基于廣西河池市脅迫風(fēng)險的土壤環(huán)境脆弱性評價

秦旭芝，黎 寧，溫中海，羅志祥，王 斌，陳 洋

1．廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西 南寧 530028

2．廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧 530022

3．天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300000

土壤環(huán)境直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、水質(zhì)量安全、食品質(zhì)量安全，其是人們賴以生存的基礎(chǔ)。但在很多地區(qū)，伴隨著大面積的礦區(qū)開采、選礦、冶煉等工業(yè)行為，造成礦區(qū)周圍環(huán)境，以及農(nóng)田耕地等嚴(yán)重污染。目前，評價土壤環(huán)境質(zhì)量一般采取國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，即以土壤中各種污染物含量為評價尺度，對土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價［1-4］的報道較多，而土壤環(huán)境、自然環(huán)境對污染物的耐受能力、敏感程度的研究并不多見。本文借鑒了生態(tài)環(huán)境脆弱性研究［5-20］的思路，使用層次分析法(AHP)研究土壤環(huán)境各因素對重金屬污染的敏感性和重要程度，研究土壤環(huán)境脆弱性評價方法并建立相關(guān)的評價模型和體系，使用地理信息軟件(ArcGIS9.3)對自然、環(huán)境、社會要素柵格化后進(jìn)行疊加運(yùn)算，可展示、評價區(qū)域土壤環(huán)境脆弱性空間分布狀況。建立的土壤環(huán)境脆弱性評價模型包含自然因素、土壤因素、社會因素3個要素，篩選了21個因子作為評價項(xiàng)目(因子層)。選取廣西河池市作為研究區(qū)域，以分辨率2.5 km×2.5 km的像元作為評價單元，對該市開展土壤環(huán)境脆弱性評價，為將來區(qū)域土壤環(huán)境分級分區(qū)管理、治理礦區(qū)污染以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)，同時為以后建立生態(tài)環(huán)境預(yù)警體系提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

河池市地處云貴高原南麓，介于東經(jīng)106°34'～109°09'、北緯 23°41'～ 25°37'之間。東西長228 km，南北寬260 km，全市土地面積3.35萬km2。年平均氣溫16.9～21.5℃，雨量充沛，年降雨量在1 200～600 mm。在地貌上，境內(nèi)山地、丘陵和各種地表、地下喀斯特發(fā)育廣泛。市內(nèi)的河流主要為紅水河、龍江及其支流，屬珠江水系，珠江40%以上水量流經(jīng)河池。

河池地處環(huán)太平洋金屬成礦帶，屬南嶺成礦帶的一部分。因此，礦產(chǎn)資源特別是有色金屬礦產(chǎn)資源十分豐富，具有礦種較齊全，共生、伴生礦種多、分布廣、質(zhì)量好、儲量大、綜合利用性強(qiáng)、價值高等特點(diǎn)。全市11個縣、市(區(qū))都有礦藏，已探明的有錫、銻、鋅、銦、銅、鐵、金、銀、錳、砷等 46個礦種，礦產(chǎn)地172處，其中大型18處，能源礦產(chǎn)主要有煤、石煤等。非金屬礦產(chǎn)主要有硫、石灰?guī)r、白云巖等。水氣礦產(chǎn)主要有礦泉水，是全國著名的“有色金屬之鄉(xiāng)”，保有儲量居廣西首位的有錫、鉛、鋅、銻、銦等，是廣西最重要的礦產(chǎn)地區(qū)。

河池市現(xiàn)轄金城江、宜州、羅城、環(huán)江、南丹、天峨、東蘭、巴馬、鳳山、都安、大化等 11個縣(市、區(qū))，總面積3.35萬 km2，總?cè)丝?02萬人。河池境內(nèi)絕大部分地區(qū)屬于石山地區(qū)，顯性和潛在石漠化占總面積60%以上，耕地占11%，庫區(qū)移民40萬，森林覆蓋率 67.92%，城鎮(zhèn)化率28.95%。

2 土壤環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系的建立

2.1 評價指標(biāo)的確定

土壤環(huán)境的脆弱性除了土壤自身?xiàng)l件外，同樣具有自然和社會的雙重特征，其成因也包括自然因素、土壤因素、社會因素3大類。研究的指標(biāo)體系由自然因素、土壤因素、社會因素3部分組成，評價指標(biāo)的選擇依據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量相關(guān)的因素，考慮了指標(biāo)的可得性、實(shí)效性和區(qū)域特征。自然因素主要考慮年降水量、坡度、地形粗糙度、水網(wǎng)密度、植被覆蓋率等。土壤因素考察土壤侵蝕率、土地利用類型、石漠化強(qiáng)度、土壤本身的重金屬含量現(xiàn)狀、有機(jī)質(zhì)含量、pH、全磷、全氮。社會因素包括人口壓力指數(shù)、公路網(wǎng)密度、人口素質(zhì)、人均純收入、工業(yè)產(chǎn)投比、人均GDP、工業(yè)污染指數(shù)、農(nóng)業(yè)污染指數(shù)、工礦企業(yè)密度等。如表1所示。

