基于區間數排序法的農田土壤重金屬生態風險分析

王曉飛，鄧超冰，尹 娟，許桂蘋，鄧渠成

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 3.廣西財經學院管理科學與工程學院，廣西 南寧 530003 4.澳洲國立大學 克勞福德公共政策學院，堪培拉 541004

基于區間數排序法的農田土壤重金屬生態風險分析

王曉飛1,2，鄧超冰1,2，尹 娟1,3，許桂蘋1,2，鄧渠成4

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 3.廣西財經學院管理科學與工程學院，廣西 南寧 530003 4.澳洲國立大學 克勞福德公共政策學院，堪培拉 541004

將土壤中重金屬濃度以區間形式表示，運用土壤重金屬生態風險分析模型得出風險區間。為區分風險等級并引入區間數排序法，建立了一種基于不確定性的區間數排序法的土壤重金屬污染風險評價模型。運用該模型對不同研究區域土壤重金屬生態風險和同一研究區域土壤中不同重金屬生態風險進行分析。結果表明，A采樣區的風險最大，其區間排序向量為0.275 5，區間向量排序為A>B>D>E>C，與內梅羅綜合污染指數排序結果一致。區間數排序法考慮到評價過程中的不確定性，避免主觀因素的影響。因此，土壤重金屬生態風險量化結果更加客觀直觀，為風險管理提供較為精確的理論依據。

重金屬；生態風險；區間數排序法；農田

Abstract:The model for ecological risk assessment of heavy metals in soil was established, in which the concentrations of heavy metals was expressed as interval numbers. Considering it is difficult to compare the interval numbers, the ranking-method of interval numbers was introduced. And the model of ecological risk assessment for heavy metals in soil based on ranking-method of intervals numbers was built. This model was applied to the risk assessment of heavy metals in the different study area farmland soil and different heavy metals in the same study area farmland soil in Guangxi, and the results were compared with Nemerow Pollution Index method. The results showed that the risk of A is the greatest, the interval sequencing vector is 0.275 5, the order of the risk for the five sampling sites was A>B>D>E>C, the same as the order of the Nemerow Pollution Index method. Interval number ranking method consider the uncertainty in the process of evaluation, and avoid the influence of subjective factors, thus it is more intuitive and objective for the quantitative result of the ecological risk of heavy metals in soil, which can provide more accurate theoretical basis for the risk management.

Keywords:heavy metals;ecological risk;interval number ranking method;farmland

近年來，我國農田土壤重金屬的污染已受到人們的廣泛關注[1-2]。工業廢水[3]、冶煉廢渣[4]等含有重金屬的污染物通過各種途徑進入土壤環境系統中不斷累積，由于重金屬形態多變，且具有隱蔽性、不可生物降解性和富集性等特點[5]，一旦重金屬過量累積，極易導致農田土壤肥力下降、作物減產和質量降低[6-8]，并通過食物鏈進一步危害人體健康[9-11]。因此，深入分析農田土壤重金屬污染來源[12]、空間分布特征[13]，對其生態風險做出正確分析[14-15]，對于及時有效開展農田土壤重金屬污染治理工作意義重大。

目前，針對土壤重金屬污染生態風險評價的方法很多，通常采用方法包括單因子指數評價法[16]、內梅羅污染指數法[17]、污染負荷指數法[18]、地質累積指數法[19]、潛在生態風險法[20]；而基于特定數學模型的方法包括層次分析法[21]、模糊數學法[22]、灰色關聯分析法[23]、BP神經網絡法[24]、物元分析法[25]、屬性識別模型[26]、支持向量基法[27]等。指數法采用明確的界限對重金屬污染情況進行區分和量化，未考慮到評價過程中的不確定性，而不確定性在風險評價過程中不可忽視[28]，模型法考慮環境質量的模糊性等特征，所得結果相對真實可靠，但也會存在信息丟失等現象。而區間數是能反映污染物濃度范圍的一種數學方法，避免由于使用均值而產生的數據誤差，其已經在水質風險評價中得到應用[29-32]。本文引進區間數排序法并建立基于區間排序法的土壤重金屬生態風險分析模型，且將該模型應用到環江污染農田土壤重金屬生態風險分析中，對各研究區域的總風險和同一研究區域不同重金屬元素進行排序，為風險管理提供更加準確的信息。

