基于模糊數學綜合評價法的弓長嶺鐵礦區(qū)土壤環(huán)境質量研究

張曉薇 王恩德 柏易彤

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819；2.遼寧工程技術大學環(huán)境科學與工程學院，遼寧阜新123000）

遼陽弓長嶺鐵礦是遼寧省近40 a來發(fā)現的最大富鐵礦，也是我國迄今發(fā)現的繼海南石碌鐵礦之后的第二大富鐵礦。該鐵礦歷經多年的開采，礦區(qū)環(huán)境承受能力不斷減弱，累積性的土壤污染問題日益突出，以Cu、Cd、Zn、Pb、Cr等為主的重金屬污染嚴重［1-2］。由于土壤重金屬污染具有持久性、隱蔽性和不可逆性等特點，一旦遭受重金屬污染，便難以消除［3］。開展重金屬污染土壤的環(huán)境質量評價，一方面可以了解土壤重金屬污染的程度和現狀，并以直觀的數學方式表達出來，有利于進行科學、客觀的判斷；另一方面可以針對現有的情況，進行合理的農業(yè)和工業(yè)生產布局，維護周邊居民的生存環(huán)境，同時有計劃、有步驟地開展防治和修復工作。土壤環(huán)境質量評價是進行土壤環(huán)境保護、實施土壤環(huán)境綜合整治的基礎工作。

傳統土壤環(huán)境質量評價方法有單因子污染指數法、內梅羅指數法、地累積指數法［4-6］、潛在生態(tài)危害指數法［7-8］等，但這些方法在描述土壤污染這個復雜綜合體系的模糊性和漸變性時均有不足［9］。模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評價方法。該綜合評價法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價。該方法能通過相對隸屬度描述分類的界限，準確詮釋土壤環(huán)境狀況以及級別劃分的模糊性，客觀地反映綜合土壤環(huán)境質量狀況，具有結果清晰、系統性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決［10-13］。

前期的研究表明，弓長嶺鐵礦區(qū)重金屬污染主要以Cu、Cd、Zn、Pb、Cr為主［2，14］。因此，本研究以此5種重金屬以及有機質（OM）、全氮（TN）、堿解氮（AN）、全磷（TP）、速效磷（OP）等土壤養(yǎng)分為主要因子，采用模糊綜合評價法，對遼陽弓長嶺鐵礦區(qū)土壤環(huán)境質量進行詳細評價，為后期生態(tài)修復方案的選擇提供理論指導。有關該礦區(qū)生態(tài)修復方面的研究成果將在后續(xù)論文中進行報道。

1 研究區(qū)概況

弓長嶺鐵礦位于遼寧省中部，屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫8.4℃，年降水量708 mm、蒸發(fā)量 1 107 mm［15］。礦區(qū)總面積110 km2，露天采場4個，占用土地35 km2，同時還形成尾礦庫及排土場等大面積廢棄物堆存地，嚴重破壞了當地生態(tài)環(huán)境［16］。

2 樣品采集與測定

2.1 樣品采集及預處理

樣品采自獨木采區(qū)、露天礦、馮家尾礦、安平尾礦、蘇安大街、茨溝村、湯河區(qū)等7處，共22個采樣點。根據采樣區(qū)類型，樣點大致可分為露天采場區(qū)、尾礦區(qū)、河流底泥區(qū)、采場周邊土壤區(qū)等4類。采樣區(qū)具體地理位置分布見圖1。

采樣時，按S形線路，每個采樣點采集0～30 cm厚的新鮮巖土，經混勻、縮分得1 kg樣品供測試分析。土壤樣品則需去除作物根系和石礫等雜質，并自然風干、研磨、過100目篩后供測試分析。

2.2 樣品分析和測定

采用電位法對土壤的酸堿值進行測定，重鉻酸鉀容量法測定土壤OM，土壤中的TN采用半微量開氏法測定，用堿解擴散法測定AN，TP采用硫酸-高氯酸消煮法，土壤OP采用碳酸氫鈉浸提法測定。重金屬含量的測定，采用混酸（HF-HNO3-HClO3）微波消解，3%的稀硝酸溶液稀釋定容后，用電感藕合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-AES）進行分析測定。

