基于AHP、負(fù)權(quán)重和模糊數(shù)學(xué)的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

摘要：以北京市房山區(qū)為研究區(qū)域，選用土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量的8個(gè)指標(biāo)，采用層次分析法（AHP）、負(fù)權(quán)重和模糊數(shù)學(xué)對(duì)北京房山區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)房山區(qū)土壤綜合指數(shù)在0.247～0.996之間，其中燕山地區(qū)土壤綜合指數(shù)最低（0.247），蒲洼鄉(xiāng)的土壤綜合指數(shù)最高（0.996）。根據(jù)耕地地力等級(jí)的劃分范圍，北京市房山區(qū)Ⅰ級(jí)占9%，Ⅱ級(jí)占23%，Ⅲ級(jí)占55%，Ⅳ級(jí)占14%，說(shuō)明土壤質(zhì)量總體處于中等水平。通過(guò)對(duì)比分析Ⅰ級(jí)和Ⅳ級(jí)指標(biāo)含量，發(fā)現(xiàn)土壤綜合指數(shù)高的區(qū)域具有土壤肥力指標(biāo)高、土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)低、沒有指標(biāo)超標(biāo)的特點(diǎn)，而土壤綜合指數(shù)低的區(qū)域具有土壤肥力指標(biāo)低、土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)高、至少有一個(gè)指標(biāo)超過(guò)臨界值的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：土壤質(zhì)量；負(fù)權(quán)重；層次分析法（AHP）；模糊數(shù)學(xué)

中圖分類號(hào)：F224.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）17-4480-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.031

Abstract：The research area located at Beijing Fangshan district，soil fertility and soil environment quality was taken as evaluating indicators which included soil organic matter， alkaline N，available P，available K，Cu，Pb，Cr，Cd. Comprehensive evaluation of soil quality was carried out by analytic hierarchy process，negative weights and fuzzy in Fangshan district of Beijing city，the results showed that the soil quality index was between 0.247 and 0.996，in which soil quality index of Yanshan area was the lowest of 0.247，soil quality index of Puwa town was the higest of 0.996. According to the classification cultivated land fertility range，Ⅰgrade accounted for 9%，Ⅱ grade accounted for 23%，Ⅲ grade 55%，Ⅳ grade 14%. Through comparative analysis it was found that areas of high soil quality index had high soil fertility，low soil environmental quality indicators， no indicators exceeded the threshold. Areas with low soil quality index had low soil fertility， soil environmental quality index was higher， and there was at least a characteristic index exceeded the threshold.

Key words： soil quality； negative weights； analytic hierarchy process（AHP）； fuzzy math

土壤是重要的農(nóng)業(yè)資源和自然環(huán)境要素之一，提供了農(nóng)作物生長(zhǎng)的大部分養(yǎng)分，又是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要載體。近年來(lái)，工業(yè)污染、過(guò)量施肥、污水灌溉等原因?qū)е峦寥蕾|(zhì)量下降，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)越來(lái)越成為土壤科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[1]。

土壤質(zhì)量是土壤肥力質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量的綜合量度[2]，而土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)則是科學(xué)準(zhǔn)確衡量土壤維持生產(chǎn)力、環(huán)境凈化能力以及保障動(dòng)植物健康能力的集中體現(xiàn)[3]。目前，對(duì)土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要以土壤質(zhì)量3個(gè)部分（土壤肥力質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量）的單獨(dú)評(píng)價(jià)為主。由于這3個(gè)部分對(duì)土壤質(zhì)量的影響不同，土壤肥力的指標(biāo)大多對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生正向積極影響，而土壤環(huán)境的指標(biāo)通常對(duì)土壤產(chǎn)生消極的影響。但土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)是一個(gè)綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)，需要綜合考慮土壤質(zhì)量的正負(fù)向指標(biāo)。選擇土壤質(zhì)量的土壤肥力指標(biāo)和土壤環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，有助于更加準(zhǔn)確地了解土壤質(zhì)量狀況。