1 基于區間數土壤重金屬潛在生態風險分析模型

目前，大部分評價采用重金屬濃度的均值進行評價，并不能很好地反映污染物濃度的變化和范圍，因此研究采用區間數來表示污染物濃度的變化范圍，從而包含更多的污染物濃度信息。初始模型采用經典的Hakanson的生態風險指數法模型。基于區間數的Hakanson潛在生態風險指數模型計算公式[33]：

(1)

(2)

(3)

1.1區間排序法

本研究以區間數的形式表示土壤中重金屬的潛在生態風險，通過可能度方法對區間數進行排序，為風險管理提供較為精確的理論依據。

1.2基本概念及理論

區間排序法的基本概念[34-35]如下：

1.3模糊互補矩陣排序中轉法(MTM)

根據參考文獻，基于可能度的區間數排序方法是建立在模糊互補判斷矩陣排序法方法上。可能度矩陣是模糊互補判斷矩陣。因此，利用中轉法對區間數進行排序。

2 不同研究區域土壤重金屬污染評價中的應用研究

2.1研究區域

土壤樣品采集區域位于廣西環江毛南族自治縣，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，年平均降雨量北部為1 750 mm，年均氣溫南邱陵一帶為19.9 ℃，空氣平均相對濕度79%。該縣境內有豐富的鉛鋅等礦產資源。2001年遭遇特大暴雨，引發鉛鋅金屬礦區尾砂壩坍塌，造成近萬畝農田受到重金屬污染。通過采集該地區的土壤，選取沿著大環江流域A、B、C、D、E 5個采樣區域，對其土壤中重金屬的生態風險進行風險評估。

研究將土壤中重金屬濃度以區間形式表示，運用土壤重金屬生態風險分析模型得出風險區間。為區分風險等級并引入區間數排序法，建立了一種基于不確定性的區間數排序法的土壤重金屬污染風險評價模型。運用此模型對不同研究區域土壤重金屬污染進行了生態風險評價。

2.2樣品分析與質量控制

2014年11月3—7日，根據《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166—2204)，采集廣西大環江流域5個農業活動區農田土壤樣品。采用雙對角線法采集農田土壤混合樣，首先，分別采集各分點樣品(采樣深度0～20 cm)，然后將各分點樣品等重量混勻后用四分法棄取，每份混合樣品重500 g，共計采集土壤樣品38個。將采集的土壤樣品裝布袋運回實驗室，置于通風避光干燥的地方自然風干，剔除其中的碎石塊和甘蔗根莖等雜質，將風干的土樣粗磨后再用瑪瑙研缽細磨，分別過0.850、0.150 mm的尼龍篩，裝袋，供分析用。

土壤樣品中Cu、Zn、Pb、Cd 4種重金屬元素采用7 700 e電感耦合等離子體質譜儀(美國)測定，使用標準物質(GSS-14、GSS-16)進行質量控制，回收率為95%～105%。為保證儀器的穩定性和準確性，在用電感耦合等離子體質譜儀測定消解液中的重金屬含量時，每10個樣品反測一次標樣。

2.3參數選擇

由于中國地域遼闊，土壤分布類型復雜，為能準確反映當地的實際情況，本節選取7種重金屬進行研究，分別為Cu、Zn、Pb、Cd、As、Cr、Ni。在基于區間數的Hakanson生態風險模型中，各種重金屬的毒性系數[36]和土壤重金屬背景值[37]見表1。7種重金屬的測定結果見表2。

表1 各種重金屬的毒性系數和土壤背景值Table 1 The toxity index and background values of theheavy metals

表2 研究區域中土壤重金屬的含量Table 2 The concentrations of heavy metals in different the study area mg/kg

續表mg/kg

2.4監測結果

分別選取大環江流域沿岸A、B、C、D、E 5個采樣區甘蔗農田土壤中的7種重金屬進行監測。將土壤重金屬污染物濃度進行區間化(表3)。

表3 重金屬含量的區間化Tabal 3 The interval numbers of the concentrations of heavy metals mg/kg

