基于層次分析法的耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分

彭麗梅 ,趙理，5,周悟，5,胡月明，5，6，7

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.國(guó)土資源部建設(shè)用地再開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；3.廣東省土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；4.廣東省土地信息工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642；5.廣州市華南自然資源科學(xué)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510642；6.青海大學(xué) 省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016；7.電子科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610054)

0 引 言

土壤是環(huán)境的重要組成部分，直接或間接地對(duì)人類的整體生活質(zhì)量作貢獻(xiàn)[1]。過量的重金屬進(jìn)入土壤圈，不僅會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降、土壤生產(chǎn)力和糧食安全水平降低，而且也會(huì)對(duì)人類健康造成影響[2-4]。由于中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，主要重金屬排放量相比建國(guó)時(shí)期增加了30倍以上，特別是在工業(yè)和農(nóng)業(yè)地區(qū)，土壤重金屬污染已成為一個(gè)日益嚴(yán)重的環(huán)境問題[5]。在農(nóng)業(yè)區(qū)，重金屬污染已成為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，為提高土壤質(zhì)量，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，政府制定了許多政策，如國(guó)家土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃[6]。因此，進(jìn)行耕地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分具有重要意義，根據(jù)劃分結(jié)果了解其對(duì)環(huán)境的危害程度，進(jìn)而采用相應(yīng)措施進(jìn)行修復(fù)、治理和管理[7-9]。

目前，土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法較多，大多學(xué)者都采用較為成熟的指數(shù)法，如李一蒙等[10]采用污染負(fù)荷指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)開封市土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)；C.Mirjana等[11]使用地累積指數(shù)、污染負(fù)荷指數(shù)等方法對(duì)塞爾維亞最大的燃煤電廠周圍進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)；K.Tian等[12]采用不同的評(píng)價(jià)方法，如污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、地累積指數(shù)、污染負(fù)荷指數(shù)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)中國(guó)代表性溫室區(qū)東臺(tái)的土壤重金屬污染進(jìn)行研究。常用的指數(shù)法根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及研究區(qū)的土壤元素背景值進(jìn)行分析，通過指數(shù)模型對(duì)重金屬含量定量研究，得到研究區(qū)土壤的清潔度和污染風(fēng)險(xiǎn)程度，是評(píng)價(jià)耕地土壤重金屬污染的成熟方法模型。以上方法都需要事先進(jìn)行野外采樣及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)土壤重金屬化驗(yàn)分析，雖然精度較高，但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且成本較高，效率較低，只有技術(shù)人才才能勝任。而層次分析法(AHP)是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的多目標(biāo)決策方法，其基本原理是將區(qū)域劃分系統(tǒng)有關(guān)方案的各個(gè)要素分解為目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析。如徐文軍等[13]采用層次分析法對(duì)煤儲(chǔ)層構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行了定量化研究和評(píng)價(jià)；張曉東等[14]采用層次分析法對(duì)鹽池縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)和分區(qū)。在土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分中，應(yīng)用該方法可以不依賴于傳統(tǒng)的采樣調(diào)查，通過定量與定性分析，篩選與土壤重金屬相關(guān)的因子，分析層次過程用于確定每個(gè)因子的權(quán)重，以確定區(qū)域耕地土壤重金屬污染現(xiàn)狀及污染風(fēng)險(xiǎn)的空間分布情況。

因此，本文以廣州市從化區(qū)耕地土壤作為研究對(duì)象，采用層次分析、定量和定性分析相結(jié)合的方法，篩選與重金屬元素相關(guān)的指標(biāo)，建立土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分區(qū)分級(jí)方法，對(duì)各重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，以期在區(qū)域尺度上獲得耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀及其空間分布情況，以便從化區(qū)相關(guān)部門采取措施對(duì)耕地土壤重金屬污染進(jìn)行預(yù)防和治理修復(fù)，同時(shí)為其他區(qū)域重金屬污染研究提供思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

