王曉飛,魏萌萌，溫中海，陳麗君，許桂蘋

1.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004 2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西 南寧 530028

物元分析法在土壤重金屬污染評價中的應用

王曉飛1,2,魏萌萌1，溫中海2，陳麗君1，許桂蘋1,2

1.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004 2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西 南寧 530028

針對實際中的土壤重金屬污染狀況是漸變的、模糊的，采用物元分析模型法通過建立物元矩陣，引用毒性響應系數(shù)對模型中權重的計算方法進行改進，并將改進的物元分析模型對廣西環(huán)江某受鉛鋅礦影響的土壤重金屬污染狀況進行評價分析。結(jié)果表明，該區(qū)域土壤受重金屬污染嚴重，尤其受Pb、Cd的影響更為嚴重，此評價結(jié)果符合當?shù)氐膶嶋H情況，同時與潛在生態(tài)危害指數(shù)評價結(jié)果一致，說明物元分析法在土壤重金屬污染評價中的應用是合理的，其評價結(jié)果具有可靠性。

土壤；重金屬污染；物元分析法；權重

重金屬的環(huán)境污染問題已受到人們的廣泛關注，土壤重金屬污染主要是指由于人類活動，土壤中的微量有害元素在土壤中的含量超過背景值，過量沉積而引起的含量過高。污染土壤的重金屬主要包括鉛(Pb)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、汞(Hg)和類金屬砷(As)等生物毒性顯著的元素，以及有一定毒性的銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)等元素[1-2]。土壤重金屬污染可影響土壤生物群落結(jié)構(gòu)變化，影響植物的生長，或通過微生物作用轉(zhuǎn)化為金屬有機化合物而揮發(fā)到大氣中，直接或間接的對人體健康產(chǎn)生危害。因此，對土壤重金屬的污染評價意義重大，本文主要針對土壤中的Cu、Zn、Pb、Cd 4種重金屬元素進行評價。

目前，對土壤重金屬的評價方法主要有地積累指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等[3]。弓曉峰等[4]對地積累指數(shù)法進行了優(yōu)化，用以評價沉積物中重金屬的污染。肖海豐等[5]用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對水體沉積物中的重金屬污染進行了評價。這些方法用比較明確的界線對重金屬污染狀況進行了區(qū)分和量化，但實際上土壤重金屬的污染狀況是漸變的、模糊的[6]。因此，本文嘗試用物元分析法對土壤重金屬進行評價，該方法的邏輯基礎主要是將形式邏輯與辯證邏輯相結(jié)合，并應用這些模型研究基本理論，提出相應的應用方法，以此建立事物多指標性能參數(shù)的質(zhì)量評定模型，用定量的數(shù)值表示評定結(jié)果，從而較完整地反映事物質(zhì)量的綜合水平。

1 物元分析的理論概述

物元分析是一門側(cè)重于應用的學科，既可以用在“硬”科學方面，又可以用在“軟”科學方面，它是由中國著名學者、廣東工學院蔡文副教授在20世紀80年代所創(chuàng)立的新學科。物元分析是研究解決不相容問題的規(guī)律和方法的新興學科，是思維科學、系統(tǒng)科學、數(shù)學3者的交叉邊緣學科，基于可拓集合基礎上建立的可拓數(shù)學[7-9]。物元分析的邏輯基礎主要是形式邏輯與辯證邏輯的結(jié)合，其中心是研究“出點子、想辦法”的規(guī)律、理論和方法,被廣泛應用在生態(tài)安全與生態(tài)健康評價、環(huán)境質(zhì)量的綜合評價以及產(chǎn)品質(zhì)量分級等方面，但較少應用于土地健康評價[10-11]。

物元是將事物的質(zhì)和量有機的聯(lián)系在一起，事物N、特征T和量值X可以構(gòu)成物元R的3要素，可用數(shù)學表達式為R=(N,T,X)。但一個事物N有多個特征時，可用T1、T2、T3……Tn來表示n個特征，用X1、X2、X3……Xn表示n個特征各對應的量值，即為n維物元，可用矩陣表示為

物元分析模型評價方法的基本思路首先是建立土壤重金屬污染評價的物元模型，接著確定評價對象的經(jīng)典域和節(jié)域矩陣，然后根據(jù)關聯(lián)函數(shù)計算關聯(lián)度和綜合關聯(lián)度，再將最大關聯(lián)度原則作為土壤重金屬污染的評判標準，最終確定評判結(jié)果所屬等級[12]。

1.1 建立土壤重金屬污染水平的待判物元矩陣

(1)

式中：N0表示待判對象，Ti表示待判對象的第i個評價指標，Xi表示待判對象關于評價指標Ti的具體量值。

1.2 確定待判物元的經(jīng)典域和節(jié)域

根據(jù)國家標準或擬定新的準則，建立土壤重金屬污染水平的經(jīng)典域矩陣Rj表示為

(2)

