張二喜，楊 浩，趙 磊

（1.成都理工大學(xué)管理科學(xué)學(xué)院，四川成都610059；2.四川省數(shù)學(xué)地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059）

江西省洎水河流域礦山附近土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

張二喜1,2，楊 浩1,2，趙 磊1

（1.成都理工大學(xué)管理科學(xué)學(xué)院，四川成都610059；2.四川省數(shù)學(xué)地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059）

文章以江西省洎水河流域德興地區(qū)的農(nóng)田礦山附近土壤中As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb和Zn七種重金屬為研究對(duì)象，基于模糊數(shù)學(xué)法和污染負(fù)荷指數(shù)法（PLI）對(duì)重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：研究區(qū)域受到礦山開(kāi)發(fā)影響較大，土壤均受到不同程度的污染，部分土壤受污染程度較為嚴(yán)重，其中受Cd和Cu污染最為嚴(yán)重。

重金屬污染；模糊數(shù)學(xué)；污染負(fù)荷指數(shù)；評(píng)價(jià)

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)土壤重金屬的污染日益嚴(yán)重。由于重金屬具有高毒性、持久性，以及在環(huán)境中的累積特性，從而受到人們廣泛研究[1-2]。對(duì)于農(nóng)業(yè)土壤，農(nóng)作物可以吸收土壤中的重金屬，即使土壤中的重金屬濃度不高，但是也足以影響到農(nóng)作物的果實(shí)，進(jìn)而影響人體健康。人類活動(dòng)是重金屬的主要來(lái)源，例如：化石燃料的燃燒、化肥農(nóng)藥的使用、礦山開(kāi)發(fā)活動(dòng)、污水灌溉、固體廢棄物的堆棄等。而在礦山附近，礦山開(kāi)發(fā)和金屬冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的重金屬可以通過(guò)大氣沉降，廢渣和廢水的排放等多途徑污染礦山周圍土壤[3]，可對(duì)當(dāng)?shù)赝寥涝斐蓢?yán)重或潛在的危害，因此，對(duì)土壤重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)非常必要。

對(duì)土壤評(píng)價(jià)方法有多種，如單因子法、多因子法和模糊數(shù)學(xué)法等。本文選擇模糊數(shù)學(xué)法和污染負(fù)荷指數(shù)法（PLI）對(duì)江西德興地區(qū)的農(nóng)田土重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，并為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)土壤重金屬污染治理提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 樣品的采集與分析

圖1 采樣點(diǎn)位置圖

1.2 評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 評(píng)價(jià)方法

1）模糊數(shù)學(xué)法

模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法首先需要確定隸屬度函數(shù)，建立關(guān)系模糊矩陣。取u=｛As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn｝為評(píng)價(jià)因子的集合；v=｛一級(jí)，二級(jí)，三級(jí)｝為評(píng)判因子的集合；通過(guò)隸屬度函數(shù)求得各指標(biāo)對(duì)各級(jí)別土壤重金屬污染狀況的隸屬度，組成一個(gè)7×3的模糊矩陣，即關(guān)系模糊矩陣。按如下隸屬度函數(shù)計(jì)算各因素指標(biāo)的隸屬度[4-5]：

式中，xi為某重金屬含量的實(shí)測(cè)值；ai、bi、ci分別為該重金屬對(duì)應(yīng)于一、二、三級(jí)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量狀況的標(biāo)準(zhǔn)值。

不同重金屬對(duì)土壤環(huán)境的貢獻(xiàn)存在一定差異，因此不同重金屬應(yīng)有不同的權(quán)重。計(jì)算權(quán)重的方法一般采用土壤環(huán)境中污染物因子的實(shí)測(cè)濃度與其相應(yīng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的比值來(lái)計(jì)算權(quán)重，公式為：

其中，ci為各指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；Si為（S1+S2+S3）∕3。分別算出三個(gè)參評(píng)重金屬因子的權(quán)重，權(quán)重矩陣寫成矩陣形式w=｛a,b,c｝。

然后對(duì)計(jì)算出的采樣點(diǎn)的關(guān)系模糊矩陣和權(quán)重模糊矩陣采用加權(quán)平均模型計(jì)算各個(gè)點(diǎn)在不同級(jí)別的隸屬度。其中加權(quán)模型為：

式中，bj為最終評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)應(yīng)于第j個(gè)等級(jí)的隸屬度；wi為對(duì)應(yīng)的權(quán)重；rij為模型關(guān)系矩陣S中對(duì)應(yīng)的元素；n為參評(píng)因子的個(gè)數(shù)。

