一種基于AHP-E模型的多因子農(nóng)藥殘留污染綜合評價方法

陳 誼，陳星如，常巧英，范春林

（1.北京工商大學食品安全大數(shù)據(jù)技術(shù)北京市重點實驗室，北京100048；2.中國檢驗檢疫科學研究院，北京100176）

農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)過程中，為了控制病蟲草害、調(diào)節(jié)植物生長速度，通常需要在農(nóng)產(chǎn)品上交替地施用多種農(nóng)藥[1]。農(nóng)藥的使用雖有助于提高產(chǎn)量，但如超標使用，將對人體健康構(gòu)成威脅，成為食品安全的一大隱患[2-3]。為保障食品安全，控制和規(guī)范農(nóng)藥的合理使用，各國政府根據(jù)國際食品法典（CAC）食品安全標準[4]及本國國情均制定了農(nóng)藥最高殘留限量（Maximum residue limit，MRL）標準[5-6]，并定期對農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留進行偵測，掌握農(nóng)藥殘留污染情況[7]。然而，如何根據(jù)偵測結(jié)果對農(nóng)藥殘留污染程度進行綜合定量評價是一個亟待解決的問題。

當前對農(nóng)產(chǎn)品受農(nóng)藥殘留污染程度評價的方法主要分為兩類：一類是針對某一類污染物進行毒性檢驗與暴露風險評估[8-9]，通過計算安全指數(shù)IFSC評價農(nóng)產(chǎn)品中某種農(nóng)藥殘留對消費者健康的影響[10]；另一類是采用單指標評價方法，通過統(tǒng)計農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥檢出頻次、檢出含量等信息，與MRL 標準進行對比得到檢出率與超標率，以反映農(nóng)產(chǎn)品受農(nóng)藥殘留污染的嚴重程度，用于對某地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留情況進行監(jiān)控[11-13]。

本文主要針對第二類評價方法提出評價模型。該類方法存在兩點不足：（1）采用農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥檢出率、超標率等指標評價農(nóng)藥殘留污染程度，只能從某一角度反映農(nóng)殘污染情況，偵測結(jié)果中其他屬性因子如檢出農(nóng)藥毒性等信息被忽略，無法全面地對農(nóng)產(chǎn)品受農(nóng)藥殘留污染情況進行分析評價[14-15]；（2）同一采樣時間包含多種農(nóng)產(chǎn)品的偵測結(jié)果，而當前方法在對某一時間段內(nèi)農(nóng)藥殘留污染情況進行評價時，采用匯總?cè)哭r(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥檢出、超標頻次，比較整體檢出率、超標率以確定農(nóng)藥殘留污染的時序變化情況[16-19]，忽略了不同采樣農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留污染的時序變化情況對各整體數(shù)據(jù)的時序分析造成的影響。

針對現(xiàn)有評價方法存在的不足，本文綜合層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）和熵值法（Entropy Method），提出一種基于AHP-E 模型的多因子農(nóng)藥殘留污染綜合評價方法，能夠綜合偵測結(jié)果中的多屬性因子，分別對農(nóng)產(chǎn)品及不同時間段的農(nóng)藥殘留污染情況進行綜合評價。

1 材料與方法

1.1 實驗數(shù)據(jù)

模型驗證實驗所用數(shù)據(jù)涉及的檢測樣品均由檢驗人員于每月對監(jiān)測區(qū)域多個采樣點隨機采樣所得，采用LC-QTOF/MS 檢測技術(shù)對采樣農(nóng)產(chǎn)品進行農(nóng)藥化學污染物檢測，匯總得到的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)集包含多種屬性：采樣地區(qū)、采樣時間、采樣農(nóng)產(chǎn)品、檢出農(nóng)藥名稱、農(nóng)藥檢出量。

1.2 農(nóng)藥屬性及污染等級劃分

檢出農(nóng)藥根據(jù)農(nóng)藥毒性可標記為低毒（L）、中毒（M）、高毒（H）、劇毒（V）。農(nóng)藥殘留檢出量與MRL標準進行對比，得到農(nóng)藥檢出頻次、農(nóng)藥超標頻次等統(tǒng)計結(jié)果，以及3 個污染等級：1 級污染（農(nóng)殘含量≥MRL）、2 級污染（0.1MRL≤農(nóng)殘含量＜MRL）、3 級污染（農(nóng)殘含量＜0.1MRL）。

