改進內梅羅指數法與復合指數法在土壤環境質量評價中的對比研究

常 翠，于慧明，鄭金城，楊 婷

(1.漳州科技職業學院，福建 漳州 363202；2.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034)

1 評價區概況

土壤環境質量的優劣對于人類健康以及工業、農業安全等方面有極大的影響，合理、準確地評價土壤環境質量可為土地資源的有效利用和土壤污染風險管控提供重要依據。而土壤環境質量評價方法眾多，每種方法都有一定的適用情況及局限，本次研究分別使用改進內梅羅指數法和復合指數法對某山區的土壤環境質量進行評價，對兩種方法的評價結果進行對比，并分析其差異存在的原因，以期為今后的土壤環境質量評價工作提供參考。

評價區坐落于長白山余脈大黑山脈之中，地形地貌多以低山丘陵、沖積平原為主，面積為362 km2。區內氣候屬溫帶大陸性氣候。一年四季分明，最熱月平均氣溫23℃,涼爽宜人；最冷月平均氣溫為-8.6℃，涼而不冷。是東北地區某省會城市大力發展的旅游、生態農業和現代服務業產業區，該區在發展過程中極其重視生態保護與可持續發展。

2 方法概述

2.1 采樣方法與樣品測定

根據地形地貌、土壤類型等條件，大致按 1 km × 1 km 網格進行布設采樣點(見圖1)。利用GPS精確定位，采用洛陽鏟于土壤表層進行采樣，取樣深度30 cm，樣本包含黑土、草甸土、淹育水稻土等土壤類型。

圖1 土壤采樣點分布圖

土壤pH值在野外駐地測定，采用玻璃電極法，土水比為1 ∶2.5；重金屬元素含量測定結合實驗室的實際情況，采用的分析方法見表1。

表1 重金屬元素分析方法

2.2 改進內梅羅指數法

內梅羅指數法是評價土壤環境質量的一種綜合指數法，是從單因子指數法發展而來的。常見的改進方法有用于計算內梅羅指數的單因子指數結合背景值修正；對不同的重金屬元素賦權重修正平均污染指數或者最大污染指數；結合地累積指數法改進；對單因子指數構成連續函數取代對原單因子指數的離散取值[1-3]。本次研究依據評價區實際污染情況與采樣點各重金屬元素含量測定值的分布情況，采用單因子指數背景值修正結合對不同重金屬元素賦權重修正平均污染指數的方法對內梅羅指數法進行改進。

2.2.1 單因子指數結合背景值修正

單因子指數計算公式：

Ci≤Xa(1)

Pi=1+(Ci-Xa)/(Xc-Xa)

Xa

Pi=3+(Ci-Xp)/(Xp-Xc)

Ci≥Xp(3)

Pi=2+(Ci-Xc)/(Xp-Xc)

Xd

式中，Pi為單因子指數;Ci為元素的實測值，mg/kg;Xa為累積起始值，Xc為污染起始值，Xp為重污染起始值，mg/kg。Xa設定為該元素研究區背景值上限，Xc、Xp參考《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)確定，并將單因子污染指數(Pi)分為5個級別(見表2)[4]。

表2 單因子污染指數分級標準

2.2.2 賦權重修正平均污染指數

首先將各個評價因子的標準值 Si由小到大進行排列，然后將其標準值的最大值 Smax同各個評價因子的標準值 Si比較，并令 Ri為第 i 種評價因子的相關性比值，則

(5)

(6)

Wi即為某種重金屬元素的權重值，用其對平均污染指數進行修正，得到改進的內梅羅指數和單因子指數加權平均值公式(7)和(8)。

(7)

(8)

2.3 復合指數法

復合指數法亦是以單因子指數作為評價因子，將各元素的單因子指數進行空間插值、賦值、疊加，獲取各圖斑復合污染狀況。[5]

復合指數法計算公式(若Pi<1(未污染)，則Ki=0；若Pi≥1(存在污染)，則Ki=1)：

(9)

式中，Pi為單因子指數;Ki為污染情況賦值;Pcti為復合種類指數。

Pcli=Pimax

(10)

式中，Pcli為復合等級指數;Pimax為各重金屬元素單因子指數的最大值。

對單因子指數進行篩選，得到單因子指數的最大值，將最大值按照表2進行分級處理，即為復合污染等級。

3 結果與分析

3.1 改進內梅羅指數法評價結果

3.1.1 單因子指數計算

本次研究選擇土壤中常見的部分重金屬污染物Cd、As、Hg、Pb、Cu、Cr、Zn、Ni作為評價因子，采用數據43組，計算上述重金屬元素的單因子指數，統計結果如表3所示。其中Cd、As、Pb、Cu、Zn元素單因子指數最大值均 > 1，評價區部分采樣點處存在污染。此外，8種元素變異系數均較小，說明重金屬元素分布空間變化較小。