表1 因素指標(biāo)明細(xì)

表1中指標(biāo)體系的二級指標(biāo)數(shù)據(jù)來源可分為兩類：定量數(shù)據(jù)和不可定量數(shù)據(jù)?？刹捎靡韵绿幚矸绞剑?)可定量數(shù)據(jù)為坡度、地形粗糙度、水網(wǎng)密度、土壤重金屬含量現(xiàn)狀、有機(jī)質(zhì)含量、pH、全磷、全氮、人口壓力指數(shù)、工業(yè)污染指數(shù)、農(nóng)業(yè)污染指數(shù)、工礦企業(yè)密度、人均GDP。利用ArcGIS 9.3的統(tǒng)計分析模塊，差值方法選用反距離權(quán)重法(IDW)，空間變異程度選取平方變異;面狀數(shù)據(jù)采用ArcGIS9.3屬性轉(zhuǎn)化工具Feature to Raster，轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，柵格大小為2.5×2.5 km。2)不可定量數(shù)據(jù)為年降水量、土地利用現(xiàn)狀。采用最?。畲髽?biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行了分級，使其數(shù)值范圍為0～10，再根據(jù)已有的點(diǎn)位信息，進(jìn)行插值，按數(shù)據(jù)分布規(guī)律劃分為五級，其標(biāo)準(zhǔn)值范圍為0 ～10，見表2。

表2 指標(biāo)分級及對應(yīng)數(shù)值

因可定量性數(shù)據(jù)中不同變量具有不同單位和不同變異程度，為了消除量綱影響、變量自身變異大小和數(shù)值大小的影響，故將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。Min-Max標(biāo)準(zhǔn)化方法是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換。設(shè)Xmin、Xmax分別為屬性A的最小值和最大值，將A的一個原始值Xi通過min-max標(biāo)準(zhǔn)化映射的方法，使數(shù)值處于區(qū)間［0，10］中，計算公式如下：

式中：Xi表示處理前的數(shù)值，Xmin表示一組數(shù)值中的最小值，Xmax表示一組數(shù)值中的最大值，Si表示標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。采用軟件ENVI5.1中波段計算band math對已經(jīng)柵格化的圖層(b1)按Min-Max標(biāo)準(zhǔn)化方法計算，使其數(shù)值范圍為0～10。

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

研究所需資料分別是河池市各縣的社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計資料、植被覆蓋資料、土地利用資料、土壤資料以及該地區(qū)的氣象資料。地形因素中的坡度是根據(jù)該自治區(qū)電子地圖中等高線生成TIN并轉(zhuǎn)為GRID數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行坡度計算而得。利用層次分析法對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)度形成判斷矩陣后，計算出各指標(biāo)的權(quán)重、綜合權(quán)重，同時對矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，判斷檢驗(yàn)矩陣是否可以接受，見表3。

表3 因素指標(biāo)分權(quán)重及綜合權(quán)重

由于計算過程工作量大，出錯率較高，需引進(jìn)MATLAB7.0專業(yè)統(tǒng)計軟件進(jìn)行計算。計算過程需要對矩陣進(jìn)行編程后運(yùn)行，最終生成矩陣最大特征值。

以一級、二級指標(biāo)構(gòu)成的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，形成判斷矩陣，通過輸入一致性檢驗(yàn)程序，運(yùn)行后判斷是否通過一致性檢驗(yàn)。

2.3 評價結(jié)果

利用ArcGIS 9.3中的Spatial Analyst模塊，結(jié)合各因子權(quán)重和加權(quán)指數(shù)建立河池市土壤環(huán)境脆弱性評價模型，見式(2)：

式中：SEVI表示土壤環(huán)境脆弱性指數(shù)，Xi、Wi表示第i個因子及其權(quán)重值。

通過導(dǎo)入數(shù)據(jù)和權(quán)重，得出相應(yīng)的評價結(jié)果，根據(jù)結(jié)果可以得出每個評價單元上的脆弱度指數(shù)，由于目前對土壤環(huán)境脆弱度分級尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，沒有普遍認(rèn)可的評價依據(jù)，評價的結(jié)果主要反映的是土壤環(huán)境的脆弱程度，所以分值越高，表示土壤環(huán)境質(zhì)量的脆弱性越高。為了使評價結(jié)果更直觀，本文結(jié)合一些評價模型［21-22］，按照生態(tài)脆弱度指數(shù)從高到低劃分為微度、低度、中度、高度、極度5個脆弱度等級。各等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 土壤環(huán)境脆弱度分級

通過對各河池市土壤環(huán)境脆弱性因素指標(biāo)的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化處理后，結(jié)合AHP與GIS方法，繪制了河池市土壤環(huán)境脆弱性評價結(jié)果圖，如圖1所示。