1.3 實驗方法

基于AHP-E 的綜合評價方法由三部分構(gòu)成，如圖1 所示。首先進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，將農(nóng)藥偵測結(jié)果數(shù)據(jù)集、農(nóng)藥屬性數(shù)據(jù)集、MRL 標準數(shù)據(jù)集進行整合，得到用于進行農(nóng)藥殘留污染評價的數(shù)據(jù)集，并從中提取評價因子，用于對農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留污染程度進行綜合評價；其次利用層次分析法對評價因子進行層次劃分，通過構(gòu)建判斷矩陣計算因子權(quán)值，以得到各農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)殘污染指數(shù)，即農(nóng)藥殘留污染程度；最后在此基礎(chǔ)上，利用熵值法計算不同時間段內(nèi)各農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)殘污染指數(shù)的變化情況，從而確定在評價對比不同時間段的農(nóng)殘污染程度時，各農(nóng)產(chǎn)品所占的比重，以計算不同時間段的農(nóng)殘污染綜合評價結(jié)果。

圖1 農(nóng)藥殘留污染綜合評價模型AHP-EFigure 1 The comprehensive evaluation model of pesticide residue pollution

1.3.1 數(shù)據(jù)融合與評價因子選擇

根據(jù)農(nóng)殘偵測結(jié)果、農(nóng)藥屬性、MRL 標準，對數(shù)據(jù)進行融合與整理得到偵測結(jié)果原始匯總表，并選擇檢出農(nóng)藥毒性與農(nóng)殘污染等級兩個屬性作為評價因子，用于對農(nóng)產(chǎn)品受農(nóng)藥殘留污染程度進行綜合評價，共得到12個因子如表1所示。

表1 評價因子表Table 1 The evaluation factors

1.3.2 農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留污染綜合評價

為綜合多屬性因子對農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留情況進行綜合評價，采用層次分析法對污染程度進行計算。層次分析法[20]采用定量和定性相結(jié)合的方式，由專家意見根據(jù)各風險因子對評價目標的重要程度，進行兩兩對比判斷風險因子的相對重要性，進而確定因子權(quán)重。與傳統(tǒng)的專家權(quán)重法[21]直接確定因子權(quán)重相比，該方法更符合人們在確定因子重要性時存在一定的模糊性而非定量的習慣，判斷矩陣的構(gòu)建也降低了評價結(jié)果的主觀性。

根據(jù)層次分析法的結(jié)構(gòu)[22]將評價問題劃分為三部分：目標層、準則層、方案層。其中目標層為模型構(gòu)建的目的，即對農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留污染情況進行綜合評價；準則層為用于進行綜合評價的指標，根據(jù)評價因子存在的層次關(guān)系設(shè)計結(jié)構(gòu)；方案層為需要進行綜合評價的農(nóng)產(chǎn)品。利用層次分析法進行綜合評價的過程如圖1（b）所示。

（1）評價因子的層次劃分

當評價因子過多時，因子對比過程中容易出現(xiàn)相對重要性判斷不一致的情況，理想的層次分析過程中，準則層的評價因子數(shù)不超過9 個，因此本評價模型對準則層結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，將12 個評價因子分別設(shè)置在兩層準則層中，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 層次結(jié)構(gòu)圖Figure 2 The diagram of AHP model structure

（2）判斷矩陣的構(gòu)造

針對目標層的問題，構(gòu)造判斷矩陣確定評價因子權(quán)重。為定量評價因子重要性，采用矩陣標度（1～9標度法）確定因子重要性之比[23]（表2），構(gòu)建由n 個因子兩兩對比得到的判斷矩陣B=（bij）n·n，其中bij為根據(jù)表2得到的因子i和因子j的重要性之比。

（3）層次單排序

針對上一層某一因素，計算該因素下一層級各因子的權(quán)重。根據(jù)判斷矩陣B計算權(quán)重的公式為：

式中：λ為B的最大特征根，W 為對應(yīng)于λ的正規(guī)化的特征向量，記為W＝（w1w2… wi… wn），W 的分量wi為相應(yīng)元素單排序的權(quán)值。