表3 評價區各重金屬元素單因子指數

3.1.2 改進內梅羅指數評價

一般情況下，評價標準中污染因子的值越小，其對環境的危害越大，成反比關系[3]。本次研究考慮評價區土壤污染風險管控的需要，選擇《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中的土壤污染風險篩選值，作為計算權重的各評價因子的標準值。各重金屬元素評價因子權重計算結果具體見表4。

表4 評價區各重金屬元素權重表(按權重值從大到小排列)

為評價區各重金屬元素評價因子賦權重，根據式(7)～(8)計算得到改進的內梅羅指數，在ArcGIS軟件中運用普通克里金法對其進行插值，得到評價區的污染情況分區(見圖2)。根據表2的分級標準，評價區污染等級為3級輕度污染和2級警戒，經計算3級輕度污染面積為46.53 km2，占研究區總面積的12.85%。

圖2 基于改進內梅羅指數法的土壤環境質量評價圖

3.2 復合指數法評價結果

3.2.1 復合種類指數評價

在ArcGIS中，根據單因子指數進行疊加得到復合種類指數，如圖3所示。研究區內不存在復合污染，只存在Ⅱ類污染區域，即單一元素污染，分別為Cd、Pb元素污染，污染面積共23.20 km2，占研究區總面積的6.41%。

圖3 基于復合種類指數的土壤環境質量評價圖

3.2.2 復合等級指數評價

在ArcGIS中，將單因子指數進行重分類并進行空間疊加，得到各圖斑8種重金屬元素單因子指數的最大值，根據表2對統計出復合等級指數進行分級，得到研究區3級輕度污染區域面積共23.20 km2，占研究區總面積的6.41%，其余均為2級警戒區域(見圖 4)。

圖4 基于復合等級指數的土壤環境質量評價圖

3.3 結果對比分析

改進內梅羅指數法和復合等級指數的土壤環境質量評價圖進行疊加分析，將每一圖斑的復合等級指數減其改進內梅羅指數，如果結果為0說明兩種方法評價等級一致，否則為兩種方法評價等級不一致，具體分布見圖5。

經過計算評價等級不一致的面積為51.25 km2，占評價區總面積的14.15%，其中改進內梅羅指數比其復合等級指數高一個等級的面積為37.25 km2；改進內梅羅指數比其復合等級指數低一個等級的面積為14 km2。

從評價區隨機選取圖斑，結合改進內梅羅指數法的計算過程，發現各重金屬元素單因子指數加權平均值大于其算數平均值的區域，改進內梅羅指數比復合等級指數高一個等級；而單因子指數加權平均值略小于算數平均值，則改進內梅羅指數比復合等級指數低一個等級；若兩者接近，則兩種評價方法評價等級一致。

4 討論與結論

選取8種土壤中常見的重金屬污染元素，分別使用改進內梅羅指數法和復合指數法對某山區的土壤環境質量進行評價，通過對比分析評價結果，可以看出兩種方法在污染等級及污染區域的分布存在一定的差異。評價等級不一致的面積為51.25 km2，占評價區總面積的14.15%，其中改進內梅羅指數比復合等級指數高一個等級的面積為37.25 km2；改進內梅羅指數比復合等級指數低一個等級的面積為14 km2。

從評價區隨機選取圖斑，結合改進內梅羅指數法的計算過程，可以看出各重金屬元素單因子指數加權平均值與算術平均值的關系直接影響了兩種方法評價結果的一致性，各單因子指數加權平均值大于其算術平均值，則改進內梅羅指數比復合等級指數高一個等級，相反則低一個等級，而兩者接近則兩種評價方法評價等級一致。可以推論出，改進內梅羅指數法的評價結果受權重值大的重金屬元素的含量影響較大，對權重值較大的重金屬元素污染評價較為準確，而對于權重值較小的重金屬元素則會出現降低污染評價等級的情況；復合指數法可以得到復合種類指數和復合等級指數，可以給出評價區存在污染的元素有幾種和是哪幾種，這是改進內梅羅指數法無法直接反映的內容，但對于單因子指數接近分級標準臨界值的重金屬元素，由于插值方法的影響，會出現降低污染評價等級的情況。

改進內梅羅指數法與復合指數法哪種更優，需要結合評價區具體的污染元素及其對環境影響的評價標準值來綜合考慮，而降低兩種評價方法評價等級的機制及影響程度均需要進一步研究。

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