從化區(qū)位于廣東省中部，廣州市東北面，屬南亞熱帶季候風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛。地理坐標(biāo)東經(jīng)113°17′～114°04′，北緯23°22′～23°56′。東鄰龍門縣，南鄰增城區(qū)和白云區(qū)，西鄰花都區(qū)和清遠(yuǎn)市，北鄰佛岡縣和新豐縣。該區(qū)總面積約1 974.5 km2，包括太平、溫泉、良口、呂田、鰲頭5個(gè)鎮(zhèn)以及街口、城郊、江埔3個(gè)街道辦事處，耕地總面積14 143.05 hm2，主要分布在從化區(qū)西南部。從化區(qū)作為廣州市主要糧食生產(chǎn)基地，具有十分重要的地理意義和區(qū)位優(yōu)勢(shì)，地理位置如圖1所示。

圖1 從化區(qū)地理位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

依據(jù)從化區(qū)國(guó)土局提供的從化區(qū)2015年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)及海拔數(shù)據(jù)，從中提取出從化區(qū)耕地、道路、河流、坡度等信息，并采用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)從網(wǎng)上獲取從化區(qū)境內(nèi)工廠位置信息。

1.3 研究方法

1.3.1 污染區(qū)域劃分指標(biāo)體系構(gòu)建

進(jìn)行從化區(qū)耕地土壤重金屬污染區(qū)域劃分的關(guān)鍵在于指標(biāo)因子的選取，選取是否合理直接關(guān)系到區(qū)域劃分結(jié)果的合理性和科學(xué)性。根據(jù)從化區(qū)的具體情況，遵循指標(biāo)因子的差異性、主導(dǎo)性、相互獨(dú)立性與綜合性等原則，結(jié)合數(shù)據(jù)獲取的可行性，并閱讀大量文獻(xiàn)，參考前人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，選擇以下評(píng)價(jià)因子對(duì)從化地區(qū)耕地土壤中5種重金屬(Cd，Hg，As，Pb，Cr)進(jìn)行污染區(qū)域劃分。評(píng)價(jià)因子分別為土壤屬性方面的有機(jī)質(zhì)含量和土壤酸堿度，一般土壤有機(jī)質(zhì)本身不含重金屬，但由于土壤有機(jī)質(zhì)可參與土壤重金屬的絡(luò)合與螯合作用，影響重金屬的遷移和轉(zhuǎn)化過程，從而降低重金屬離子的活性，導(dǎo)致土壤重金屬含量增加，進(jìn)而影響土壤中重金屬的積累[15];土壤酸堿度是土壤的重要化學(xué)性質(zhì)之一，重金屬存在形態(tài)及其有效性與pH密切相關(guān)。研究表明，隨著土壤酸堿度增大，土壤重金屬含量明顯減少[16]。環(huán)境要素方面的海拔和坡度，由于大氣沉降及重力的影響，往往會(huì)導(dǎo)致重金屬聚集在低海拔及坡度小的區(qū)域。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素方面的道路距離、河流距離、工廠距離和居民地距離等。因此選擇這3個(gè)方面的8個(gè)評(píng)價(jià)因子形成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)實(shí)際情況，將耕地土壤重金屬污染區(qū)域級(jí)別劃分為無風(fēng)險(xiǎn)、輕度風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)和嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)等4個(gè)級(jí)別，各指標(biāo)因子按照這4個(gè)級(jí)別分別賦予100,80,60,40分，各指標(biāo)因子的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 指標(biāo)因子等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 污染區(qū)域劃分模型構(gòu)建

本文采用多因子分級(jí)加權(quán)疊加法作為從化區(qū)耕地土壤重金屬污染區(qū)域劃分模型，其劃分步驟如下。通過對(duì)從化區(qū)的實(shí)地分析，篩選出對(duì)耕地污染影響較大的因子，通過特爾菲法得到各個(gè)因子對(duì)耕地影響程度的分值，采用層次分析法得到各因子的權(quán)重值。為了避免或減少因子權(quán)重中的個(gè)體偏差，通常采用求解判斷矩陣的特征向量法，獲得每個(gè)因子的優(yōu)先級(jí)[17]。在構(gòu)建判斷矩陣時(shí)，通常用1～9的等級(jí)來指定每個(gè)因子的重要性，如式(1)所示。

