物元分析法在土壤重金屬污染評價中的應用

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.廣西壯族自治區環境監測中心站，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.廣西壯族自治區環境監測中心站，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。結果表明，該區域土壤受重金屬污染嚴重，尤其受Pb、Cd的影響更為嚴重，此評價結果符合當地的實際情況，同時與潛在生態危害指數評價結果一致，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構變化，影響植物的生長，或通過微生物作用轉化為金屬有機化合物而揮發到大氣中，直接或間接的對人體健康產生危害。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法、內梅羅指數法、潛在生態危害指數法等[3]。弓曉峰等[4]對地積累指數法進行了優化，用以評價沉積物中重金屬的污染。肖海豐等[5]用潛在生態危害指數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的質量評定模型，用定量的數值表示評定結果，從而較完整地反映事物質量的綜合水平。

1 物元分析的理論概述

物元分析是一門側重于應用的學科，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年代所創立的新學科。物元分析是研究解決不相容問題的規律和方法的新興學科，是思維科學、系統科學、數學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合，其中心是研究“出點子、想辦法”的規律、理論和方法,被廣泛應用在生態安全與生態健康評價、環境質量的綜合評價以及產品質量分級等方面，但較少應用于土地健康評價[10-11]。

物元是將事物的質和量有機的聯系在一起，事物N、特征T和量值X可以構成物元R的3要素，可用數學表達式為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典域和節域矩陣，然后根據關聯函數計算關聯度和綜合關聯度，再將最大關聯度原則作為土壤重金屬污染的評判標準，最終確定評判結果所屬等級[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 確定待判物元的經典域和節域

根據國家標準或擬定新的準則，建立土壤重金屬污染水平的經典域矩陣Rj表示為

(2)

式中：Rj表示經典域物元，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域矩陣Rp表示為

(3)

式中：Rp表示節域物元，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 確定關聯函數，計算關聯度Kj(Xi)

在物元分析中，關聯函數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]。其關聯函數為

(4)

1.4 計算綜合關聯度并確定評價標準

綜合關聯度是指關聯函數和權重系數的加權平均，可用如下公式表示：

(5)

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

2 物元分析法在土壤重金屬污染評價中的應用研究

2.1 研究區域概況及樣品測定

土壤樣品采集區域位于廣西環江毛南族自治縣，隸屬廣西壯族自治區河池市，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%。該地區因鉛鋅金屬礦區尾砂壩坍塌使大面積的農田受到污染，通過采集該地區的土壤，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，用統一的國家土壤背景值為標準不能準確地反映當地的實際情況，因此還是主要參考《廣西壯族自治區土壤環境背景值圖集》[16]，根據國內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，重金屬的測定結果見表2。

表2 研究區域中土壤重金屬的含量 mg/kg

2.2 建立待判物元矩陣

以監測點1為例，建立矩陣為

2.3 建立經典域和節域

根據土壤重金屬污染的評價標準(表1)，建立經典域矩陣為

節域矩陣為

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，其評價結果會有差異，這將會直接影響到評價結果的客觀性、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，依據參考文獻并客觀的體現重金屬對土壤污染的貢獻，引入重金屬的毒性響應系數ti，研究中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的毒性系數[19]分別為5、1、5、30、權重計算公式為

(6)

根據公式(6)，計算出各評價指標的權重系數，計算結果見表3。

表3 土壤各重金屬權重ai計算結果

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

2.5 關于各評價等級的關聯度和綜合關聯度的計算

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

表4 土壤監測點的綜合關聯度

根據綜合關聯度的計算結果發現，7個監測點位中1、3、4、5、6、7點的關聯度整體小于-1，均不符合被評價的級別；監測點2的綜合關聯度均大于-1，根據最大關聯度原則，該點處于III級別，屬于輕度污染。由此說明，該區域土壤受重金屬污染較為嚴重，評價結果與當地實際情況也較吻合。采用潛在生態危害指數法[20]進行重金屬污染評價，詳見表5。

表5 重金屬的生態危害指數及評價結果

根據重金屬生態危害程度的劃分標準：Eir<40或RI<150為生態危害輕微，40≤Eir≤80或150≤RI<300為生態危害中等，80≤Eir≤160或300≤RI<600為生態危害較重，160≤Eir≤320或RI>600為生態危害嚴重。從表5可以看出，該區域中Pb、Cd的生態危害指數比較大。在物元分析法中，各個重金屬元素在各等級的關聯度生態危害嚴重，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危害指數較大，整體生態危害嚴重。綜合以上結果可以看出，物元分析法和潛在生態危害指數法的評價結果基本一致?？梢哉f明評價結果具有有效性。且相對于潛在生態風險評價法、物元分析法通過關聯度計算，更能顯示出每個評價指標對研究對象的影響程度。

3 結論

1)通過物元分析法對廣西環江某受鉛鋅礦影響的土壤重金屬污染狀況進行分析。結果表明，該區域土壤受重金屬污染嚴重，這與當地實際情況相吻合。此外，物元分析法通過引入毒性系數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測值對整體環境質量的影響，還反映出土壤重金屬元素對環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果，還能獲得單個指標的評價結果，并揭示每一個評價指標的水平狀態和變化趨勢，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，仍需對關聯函數或權重系數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

廣西壯族自治區科技廳開發項目(桂科轉14125001-2-1)；廣西自然科學基金“西江流域水環境重金屬污染機制與調控”(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