張金婷，謝貴德，孫 華

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃系，南京 210095）

基于改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)法的地質(zhì)異常區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)
——以江蘇灌南縣為例

張金婷，謝貴德，孫 華*

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃系，南京 210095）

以江蘇灌南縣農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地為研究區(qū)，運(yùn)用層次分析法和熵權(quán)法的組合賦權(quán)法以改進(jìn)傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法，并應(yīng)用于地質(zhì)異常區(qū)的土壤重金屬污染的綜合評(píng)價(jià)。方法改進(jìn)后的結(jié)果顯示，在所采集的30個(gè)樣點(diǎn)中沒有出現(xiàn)嚴(yán)重污染情況，均處于Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)之間，其中有9個(gè)樣本點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果偏向Ⅱ級(jí)，其余采樣點(diǎn)均偏向Ⅰ級(jí)且各個(gè)樣點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果值波動(dòng)明顯。通過對(duì)這9個(gè)樣點(diǎn)位置分布觀察分析得出，這些樣點(diǎn)呈現(xiàn)出在公路兩側(cè)附近分布的格局，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)這9個(gè)樣點(diǎn)重金屬Cd含量高于其他樣點(diǎn)，研究區(qū)屬于同一地質(zhì)異常區(qū)，分析原因可能是以交通為主的人類活動(dòng)使外源重金屬進(jìn)入土壤，在屬于同一地質(zhì)異常區(qū)的基礎(chǔ)上加大了重金屬含量，使污染評(píng)價(jià)結(jié)果相較于其樣點(diǎn)偏高。

地質(zhì)異常區(qū)；重金屬；組合賦權(quán)法；模糊綜合評(píng)價(jià)法

土壤作為農(nóng)作物生長的重要環(huán)境介質(zhì)，不僅為土壤上的農(nóng)作物提供養(yǎng)分，同時(shí)土壤中重金屬也會(huì)被農(nóng)作物吸收和累積[1]。土壤中重金屬含量除受工礦企業(yè)排放[2-5]、交通與農(nóng)業(yè)活動(dòng)[6-9]等人類活動(dòng)影響外，土壤母質(zhì)地質(zhì)異常也是影響耕層土壤重金屬含量的重要因素[10]。在我國地質(zhì)異常區(qū)，土壤母質(zhì)是影響地質(zhì)異常的主要原因，土壤母質(zhì)異常造成了耕層土壤重金屬污染，地質(zhì)異常區(qū)的重金屬污染程度如何，需要對(duì)該地區(qū)的土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，對(duì)這類地區(qū)耕層土壤重金屬進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)是保障當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的前提和基礎(chǔ)。根據(jù)江蘇省地球化學(xué)調(diào)查的結(jié)果顯示[11]，在江蘇省北部，部分區(qū)域農(nóng)田耕層土壤重金屬含量較高可能是由于當(dāng)?shù)赝寥滥纲|(zhì)地質(zhì)異常所引起。余云飛[10]通過對(duì)耕層（0～20 cm）土壤和深層（120～200 cm）土壤中重金屬含量進(jìn)行差異比較分析，發(fā)現(xiàn)在蘇北部分地區(qū)深層土壤中As、Pb、Cr和Cu含量均高于耕層土壤，分析得出耕層土壤重金屬含量較高可能受母質(zhì)地質(zhì)異常影響。江蘇的土壤母質(zhì)異常，存在地理空間變異性，廖啟林等[12]依據(jù)土壤中元素含量等差異和分布規(guī)律，對(duì)江蘇土壤地球化學(xué)分區(qū)進(jìn)行了研究，將連云港-灌南一帶沖積-海積沉積劃分為一個(gè)地球化學(xué)亞區(qū)，可知該地區(qū)帶屬于同一地質(zhì)異常區(qū)，本文選取的研究區(qū)屬于這一地帶，并且不考慮本文研究區(qū)與研究區(qū)周圍的地理空間異質(zhì)性。

