基于決策樹技術(shù)的土壤重金屬污染預(yù)警分析研究

焦夢姝　張麒　彭佳紅

摘要：土壤重金屬污染的日益惡化對我國生態(tài)環(huán)境、食品安全等構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，土壤重金屬預(yù)警的研究是一個重要的內(nèi)容。采用決策樹技術(shù)中的C4.5算法對山東省新泰市土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg等8種重金屬的污染情況進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，得到并分析決策樹和產(chǎn)生式規(guī)則，從而對土壤重金屬污染進(jìn)行預(yù)警，能夠輔助防止土壤質(zhì)量的退化、生態(tài)環(huán)境的污染以及食品安全的危害。

關(guān)鍵詞：決策樹；重金屬污染；數(shù)據(jù)挖掘

中圖分類號：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）26-6210-04

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國土壤污染日趨嚴(yán)重。據(jù)估計，我國受農(nóng)藥、重金屬等污染的土壤面積達(dá)上千萬公頃，已對我國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、食品安全和社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。我國大多數(shù)城市近郊土壤都受到了不同程度的污染，其中鎘的污染比較普遍，污染面積近一千萬公頃，其次是鉛、鋅、銅、汞等[2-5]。土壤一旦遭受重金屬的污染，由于其具有不可逆性和長期性，不易在生物物質(zhì)循環(huán)中分解，所以很難恢復(fù)，并且通過食物鏈最終將影響人類的健康。

數(shù)據(jù)挖掘是近幾年國內(nèi)外迅速發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科，涉及到數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計學(xué)、人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)等多個領(lǐng)域[6]。將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于土壤重金屬污染的預(yù)警分析無疑是非常有益的，它能全面分析各種土壤重金屬之間隱藏的內(nèi)在聯(lián)系。決策樹技術(shù)就是數(shù)據(jù)挖掘分類方法中的一種，其具有易理解、需要信息量少，效率及準(zhǔn)確率均較高等特點，是目前最為廣泛應(yīng)用的分類方法之一。采用決策樹算法中的C4.5算法對新泰市的8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，以分析山東省新泰市土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg等8種土壤重金屬的污染情況及其聯(lián)系。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于基于決策樹算法的考試成績分析系統(tǒng)的研究與開發(fā)[7]，并對其中的單項污染指數(shù)借助表2中的土壤評價指標(biāo)通過公式[Pi=CiS]還原為實測濃度，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2。

2 結(jié)果與分析

由表1與表2對比得出：Hg、As、Cu、Pb、Cr的土壤重金屬實測濃度全都小于其相應(yīng)背景值，西張莊鎮(zhèn)太平莊村土壤中Ni的含量大于其土壤元素背景值23 mg·kg-1，但低于土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)，因此Hg、As、Cu、Pb、Cr、Ni等重金屬并無超標(biāo)。Zn的含量有6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)大于其土壤元素背景值61.9 mg·kg-1，分別是宮里鎮(zhèn)夏家隅村、宮里鎮(zhèn)上宮隅村、羊流鎮(zhèn)洋流村、宮里鎮(zhèn)楊家隅村、翟鎮(zhèn)小港村、樓德鎮(zhèn)西柴城村，其中宮里鎮(zhèn)和羊流鎮(zhèn)超過土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)，宮里鎮(zhèn)的污染情況最為嚴(yán)重。大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤中Cd的含量超過其土壤背景值0.079 mg·kg-1，其中西張莊鎮(zhèn)西韓莊村、西張莊鎮(zhèn)后高佐村、西張莊鎮(zhèn)東韓莊村、羊流鎮(zhèn)洋流村、翟鎮(zhèn)高家店村等5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)，宮里鎮(zhèn)夏家隅村超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到污染水平。

將置信度為100%的規(guī)則與GB15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和表1結(jié)合觀察，得到如下結(jié)論：

3 總結(jié)

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的最根本的物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤重金屬污染對人類健康和社會發(fā)展都存在一定威脅，因此防止土壤環(huán)境污染，維持土壤環(huán)境的質(zhì)量，促進(jìn)土壤資源的可持續(xù)利用具有重要意義。通過對新泰市的土壤重金屬污染數(shù)據(jù)使用C4.5決策樹算法進(jìn)行分類處理，得到?jīng)Q策樹和規(guī)則，并對決策樹進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg等8種重金屬之間的關(guān)聯(lián)，從而能夠借助這種關(guān)聯(lián)對地區(qū)土壤重金屬污染進(jìn)行預(yù)警，提前采取防治措施。

參考文獻(xiàn)：

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