2）污染負(fù)荷指數(shù)法

轉(zhuǎn)注，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是互訓(xùn)，兩個(gè)漢字用來(lái)互相解釋彼此的意義，例如，《說(shuō)文解字》中，老，考也；考，老也?？己屠匣ハ嘟忉尡舜说囊饬x，但并沒(méi)有產(chǎn)生新的漢字。而假借，“假借者，本無(wú)其字，依聲托事，令長(zhǎng)是也”，漢字中本來(lái)沒(méi)有這個(gè)字，但是取一個(gè)跟它有相同或相近的聲音的漢字來(lái)使用，例如，表示方向的“北”其本意是“背”，造字之初“北”是指兩人相背而立，表示背，表示北方的北沒(méi)有其字，所以借用了表示相背意義擁有相近聲音的北表示北方，后世為了區(qū)分兩字才產(chǎn)生了北和背，各自擁有各自的意義。

污染負(fù)荷指數(shù)法是基于土壤背景的一種評(píng)價(jià)方法。其中污染因子為研究土壤中的重金屬濃度與該地區(qū)土壤中重金屬濃度的比值[6]。公式如下：

式中，Ci是第i中重金屬的濃度；Cib是第i種重金屬的背景值。

污染水平被分為的6個(gè)等級(jí)（0=不受污染，1=不受污染與中等污染之間，2=中等污染，3=中等到高污染之間，4=高污染，5=高污染到非常高污染之間，6=非常高污染）。為了評(píng)價(jià)樣品整體的污染水平，在此運(yùn)用了污染負(fù)荷指數(shù)（PLI），公式如下：

PLI是一個(gè)用來(lái)評(píng)價(jià)重金屬污染的簡(jiǎn)單的可比較的方法。PLI將土壤分為了四個(gè)等級(jí)，不受污染（PLI＜1），中度污染（1＜PLI＜2），重度污染（2＜PLI＜3）和極重度污染（3＜PLI）。

1.2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995）和中國(guó)土壤元素背景值[7]，見(jiàn)表1。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值和江西省土壤背景值/mg?kg-1

2 分析評(píng)價(jià)

2.1 土壤中重金屬總量及定量分析

用ICP-AES測(cè)定樣品中的As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb和Zn，得到土壤中重金屬濃度含量，見(jiàn)表2。

重金屬總量結(jié)果表明，As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb和 Zn 的 平 均 值 分 別 為 39.20 mg∕kg，1.22 mg∕kg，70.28 mg∕kg，138.42 mg∕kg，32.24 mg∕kg，138.88 mg∕kg和171.48 mg∕kg。從As含量的分布上來(lái)看，7，8和15號(hào)點(diǎn)的含量超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其中8號(hào)點(diǎn)As含量是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的將近7倍。Cd在所研究土壤中的含量均大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值0.3 mg∕kg，個(gè)別點(diǎn)（如15，16號(hào)點(diǎn)）土壤Cd含量均大于2.0 mg∕kg，污染較為嚴(yán)重。所研究土壤的Cr和Ni含量在各個(gè)點(diǎn)均較低，Cr含量均比國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)150 mg∕kg低，而Ni除12，13和15號(hào)點(diǎn)略高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)40 mg∕kg外，其余點(diǎn)均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。Cu作為該地區(qū)主要污染物質(zhì)，平均值為138.42 mg∕kg，大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值，從分布上看，大多數(shù)點(diǎn)均大于50 mg∕kg，1，2，7，10，11，14和15號(hào)點(diǎn)含量較高，其余點(diǎn)含量相對(duì)較低。對(duì)于有Pb-Zn礦的該地區(qū)，Pb和Zn個(gè)別點(diǎn)污染較為嚴(yán)重，如13，15和16號(hào)點(diǎn)土壤Pb含量較高，7，14和15號(hào)點(diǎn)土壤Zn含量較高。

表2 土壤重金屬濃度 /mg?kg-1

從總量上看，所研究土壤中Cd和Cu含量超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明Cd和Cu是該區(qū)域的主要污染物質(zhì)。其中8,10,13,14和15號(hào)點(diǎn)污染較為嚴(yán)重，主要因?yàn)檫@些點(diǎn)靠近礦山，附近礦山開(kāi)發(fā)以及金屬冶煉所產(chǎn)生的廢水排放到洎水河中，污染了河水，而礦渣不恰當(dāng)?shù)奶幚硪苍斐闪撕铀奈廴?，較高重金屬濃度污水灌溉農(nóng)田是這些點(diǎn)土壤重金屬含量較高的主要原因。7號(hào)點(diǎn)污染較為嚴(yán)重，可能是因?yàn)槠渌诘貐^(qū)地勢(shì)低洼，在雨季，河水淹沒(méi)農(nóng)田所致。16號(hào)點(diǎn)污染嚴(yán)重，可能是因?yàn)樵擖c(diǎn)作為洎水河與樂(lè)安江的交匯口，受到洎水河與樂(lè)安江兩條河的共同影響。從總量分析結(jié)果來(lái)看，研究區(qū)域受到礦山開(kāi)發(fā)影響較大，Cd和Cu污染較為嚴(yán)重。