2.5結果與分析

2.5.1 綜合風險

根據基于區間數的Hakanson潛在生態風險指數模型〔公式(1)～公式(3)〕、表1、表2求出各采樣區各種重金屬的風險值，并求出各采樣區土壤中7種重金屬的總風險值(表4)。

表4 不同研究區域總風險Table 4 The total risk in different the study area

2.5.2 各研究區域風險區間數排序法

設A、B、C、D、 E 5個采樣區的風險值分別為R1、R2、R3、R4、R5，則有：

R1=[419.10, 879.52]

R2=[240.09, 1 033.18]

R3=[73.69, 144.37]

R4=[133.84, 382.68]

R5=[100.95, 333.87]

根據區間數排序法，求出其可能度矩陣Pij。

(4)

經計算VR1(A)=0.275 5；VR2(B)=0.260 5；VR3(C)=0.108 5；VR4(D)=0.184 5；VR5(E)=0.169 0。可見，風險值排序為A>B>D>E>C。

2.5.3 內梅羅綜合污染指數法計算

運用內梅羅綜合污染指數法對各采樣區污染指數值進行分級計算，依據污染指數值進行風險評價的等級區分。計算5個采樣區的綜合污染指數，結果見表5。

表5 兩種方法的對比結果Table 5 The results of Nemerow Pollution Index

按照內梅羅綜合污染指數法進行污染評價，其污染程度大小排序為A>B>D>E>C。由表5可見，兩種方法計算的風險大小排序是一致的，證明本研究方法可行。內梅羅污染指數法是樣品的均值和最大值進行計算，區間排序法涵蓋了所有樣品在質控條件下土壤重金屬的區間濃度，還考慮土壤中各種污染物對作物毒害的差別，避免了重金屬生物有效性的相對貢獻比例和地理空間差異等多種不確定因素的影響，具有較強的實際指導意義。故區間數排序向量法能夠更加精確地反映各采樣區風險的大小及排序。

3 結論

1)基于區間排序法的不同研究區域土壤重金屬生態風險模型評價結果可知，其區間排序向量排序為A>B>D>E>C，A采樣區的風險最大，其區間排序向量為0.275 5。這是由于研究區域A上游分布著鉛鋅等眾多有色金屬礦區。2001年，特大洪水沖毀部分選礦企業和尾礦庫，大量尾礦隨洪水淹沒該農田，造成大量尾礦砂積累，引起土壤中重金屬含量增高，導致重金屬污染，如要恢復農業生產活動需開展土壤重金屬污染修復，其他研究區域B、C、D、E均處于環江沿岸，同樣遭受重金屬不同程度的污染。

2)將基于區間排序法的不同研究區域土壤重金屬生態風險模型評價結果與內梅羅指數評價法的評價結果進行對比，兩種方法所得到的評價順序是相同的，均為A>B>D>E>C。通過區間排序法避免了多種不確定因素的影響。因此，土壤重金屬生態風險量化結果更加客觀直觀，為風險管理提供較為精確的理論依據。

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EcologicalRiskAssessmentofHeavyMetalsintheContaminatedFarmlandBasedonRanking-MethodofIntervalNumbers

WANG Xiaofei1,2, DENG Chaobing1,2, YIN Juan1,3, XU Guiping1,2, DENG Qucheng4

1.College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China 2.Guangxi Zhuang Autonomous Region Environmental Monitoring Center, Nanning 530028, China 3.College of Management Science and Engineering, Guangxi University of Finance and Economics, Nanning 530003, China 4.Crawford School of Public Policy, Australian National University, Canberra 541004, Australia

X820.4； X825

A

1002-6002(2017)03- 0106- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.16

2016-05-11;

2016-06-12

廣西自然科學基金項目“西江流域水環境重金屬污染機制與調控”(2013GXNSFEA053001)；廣西自然科學基金重大項目“基于鎘、砷污染農田安全利用的生態修復研究”(2015GXNSFEA139001)；廣西財經學院管理科學與工程學院開放性課題“基于無人機遙感的內陸水環境應急監測研究”(GK2015009)

王曉飛(1984-)，男，山西陽泉人，在讀博士生，工程師。

鄧超冰