3 土壤質量結果分析與評價

3.1 構建評價因子集和評價標準集

試驗選擇最常用的土壤養(yǎng)分評價因子OM、TN、AN、TP、OP作為土壤養(yǎng)分因素集，根據全國第二次土壤普查規(guī)定的5個土壤養(yǎng)分等級確定土壤養(yǎng)分評價標準集［17］。選擇鐵礦區(qū)最常見的幾種重金屬Cu，Zn，Pb，Cr，Cd為土壤重金屬評價因子集（遼陽地區(qū)的背景值分別為24.57、59.84、22.15、57.66、0.16 mg/kg），根據土壤環(huán)境質量標準（GB15168—1995）確定土壤重金屬污染評價標準集［18］。各采樣點土壤中養(yǎng)分及重金屬含量見表1。

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3.2 隸屬度計算

隸屬度是通過構造等級模糊子集把反應評價事物的模糊指標進行量化的函數，因此，隸屬度是用來描述土壤污染狀況的模糊界線，是進行模糊運算所必須的函數。設土壤環(huán)境質量分為j個級別，各級別的隸屬度函數rij可以表示為［19］：

（1）土壤環(huán)境質量為一級（j=1）時的

（2）土壤環(huán)境質量為二級到四級（1＜j＜5）時的

（3）土壤環(huán)境質量為五級（j=5）時的

式中，rij表示第i種評價因子隸屬第j等級的隸屬度；Ci表示土壤中第i種因子的實測濃度，mg/kg；Sij表示第i種因子第j等級的標準濃度，mg/kg。

3.3 權重計算

在模糊綜合評判中所設計的各項因子對土壤的質量影響不同，因此，需要對各評價因子賦予不同的權重，來展示各評價因子在該研究區(qū)域中所起到的作用強度。運用污染值法計算的各污染因子權重

式中，ai表示第i個污染因子的權重值；Si表示為各級土壤環(huán)境質量標準值的平均值，mg/kg。

根據計算出的各評價因子的單向權重得出的歸一化權重［20］見表2。

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3.4 模糊綜合評價

為了避免“取大取小”運算法可能帶來的重要信息丟失，且權重的作用在該運算中體現不明顯的缺點，選擇加權平均型算法計算的隸屬度

式中，bj表示第j等級的隸屬度，由bj可得到各區(qū)域土壤環(huán)境質量的模糊綜合評價結果向量，然后根據模糊綜合指數法原則，模糊綜合評價結果向量與等級標準向量合成得到模糊綜合指數F，F=Y·S，其中F為模糊綜合評價指數，Y為模糊綜合評價結果向量，S為等級標準向量，S=［35 50 65 80 95］。根據F值所屬范圍確定弓長嶺鐵礦區(qū)各區(qū)域土壤養(yǎng)分和重金屬模糊綜合評價等級結果見表3。

由表3可知：①礦區(qū)因開采導致重金屬污染較嚴重，但各采樣點土壤養(yǎng)分評價結果大多數為豐富（Ⅴ），并未受到重金屬污染的影響。②結合表2的權重值可知，TN對土壤養(yǎng)分評價結果影響最大，其次為OM，AN、TP和OP的權重偏小，說明雖然礦區(qū)土壤養(yǎng)分整體比較豐富，但供植物快速有效利用的成分較低。③計算得礦區(qū)土壤重金屬污染在清潔（I）、尚清潔（II）、輕污染（III）、中污染（IV）、重污染（V）的隸屬度分別為0.017、0.064、0.108、0.052和0.758，重污染的隸屬度最大，即礦區(qū)總體處于重金屬重污染水平。④由5種重金屬的歸一化權重大小可以看出，5種重金屬的權重大小順序為Cd＞Cu＞Cr＞Pb＞Zn，其中污染因子Cd的權重超過其他污染因子權重總和，說明該礦區(qū)Cd污染最為嚴重。而Pb、Zn的權重值很小，基本可以忽略不計，說明該礦區(qū)Pb、Zn污染很小或者無污染，對土壤環(huán)境質量的影響最小。所以，該弓長嶺鐵礦區(qū)主要污染因子為Cd、Cu、Cr。