目前，評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量方法大多是利用各種數(shù)學(xué)方法，即根據(jù)量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算土壤環(huán)境質(zhì)量綜合得分，包括指數(shù)法[13-15]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[16-17]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[18-20]。指數(shù)法包括單因子指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法，單因子指數(shù)法計(jì)算簡單，但由于土壤環(huán)境本身所存在的復(fù)雜性，這種方法存在很大的局限性，更多的學(xué)者利用綜合污染評(píng)價(jià)法，如內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法來計(jì)算衡量土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)，這種方法在考慮土壤環(huán)境本身存在的綜合性的同時(shí)卻過分注重單因子指數(shù)大的指標(biāo)因子，忽略了各參評(píng)因子之間的相互作用，評(píng)價(jià)結(jié)果也較為保守。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)通過對(duì)樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等過程最終輸出土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)，這種方法適用于非線性系統(tǒng)，但由于不同的人確立的模型之間差異較大，準(zhǔn)確度不高，且需要的訓(xùn)練樣本數(shù)量較多，耗費(fèi)的人力、物力成本較高。模糊綜合評(píng)價(jià)法以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用參數(shù)間的不確定性代替數(shù)學(xué)假設(shè)基礎(chǔ)上的解析關(guān)系，選定評(píng)價(jià)因子后對(duì)判斷的事物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。土壤重金屬污染具有很強(qiáng)的漸變性和模糊性，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法可以解決污染因子關(guān)系模糊和監(jiān)測誤差對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果帶來的影響[17]。影響模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的因素包括指標(biāo)的選取、隸屬函數(shù)的確定、權(quán)重的賦值及綜合評(píng)價(jià)原則的選取。應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于對(duì)各污染因子權(quán)重進(jìn)行準(zhǔn)確賦值，傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)法通常采用超標(biāo)賦權(quán)法得到權(quán)重，這種方法得出的結(jié)果比較片面，容易受到最大污染指標(biāo)的影響，還可能弱化某濃度低但毒性危害大的污染物的影響程度。因此本文提出改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法，在評(píng)價(jià)過程中對(duì)污染因子權(quán)重賦值時(shí)采用組合權(quán)重賦值法，利用層次分析法突出最大污染因子在評(píng)價(jià)中的地位，結(jié)合熵權(quán)法均衡考慮各評(píng)價(jià)因子傳遞給決策者信息量，對(duì)層次分析法得出的權(quán)重值進(jìn)行修正，使最終的評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理。

1 研究區(qū)概況和樣品采集分析

1.1 研究區(qū)概況

本文選取江蘇灌南縣作為研究區(qū)，將灌南縣耕層土壤中重金屬含量和全省的平均值與背景值進(jìn)行分析比較，見表1。從表1中可以看出，研究區(qū)耕層土壤中重金屬Cr、Pb、Cd和As的含量均高出全省的平均值和背景值。灌南縣土地利用類型為農(nóng)地，且周邊無工礦企業(yè)分布，其地處暖濕帶向亞熱帶過渡的濕潤地區(qū)，屬暖溫濕性季風(fēng)氣候。灌南縣土地為海水沖積平原，土壤中集海、陸多種微量元素于一體，主產(chǎn)優(yōu)質(zhì)粳米、小麥、玉米、大豆等作物。

表1 耕層土壤中重金屬含量比較（mg·kg-1）Table 1 Comparison of the content of heavy metal in the soil（mg·kg-1）

1.2 土壤樣品采集與加工檢測

在收集灌南縣工業(yè)企業(yè)分布特點(diǎn)和土地利用現(xiàn)狀等資料基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場勘查、資料分析后按照《農(nóng)田土壤質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（NY/T 395—2000）確定監(jiān)測單元，對(duì)灌南縣農(nóng)地按照網(wǎng)格法共布設(shè)30個(gè)樣點(diǎn)，分別編號(hào)1～30，采樣點(diǎn)的布設(shè)以能代表監(jiān)測區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量為原則，按照梅花形多點(diǎn)采集0～20 cm的耕層土壤混合，在采集過程中使用GPS儀器設(shè)備準(zhǔn)確定位采樣點(diǎn)的坐標(biāo)信息，在灌南縣農(nóng)地的采樣點(diǎn)屬于同一地質(zhì)異常區(qū)，并且不考慮采樣點(diǎn)與周圍其他地區(qū)之間的地理空間異質(zhì)性。采樣點(diǎn)分布如圖1。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)位分布圖Figure 1 Distribution of sampling points

