改進(jìn)物元分析法在農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

李植花 趙昕

摘要 [目的]進(jìn)一步探討鉛鋅礦區(qū)的開采對(duì)農(nóng)田土壤中重金屬的污染狀況以及危害程度。[方法]以廣西環(huán)江某鉛鋅金屬尾礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤作為研究對(duì)象，測(cè)定了重金屬Cu、Zn、Pb、Cd含量，并對(duì)農(nóng)田土壤樣品重金屬測(cè)定結(jié)果分別采用改進(jìn)物元分析法、傳統(tǒng)物元分析法以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和分析危害程度。[結(jié)果]改進(jìn)物元分析法中中度污染程度以上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)占85.72%；傳統(tǒng)物元分析法中不符合級(jí)別程度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)占85.72%；潛在生態(tài)危害指數(shù)法中嚴(yán)重級(jí)別以上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)占85.72%。[結(jié)論]鉛鋅金屬礦區(qū)尾砂壩坍塌對(duì)周邊農(nóng)田土壤造成重金屬污染危害。

關(guān)鍵詞 物元分析法；熵權(quán)系數(shù)法；土壤重金屬；污染評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）09-0227-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.064

Abstract [Objective] The research aimed to further explore the pollution of heavy metals in farmland soils by the exploitation of PbZn mining area and the degree of its harm. [Method] Takeing the farmland soil around a PbZn metal tailing area in Huanjiang of Guangxi as the research object， the content of Cu， Zn， Pb and Cd were determined. The results of the determination of heavy metals in farmland soil samples were comprehensively evaluated and analyzed by means of improved matterelement analysis， traditional matterelement analysis and potential ecological hazard index method. [Result]The monitoring points of improving the degree of moderate pollution in the matterelement analysis method accounted for 85.72%； the monitoring point of nonconforming level in the traditional matterelement analysis was 85.72%； the potential ecological Hazard index method had 85.72% of the monitoring points above the severity Level.[Conclusion]The collapse of tailings dam in PbZn metal mining area caused heavy metal pollution to surrounding farmland soil.

Key words Matter element analysis method；Entropy weight coefficient method；Soil heavy metals；Pollution assessment

土壤資源是保障人類賴以生存和繁衍的主要資源之一，因此在人類生活和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著不可獲取的重要作用[1]。土壤重金屬污染所引起的環(huán)境問題已被國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者廣泛關(guān)注[2-5]。而在農(nóng)田土壤中主要的重金屬污染元素有8種[6]，其中Pb、Cd、Cr、Hg、As元素的生物毒性最顯著，Cu、Zn、Ni元素也具有一定的毒性[7-8]。這些具有潛在毒性的重金屬元素直接作用于土壤生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品、地表水等方式滲透在土壤中，通過日積月累的存留、遷移，并經(jīng)過農(nóng)作物等相關(guān)食物鏈方式傳遞并累積，直接或間接地對(duì)人體的健康造成危害。 被重金屬元素污染的土壤容易受到外界條件下進(jìn)入大氣和水體中，造成大氣、水體及生態(tài)系統(tǒng)污染退化等環(huán)境問題[9-10]。然而，土壤重金屬污染相比于其他污染具有隱蔽性、易遷移以及長(zhǎng)期性等特點(diǎn)，并且其不能完全被土壤生物分解或消失，其危害更大，更難以進(jìn)行土壤修復(fù)和治理。

目前針對(duì)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)的研究現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者均提出了不少方法，如蔡小冬[11]對(duì)耕地耕層的土壤重金屬污染進(jìn)行污染評(píng)價(jià)采用改進(jìn)的層次分析法，但該方法還沒有達(dá)到理想的結(jié)果；張敏等[12]對(duì)土壤健康評(píng)價(jià)采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，但該方法在土壤健康中應(yīng)該考慮環(huán)境質(zhì)量的模糊性，并且存在丟失信息的風(fēng)險(xiǎn)，所得結(jié)果主要是依據(jù)決策者的偏好和人為主觀因素來判斷。因此，該研究應(yīng)用Hakanson提出制定的重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)[13]，并結(jié)合熵權(quán)系數(shù)法對(duì)物元分析法中的權(quán)重進(jìn)行改進(jìn)，提出了熵權(quán)毒性概念。改進(jìn)的評(píng)價(jià)方法可從整體上反映土壤中重金屬元素濃度超標(biāo)的情況及其毒性效應(yīng)在評(píng)價(jià)級(jí)別中的占比和主要影響。筆者主要以廣西某鉛鋅金屬礦區(qū)尾砂壩的農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，對(duì)該區(qū)域的土壤污染狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并根據(jù)研究結(jié)果制定具有針對(duì)性的措施和方案，以期為廣西某鉛鋅金屬礦區(qū)尾砂壩的農(nóng)田土壤管理部門提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況與樣品采集