2.2 模糊數(shù)學(xué)法對(duì)該地區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

對(duì)所研究的7種重金屬建立環(huán)境質(zhì)量等級(jí)隸屬度函數(shù)，并按照關(guān)系模糊矩陣的建立方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算關(guān)系模糊矩陣[8-9]。

對(duì)不同重金屬進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 采樣點(diǎn)的重金屬權(quán)重

從表3中可以看到，Cd所占的權(quán)重最高，個(gè)別點(diǎn)As，Cu和Pb所占權(quán)重較高，說(shuō)明這幾種重金屬元素是主要的污染因子。

權(quán)重矩陣（16×7）和隸屬度矩陣（7×3）相乘得到模糊評(píng)價(jià)矩陣（16×3），見(jiàn)表4。

表4 模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)矩陣

從表4中可以看到，2，3，6，7，11，12，14，15和16號(hào)點(diǎn)均屬于三級(jí)土壤，而8和13號(hào)點(diǎn)為二級(jí)土壤，其余為一級(jí)土壤，說(shuō)明該地區(qū)污染較為嚴(yán)重。從污染點(diǎn)分布來(lái)看大多數(shù)污染點(diǎn)均在礦山附近或者下游，說(shuō)明礦山開(kāi)發(fā)是重金屬污染的主要來(lái)源。

2.3 污染因子和污染負(fù)荷指數(shù)對(duì)污染土壤環(huán)境評(píng)價(jià)

污染因子和污染負(fù)荷指數(shù)是基于所研究區(qū)域背景值的一種污染評(píng)價(jià)方法。該方法簡(jiǎn)單，可比性較強(qiáng)，考慮背景值可以更準(zhǔn)確的反應(yīng)土壤污染情況。分析結(jié)果，見(jiàn)表5。

表5 污染因子和污染負(fù)荷指數(shù)

從表5中可以看出，Cd和Cu的Cf較大，個(gè)別點(diǎn)As，Pb和Zn均有較大的Cf值，說(shuō)明這幾種重金屬元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了該地區(qū)的背景值，外來(lái)源是污染的主要原因。從污染負(fù)荷指數(shù)上看，7，8，14，15和16號(hào)點(diǎn)PLI均大于3，處于極重度污染情況；1，2，3，10，11，12和13號(hào)點(diǎn)處于重度污染（2＜PLI＜3）；其余點(diǎn)處于中度污染狀況（1＜PLI＜2），所研究點(diǎn)均受到不同程度的污染。

3 結(jié)論

研究區(qū)域重金屬元素As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb和Zn的含量較高。從土壤重金屬總量分布來(lái)看，礦山附近土壤污染較為嚴(yán)重，研究區(qū)域受到礦山開(kāi)發(fā)影響較大，Cd和Cu污染較為嚴(yán)重。模糊數(shù)學(xué)法的評(píng)價(jià)也進(jìn)一步說(shuō)明了上述結(jié)果。

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The Soil Heavey Metal Pollution Evaluation Near the Mine in Jishui River Basin in Jiangxi Province

ZHANG Er-xi1,2,YANG Hao1,2,ZHAO Lei1
(1.Faculty of Management Sciences，Chengdu University of Technology,Chengdu Sichuan,610059;2.Sichuan Mathematics Geology Key Laboratory,Chengdu Sichuan,610059)

This paper studies the farmland near the mine in Dexing district near Jishui River of Jiangxi province with As,Cd,Cr,Cu,Ni,Pb and zinc metal in the soil as the research object,based on the fuzzy mathematics method and pollution load index method(PLI)to evaluate heavy metal pollution.The results showed that the study area is affected by mining is bigger,with varying degrees of soil pollution,soil contaminated degree is relatively serious,especially polluted by Cd and Cu.

heavy metal pollution,fuzzy mathematics,pollution load index,evaluation

S151.9+3

A

1674-0874(2016)01-0075-05

2015-11-27

張二喜（1990-），男，甘肅禮縣人，碩士，研究方向：土壤重金屬污染。

〔責(zé)任編輯 王東〕