對(duì)采集回來的土樣進(jìn)行混勻后縮分，并過100目篩備用。采用硝酸-氫氟酸-硫酸全消解的方法，利用原子吸收光譜儀測定重金屬鎘（Cd）、鉻（Cr）、鉛（Pb）的含量；采用硝酸-鹽酸混合試劑（王水）在沸水浴中加熱消解土壤試樣，利用原子熒光光譜儀測定重金屬汞（Hg）和砷（As）的含量。為了保證現(xiàn)場調(diào)查與評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，所有的采樣工作及實(shí)驗(yàn)室分析工作，包括樣品采集容器的材質(zhì)、采樣工具的清洗、儀器設(shè)備的校準(zhǔn)與使用、現(xiàn)場采樣記錄、樣品的保存和運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)室分析質(zhì)量控制（包括方法空白、儀器空白、質(zhì)控樣品、加標(biāo)平行樣和平行樣）等均嚴(yán)格按照《環(huán)境監(jiān)測分析方法》和《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的質(zhì)量控制要求進(jìn)行。

表2 土壤重金屬分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standard of heavy metals in the soil

2 評(píng)價(jià)方法

模糊綜合評(píng)價(jià)法以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用參數(shù)間的不確定性代替數(shù)學(xué)假設(shè)基礎(chǔ)上的解析關(guān)系，選定評(píng)價(jià)因子后對(duì)判斷的事物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本文提出改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法，即運(yùn)用層次分析法得出權(quán)重后再利用熵權(quán)法對(duì)其修正得到組合權(quán)重，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)法中的超標(biāo)賦值法。

2.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

土壤重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)的前提和基礎(chǔ)，在確定土壤重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮灌南縣母質(zhì)地質(zhì)異常的特性和作為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的功能用途。本文選用研究區(qū)所處省份土壤重金屬背景值、《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 332—2006）和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從重金屬的角度將土壤環(huán)境質(zhì)量分為3類，即評(píng)價(jià)等級(jí)集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ}，各污染因子對(duì)應(yīng)各級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2。

2.2 傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法

（1）建立評(píng)價(jià)因子集合：

選擇《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》提出需嚴(yán)防嚴(yán)控的五類重金屬鎘、汞、砷（類金屬）、鉛、鉻作為評(píng)價(jià)因子，即n=5。

（2）確定評(píng)價(jià)等級(jí)集合[18]：

將土壤重金屬污染評(píng)價(jià)等級(jí)分為3個(gè)級(jí)別，即m=3。

（3）構(gòu)建評(píng)價(jià)因子集合與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合的模糊矩陣Rn×m。采用降半梯型分布函數(shù)計(jì)算隸屬度建立模糊關(guān)系矩陣，隸屬度值越大說明重金屬對(duì)這一等級(jí)隸屬度越高[21]。傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法中的權(quán)重確定方法為超標(biāo)賦值法，通過計(jì)算各個(gè)污染評(píng)價(jià)因子的實(shí)測值與其相對(duì)應(yīng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的比值來確定權(quán)重。由權(quán)重系數(shù)矩陣w1×n和隸屬度值矩陣Rn×m經(jīng)過相乘相加模型運(yùn)算，得到模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B[19-20]。

（4）在進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)時(shí)多采用最大隸屬度原則，這種方法在某些情況下存在一些缺點(diǎn)，易造成信息丟失。本文基于此點(diǎn)考慮，選用加權(quán)平均綜合評(píng)價(jià)的方法，該方法對(duì)通過模糊算子運(yùn)算得出的綜合評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，進(jìn)而確定土壤重金屬污染的級(jí)別，并且將重金屬污染級(jí)別進(jìn)行量化處理。表示為：

式中：bj表示評(píng)價(jià)因子對(duì)第j級(jí)的隸屬度；k為待定系數(shù)，本文中k值取2，目的是較大地控制bj所起的作用；B′即為各采樣點(diǎn)重金屬污染等級(jí)。

傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果如表3。由表3可知，在所普查的30個(gè)樣點(diǎn)中沒有出現(xiàn)嚴(yán)重污染情況，均處于Ⅰ級(jí)（全省背景值）與Ⅱ級(jí)[《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 332—2006）]之間，未出現(xiàn)土壤重金屬嚴(yán)重污染現(xiàn)象。

表3 傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Traditional modified fuzzy comprehensive evaluation results