在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中，土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)采用的方法主要有層次分析法（AHP）和模糊數(shù)學(xué)[4-7]、支持向量機(jī)方法[8]、灰色關(guān)聯(lián)模型[9]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]等，而土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)以單項(xiàng)污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)[11-15]為主。在眾多評(píng)價(jià)方法中，利用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量最為常見和成熟。本研究以北京市房山區(qū)為研究對(duì)象，將土壤肥力指標(biāo)和土壤環(huán)境指標(biāo)結(jié)合起來(lái)，采用層次分析法為評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)重、模糊數(shù)學(xué)計(jì)算指標(biāo)隸屬度，對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況及樣品的采集和分析

1.1 研究區(qū)概況

北京市房山區(qū)位于北京西南面，城區(qū)距市中心22 km，地處北緯39°30′～39°55′，東經(jīng)115°25′～116°15′，面積201 900 hm2，東北與豐臺(tái)區(qū)相鄰，東與大興區(qū)一水相隔，南面和西面與河北涿州市、淶水縣相連，北與門頭溝以百花山為界。房山地形復(fù)雜多變，處于華北平原與太行山交界地帶，西部和北部是山地、丘陵，約占全區(qū)總面積2/3，人口數(shù)量83萬(wàn)。境內(nèi)有大小河流13條，拒馬河、大石河回旋曲折，永定河、小清河穿境而過(guò)。氣候?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?，年平均氣溫?1.9 ℃，年平均降水量582.8 mm，年平均無(wú)霜期202 d。

1.2 樣品的采集與測(cè)定

土壤樣品采集時(shí)間為2006年3、5、8月，樣點(diǎn)布局考慮了土壤肥力指標(biāo)和土壤環(huán)境指標(biāo)的空間變異性、土地利用方式和土壤類型。采用梅花點(diǎn)法進(jìn)行定點(diǎn)采樣，應(yīng)用GPS確定樣點(diǎn)位置，采集的耕層為土壤的0～20 cm，采用多點(diǎn)混合和四分法制樣，共采集土壤樣品22個(gè)。采集的土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后，采用四分法過(guò)20目、100目篩后風(fēng)干保存?zhèn)溆?。土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀-外加熱氧化法，堿解氮的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，速效磷的測(cè)定采用 0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀的測(cè)定采用醋酸銨浸提-原子吸收法，Pb、Cd的測(cè)定為石墨爐原子吸收分光光度法，Cr和Cu的測(cè)定為火焰原子吸收分光光度法。本研究以鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為評(píng)價(jià)單元，選取土壤肥力（有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀）和重金屬污染元素（Cd、Pb、Cu、Cr）8項(xiàng)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的計(jì)算

2.1.1 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理 由于土壤質(zhì)量的各個(gè)指標(biāo)從不同角度反映土壤質(zhì)量狀況，并且各指標(biāo)實(shí)測(cè)值之間的量綱有很大區(qū)別，所以選用隸屬函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。隸屬函數(shù)是根據(jù)一定范圍內(nèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)與作物產(chǎn)量關(guān)系確定的，鑒于土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)與作物成負(fù)相關(guān)關(guān)系，選用降半梯形分布函數(shù)，而土壤肥力指標(biāo)與農(nóng)作物成正相關(guān)關(guān)系，選用S型分布函數(shù)。

降半梯形分布函數(shù)，分段函數(shù)界限值為相應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)級(jí)數(shù)，函數(shù)如下：

土壤肥力指標(biāo)與作物效應(yīng)呈S型關(guān)系，所以隸屬函數(shù)也采用S型，為方便計(jì)算把曲線函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的折線函數(shù)，隸屬函數(shù)[16]如下：

結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，參照國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15168-1995）和綠色食品中心發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)（NY/T391-2000），確定土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量各指標(biāo)隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如表1所示。

2.1.2 權(quán)重的設(shè)置 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)大多為正向因素，而土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)多為負(fù)向因素。確定正向因素和負(fù)向因素所占比例是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)至關(guān)重要的一步。無(wú)論采用哪種方法，權(quán)重的加和必須為1，即正負(fù)權(quán)重之和也必須為1，對(duì)于土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，土壤肥力直接作用于植物生長(zhǎng)，理論上不應(yīng)存在負(fù)值，而土壤污染危害植物生長(zhǎng)，在土壤評(píng)價(jià)中發(fā)揮著負(fù)向作用。在類似的問(wèn)題中，正向權(quán)重應(yīng)大于負(fù)向權(quán)重，并且兩者差距較大。

