基于區(qū)間數(shù)排序法的農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

王曉飛，鄧超冰，尹 娟，許桂蘋，鄧渠成

1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004 2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西 南寧 530028 3.廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院管理科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 南寧 530003 4.澳洲國立大學(xué) 克勞福德公共政策學(xué)院，堪培拉 541004

基于區(qū)間數(shù)排序法的農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004 2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西 南寧 530028 3.廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院管理科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 南寧 530003 4.澳洲國立大學(xué) 克勞福德公共政策學(xué)院，堪培拉 541004

將土壤中重金屬濃度以區(qū)間形式表示，運(yùn)用土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析模型得出風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間。為區(qū)分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并引入?yún)^(qū)間數(shù)排序法，建立了一種基于不確定性的區(qū)間數(shù)排序法的土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。運(yùn)用該模型對不同研究區(qū)域土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和同一研究區(qū)域土壤中不同重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，A采樣區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)最大，其區(qū)間排序向量為0.275 5，區(qū)間向量排序?yàn)锳>B>D>E>C，與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)排序結(jié)果一致。區(qū)間數(shù)排序法考慮到評(píng)價(jià)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)量化結(jié)果更加客觀直觀，為風(fēng)險(xiǎn)管理提供較為精確的理論依據(jù)。

重金屬；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；區(qū)間數(shù)排序法；農(nóng)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(nóng)田土壤重金屬的污染已受到人們的廣泛關(guān)注[1-2]。工業(yè)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(jìn)入土壤環(huán)境系統(tǒng)中不斷累積，由于重金屬形態(tài)多變，且具有隱蔽性、不可生物降解性和富集性等特點(diǎn)[5]，一旦重金屬過量累積，極易導(dǎo)致農(nóng)田土壤肥力下降、作物減產(chǎn)和質(zhì)量降低[6-8]，并通過食物鏈進(jìn)一步危害人體健康[9-11]。因此，深入分析農(nóng)田土壤重金屬污染來源[12]、空間分布特征[13]，對其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)做出正確分析[14-15]，對于及時(shí)有效開展農(nóng)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法很多，通常采用方法包括單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法[16]、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[17]、污染負(fù)荷指數(shù)法[18]、地質(zhì)累積指數(shù)法[19]、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)法[20]；而基于特定數(shù)學(xué)模型的方法包括層次分析法[21]、模糊數(shù)學(xué)法[22]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[23]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[24]、物元分析法[25]、屬性識(shí)別模型[26]、支持向量基法[27]等。指數(shù)法采用明確的界限對重金屬污染情況進(jìn)行區(qū)分和量化，未考慮到評(píng)價(jià)過程中的不確定性，而不確定性在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中不可忽視[28]，模型法考慮環(huán)境質(zhì)量的模糊性等特征，所得結(jié)果相對真實(shí)可靠，但也會(huì)存在信息丟失等現(xiàn)象。而區(qū)間數(shù)是能反映污染物濃度范圍的一種數(shù)學(xué)方法，避免由于使用均值而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差，其已經(jīng)在水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中得到應(yīng)用[29-32]。本文引進(jìn)區(qū)間數(shù)排序法并建立基于區(qū)間排序法的土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析模型，且將該模型應(yīng)用到環(huán)江污染農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析中，對各研究區(qū)域的總風(fēng)險(xiǎn)和同一研究區(qū)域不同重金屬元素進(jìn)行排序，為風(fēng)險(xiǎn)管理提供更加準(zhǔn)確的信息。

1 基于區(qū)間數(shù)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析模型

目前，大部分評(píng)價(jià)采用重金屬濃度的均值進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(qū)間數(shù)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(jīng)典的Hakanson的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法模型。基于區(qū)間數(shù)的Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型計(jì)算公式[33]：

(1)

(2)

(3)

1.1區(qū)間排序法

本研究以區(qū)間數(shù)的形式表示土壤中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，通過可能度方法對區(qū)間數(shù)進(jìn)行排序，為風(fēng)險(xiǎn)管理提供較為精確的理論依據(jù)。

1.2基本概念及理論

區(qū)間排序法的基本概念[34-35]如下：

1.3模糊互補(bǔ)矩陣排序中轉(zhuǎn)法(MTM)

根據(jù)參考文獻(xiàn)，基于可能度的區(qū)間數(shù)排序方法是建立在模糊互補(bǔ)判斷矩陣排序法方法上?？赡芏染仃囀悄：パa(bǔ)判斷矩陣。因此，利用中轉(zhuǎn)法對區(qū)間數(shù)進(jìn)行排序。

2 不同研究區(qū)域土壤重金屬污染評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

2.1研究區(qū)域

土壤樣品采集區(qū)域位于廣西環(huán)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(nèi)有豐富的鉛鋅等礦產(chǎn)資源。2001年遭遇特大暴雨，引發(fā)鉛鋅金屬礦區(qū)尾砂壩坍塌，造成近萬畝農(nóng)田受到重金屬污染。通過采集該地區(qū)的土壤，選取沿著大環(huán)江流域A、B、C、D、E 5個(gè)采樣區(qū)域，對其土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

研究將土壤中重金屬濃度以區(qū)間形式表示，運(yùn)用土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析模型得出風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間。為區(qū)分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并引入?yún)^(qū)間數(shù)排序法，建立了一種基于不確定性的區(qū)間數(shù)排序法的土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。運(yùn)用此模型對不同研究區(qū)域土壤重金屬污染進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