2.3 改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)法

傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)法中權(quán)重向量的確定方法具有片面性，忽略了各參評(píng)因子之間的相互內(nèi)在聯(lián)系[22]。本文在傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)方法基礎(chǔ)上對(duì)方法進(jìn)行改進(jìn)，提出組合權(quán)重賦值法，將熵權(quán)法和層次分析法組合應(yīng)用，在考慮最大污染因子對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量影響的同時(shí)綜合考慮各參評(píng)因子之間的內(nèi)在聯(lián)系和因子之間的相互影響，使得出的權(quán)重值可以客觀準(zhǔn)確地反映各重金屬對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響。

（1）層次分析法

層次分析法通過構(gòu)建判斷矩陣對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定性和定量分析，通過專家的多輪打分構(gòu)建判斷矩陣，可以很好地反映各指標(biāo)的相對(duì)重要程度，具有很好的實(shí)用性[23]。在土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中通過專家打分構(gòu)建判斷矩陣具有不確定性，通常采用各評(píng)價(jià)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率進(jìn)行構(gòu)建，使各指標(biāo)間具有可比性[22]。層次分析法的步驟如下：

①確定評(píng)價(jià)因子：

對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用單因子污染指數(shù)法進(jìn)行處理，使各指標(biāo)之間具有可比性，具體如下式：

式中：dij表示第j個(gè)樣點(diǎn)中第i項(xiàng)重金屬評(píng)價(jià)因子的標(biāo)度值；cij表示第i項(xiàng)重金屬評(píng)價(jià)因子的實(shí)測值，參考相關(guān)文獻(xiàn)；si表示第i項(xiàng)重金屬各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的算術(shù)平均值[22]，本文重金屬各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)度值如表4所示。

②構(gòu)造判斷矩陣Dj，即為第j（1≤j≤30）個(gè)樣點(diǎn)中各重金屬因子之間的相對(duì)重要程度，兩兩判斷矩陣如表5。

③計(jì)算判斷矩陣的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)度值Table 4 The scale values of evaluation index

表5 兩兩判斷矩陣Table 5 Mutual comparison judgment matrix

④計(jì)算隨機(jī)一致性比率進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

式中：CI表示一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；RI表示平均一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；n表示階數(shù)；λmax表示最大特征值。CR≤0.1表示一致性效果較好，否則表示一致性效果不好，需要修正判斷矩陣直到≤0.1。

本文對(duì)于階數(shù)在1～11之間的RI取值如表6。在對(duì)矩陣進(jìn)行運(yùn)算借助Matlab R2010a軟件對(duì)上述步驟進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算各樣點(diǎn)不同重金屬因子的權(quán)重，并通過一致性檢驗(yàn)。最終由層次分析法獲得權(quán)重矩陣如表7。

從層次分析獲得的權(quán)重矩陣可以看出，在灌南縣所布設(shè)的30個(gè)樣點(diǎn)中主要污染物為重金屬As和重金屬Cd，這與江蘇國土生態(tài)化學(xué)調(diào)查結(jié)果一致，灌南縣土壤母質(zhì)地質(zhì)異常，母質(zhì)土壤As含量高于其他地區(qū)，耕層土壤重金屬As含量較高可能受母質(zhì)地質(zhì)異常影響。層次分析法能夠?qū)Ω髦亟饘僭u(píng)價(jià)因子進(jìn)行科學(xué)合理地定量處理，重點(diǎn)突出最大污染因子對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響。

（2）熵權(quán)法

熵權(quán)法通過綜合考慮各重金屬評(píng)價(jià)因子傳遞給決策者信息量的大小來確定權(quán)重，可以有效地削弱異常值對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響，但是熵權(quán)法的均值特性忽略了最大污染因子對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響，使得評(píng)價(jià)結(jié)果較為保守[24]。熵權(quán)法的計(jì)算步驟如下：

①構(gòu)建原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣：

表6 平均隨機(jī)的一致性指標(biāo)Table 6 Average random consistency index

式中：xij表示第i個(gè)樣點(diǎn)的第j項(xiàng)重金屬因子的實(shí)測數(shù)據(jù)。

表7 層次分析法權(quán)重值Table 7 Weighting coefficient by the analytic hierarchy process

②對(duì)原始矩陣X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并進(jìn)行歸一化運(yùn)算：

考慮到熵值計(jì)算中pij=0時(shí)ln（pij）沒有意義，需要對(duì)pij進(jìn)行修正：

③計(jì)算各指標(biāo)的熵值和權(quán)重：

式中：ej表示第j個(gè)重金屬因子的熵；m表示樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；wj表示第j個(gè)重金屬因子的權(quán)重。