陳彥清[17]利用X/Y的比值確定A值（X和Y的絕對(duì)值和）范圍，并詳細(xì)列出了X/Y在不同比值下A值的取值范圍表。根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況，本研究確定A=1.4，計(jì)算得X=1.2，Y=0.2，即正向權(quán)重總和為1.2，負(fù)向權(quán)重總和為-0.2。

2.1.3 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重 目前，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定的方法主要有主成分分析法、因子分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、層次分析法等[18]，其中層次分析法把定性和定量分析結(jié)合起來(lái)，更符合客觀實(shí)際，應(yīng)用較為普遍。根據(jù)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，本研究采用層次分析法確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。由于引入負(fù)權(quán)重，正向指標(biāo)與負(fù)向指標(biāo)在建立判斷矩陣和排序時(shí)相當(dāng)于兩個(gè)獨(dú)立的體系，需分別建立判斷矩陣與排序，打分時(shí)不分正向影響與負(fù)向影響，遵循“最嚴(yán)重對(duì)應(yīng)最高分”的規(guī)則，這樣在加入負(fù)權(quán)重計(jì)算時(shí)不利因素的“最嚴(yán)重”才可起到“減分最嚴(yán)重”的效果。

2.1.4 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的計(jì)算 根據(jù)計(jì)算出的各指標(biāo)的隸屬度和權(quán)重，計(jì)算出各土壤樣品的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值（Integrated quality index）采用下列公式計(jì)算：

IQI=∑WiNi （3）

式中，Wi，Ni分別為第i種評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度值。綜合指標(biāo)值是每個(gè)土壤采樣點(diǎn)的土壤質(zhì)量水平的得分，是土壤質(zhì)量狀況的綜合反映。該指數(shù)值的大小反映了土壤質(zhì)量的高低，IQI取值在0和1之間，該值越高，表明土壤質(zhì)量越好，IQI值越低， 表明土壤質(zhì)量越差[19]。根據(jù)國(guó)家農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)（NY/T33092-1996）全國(guó)耕地類型區(qū)耕地地力等級(jí)劃分并結(jié)合房山區(qū)實(shí)際情況，本研究采用等間距法將IQI劃分為5個(gè)等級(jí)，如表3所示。

2.2 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)分析

通過(guò)土壤綜合指數(shù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，房山區(qū)土壤綜合指數(shù)區(qū)間為0.247～0.996，其中燕山地區(qū)土壤綜合指數(shù)最低（0.247），蒲洼鄉(xiāng)的土壤綜合指數(shù)最高（0.996）。根據(jù)土壤質(zhì)量等級(jí)劃分，土壤綜合質(zhì)量屬于Ⅰ級(jí)的有蒲洼鄉(xiāng)（0.996）、霞云嶺鄉(xiāng)（0.991）；土壤綜合質(zhì)量屬于Ⅱ級(jí)的有5個(gè)，分別為十渡鎮(zhèn)（0.778）、長(zhǎng)陽(yáng)鎮(zhèn)（0.692）、青龍湖鎮(zhèn)（0.649）、張坊鎮(zhèn)（0.641）、韓村河鎮(zhèn)（0.64）；土壤綜合質(zhì)量屬于Ⅲ級(jí)的有12個(gè)，分別為閻村鎮(zhèn)（0.590）、大安山鎮(zhèn)0.586）、長(zhǎng)溝鎮(zhèn)（0.582）、南窯鎮(zhèn)（0.571）、史家營(yíng)鎮(zhèn)（0.551）、石樓鎮(zhèn)（0.550）、竇店鎮(zhèn)（0.514）、周口店鎮(zhèn)（0.508）、良鄉(xiāng)鎮(zhèn)（0.483）、房山鎮(zhèn)（0.456）、佛子莊鄉(xiāng)（0.453）、河北鎮(zhèn)（0.411），占55%；Ⅳ級(jí)有3個(gè)，分別為大石窩鎮(zhèn)（0.397）、琉璃河鎮(zhèn)（0.363）、燕山地區(qū)（0.247）。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，土壤綜合質(zhì)量屬于Ⅰ級(jí)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)占9%，Ⅱ級(jí)占32%，Ⅲ級(jí)占55%，Ⅳ級(jí)占14%，Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)之和占到86%，說(shuō)明房山區(qū)土壤質(zhì)量總體處于中等水平。分析土壤綜合質(zhì)量屬于Ⅳ級(jí)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，發(fā)現(xiàn)大石窩鎮(zhèn)、琉璃河鎮(zhèn)和燕山地區(qū)的土壤存在污染情況，主要是鎘超標(biāo)，鎘的含量分別為0.16 mg/kg、0.14 mg/kg、0.23 mg/kg，超過(guò)清潔標(biāo)準(zhǔn)0.13 mg/kg，但大石窩鎮(zhèn)和琉璃河鎮(zhèn)的鎘含量未超過(guò)尚清潔的界限0.20 mg/kg，而燕山地區(qū)的鎘含量超過(guò)了尚清潔的界限，但未超出輕污染的界限0.60 mg/kg?？傮w來(lái)看，大石窩鎮(zhèn)和琉璃河鎮(zhèn)的土壤還屬于安全狀態(tài)，但燕山地區(qū)需要查清鎘來(lái)源，防治進(jìn)一步污染。