（4）判斷矩陣一致性檢驗

為確保構(gòu)建判斷矩陣時對因子相對重要性的判斷具有一定的一致性，以進一步確定得到的特征向量能夠作為因子權(quán)重，需對判斷矩陣進行一致性檢驗，使其在一個可允許的范圍里，檢驗過程所需公式如下：

表2 判斷矩陣標度Table 2 Judgement matrix scale

式中：CI 為一致性指數(shù)；CR 為一致性比率，用于確定判斷矩陣B 的不一致性的容許范圍；n 是該層的評價因子個數(shù)，當CI=0 時，判斷矩陣B 具有一致性，否則CI 越大，B 的不一致程度越高。RI 為隨機一致性指標，由n決定，RI與n的對照如表3所示。

表3 RI與n對照表Table 3 Corresponding of RI to n

當CR＜0.1 時，表明B 的不一致程度在可允許范圍內(nèi)，則λ對應(yīng)的特征向量W 可作為綜合評價的權(quán)值向量，否則需要重新調(diào)整判斷矩陣，直至CR＜0.1。

（5）層次總排序

層次分析過程具有多層結(jié)構(gòu)，通過層次單排序計算單一元素下對應(yīng)各因子的權(quán)重，當各元素下的權(quán)重結(jié)果計算完成之后，計算模型全部評價因子的權(quán)值。計算公式為：

式中：W1為準則層1 中評價因子權(quán)值向量；W2為準則層2 中評價因子權(quán)值向量；W 為層次總排序權(quán)重矩陣，與表1 評價因子表結(jié)構(gòu)對應(yīng)。將各評價因子權(quán)重與評價數(shù)據(jù)集中各農(nóng)產(chǎn)品在該評價因子對應(yīng)等級中的檢出頻次進行加權(quán)求和，得到方案層各農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留污染綜合評價結(jié)果，即各農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)殘污染指數(shù)。

1.3.3 不同時間段的農(nóng)藥殘留污染綜合評價

為綜合不同農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)殘污染指數(shù)，對不同時間段的農(nóng)藥殘留污染情況進行綜合評價與比較，利用熵值法進行數(shù)據(jù)分析與權(quán)重計算。過程如圖1（c）所示。

（1）確定評價因子與評價目標

在對不同時間段的農(nóng)藥殘留污染情況進行綜合評價時，將農(nóng)產(chǎn)品作為評價因子，各農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)殘污染指數(shù)作為評價因子值。設(shè)定評價矩陣為：

式中：Ti指第i 個進行評價的采樣時間；xij指在采樣時間Ti時第j 個農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)殘污染指數(shù)；m 指采樣時間段數(shù)；n 指該采樣時間內(nèi)采樣農(nóng)產(chǎn)品種類數(shù)，即用于對時間段內(nèi)農(nóng)藥殘留污染情況進行綜合評價的農(nóng)產(chǎn)品數(shù)目。

（2）計算評價因子貢獻度

熵值法[24]根據(jù)因子提供信息量的重要性確定其對最終評價結(jié)果的權(quán)重[25]，在分析不同時間段內(nèi)農(nóng)藥殘留污染變化情況時，若某類農(nóng)產(chǎn)品在不同采樣時間的農(nóng)殘污染指數(shù)相差很大，則該類農(nóng)產(chǎn)品在用于比較不同時間段的農(nóng)藥殘留污染情況時具有更大的影響，應(yīng)該具有更高的權(quán)重。因此需要利用以下公式進行貢獻度的計算：

式中：Pij表示第j 個因子用于對時間段Ti進行綜合評價的貢獻度。

（3）計算因子差異系數(shù)

根據(jù)因子貢獻度，利用以下公式計算因子間的差異系數(shù)：

式中：ej為第j 個評價因子的熵值，k 為比例系數(shù)，用于確保ej∈[0，1]；dj為第j 個因子的差異系數(shù)，評價過程中，因子j 的熵值越小，其所帶有的信息量越大，得到的差異系數(shù)dj越大。