按照上述步驟應(yīng)用熵權(quán)法得到權(quán)重系數(shù)w=（0.266 8，0.126 6，0.194 9，0.321 5，0.090 1）。

（3）組合權(quán)重賦值法

組合權(quán)重賦值得到的結(jié)果比較全面，更加符合真實(shí)情況，它可以綜合考慮并權(quán)衡各種權(quán)重賦值法的利弊，將多種權(quán)重法得到的結(jié)果進(jìn)行重新組合。組合權(quán)重賦值法的組合方式有乘積歸一法和加權(quán)均值法，兩種方法適用的情況有所不同，乘積歸一法適用于權(quán)重值相差不大、指標(biāo)數(shù)量較多的情況[22]。

在對(duì)層次分析法和熵權(quán)法優(yōu)缺點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，本文中將二者進(jìn)行組合：

式中：a+b=1；w1為層次分析法得出的權(quán)重；w2為熵權(quán)法得出的權(quán)重。

層次分析法強(qiáng)調(diào)最大污染因子在評(píng)價(jià)中的地位，熵權(quán)法均衡考慮各評(píng)價(jià)因子的作用，兩種方法相互補(bǔ)充修正，且沒有偏好性，因此可以采用算術(shù)平均法組合權(quán)重[22]，即a和b的取值為0.5。組合權(quán)重得到權(quán)重值如表8。

對(duì)比層次分析法權(quán)重平均值、熵權(quán)法權(quán)重值和組合權(quán)重法平均值，如表9。從表9可以看出，三種方法得出的結(jié)果均顯示研究區(qū)范圍內(nèi)重金屬As均為主要的污染因子，層次分析法中重金屬As的權(quán)重系數(shù)為0.419 8，熵權(quán)法得出重金屬As的權(quán)重系數(shù)為0.321 5，組合權(quán)重法得出的權(quán)重系數(shù)為0.370 7。對(duì)比三組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，組合賦值權(quán)重法在考慮最大污染因子對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量影響的同時(shí)，也均衡考慮了各評(píng)價(jià)因子，結(jié)果更加全面準(zhǔn)確。

應(yīng)用改進(jìn)后的模糊綜合評(píng)價(jià)法得到的結(jié)果如表10和圖2。從重金屬的角度，灌南縣土壤環(huán)境質(zhì)量較好，在所普查的30個(gè)樣點(diǎn)中沒有出現(xiàn)嚴(yán)重污染情況，均處于Ⅰ級(jí)（全省背景值）與Ⅱ級(jí)[《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 332—2006）]之間，說明灌南縣雖然是土壤母質(zhì)地質(zhì)異常地區(qū)，但是該地區(qū)未出現(xiàn)土壤重金屬嚴(yán)重污染現(xiàn)象；其中9、10、12、15、16、18、19、21、29這9個(gè)樣本點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果偏向二級(jí)，其余采樣點(diǎn)均偏向一級(jí)。從量化結(jié)果和圖2還可以看出，各個(gè)采樣點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果量化數(shù)值差異較大、波動(dòng)現(xiàn)象較為明顯，最小的為24號(hào)點(diǎn)，數(shù)值為1.133 2，最大的為10號(hào)點(diǎn)，數(shù)值為1.764 1。在灌南縣內(nèi)，各個(gè)樣點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果值波動(dòng)明顯，分析可能的原因是有外源的重金屬進(jìn)入土壤，使區(qū)域范圍的樣點(diǎn)間評(píng)價(jià)結(jié)果差異較大。通過對(duì)這9個(gè)樣點(diǎn)位置分布觀察分析得出，這些樣點(diǎn)呈現(xiàn)出在公路兩側(cè)附近分布的格局，而且Cd含量高于其他樣點(diǎn)，分析可能的原因是以交通為主的人類活動(dòng)使外源重金屬進(jìn)入土壤，在同屬地質(zhì)異常區(qū)的基礎(chǔ)上，加大了這9個(gè)點(diǎn)的重金屬含量，使其評(píng)價(jià)結(jié)果偏向二級(jí)。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示灌南縣土壤環(huán)境質(zhì)量（從重金屬角度）較好，但綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的明顯波動(dòng)現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注，應(yīng)進(jìn)一步探究引起這一現(xiàn)象的原因，加強(qiáng)土壤環(huán)境質(zhì)量保護(hù)。