3 小結(jié)與討論

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)是為了能夠準(zhǔn)確衡量土壤肥力和土壤環(huán)境的情況。本研究采用模糊數(shù)學(xué)、層次分析法和負(fù)權(quán)重進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，充分考慮了土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的限制作用。研究發(fā)現(xiàn)，房山區(qū)的蒲洼鄉(xiāng)和霞云嶺鄉(xiāng)的土壤綜合指數(shù)高，而大石窩鎮(zhèn)、琉璃河鎮(zhèn)和燕山地區(qū)土壤綜合指數(shù)低。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，土壤綜合指數(shù)高的區(qū)域具有土壤肥力指標(biāo)高、土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)低、沒有指標(biāo)超標(biāo)的特點(diǎn)，而土壤綜合指數(shù)低的區(qū)域具有土壤肥力指標(biāo)低、土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)高、至少有1個(gè)指標(biāo)超過(guò)臨界值的特點(diǎn)。研究結(jié)果與實(shí)際調(diào)查情況相同，也驗(yàn)證了采用負(fù)權(quán)重進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的可行性，同時(shí)也給土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了一個(gè)新的思路。

本研究以北京市房山區(qū)為研究對(duì)象，選擇影響土壤質(zhì)量最核心的兩個(gè)綜合因素土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，由于這兩個(gè)綜合指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量影響不同，一般認(rèn)為土壤肥力指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生積極作用，而土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量起消極作用，屬于控制因素。本研究嘗試對(duì)正向因素和負(fù)向因素統(tǒng)一賦權(quán)重，統(tǒng)一評(píng)價(jià)，充分考慮負(fù)向因素對(duì)土壤質(zhì)量的影響，有助于提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

1）運(yùn)用層次分析法和負(fù)權(quán)重對(duì)北京市房山區(qū)的土壤肥力指標(biāo)和土壤環(huán)境指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定，得出W（有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、鎘、銅、鉛、鉻）=（0.374、0.336、0.154、0.336、-0.103、-0.038、-0.038、-0.021）。

2）利用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)和層次分析法獲得的權(quán)重，計(jì)算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，房山區(qū)土壤綜合指數(shù)區(qū)間為0.247～0.996，其中燕山地區(qū)土壤綜合指數(shù)最低（0.247），蒲洼鄉(xiāng)的土壤綜合指數(shù)最高（0.996）。

3）根據(jù)耕地地力等級(jí)的劃分范圍，北京市房山區(qū)Ⅰ級(jí)占9%，Ⅱ級(jí)占23%，Ⅲ級(jí)占55%，Ⅳ級(jí)占14%。

4）通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，土壤綜合指數(shù)高的區(qū)域具有土壤肥力指標(biāo)高、土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)低、沒有指標(biāo)超標(biāo)的特點(diǎn)，而土壤綜合指數(shù)低的區(qū)域具有土壤肥力指標(biāo)低、土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)高、至少有一個(gè)指標(biāo)超過(guò)臨界值的特點(diǎn)。

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