式中：Rj表示經(jīng)典域物元，Nj表示待判物元的評價等級，Ti表示待判物元第i個評價指標，Xj,i表示第i個評價指標Ti所對應的等級j的取值范圍，即為經(jīng)典域，aj,i，bj,i(i=1,2,3……n；j=1,2,3……n)表示該取值范圍的上下限[13]。

根據(jù)評價指標各等級的取值范圍，建立土壤重金屬污染水平的節(jié)域矩陣Rp表示為

(3)

式中：Rp表示節(jié)域物元，Np表示土壤重金屬污染水平的全體等級，Xp,i表示節(jié)域物元關于評價指標Ti的量值范圍，且Xp,i=[ap,i，bp,i]。

1.3 確定關聯(lián)函數(shù)，計算關聯(lián)度Kj(Xi)

在物元分析中，關聯(lián)函數(shù)表示物元的量值為實軸上的一點時，物元符合要求的取值范圍程度，關聯(lián)度是指待判物元的各評價指標Ti關于各評價等級j的歸屬程度[7]。其關聯(lián)函數(shù)為

(4)

1.4 計算綜合關聯(lián)度并確定評價標準

綜合關聯(lián)度是指關聯(lián)函數(shù)和權重系數(shù)的加權平均，可用如下公式表示：

(5)

根據(jù)最大關聯(lián)度原則，即綜合關聯(lián)度的值越大，表明被評價系統(tǒng)與某級健康的要求越吻合，其值越小越不具備轉(zhuǎn)化為該級標準的條件[14-15]，因此最終的評價結(jié)果應選擇各等級中Kj(No)值最大者作為評價結(jié)果等級。

2 物元分析法在土壤重金屬污染評價中的應用研究

2.1 研究區(qū)域概況及樣品測定

土壤樣品采集區(qū)域位于廣西環(huán)江毛南族自治縣，隸屬廣西壯族自治區(qū)河池市，在廣西西北部、地處云貴高原東南緣，總地勢為北高南低，四周山嶺綿延，中部偏南為丘陵，略呈高海拔為1 693 m，最低海拔為149 m，年均氣溫南邱陵一帶為19.9 ℃，年平均降雨量北部為1 750 mm，空氣平均相對濕度79%。該地區(qū)因鉛鋅金屬礦區(qū)尾砂壩坍塌使大面積的農(nóng)田受到污染，通過采集該地區(qū)的土壤，分析其污染狀況。另外，由于中國地域遼闊，土壤分布類型復雜，用統(tǒng)一的國家土壤背景值為標準不能準確地反映當?shù)氐膶嶋H情況，因此還是主要參考《廣西壯族自治區(qū)土壤環(huán)境背景值圖集》[16]，根據(jù)國內(nèi)外的文獻資料及研究報道，將土壤中重金屬的評價標準劃分為5個等級(表1)。

表1 土壤重金屬污染的評價標準 mg/kg

將采集好的土樣置于通風、避光、干燥的地方，在室溫條件下自然風干，剔除碎石塊后進行研磨，分別過830、150 μm篩用于分析測定。土壤pH用電極法測定，重金屬含量采用國標法進行樣品消解，然后用ICP-MS進行測定，最后采用物元分析法對此土壤中4種重金屬的污染情況進行評價分析，重金屬的測定結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)域中土壤重金屬的含量 mg/kg

2.2 建立待判物元矩陣

以監(jiān)測點1為例，建立矩陣為

2.3 建立經(jīng)典域和節(jié)域

根據(jù)土壤重金屬污染的評價標準(表1)，建立經(jīng)典域矩陣為

節(jié)域矩陣為

2.4 權重的確定

權重是指某一指標在整體評價中的相對重要程度，不同的權重計算方法，其評價結(jié)果會有差異，這將會直接影響到評價結(jié)果的客觀性、準確性。常見的權重計算方法主要有層次分析法、主成分分析、因子分析(指標污染貢獻率)[17]，而土

壤中的重金屬不同于其他污染物，不僅影響土壤生態(tài)功能，還可危害人體健康。不同重金屬毒性的不同，其對人類的危害也不同，因此應考慮將毒性系數(shù)引入到土壤重金屬的評價中。李海龍等[18]已將加權毒性的物元分析和指標污染貢獻率的物元分析2種評價結(jié)果做了對比，并指出加權毒性的物元分析法對土壤重金屬污染的評價是可靠、準確的。

因此，依據(jù)參考文獻并客觀的體現(xiàn)重金屬對土壤污染的貢獻，引入重金屬的毒性響應系數(shù)ti，研究中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的毒性系數(shù)[19]分別為5、1、5、30、權重計算公式為

(6)