研究區(qū)域環(huán)江毛南族自治縣位于廣西西北部黔中高原南部邊緣的斜坡地帶地理位置，其主要地形地貌為北高南低、四周山嶺綿延，海拔149～1 693 m，年平均氣溫為19.9 ℃，年降水量為1 750 mm以及空氣平均濕度為79%，屬于熱帶季風(fēng)性氣候。因廣西環(huán)江某鉛鋅金屬礦區(qū)尾砂壩坍塌，使得該區(qū)域大面積的農(nóng)田受到重金屬污染，為此對(duì)該區(qū)域污染的農(nóng)田土壤進(jìn)行樣品采集測(cè)定，樣品的監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要取自受污染面積較大的典型污染區(qū)。

1.2 樣品處理與測(cè)定

采集好的土壤樣品放置在溫室條件下自然風(fēng)干，篩選出碎石并進(jìn)行研磨，分別用830、150 μm進(jìn)行分析測(cè)定。采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)法和ICP-MS對(duì)重金屬元素Cu、Zn、Pb、Cd的含量分別進(jìn)行消解以及測(cè)定，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的重金屬元素Cu、Zn、Pb、Cd的測(cè)定結(jié)果如表1所示，其毒性系數(shù)分別為5、1、5、20。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0進(jìn)行處理和分析。

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。由于該區(qū)域地形及土壤分布類型復(fù)雜，該研究主要結(jié)合《廣西壯族土壤環(huán)境背景值的圖集》[14]和《土壤環(huán)境指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618—1995）以及有關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)土壤重金屬等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分（表2）。

1.4.2 改進(jìn)物元分析法。

物元分析法是我國(guó)著名的蔡文教授[15]獨(dú)創(chuàng)的一門新型學(xué)科，并通過30多年的探討和研究，現(xiàn)如今已經(jīng)形成了一套完整體系，并在理論和實(shí)踐等方面發(fā)揮了重要作用。物元分析法是研究解決不相容問題的新興學(xué)科，即是思維學(xué)科、系統(tǒng)學(xué)科以及數(shù)學(xué)3門學(xué)科的交叉邊緣學(xué)科，其原理是利用“事物名稱、特征、量值”組成物元模型三要素對(duì)事物進(jìn)行描述，通過關(guān)聯(lián)度來表示元素與集合關(guān)系，分析其變化規(guī)律來解決不相容問題，適用于多指標(biāo)評(píng)價(jià)。由于物元分析法廣泛應(yīng)用于生態(tài)健康評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等方面的級(jí)別劃分，但在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)的應(yīng)用較少，尤其是土壤重金屬元素本身自帶生物毒性特征，對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，然而土壤重金屬涉及面較廣，其評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，單一指標(biāo)的評(píng)級(jí)結(jié)果具有矛盾性和不相容性，而物元分析法正是解決單一評(píng)價(jià)指標(biāo)存在不相容問題。

1.4.2.1 構(gòu)建土壤重金屬污染物元分析模型。

1.4.2.4 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重（熵權(quán)毒性）。

指標(biāo)權(quán)重取值范圍對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有著較大影響，因此指標(biāo)權(quán)重的確定在整個(gè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)占主導(dǎo)地位。目前，計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的方法主要有層次分析法[18]，但是層次分析法極易受人為主觀因素的影響，為了減少這一因素的影響，該研究對(duì)熵權(quán)系數(shù)法中的權(quán)重進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而對(duì)物元分析法進(jìn)行改進(jìn)。熵權(quán)系數(shù)法是一種不僅避免人為主觀因素的干擾，還能根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)自身攜帶的信息確定出每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，是一種客觀的賦權(quán)方法。由此，熵權(quán)系數(shù)法根據(jù)重金屬在土壤中的毒性特點(diǎn)，對(duì)權(quán)重進(jìn)行改進(jìn)，并提出熵權(quán)毒性概念，使改進(jìn)權(quán)重既包含了毒性的信息，又彌補(bǔ)熵權(quán)方法中權(quán)重計(jì)算的不足，還增加了權(quán)重的合理性和準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量及污染程度分析

由表3可知，農(nóng)田土壤中重金屬表現(xiàn)出較大的差異，Cu、Zn、Pb、Cd的含量分別為7.598～38.674、94.210～848.196、192.429～1363.227、0.104～1.980 mg/kg，其相差分別為Cu 5.09倍、Zn 9.00倍、Pb 7.08倍、Cd 19.04倍，說明4種重金屬在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的空間分異大；平均值分別為27.990、620.276、823.992、1.003 mg/kg，4種重金屬均超過了廣西土壤背景值，說明該區(qū)域的農(nóng)田土壤受到鉛鋅礦的重金屬污染較為嚴(yán)重。根據(jù)變異系數(shù)原則[22]，變異系數(shù)從大到小依次為Cd、Cu、 Pb、 Zn，4種重金屬均屬于中等變異性，其中，Cd的變異系數(shù)最高，說明不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)Cd元素含量變化差異明顯，離散性越大。農(nóng)田土壤樣品中除了Cu元素的平均含量較接近于廣西土壤背景值外，Zn、Pb、Cd元素的平均含量均超過了廣西土壤背景值，超標(biāo)率從大到小依次為Pb、Zn、Cd、Cu。說明近幾年來廣西某鉛鋅礦周邊的農(nóng)田土壤中Zn、Pb、Cd均有富集存在，且Pb元素全部超標(biāo)，其富集程度最大，而Cu元素基本無富集。