(1)

式中：R為判斷矩陣；x,y,z為比例標(biāo)度，即不同因子的重要性。

求解該矩陣即可得每個(gè)因子的權(quán)重，并用于計(jì)算一致性比率(consistency ratio，CR)，再次確認(rèn)權(quán)重的準(zhǔn)確性。如果CR>0.1，則需要重新調(diào)整比例標(biāo)度，并重復(fù)該過程直到CR<0.1。然后通過分析處理，得到各指標(biāo)因子的專題數(shù)據(jù)，利用疊加分析將各個(gè)專題數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)疊加，如式(2)所示，得到各重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，劃分評(píng)價(jià)單元污染等級(jí)，最后得到耕地土壤各重金屬的污染區(qū)域。

S=W1·U1+W2·U2+…+Wi·Ui，

(2)

式中：S為評(píng)價(jià)分值；W為相應(yīng)單項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；U為單項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的等級(jí)得分；Wi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；Ui為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的等級(jí)得分，不同的評(píng)價(jià)分值代表著不同的污染風(fēng)險(xiǎn)程度。

1.3.3 耕地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證

采用混淆矩陣方法對(duì)從化區(qū)耕地土壤重金屬污染區(qū)域劃分結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，即以Kappa系數(shù)評(píng)價(jià)整個(gè)分類圖的精度。Kappa系數(shù)是一個(gè)測(cè)定兩幅圖之間吻合度或精度的指標(biāo)，如式(3)所示。

(3)

式中：m為誤差矩陣中總列數(shù)(即總的類別數(shù))；xii是混淆矩陣中第i行第i列上像元數(shù)量(即正確分類的數(shù)目)；xit和xti分別為第i行和第i列的總像元數(shù)量；N為用于精度評(píng)估的總像元數(shù)量。

Kappa系數(shù)和分類精度如表2所示。

表2 分類質(zhì)量與Kappa統(tǒng)計(jì)值

2 結(jié)果與分析

2.1 指標(biāo)權(quán)重確定

本文利用層次分析法將指標(biāo)體系分為目標(biāo)層(從化區(qū)耕地土壤重金屬污染區(qū)域劃分)、指標(biāo)層、因子層3層，通過特爾菲法的方式確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)層及其因子層的相對(duì)重要性，構(gòu)建指標(biāo)層與因子層的兩兩判斷矩陣，計(jì)算判斷矩陣的特征根和特征向量，得到各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其CR均小于0.1，判斷矩陣滿足一致性，各評(píng)價(jià)因子權(quán)重值如表3所示。

2.2 劃分結(jié)果分析

得出評(píng)價(jià)因子權(quán)重后，通過式(2)計(jì)算模型，根據(jù)從化區(qū)耕地土壤不同重金屬的樣點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)等級(jí)值域進(jìn)行劃分，如表4所示。

表3 從化區(qū)耕地土壤不同重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分評(píng)價(jià)因子權(quán)重值

