響，但可以改變PLFA結(jié)構(gòu)，而土壤TOC和TN作為微生物生長的直接營養(yǎng)來源對(duì)PLFA豐度起關(guān)鍵作用。

結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)探索關(guān)鍵環(huán)境變量與土壤PLFA豐度以及結(jié)構(gòu)之間的因果聯(lián)系(圖 12)表明，構(gòu)建的2個(gè)SEMs均有較好模型擬合度(P>0.05)。

對(duì)PLFA豐度的SEM結(jié)果表明，4種主要重金屬(Zn、Pb、Cu、Cd)污染對(duì)PLFA豐度的影響主要通過改變土壤pH值，進(jìn)而影響TC和TOC含量，這是此SEM的顯著路徑。重金屬污染對(duì)PLFA豐度的綜合效益值為-0.26，說明重金屬污染還通過改變土壤理化性質(zhì)間接降低了PLFA的豐度。對(duì)PLFA結(jié)構(gòu)的SEM結(jié)果也表明PLFA結(jié)構(gòu)的改變是由于重金屬污染降低土壤pH值，而pH值直接影響了GN/GP和F/B。因此，本層(污染風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證)最終結(jié)論證實(shí)了前期篩查出的優(yōu)先管控的重金屬會(huì)通過改變土壤理化性質(zhì)而間接影響土壤微生物豐度和結(jié)構(gòu)。對(duì)評(píng)估過程中各層次的不確定性來源進(jìn)行分析，表明數(shù)據(jù)獲取、模型選擇、生態(tài)調(diào)查等評(píng)價(jià)過程的不確定性較低，風(fēng)險(xiǎn)結(jié)論較為可靠。

肆

展望與結(jié)論

該研究針對(duì)場地及周邊區(qū)域土壤的生態(tài)污染問題建立了一種層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，并在2個(gè)典型礦區(qū)進(jìn)行了案例驗(yàn)證。露天鐵礦區(qū)評(píng)估結(jié)果在風(fēng)險(xiǎn)篩查層次就排除了所有污染物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。鉛鋅礦區(qū)評(píng)估結(jié)果表明, 土壤Pb、Cd、Cu、Zn和Hg是鉛鋅礦評(píng)估區(qū)內(nèi)的優(yōu)先管控污染物，主要通過主導(dǎo)風(fēng)的大氣沉降對(duì)礦區(qū)周邊2.2 km范圍造成潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，在此風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)存在中高概率風(fēng)險(xiǎn)的污染物優(yōu)先管控順序是Zn(80.18%)> Pb(23.20%)> Cu(20.65%)> Cd(13.08%)。土壤PLFA生態(tài)調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)分析表明，這些污染物可改變風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)土壤PLFA豐度和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，證實(shí)了礦業(yè)活動(dòng)帶來的重金屬污染對(duì)當(dāng)?shù)赝寥牢⑸锶郝涞奈：π?yīng)。2個(gè)案例研究證明了筆者提出的層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的有效性與科學(xué)性，該方法通過將單一指數(shù)法、概率評(píng)估法及實(shí)地生態(tài)調(diào)查等傳統(tǒng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法系統(tǒng)納入層次化框架中，既避免了單一指數(shù)法的片面性，又避免了直接實(shí)地生態(tài)調(diào)研的高成本，并通過本土化設(shè)計(jì)增強(qiáng)了適用性，有效實(shí)現(xiàn)了評(píng)估成本、效率和結(jié)果現(xiàn)實(shí)性之間的平衡。

未來，層次化生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架可應(yīng)用于更多污染場地，驗(yàn)證其在不同污染場地類型中的實(shí)踐指導(dǎo)作用。對(duì)于一些土壤污染程度較輕的行業(yè)場地可僅開展低層次(風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)識(shí)別-風(fēng)險(xiǎn)篩查)評(píng)估，避免不必要的資源投入。而對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜污染場地，可在風(fēng)險(xiǎn)篩查層次的基礎(chǔ)上進(jìn)一步量化關(guān)鍵污染物的風(fēng)險(xiǎn)特征，并開展本土生態(tài)效應(yīng)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證，提高評(píng)估結(jié)果的生態(tài)現(xiàn)實(shí)性。

參考文獻(xiàn)

(生態(tài)修復(fù)網(wǎng))