表8 組合權(quán)重賦值法得到權(quán)重系數(shù)Table 8 The weight coefficients by combination weighting method

表9 三種方法權(quán)重系數(shù)對(duì)比表Table 9 Weight coefficient comparison table by three methods

表10 改進(jìn)模糊綜合法評(píng)價(jià)結(jié)果Table 10 The modified fuzzy comprehensive evaluation results

3 討論

本文對(duì)傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法的權(quán)重確定方面進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用到實(shí)例研究中，本文是在地質(zhì)異常區(qū)基礎(chǔ)上開展的研究，方法適用于地質(zhì)異常區(qū)的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)，以后也可考慮選擇非地質(zhì)異常區(qū)補(bǔ)充開展相關(guān)工作，不過本方法的改進(jìn)也主要是為了在解決地質(zhì)異常區(qū)的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)的特殊問題方面進(jìn)行一些嘗試和探索，對(duì)于非地質(zhì)異常區(qū)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)工作的必要性尚有待商榷。另外，本文的研究已在前期工作中開展了大量的數(shù)據(jù)資料調(diào)研和實(shí)地采樣調(diào)查研究，包括參與所在研究區(qū)域相關(guān)土壤重金屬污染普查項(xiàng)目工作，研究方法的改進(jìn)符合大數(shù)據(jù)支撐的基本要求。

圖2 各采樣點(diǎn)B′值的折線圖Figure 2 The line graph for the value of each point

4 結(jié)論

本文對(duì)傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法的權(quán)重確定方法進(jìn)行改進(jìn)，在突出最大污染因子對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響的同時(shí)保留其他評(píng)價(jià)提供的信息，得出的權(quán)重值更客觀科學(xué)。

（1）通過組合賦權(quán)法得出權(quán)重值結(jié)果可知，研究區(qū)中對(duì)土壤重金屬污染貢獻(xiàn)度較大的有As和Cd。

（2）傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)等級(jí)偏高，改進(jìn)后的模糊綜合評(píng)價(jià)方法的結(jié)果準(zhǔn)確性有所提高。

[1]常學(xué)秀,施曉東.土壤重金屬污染與食品安全[J].云南環(huán)境科學(xué), 2001,20（增刊1）：21-24,77.

CHANG Xue-xiu,SHI Xiao-dong.Heavy metal pollution and food security[J].Yunnan Environmental Science,2001,20（Suppl 1）：21-24, 77.

[2]孫賢斌,李玉成.淮南大通煤礦廢棄地土壤重金屬空間分布及變異特征[J].地理科學(xué),2013,33（10）：1238-1244.

SUN Xian-bin,LI Yu-cheng.The spatial distribution of soil heavy metals and variation characteristics of Datong abandoned coal mine area in Huainan City[J].Scientia Geographica Sinica,2013,33（10）：1238-1244.

[3]鄭海龍,陳杰,鄧文靖,等.南京城市邊緣帶化工園區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005,25（9）：1182-1188.

ZHENG Hai-long,CHEN Jie,DENG Wen-jing,et al.Assessment of soil heavy metals pollution in the chemical industrial areas of Nanjing peri-urban zone[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2005,25（9）：1182-1188.

[4]石占飛,王力.神木礦區(qū)土壤重金屬含量特征及潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2013,32（6）：1150-1158.

SHI Zhan-fei,WANG Li.Contents of soil heavy metals and evaluation on the potential pollution risk in Shenmu mining area[J].Journal of A-gro-Environment Science,2013,32（6）：1150-1158.

[5]Lee C S,Li X D,Shi W Z,et al.Metal contamination in urban,suburban, and country park soils of Hong Kong：A study based on GIS and multivariate statistics[J].Science of the Total Environment,2006,356（1）：45-61.

[6]Fakoyade S O,Olu-Owolabi B I.Heavy metal contamination of roadside topsoil in Osagbo,Nigeria：Its relationship to traffic density and proximity to highways[J].Environmental Geology,2003,44（2）：150-157.

[7]李波,林玉鎖,張孝飛,等.寧連高速公路兩側(cè)土壤和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬污染的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005,24（2）：266-269.