（4）確定因子權(quán)重

根據(jù)因子差異系數(shù)，計算各評價因子權(quán)重：

若dj=0，表示第j 個因子對于評價過程的影響程度可忽略不計，則其權(quán)重wj=0。

（5）計算評價結(jié)果

將各因子權(quán)重W＝[w1w2… wj… wn]與評價矩陣X 的各項進行加權(quán)求和E＝XWT＝[E1E2…Ei… Em]T，即得到采樣時間Ti的農(nóng)藥殘留污染綜合評價結(jié)果Ei。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

本文選擇A 市2013 年3—6 月的農(nóng)藥殘留偵測結(jié)果共260 條數(shù)據(jù)作為評價模型的應(yīng)用實例，綜合多因子對農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留污染情況進行評價；并以每個月為時間單位，對不同時間段內(nèi)農(nóng)作物中農(nóng)藥殘留污染情況進行綜合評價與比較。將偵測結(jié)果數(shù)據(jù)集與農(nóng)藥毒性、MRL 標準進行融合統(tǒng)計，得到用于進行農(nóng)藥殘留污染綜合評價的原始數(shù)據(jù)表。我們從260 條原始數(shù)據(jù)中選取12 條數(shù)據(jù)進行展示，如表4 所示。

根據(jù)AHP-E 模型結(jié)構(gòu)，對原始數(shù)據(jù)集進行預(yù)處理，將不同時間段中各類農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥檢出頻次根據(jù)評價因子對應(yīng)的分類情況進行統(tǒng)計，得到評價因子取值表，如表5所示。

2.1.1 農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留污染綜合評價

使用層次分析法對農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)殘污染情況進行綜合評價。根據(jù)農(nóng)藥毒性設(shè)計準則層1的判斷矩陣為：

根據(jù)農(nóng)藥檢出量的污染等級設(shè)計準則層2 的判斷矩陣為：

表4 偵測結(jié)果原始數(shù)據(jù)表（部分）Table 4 The original data of detection results（Part）

表5 評價因子取值表Table 5 Evaluation factors′ statistics

由該兩個判斷矩陣得到的單層因子權(quán)重及一致性檢驗結(jié)果如表6 所示。均滿足一致性檢驗。最后得到兩個準則層共12個評價因子的權(quán)重如表7所示。

表6 單層因子權(quán)重Table 6 Factor′s weight at each layer

將各評價因子權(quán)重與表5 中各農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥檢出頻次進行加權(quán)求和，得到綜合評價結(jié)果如圖3所示。

2.1.2 不同時間段農(nóng)藥殘留污染綜合評價

經(jīng)過層次分析法已經(jīng)得到A 市每個月各農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留污染指數(shù)，在此基礎(chǔ)上利用熵值法對不同采樣時間農(nóng)藥殘留污染情況進行綜合評價。將3—6月的全部農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留綜合評價結(jié)果代入公式（5）～公式（9），得到各農(nóng)產(chǎn)品在時間段內(nèi)農(nóng)藥殘留污染綜合評價過程中的權(quán)值，如表8所示。

將表8 中各農(nóng)產(chǎn)品權(quán)值與不同時間段內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)殘污染指數(shù)進行加權(quán)求和，得到各個時間段的農(nóng)藥殘留污染綜合評價值，如圖4 所示。偵測數(shù)據(jù)集中，A 市2013 年3—6 月農(nóng)藥殘留污染程度由高到低依次為5月、4月、3月、6月。

2.2 結(jié)果對比與討論

將用本文提出的評價模型得到的2013 年5 月農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留污染綜合評價結(jié)果與采用單屬性評價方法得到的農(nóng)殘污染統(tǒng)計結(jié)果進行對比，圖5 為A市2013 年5 月各農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)殘檢出率和農(nóng)殘超標率的統(tǒng)計結(jié)果，其中農(nóng)殘檢出率指采樣的農(nóng)產(chǎn)品樣本中，檢驗發(fā)現(xiàn)具有農(nóng)藥殘留現(xiàn)象的農(nóng)產(chǎn)品百分比，農(nóng)殘超標率指采樣的農(nóng)產(chǎn)品樣本中檢出農(nóng)藥殘留量超過國家MRL 標準的農(nóng)產(chǎn)品百分比。圖6 為A 市2013年3—6 月每個月的農(nóng)藥殘留檢出率和超標率統(tǒng)計情況。