根據(jù)公式(6)，計算出各評價指標的權重系數(shù)，計算結(jié)果見表3。

表3 土壤各重金屬權重ai計算結(jié)果

注：表中權重系數(shù)指采樣點1中4種重金屬的權重系數(shù)，其他區(qū)域權重計算方法同理得出。

2.5 關于各評價等級的關聯(lián)度和綜合關聯(lián)度的計算

根據(jù)式(1)～式(5)計算出各評價指標關于各評價等級的關聯(lián)度，再通過加權平均求出綜合關聯(lián)度，見表4。

表4 土壤監(jiān)測點的綜合關聯(lián)度

根據(jù)綜合關聯(lián)度的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，7個監(jiān)測點位中1、3、4、5、6、7點的關聯(lián)度整體小于-1，均不符合被評價的級別；監(jiān)測點2的綜合關聯(lián)度均大于-1，根據(jù)最大關聯(lián)度原則，該點處于III級別，屬于輕度污染。由此說明，該區(qū)域土壤受重金屬污染較為嚴重，評價結(jié)果與當?shù)貙嶋H情況也較吻合。采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法[20]進行重金屬污染評價，詳見表5。

表5 重金屬的生態(tài)危害指數(shù)及評價結(jié)果

根據(jù)重金屬生態(tài)危害程度的劃分標準：Eir<40或RI<150為生態(tài)危害輕微，40≤Eir≤80或150≤RI<300為生態(tài)危害中等，80≤Eir≤160或300≤RI<600為生態(tài)危害較重，160≤Eir≤320或RI>600為生態(tài)危害嚴重。從表5可以看出，該區(qū)域中Pb、Cd的生態(tài)危害指數(shù)比較大。在物元分析法中，各個重金屬元素在各等級的關聯(lián)度生態(tài)危害嚴重，也顯示出Pb、Cd的污染最嚴重。此外，RI均大于300，說明多個污染物總的潛在生態(tài)危害指數(shù)較大，整體生態(tài)危害嚴重。綜合以上結(jié)果可以看出，物元分析法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法的評價結(jié)果基本一致。可以說明評價結(jié)果具有有效性。且相對于潛在生態(tài)風險評價法、物元分析法通過關聯(lián)度計算，更能顯示出每個評價指標對研究對象的影響程度。

3 結(jié)論

1)通過物元分析法對廣西環(huán)江某受鉛鋅礦影響的土壤重金屬污染狀況進行分析。結(jié)果表明，該區(qū)域土壤受重金屬污染嚴重，這與當?shù)貙嶋H情況相吻合。此外，物元分析法通過引入毒性系數(shù)改進權重的計算方法，不僅反映了土壤中各重金屬元素的監(jiān)測值對整體環(huán)境質(zhì)量的影響，還反映出土壤重金屬元素對環(huán)境和人類的危害程度。

2)物元分析法不僅能獲取綜合評價結(jié)果，還能獲得單個指標的評價結(jié)果，并揭示每一個評價指標的水平狀態(tài)和變化趨勢，將物元模型應用到土壤重金屬評價中能達到預期效果，具有一定適用性。

3)在運用物元分析模型的過程中，仍需對關聯(lián)函數(shù)或權重系數(shù)的計算方法等問題進行進一步的探索和研究。

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Application of Matter Element Analysis Method in the Evaluation of Soil Heavy Metal Pollution

WANG Xiaofei1,2，WEI Mengmeng1，WEN Zhonghai2，CHEN Lijun1，XU Guiping1,2

1.College of Light Industry and Food Engineering, Nanning 530004, China 2.Guangxi Zhuang Autonomus Region Enviromental Monitoring Centre, Nanning 530028, China

Focusing on that the heavy metal pollution of soil is gradual and blurred, the paper mainly introduces matter-element analysis model. By establishing matter-element matrix and applying the toxic response coefficients to the model to improve the weight calculation, matter element analysis method was used to assess soil heavy metal pollution in Huanjiang, Guangxi Province, in which the soil was effected by lead-zinc. The results showed that the soil with heavy metal pollution was serious, especially the influence of Pb. The evaluation results were in line with local conditions, which was consistent with the potential ecological risk index. In the same time, it presented that the method used in the evaluation of soil heavy metal pollution was reasonable, and the evaluation results were reliable.

sugarcane soil;heavy metal pollution;matter element analysis method;weight

2015-06-09;

2015-07-23

廣西壯族自治區(qū)科技廳開發(fā)項目(桂科轉(zhuǎn)14125001-2-1)；廣西自然科學基金“西江流域水環(huán)境重金屬污染機制與調(diào)控”(2013GXNSFEA053001)

王曉飛(1984-)，男，山西陽泉人，在讀博士，工程師。

許桂蘋

X825

A

1002-6002(2016)03- 0069- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.03.10