2.2 土壤重金屬的改進(jìn)物元分析評(píng)價(jià)

對(duì)土壤重金屬污染構(gòu)建改進(jìn)物元分析模型，分別計(jì)算該區(qū)域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合關(guān)聯(lián)度及對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染程度劃分等級(jí)（表4）。根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、3在（0，1）之間，且由最大關(guān)聯(lián)度原則，監(jiān)測(cè)點(diǎn)中2、3的綜合關(guān)聯(lián)度分別為0.174 5、0.142 3，其分別處于Ⅰ級(jí)和Ⅳ級(jí)（清潔和中度污染），即監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、3符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象要求；根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其他5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合關(guān)聯(lián)度均小于0，即監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、4、5、6、7均不符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象要求，但5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均具備轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的條件，并且監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、4、5、6、7的關(guān)聯(lián)度越大，越容易轉(zhuǎn)化；土壤中監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染等級(jí)比例分別為不符合污染等級(jí)71.44%、清潔14.28%、中度污染14.28%，說明該研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤普遍受到重金屬污染，且污染情況較為嚴(yán)重。

2.3 土壤重金屬的傳統(tǒng)物元分析評(píng)價(jià)

表5為土壤重金屬的傳統(tǒng)物元分析法及其污染等級(jí)評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2在（-1，0）之間，并由最大關(guān)聯(lián)度原則，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的綜合關(guān)聯(lián)度為-0.342，其處于Ⅲ級(jí)別（輕度污染），即采樣點(diǎn)2符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的要求；而監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、3、4、5、6、7的綜合關(guān)聯(lián)度均小于-1，由最大關(guān)聯(lián)度和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、3、4、5、6、7均不符合被評(píng)價(jià)級(jí)別，且又不具備轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的條件；土壤中監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染等級(jí)比例分別為不符合污染等級(jí)85.72%、輕度污染14.28%，說明該研究區(qū)域的農(nóng)田土壤受到重金屬污染，且污染較為嚴(yán)重。

2.4 土壤重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)

根據(jù)潛在生態(tài)危害指數(shù)法[23]和其危害程度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[24]，表6列出了農(nóng)田土壤中重金屬元素危害指數(shù)和危害綜合指數(shù)的結(jié)果。由表6可知，Cu、Zn、Pb、Cd元素的均值分別7.428、11.025、233.690、297.758，根據(jù)潛在危害指數(shù)法標(biāo)準(zhǔn)，Cu和Zn均屬于輕微生態(tài)危害元素，而Pb和Cd均屬于嚴(yán)重生態(tài)危害元素，其中Cd元素的生態(tài)危害生態(tài)指數(shù)大于其他重金屬元素；農(nóng)田土壤研究區(qū)域的潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)均值為548.616，屬于嚴(yán)重生態(tài)危害。因此，在整體污染中，輕微危害級(jí)別占14.28%，較重危害級(jí)別42.86%，嚴(yán)重危害級(jí)別占42.86%。

3 結(jié)論

應(yīng)用改進(jìn)物元分析法、傳統(tǒng)物元分析法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)研究某鉛鋅金屬礦區(qū)尾砂壩坍塌的農(nóng)田土壤重金屬進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)域農(nóng)田土壤中各重金屬元素的改進(jìn)物元分析法監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染級(jí)別比例分別為不符合污染等級(jí)71.44%、清潔14.28%、中度污染14.28%，說明該研究區(qū)域農(nóng)田土壤普遍受到重金屬污染，污染情況較為嚴(yán)重且污染范圍較普遍。

（2）研究區(qū)域農(nóng)田土壤中各重金屬元素的傳統(tǒng)物元分析法監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染級(jí)別比例分別為不符合污染等級(jí)85.72%、輕度污染14.28%，說明該研究區(qū)域農(nóng)田土壤受到重金屬污染且污染較為嚴(yán)重，與改進(jìn)物元分析法的結(jié)果基本相一致。

（3）研究區(qū)域農(nóng)田土壤中各重金屬元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)法可知，Cu、Zn、Pb、Cd元素的均值分別7.428、11.025、233.690、297.758，表明Cd元素的潛在危害最為嚴(yán)重，依次是Pb、Zn、Cu元素。潛在綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)法值表明，農(nóng)田土壤中85.72%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在嚴(yán)重級(jí)別以上的綜合潛在危害程度，其結(jié)果與改進(jìn)物元分析法、傳統(tǒng)物元分析法結(jié)果相一致，說明鉛鋅金屬礦區(qū)尾砂壩坍塌對(duì)周邊農(nóng)田土壤造成重金屬污染危害，其次，說明改進(jìn)物元分析法在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方面運(yùn)用是具有可行性，其結(jié)果是合理的、科學(xué)的。

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