圖3 農(nóng)產(chǎn)品受農(nóng)藥殘留污染評價結(jié)果（2013年5月）Figure 3 Evaluation results of pesticide residue pollution in agricultural products（May 2013）

表8 各時間段上農(nóng)殘污染綜合評價因子的權(quán)值Table 8 The weight of comprehensive evaluation factors for pesticide residue pollution during certain time period

圖4 A市2013年3—6月農(nóng)藥殘留污染綜合評價結(jié)果Figure 4 Evaluation results of pesticide residue contamination in city A from March to June，2013

將圖5 中的結(jié)果與圖3 結(jié)果進行對比。圖5 根據(jù)農(nóng)殘檢出率對農(nóng)產(chǎn)品進行排名，檢出率由高到低依次為黃瓜、蘋果、番茄、青椒、芹菜、韭菜；結(jié)合農(nóng)殘超標率發(fā)現(xiàn)，黃瓜、蘋果、番茄、青椒4 種農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)殘檢出率雖高，但是不存在農(nóng)殘超標情況，反而農(nóng)殘檢出率較低的芹菜、韭菜的超標率超過其余4 種農(nóng)產(chǎn)品，兩種不同單指標評價方法得到完全不同的評價結(jié)果。本文綜合多屬性因子進行綜合評價結(jié)果顯示（圖3），各農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)殘污染程度由高到低依次為：韭菜、芹菜、黃瓜、青椒、番茄、蘋果。該排名結(jié)果中，存在農(nóng)殘超標現(xiàn)象的韭菜、芹菜和農(nóng)殘檢出率較高的黃瓜均排名靠前，特別是檢出了高、劇毒農(nóng)藥的韭菜、芹菜的排名發(fā)生極大的變化，這種變化也會給予數(shù)據(jù)分析人員和監(jiān)管人員以警示。

表7 評價因子權(quán)重表Table 7 The weight of evaluation factors

圖5 單因子評價農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢出情況Figure 5 The detection result of pesticide on agriculture products with single-factor assess

圖6 單因子評價時間段內(nèi)農(nóng)藥殘留檢出情況Figure 6 The detection results of pesticide residue in different time periods with single-factor assess

將圖6中的結(jié)果與本文中圖4結(jié)果進行對比。根據(jù)農(nóng)殘檢出率和農(nóng)殘超標率對不同時間段的農(nóng)殘污染情況進行排序，發(fā)現(xiàn)得到一致性排序結(jié)果，即由高到低為5 月、4 月、3 月、6 月，各月份之間檢出率（超標率）差別較小。通過本文提出評價模型進行農(nóng)殘污染程度排序結(jié)果（圖4）與單屬性評價結(jié)果一致，但是5月農(nóng)殘污染指數(shù)遠高于其他月份，這是由于5 月農(nóng)藥檢出率較高，且部分農(nóng)產(chǎn)品較其他月份相比存在多次高、劇毒農(nóng)藥檢出情況。采用本文評價模型進行時間段的農(nóng)殘污染程度對比時，通過結(jié)合多屬性因子綜合評價，以及比較不同時間段不同采樣農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)殘污染變化情況，能夠著重突出檢測結(jié)果波動較大的時間范圍，起到警示作用。

3 結(jié)論

本文綜合農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留偵測結(jié)果的多屬性因子，構(gòu)建基于AHP-E 模型的多因子農(nóng)藥殘留污染綜合評價方法，對各類農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留污染情況進行定量的綜合評價。能夠進一步得到各時間段內(nèi)的農(nóng)殘污染綜合評價結(jié)果并進行對比。該方法同樣可以進行不同地區(qū)的農(nóng)藥殘留污染綜合評價及對比。本文將文中評價模型得到的評價結(jié)果與傳統(tǒng)單屬性評價方法進行對比，顯示本文提出的模型能夠更全面地反映農(nóng)藥殘留污染情況，并有效突出不同農(nóng)產(chǎn)品、不同時間段農(nóng)藥殘留污染程度的差距。