改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法與復(fù)合指數(shù)法在土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的對(duì)比研究

常 翠，于慧明，鄭金城，楊 婷

(1.漳州科技職業(yè)學(xué)院，福建 漳州 363202；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034)

1 評(píng)價(jià)區(qū)概況

土壤環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)于人類健康以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)安全等方面有極大的影響，合理、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量可為土地資源的有效利用和土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控提供重要依據(jù)。而土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法眾多，每種方法都有一定的適用情況及局限，本次研究分別使用改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法和復(fù)合指數(shù)法對(duì)某山區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并分析其差異存在的原因，以期為今后的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)工作提供參考。

評(píng)價(jià)區(qū)坐落于長(zhǎng)白山余脈大黑山脈之中，地形地貌多以低山丘陵、沖積平原為主，面積為362 km2。區(qū)內(nèi)氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?。一年四季分明，最熱月平均氣?3℃,涼爽宜人；最冷月平均氣溫為-8.6℃，涼而不冷。是東北地區(qū)某省會(huì)城市大力發(fā)展的旅游、生態(tài)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)產(chǎn)業(yè)區(qū)，該區(qū)在發(fā)展過程中極其重視生態(tài)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展。

2 方法概述

2.1 采樣方法與樣品測(cè)定

根據(jù)地形地貌、土壤類型等條件，大致按 1 km × 1 km 網(wǎng)格進(jìn)行布設(shè)采樣點(diǎn)(見圖1)。利用GPS精確定位，采用洛陽鏟于土壤表層進(jìn)行采樣，取樣深度30 cm，樣本包含黑土、草甸土、淹育水稻土等土壤類型。

圖1 土壤采樣點(diǎn)分布圖

土壤pH值在野外駐地測(cè)定，采用玻璃電極法，土水比為1 ∶2.5；重金屬元素含量測(cè)定結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，采用的分析方法見表1。

表1 重金屬元素分析方法

2.2 改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量的一種綜合指數(shù)法，是從單因子指數(shù)法發(fā)展而來的。常見的改進(jìn)方法有用于計(jì)算內(nèi)梅羅指數(shù)的單因子指數(shù)結(jié)合背景值修正；對(duì)不同的重金屬元素賦權(quán)重修正平均污染指數(shù)或者最大污染指數(shù)；結(jié)合地累積指數(shù)法改進(jìn)；對(duì)單因子指數(shù)構(gòu)成連續(xù)函數(shù)取代對(duì)原單因子指數(shù)的離散取值[1-3]。本次研究依據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)實(shí)際污染情況與采樣點(diǎn)各重金屬元素含量測(cè)定值的分布情況，采用單因子指數(shù)背景值修正結(jié)合對(duì)不同重金屬元素賦權(quán)重修正平均污染指數(shù)的方法對(duì)內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行改進(jìn)。

2.2.1 單因子指數(shù)結(jié)合背景值修正

單因子指數(shù)計(jì)算公式：

Ci≤Xa(1)

Pi=1+(Ci-Xa)/(Xc-Xa)

Xa

Pi=3+(Ci-Xp)/(Xp-Xc)

Ci≥Xp(3)

Pi=2+(Ci-Xc)/(Xp-Xc)

Xd

式中，Pi為單因子指數(shù);Ci為元素的實(shí)測(cè)值，mg/kg;Xa為累積起始值，Xc為污染起始值，Xp為重污染起始值，mg/kg。Xa設(shè)定為該元素研究區(qū)背景值上限，Xc、Xp參考《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)確定，并將單因子污染指數(shù)(Pi)分為5個(gè)級(jí)別(見表2)[4]。

表2 單因子污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 賦權(quán)重修正平均污染指數(shù)

首先將各個(gè)評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)值 Si由小到大進(jìn)行排列，然后將其標(biāo)準(zhǔn)值的最大值 Smax同各個(gè)評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)值 Si比較，并令 Ri為第 i 種評(píng)價(jià)因子的相關(guān)性比值，則

(5)