圖1 河池市土壤環(huán)境脆弱性評價

自然因素是影響土壤環(huán)境脆弱性形成的基本因素，而土壤因素是影響土壤環(huán)境質(zhì)量的內(nèi)在因素，社會經(jīng)濟(jì)因素是外在因素，3者相互作用，相互依存，共同脅迫土壤環(huán)境質(zhì)量。河池市的土壤環(huán)境脆弱性在這3個方面受脅迫的表現(xiàn)比較明顯。首先，隨著河池市城鎮(zhèn)化水平的提高，原來林地變?yōu)榈透采w度草地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地，城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加，大大降低了土壤的表層植被覆蓋，即自然因素脅迫土壤環(huán)境質(zhì)量;其次，河池市部分區(qū)域土壤重金屬背景高，加上自然條件和人為擾動的影響造成一些區(qū)域土壤貧瘠，肥力下降，石漠化現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤因素的脅迫程度較強(qiáng);再次，河池市的社會經(jīng)濟(jì)因素影響顯著，主要表現(xiàn)有色金屬采礦、選礦、冶煉行業(yè)發(fā)達(dá)，礦產(chǎn)開發(fā)造成一系列污染問題，如采礦、選礦企業(yè)的固體礦渣等排放較多，多年未得到有效控制，重金屬污染問題較突出。

研究結(jié)果證明3個因素對河池市土壤環(huán)境脆弱性的脅迫影響，圖1是3個主要因素的綜合作用結(jié)果，河池北部和南部區(qū)域?qū)儆诟叨却嗳醯膮^(qū)域，東部為中等脆弱區(qū)域，西部為低脆弱區(qū)域。北部區(qū)域主要為廣西3大重金屬防控區(qū)(南丹、環(huán)江、金城江)，受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)因素即有色行業(yè)發(fā)展的負(fù)面影響較重，使該區(qū)域土壤環(huán)境更顯脆弱;河池市南部的都安、大化等縣份主要受土地貧瘠、石漠化、重金屬高背景等影響;東部區(qū)域存在一定的工業(yè)重金屬污染，石漠化程度高，土地利用變化較大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好，人均GDP等也相對較高;屬于低度脆弱的西部各縣從自然因素看，該地區(qū)地勢坡度起伏度大，水網(wǎng)密度較大。從土壤因素看，該地區(qū)的重金屬指標(biāo)、有機(jī)質(zhì)、pH、總氮、總磷等指標(biāo)要明顯低于河池北部、東部、南部區(qū)域，且石漠化強(qiáng)度較低。從社會經(jīng)濟(jì)因素看該區(qū)域工礦企業(yè)密度小，人口密度也相對較小，評價結(jié)果與河池市實(shí)際情況吻合。

從河池市不同脆弱程度所占面積看，高度脆弱區(qū)占全市的36.3%，中度脆弱區(qū)占38.3%，低度脆弱區(qū)占25.4%?？傮w來看，河池市大部分區(qū)域的土壤環(huán)境屬中高度脆弱。

3 結(jié)論與建議

1)結(jié)合AHP與GIS方法，利用插值和標(biāo)準(zhǔn)化值等多種方法，能夠定量分析土壤環(huán)境脆弱性指數(shù)。土壤環(huán)境脆弱性對表征區(qū)域的土壤環(huán)境質(zhì)量的風(fēng)險具有很直觀的表達(dá)。

2)利用土壤環(huán)境脆弱性，結(jié)合國家現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立起的土壤環(huán)境質(zhì)量風(fēng)險防控體系具有綜合性、靈活性的特點(diǎn)，可用于指示不同工業(yè)區(qū)周邊土壤環(huán)境質(zhì)量評價及土壤污染防治工作，以此防控指標(biāo)體系為導(dǎo)向，提出土壤環(huán)境質(zhì)量分級分區(qū)管理對策，以期進(jìn)一步提高土壤環(huán)境質(zhì)量的防控水平。

3)根據(jù)河池市土壤環(huán)境脆弱性特征及不同脆弱度分布，建議對該區(qū)域土壤環(huán)境高度脆弱區(qū)，重點(diǎn)治理。主要措施包括石漠化綜合整治、環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及環(huán)保資金的投入，減少人類活動對礦產(chǎn)資源的濫采和對林地的破壞，控制和治理污染，提高對工業(yè)“三廢”和生活污水、生活垃圾的處理率和利用率，同時工程修復(fù)和生態(tài)修復(fù)相結(jié)合，減緩目前該區(qū)土壤環(huán)境十分脆弱的態(tài)勢。在中度和輕度脆弱區(qū)，土壤環(huán)境質(zhì)量形勢不是十分嚴(yán)峻，但仍要高度重視環(huán)境保護(hù)和建設(shè)，減少人為干擾和破壞，防止土壤環(huán)境質(zhì)量惡化。

致謝：感謝廣西土壤環(huán)境污染與生態(tài)修復(fù)人才小高地和廣西西江流域生態(tài)環(huán)境與一體化發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。

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