將該研究結論與傳統的利用地累積指數法和富集因子法研究的礦區(qū)重金屬污染程度評價結論進行對比，結果見表4。

由表4可知，3種方法的評價結果基本一致，說明模糊數學綜合評價法適用于礦區(qū)土壤環(huán)境質量評價。

4 研究結果分析

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從重金屬全量看，礦區(qū)5種重金屬元素全量均高于遼陽土壤背景值。其中，Cd含量最高，超過90%的點位Cd含量超過國家土壤環(huán)境質量三級標準，露天采場和尾礦庫含量平均值分別為11.50 mg/kg和5.20 mg/kg，最高達到了15.83 mg/kg；約有73%的點位Cu含量超過國家土壤環(huán)境質量二級標準，露天采場和尾礦Cu含量較高，采場周邊土壤4個點位（編號17、18、19、22）銅含量異常高，平均達241.8 mg/kg，具體原因有待后期詳細探索；Zn、Pb、Cr的含量較低，因此，建議在進行土壤環(huán)境恢復時，重點針對Cd、Cu污染采取相應措施，以達到在較小的投入情況下實現較好的恢復效果。

從采樣區(qū)整體空間分布來看，露天采場重金屬污染最嚴重，其次為尾礦庫，再到河流底泥及周邊土壤，5種重金屬平均含量呈降低趨勢，說明重金屬含量明顯受人為開采活動的影響。從露天采場向外，重金屬Cd污染的權重逐漸降低，其他4種重金屬污染的權重平均值呈增大的趨勢，這是由于Cd的權重降低，而總和不變，所以其他4種重金屬權重增大。需要特別指出的是，露天采場和尾礦庫的pH值較小，特別是尾礦庫，部分點位土壤的pH甚至小于6.0，這主要是由于區(qū)內黃鐵礦等硫化礦物發(fā)生氧化，生成了酸，這些酸的生成又促進了重金屬離子的溶出，加劇了露天采場和尾礦庫的重金屬污染［21］。就土壤養(yǎng)分的5個評價因子而言，OM、TN、TP的權重平均值變化規(guī)律性不強，但是，從露天采場開始，向外延伸過程中，AN、OP的權重平均值逐漸增大，說明供植物吸收利用的養(yǎng)分含量逐漸增多，逐漸適宜植物種植。

從礦區(qū)整體污染水平來看，露天采場和尾礦庫重金屬污染最嚴重，是礦山污染環(huán)境恢復的重點和難點。對于這2個區(qū)域，可以先使用農藝法調節(jié)土壤的pH、有機質、質地等因素，改變土壤重金屬活性，降低其生物有效性，減少對植物的毒害，使先鋒植物能進入，使污染土壤向良性發(fā)展［22］。當土壤質地稍微變好后再利用植物修復，引入超富集植物或高耐性植物，利用植物吸收、揮發(fā)和固定降低重金屬的毒性，以達到清除污染的目的。在經過多年修復的恢復區(qū)或土壤污染低的地區(qū)可以種植經濟作物，實現經濟、社會、環(huán)境和諧發(fā)展。

5 結論

（1）弓長嶺鐵礦區(qū)土壤重金屬污染嚴重，Cd為最主要的污染因子，對土壤環(huán)境質量的影響最大，其次為Cu和Cr，而Pb、Zn為無污染或輕度污染，對土壤環(huán)境質量的影響最小。因此，在后期礦區(qū)污染監(jiān)控和生態(tài)修復過程中，應著重關注Cd污染。

（2）礦區(qū)內土壤養(yǎng)分豐富，TN含量對土壤環(huán)境質量的影響最大，但是土壤中AN、TP和OP等能被植物快速有效利用的養(yǎng)分含量較低，不適于植物種植。因此，在后期礦區(qū)生態(tài)修復之前應人工施加肥料，調節(jié)養(yǎng)分結構。

（3）該研究給出了礦區(qū)的基本生態(tài)特征和風險評價結果，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境改善和治理提供了科學參考。受篇幅所限，礦區(qū)生態(tài)修復與污染治理研究將在后續(xù)報道。