(6)

Wi即為某種重金屬元素的權(quán)重值，用其對(duì)平均污染指數(shù)進(jìn)行修正，得到改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)和單因子指數(shù)加權(quán)平均值公式(7)和(8)。

(7)

(8)

2.3 復(fù)合指數(shù)法

復(fù)合指數(shù)法亦是以單因子指數(shù)作為評(píng)價(jià)因子，將各元素的單因子指數(shù)進(jìn)行空間插值、賦值、疊加，獲取各圖斑復(fù)合污染狀況。[5]

復(fù)合指數(shù)法計(jì)算公式(若Pi<1(未污染)，則Ki=0；若Pi≥1(存在污染)，則Ki=1)：

(9)

式中，Pi為單因子指數(shù);Ki為污染情況賦值;Pcti為復(fù)合種類指數(shù)。

Pcli=Pimax

(10)

式中，Pcli為復(fù)合等級(jí)指數(shù);Pimax為各重金屬元素單因子指數(shù)的最大值。

對(duì)單因子指數(shù)進(jìn)行篩選，得到單因子指數(shù)的最大值，將最大值按照表2進(jìn)行分級(jí)處理，即為復(fù)合污染等級(jí)。

3 結(jié)果與分析

3.1 改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1.1 單因子指數(shù)計(jì)算

本次研究選擇土壤中常見的部分重金屬污染物Cd、As、Hg、Pb、Cu、Cr、Zn、Ni作為評(píng)價(jià)因子，采用數(shù)據(jù)43組，計(jì)算上述重金屬元素的單因子指數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。其中Cd、As、Pb、Cu、Zn元素單因子指數(shù)最大值均 > 1，評(píng)價(jià)區(qū)部分采樣點(diǎn)處存在污染。此外，8種元素變異系數(shù)均較小，說明重金屬元素分布空間變化較小。

表3 評(píng)價(jià)區(qū)各重金屬元素單因子指數(shù)

3.1.2 改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)

一般情況下，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中污染因子的值越小，其對(duì)環(huán)境的危害越大，成反比關(guān)系[3]。本次研究考慮評(píng)價(jià)區(qū)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控的需要，選擇《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，作為計(jì)算權(quán)重的各評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)值。各重金屬元素評(píng)價(jià)因子權(quán)重計(jì)算結(jié)果具體見表4。

表4 評(píng)價(jià)區(qū)各重金屬元素權(quán)重表(按權(quán)重值從大到小排列)

為評(píng)價(jià)區(qū)各重金屬元素評(píng)價(jià)因子賦權(quán)重，根據(jù)式(7)～(8)計(jì)算得到改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)，在ArcGIS軟件中運(yùn)用普通克里金法對(duì)其進(jìn)行插值，得到評(píng)價(jià)區(qū)的污染情況分區(qū)(見圖2)。根據(jù)表2的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)區(qū)污染等級(jí)為3級(jí)輕度污染和2級(jí)警戒，經(jīng)計(jì)算3級(jí)輕度污染面積為46.53 km2，占研究區(qū)總面積的12.85%。

圖2 基于改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)圖

3.2 復(fù)合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2.1 復(fù)合種類指數(shù)評(píng)價(jià)

在ArcGIS中，根據(jù)單因子指數(shù)進(jìn)行疊加得到復(fù)合種類指數(shù)，如圖3所示。研究區(qū)內(nèi)不存在復(fù)合污染，只存在Ⅱ類污染區(qū)域，即單一元素污染，分別為Cd、Pb元素污染，污染面積共23.20 km2，占研究區(qū)總面積的6.41%。

圖3 基于復(fù)合種類指數(shù)的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)圖

3.2.2 復(fù)合等級(jí)指數(shù)評(píng)價(jià)