LI Bo,LIN Yu-suo,ZHANG Xiao-fei,et al.Pollution of heavy metals in soil and agricultural products on sides of Ning-Lian superhighway[J]. Journal of Agro-Environment Science,2005,24（2）：266-269.

[8]林健,杜恣閑,陳建安,等.公路交通污染土壤和稻谷中鎘鉛分布特征[J].環(huán)境與健康雜志,2002,19（2）：119-121.

LIN Jian,DU Zi-xian,CHEN Jian-an,et al.Distribution of cadmium and lead in soil and rice along road polluted by traffic exhaust[J].Journal of Environment and Health,2002,19（2）：119-121.

[9]郭廣慧,雷梅,陳同斌,等.交通活動(dòng)對(duì)公路兩側(cè)土壤和灰塵中重金屬含量的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2008,28（10）：1937-1945.

GUO Guang-hui,LEI Mei,CHEN Tong-bin,et al.Effect of road traffic on heavy metals in road dusts and roadside soils[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2008,28（10）：1937-1945.

[10]余云飛.蘇北地質(zhì)異常區(qū)土壤和作物重金屬富集特征及產(chǎn)地環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

YU Yun-fei.Accumulation characteristics of heavy metals in soil and crops and environmental evaluation of edible crop production for food security in geological anomaly area in northern part of Jiangsu Province [D].Nanjing：Nanjing Agricultural University,2011.

[11]廖啟林,范迪富,金洋,等.江蘇農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)[J].江蘇地質(zhì),2006,30（1）：32-40.

LIAO Qi-lin,FAN Di-fu,JIN Yang,et al.On investigation and appraisal of ecological environment of farmland soil in Jiangsu[J].Jiangsu Geology,2006,30（1）：32-40.

[12]廖啟林,劉聰,金洋,等.江蘇土壤地球化學(xué)分區(qū)[J].地質(zhì)學(xué)刊, 2011,35（3）：225-235.

LIAO Qi-lin,LIU Cong,JIN Yang,et al.On geochemical regionalization of soils in Jiangsu[J].Journal of Geology,2011,35（3）：225-235.

[13]Chen T B,Liu X,Zhu M,et al.Identification of trace element sources and associated risk assessment in vegetable soils of the urban-ruraltransitional area of Hangzhou,China[J].Environmental Pollution,2008, 151（1）：67-78.

[14]Brus D J,Gruijter J D,Romkens P F A M.Probabilistic quality standards for heavy metals in soil derived from quality standards in crops [J].Geodema,2005,128（3/4）：301-311.

[15]夏敏,趙炳梓,張佳寶.基于GIS的黃淮海平原典型潮土區(qū)土壤重金屬積累研究[J].土壤學(xué)報(bào),2013,50（4）：684-692.

XIA Min,ZHAO Bing-zi,ZHANG Jia-bao.GIS-based research on soil heavy metal accumulation in a fluvo-aquic soil area typical of the Huang-Huai-Hai plain[J].Acta Pedologica Sinica,2013,50（4）：684-692.

[16]胡大偉,卞新民,王書玉,等.基于BP模型的南通市農(nóng)田土壤重金屬空間分布研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2007,7（1）：91-95.

HU Da-wei,BIAN Xin-min,WANG Shu-yu,et al.Study on spatial distribution of farmland soil heavy metals in Nantong City based on BPANN modeling[J].Journal of Safety and Environment,2007,7（1）：91-95.

[17]李向,管濤,徐清.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法：以包頭土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)為例[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,28（2）：250-256.

LI Xiang,GUAN Tao,XU Qing.The evaluation of soil heavy metal pollution based on the BP Neural Network：Taking soil environmental quality assessment in Baotou as an example[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2012,28（2）：250-256.

[18]李磊,平仙隱,王云龍,等.春、夏季長江口海域表層沉積物中重金屬污染的模糊綜合評(píng)價(jià)及來源分析[J].海洋環(huán)境科學(xué),2014,33（1）：46-52.

LI Lei,PING Xian-yin,WANG Yun-long,et al.Fuzzy comprehensive evaluation and analysis of source of heavy metals pollution in surface sediments from Changjiang estuary in spring and summer[J].Marine Environmental Science,2014,33（1）：46-52.

[19]付善明,肖方,宿文姬,等.基于模糊數(shù)學(xué)的廣東大寶山礦橫石河下游土壤重金屬元素污染評(píng)價(jià)[J].地質(zhì)通報(bào),2014,33（8）：1140-1146.