2.2樣品分析與質(zhì)量控制

2014年11月3—7日，根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2204)，采集廣西大環(huán)江流域5個(gè)農(nóng)業(yè)活動(dòng)區(qū)農(nóng)田土壤樣品。采用雙對角線法采集農(nóng)田土壤混合樣，首先，分別采集各分點(diǎn)樣品(采樣深度0～20 cm)，然后將各分點(diǎn)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(jì)采集土壤樣品38個(gè)。將采集的土壤樣品裝布袋運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，置于通風(fēng)避光干燥的地方自然風(fēng)干，剔除其中的碎石塊和甘蔗根莖等雜質(zhì)，將風(fēng)干的土樣粗磨后再用瑪瑙研缽細(xì)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(zhì)譜儀(美國)測定，使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSS-14、GSS-16)進(jìn)行質(zhì)量控制，回收率為95%～105%。為保證儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，在用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定消解液中的重金屬含量時(shí)，每10個(gè)樣品反測一次標(biāo)樣。

2.3參數(shù)選擇

由于中國地域遼闊，土壤分布類型復(fù)雜，為能準(zhǔn)確反映當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，本節(jié)選取7種重金屬進(jìn)行研究，分別為Cu、Zn、Pb、Cd、As、Cr、Ni。在基于區(qū)間數(shù)的Hakanson生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型中，各種重金屬的毒性系數(shù)[36]和土壤重金屬背景值[37]見表1。7種重金屬的測定結(jié)果見表2。

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

表2 研究區(qū)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(xù)表mg/kg

2.4監(jiān)測結(jié)果

分別選取大環(huán)江流域沿岸A、B、C、D、E 5個(gè)采樣區(qū)甘蔗農(nóng)田土壤中的7種重金屬進(jìn)行監(jiān)測。將土壤重金屬污染物濃度進(jìn)行區(qū)間化(表3)。

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

2.5結(jié)果與分析

2.5.1 綜合風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)基于區(qū)間數(shù)的Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型〔公式(1)～公式(3)〕、表1、表2求出各采樣區(qū)各種重金屬的風(fēng)險(xiǎn)值，并求出各采樣區(qū)土壤中7種重金屬的總風(fēng)險(xiǎn)值(表4)。

表4 不同研究區(qū)域總風(fēng)險(xiǎn)Table 4 The total risk in different the study area

2.5.2 各研究區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間數(shù)排序法

設(shè)A、B、C、D、 E 5個(gè)采樣區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)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(jù)區(qū)間數(shù)排序法，求出其可能度矩陣Pij。

(4)

經(jīng)計(jì)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?？梢?，風(fēng)險(xiǎn)值排序?yàn)锳>B>D>E>C。

2.5.3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計(jì)算

運(yùn)用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對各采樣區(qū)污染指數(shù)值進(jìn)行分級(jí)計(jì)算，依據(jù)污染指數(shù)值進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的等級(jí)區(qū)分。計(jì)算5個(gè)采樣區(qū)的綜合污染指數(shù)，結(jié)果見表5。

表5 兩種方法的對比結(jié)果Table 5 The results of Nemerow Pollution Index

按照內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，其污染程度大小排序?yàn)锳>B>D>E>C。由表5可見，兩種方法計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)大小排序是一致的，證明本研究方法可行。內(nèi)梅羅污染指數(shù)法是樣品的均值和最大值進(jìn)行計(jì)算，區(qū)間排序法涵蓋了所有樣品在質(zhì)控條件下土壤重金屬的區(qū)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(xiàn)比例和地理空間差異等多種不確定因素的影響，具有較強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。故區(qū)間數(shù)排序向量法能夠更加精確地反映各采樣區(qū)風(fēng)險(xiǎn)的大小及排序。

3 結(jié)論

1)基于區(qū)間排序法的不同研究區(qū)域土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型評(píng)價(jià)結(jié)果可知，其區(qū)間排序向量排序?yàn)锳>B>D>E>C，A采樣區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)最大，其區(qū)間排序向量為0.275 5。這是由于研究區(qū)域A上游分布著鉛鋅等眾多有色金屬礦區(qū)。2001年，特大洪水沖毀部分選礦企業(yè)和尾礦庫，大量尾礦隨洪水淹沒該農(nóng)田，造成大量尾礦砂積累，引起土壤中重金屬含量增高，導(dǎo)致重金屬污染，如要恢復(fù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)需開展土壤重金屬污染修復(fù)，其他研究區(qū)域B、C、D、E均處于環(huán)江沿岸，同樣遭受重金屬不同程度的污染。

2)將基于區(qū)間排序法的不同研究區(qū)域土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型評(píng)價(jià)結(jié)果與內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比，兩種方法所得到的評(píng)價(jià)順序是相同的，均為A>B>D>E>C。通過區(qū)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)量化結(jié)果更加客觀直觀，為風(fēng)險(xiǎn)管理提供較為精確的理論依據(jù)。

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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(xué)基金項(xiàng)目“西江流域水環(huán)境重金屬污染機(jī)制與調(diào)控”(2013GXNSFEA053001)；廣西自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“基于鎘、砷污染農(nóng)田安全利用的生態(tài)修復(fù)研究”(2015GXNSFEA139001)；廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院管理科學(xué)與工程學(xué)院開放性課題“基于無人機(jī)遙感的內(nèi)陸水環(huán)境應(yīng)急監(jiān)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