在ArcGIS中，將單因子指數(shù)進(jìn)行重分類并進(jìn)行空間疊加，得到各圖斑8種重金屬元素單因子指數(shù)的最大值，根據(jù)表2對(duì)統(tǒng)計(jì)出復(fù)合等級(jí)指數(shù)進(jìn)行分級(jí)，得到研究區(qū)3級(jí)輕度污染區(qū)域面積共23.20 km2，占研究區(qū)總面積的6.41%，其余均為2級(jí)警戒區(qū)域(見圖 4)。

圖4 基于復(fù)合等級(jí)指數(shù)的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)圖

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法和復(fù)合等級(jí)指數(shù)的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)圖進(jìn)行疊加分析，將每一圖斑的復(fù)合等級(jí)指數(shù)減其改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)，如果結(jié)果為0說明兩種方法評(píng)價(jià)等級(jí)一致，否則為兩種方法評(píng)價(jià)等級(jí)不一致，具體分布見圖5。

經(jīng)過計(jì)算評(píng)價(jià)等級(jí)不一致的面積為51.25 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的14.15%，其中改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)比其復(fù)合等級(jí)指數(shù)高一個(gè)等級(jí)的面積為37.25 km2；改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)比其復(fù)合等級(jí)指數(shù)低一個(gè)等級(jí)的面積為14 km2。

從評(píng)價(jià)區(qū)隨機(jī)選取圖斑，結(jié)合改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法的計(jì)算過程，發(fā)現(xiàn)各重金屬元素單因子指數(shù)加權(quán)平均值大于其算數(shù)平均值的區(qū)域，改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)比復(fù)合等級(jí)指數(shù)高一個(gè)等級(jí)；而單因子指數(shù)加權(quán)平均值略小于算數(shù)平均值，則改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)比復(fù)合等級(jí)指數(shù)低一個(gè)等級(jí)；若兩者接近，則兩種評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)等級(jí)一致。

4 討論與結(jié)論

選取8種土壤中常見的重金屬污染元素，分別使用改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法和復(fù)合指數(shù)法對(duì)某山區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過對(duì)比分析評(píng)價(jià)結(jié)果，可以看出兩種方法在污染等級(jí)及污染區(qū)域的分布存在一定的差異。評(píng)價(jià)等級(jí)不一致的面積為51.25 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的14.15%，其中改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)比復(fù)合等級(jí)指數(shù)高一個(gè)等級(jí)的面積為37.25 km2；改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)比復(fù)合等級(jí)指數(shù)低一個(gè)等級(jí)的面積為14 km2。

從評(píng)價(jià)區(qū)隨機(jī)選取圖斑，結(jié)合改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法的計(jì)算過程，可以看出各重金屬元素單因子指數(shù)加權(quán)平均值與算術(shù)平均值的關(guān)系直接影響了兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性，各單因子指數(shù)加權(quán)平均值大于其算術(shù)平均值，則改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)比復(fù)合等級(jí)指數(shù)高一個(gè)等級(jí)，相反則低一個(gè)等級(jí)，而兩者接近則兩種評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)等級(jí)一致?？梢酝普摮觯倪M(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果受權(quán)重值大的重金屬元素的含量影響較大，對(duì)權(quán)重值較大的重金屬元素污染評(píng)價(jià)較為準(zhǔn)確，而對(duì)于權(quán)重值較小的重金屬元素則會(huì)出現(xiàn)降低污染評(píng)價(jià)等級(jí)的情況；復(fù)合指數(shù)法可以得到復(fù)合種類指數(shù)和復(fù)合等級(jí)指數(shù)，可以給出評(píng)價(jià)區(qū)存在污染的元素有幾種和是哪幾種，這是改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法無法直接反映的內(nèi)容，但對(duì)于單因子指數(shù)接近分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)臨界值的重金屬元素，由于插值方法的影響，會(huì)出現(xiàn)降低污染評(píng)價(jià)等級(jí)的情況。

改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法與復(fù)合指數(shù)法哪種更優(yōu)，需要結(jié)合評(píng)價(jià)區(qū)具體的污染元素及其對(duì)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值來綜合考慮，而降低兩種評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)等級(jí)的機(jī)制及影響程度均需要進(jìn)一步研究。

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