FU Shan-ming,XIAO Fang,SU Wen-ji,et al.The evaluation of heavy metals pollution in soils of the lower reaches of the Hengshi River within the Dabaoshan mining area based on fuzzy mathematics[J].Geological Bulletin of China,2014,33（8）：1140-1146.

[20]王艷艷,張瑞斌,趙言文,等.模糊綜合評(píng)價(jià)法在湖泊水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,37（1）：326-328.

WANG Yan-yan,ZHANG Rui-bin,ZHAO Yan-wen,et al.Applications of fuzzy comprehensive evaluation method in evaluation of lake water quality[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2010,37（1）：326-328.

[21]孫清展,臧淑英.水體重金屬污染評(píng)價(jià)方法對(duì)比研究：以扎龍濕地湖水為例[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012,31（11）：2242-2248.

SUN Qing-zhan,ZANG Shu-ying.Pollution evaluation and forecast of heavy metal in lake of Zhalong wetland,China[J].Journal of Agro-Environment Science,2012,31（11）：2242-2248.

[22]楊靜.改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué),2014.

YANG Jing.Application of the improved fuzzy comprehensive evaluation method in water quality evaluation[D].Chongqing：Chongqing U-niversity,2014.

[23]鄧雪,李家銘,曾浩健,等.層次分析法權(quán)重計(jì)算方法分析及其應(yīng)用研究[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí),2012,42（7）：93-100.

DENG Xue,LI Jia-ming,ZENG Hao-jian,et al.Research on computation methods of AHP wight vector and its applications[J].Mathematics in Practice and Theory,2012,42（7）：93-100.

[24]林濟(jì)鏗,李童飛,趙子明,等.基于熵權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型的電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)方案評(píng)估[J].電網(wǎng)技術(shù),2012,36（2）：115-120.

LIN Ji-keng,LI Tong-fei,ZHAO Zi-ming,et al.Assessment on power system black-start schemes based on entropy-weighted fuzzy comprehensive evaluation mode[J].Power System Technology,2012,36（2）：115-120.

Evaluation of soil heavy metal pollution of geological anomaly area based on improved fuzzy comprehensive evaluation method——A case study of Guannan in Jiangsu Province,China

ZHANG Jin-ting,XIE Gui-de,SUN Hua
（Resource Environment&Urban-rural Planning Management,Nanjing Agriculture University,Nanjing 210095,China）

In this paper,the agricultural production area of Guannan County in Jiangsu Province was taken as the research area.Analytic hierarchy process and entropy law method were used to improve the traditional fuzzy comprehensive evaluation method.The improved method was applied to the comprehensive evaluation of heavy metals in soil of this region.Results showed that there was no serious pollution in the collected 30 samples and the pollution level of these samples was between ClassⅠand ClassⅡ.There had nine sample points at the levelⅡand the other sampling points were closed to levelⅠ.Results of comprehensive evaluation values of each sample fluctuated significantly. Observing and analyzing the position distribution of these nine samples indicated that these samples were distributed in the vicinity of both sides of the highway.Comparative analysis found that the Cd content of these nine samples was higher than other samples with a possible contribution from traffic based human activities which made the exogenous heavy metals into the soil.Anthropogenic sources such as traffic further increased concentrations of heavy metals in this geological anomaly area as indicated by pollution assessment in this study.

geological anomaly area;heavy metals;combined weights;fuzzy comprehensive evaluation method

X820.3

A

1672-2043（2016）11-2107-09

10.11654/jaes.2016-0505*

2016-04-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41371484）；江蘇省“青藍(lán)工程”項(xiàng)目

張金婷（1990—），女，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，從事環(huán)境管理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究。E-mail：2013109013@njau.edu.cn

*通信作者：孫華E-mail：sh@njau.edu.cn

張金婷，謝貴德，孫華.基于改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)法的地質(zhì)異常區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)——以江蘇灌南縣為例[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2016,35（11）：2107-2115.

ZHANG Jin-ting,XIE Gui-de,SUN Hua.Evaluation of soil heavy metal pollution of geological anomaly area based on improved fuzzy comprehensive evaluation method--A case study of Guannan in Jiangsu Province,China[J].Journal of Agro-Environment Science,2016,35（11）:2107-2115.