表4 從化區(qū)耕地土壤不同重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分等級(jí)值域

根據(jù)從化區(qū)耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果，按照其污染風(fēng)險(xiǎn)程度對(duì)5種重金屬元素進(jìn)行可視化表達(dá)，如圖2所示，污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的面積計(jì)算如表5所示?？梢?，從化區(qū)耕地土壤重金屬Cd污染面積最大，且污染風(fēng)險(xiǎn)較為嚴(yán)重，其次為重金屬Hg，兩種重金屬的空間分布類似，主要分布在鰲頭鎮(zhèn)東北部、太平鎮(zhèn)南部、溫泉鎮(zhèn)東部以及呂田鎮(zhèn)中部；重金屬Pb風(fēng)險(xiǎn)與重金屬As風(fēng)險(xiǎn)水平相近，對(duì)從化區(qū)耕地土壤重金屬污染較輕；重金屬Cr對(duì)從化區(qū)耕地污染風(fēng)險(xiǎn)最輕，在之后的治理上可優(yōu)先治理其他重金屬。通過以上分析，從化區(qū)耕地土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)主要以重金屬Cd和Hg為主，因此，迫切需要對(duì)這兩種重金屬進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)治理和修復(fù)。

圖2 從化區(qū)耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分圖

表5 從化區(qū)耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分等級(jí)

2.3 驗(yàn) 證

根據(jù)從化區(qū)實(shí)測(cè)耕地土壤重金屬樣點(diǎn)數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表6所示，所有重金屬的Kappa系數(shù)均大于0.4，表明分類質(zhì)量較好，精度符合要求。

3 討 論

(1)耕地土壤重金屬的污染現(xiàn)狀及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分對(duì)居民的健康生活有著重要的意義[17]。耕地土壤重金屬的評(píng)價(jià)方法眾多，各有優(yōu)劣，本次研究以從化區(qū)耕地土壤為研究對(duì)象，選取有機(jī)質(zhì)含量、土壤酸堿度、海拔、坡度、道路距離、河流距離、工廠距離和居民地距離等8個(gè)因子構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用層次分析法對(duì)從化區(qū)耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，由于本研究所涉及的自然因子以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因子較為缺乏，導(dǎo)致污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分結(jié)果存在一定的局限性。

表6 從化區(qū)耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分精度

(2)研究結(jié)果表明，從化區(qū)耕地土壤重金屬污染主要以Cd和Hg為主，都主要分布在鰲頭鎮(zhèn)東北部、太平鎮(zhèn)南部、溫泉鎮(zhèn)東部以及呂田鎮(zhèn)中部，其中Cd污染風(fēng)險(xiǎn)面積較大，重金屬As和Pb污染風(fēng)險(xiǎn)和空間分布相似，重金屬Cr污染風(fēng)險(xiǎn)最輕。研究結(jié)果與李鋮等[18]、黃根華[19]、陳丹青等[20]研究結(jié)果較為一致，表明層次分析法在從化區(qū)耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中較為適用，能夠客觀有效地評(píng)價(jià)從化區(qū)耕地土壤重金屬污染，簡(jiǎn)潔系統(tǒng)化對(duì)耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，反映出從化區(qū)耕地土壤中各重金屬的污染現(xiàn)狀和空間分布情況。

(3)就精度驗(yàn)證而言，總體上評(píng)價(jià)結(jié)果精度不高，如重金屬Cd和Hg的無風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域生產(chǎn)者精度和用戶精度為0，以及重金屬As，Pb和Cr嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域生產(chǎn)者精度和用戶精度為0。這主要由于在實(shí)測(cè)過程中，重金屬Cd和Hg只有極少數(shù)樣點(diǎn)處于無風(fēng)險(xiǎn)水平，重金屬As,Pb和Cr沒有樣點(diǎn)位于嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)水平，而在污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分時(shí)都劃分為4類；其次重金屬樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)之間還存在一定的時(shí)間跨度，在評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定時(shí)具有一定的人為因素干擾。

下一步的研究，將收集更多的樣品數(shù)據(jù)，擴(kuò)大樣品的重金屬含量范圍，以及盡可能考慮各種相關(guān)因素，構(gòu)建更加合理的指標(biāo)體系，嘗試引進(jìn)新的評(píng)價(jià)方法(如深度學(xué)習(xí)、隨機(jī)森林等)對(duì)土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行綜合區(qū)劃。

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用層次分析法，對(duì)從化區(qū)五種耕地土壤重金屬(Cd，Hg，As，Pb，Cr)進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分，得出結(jié)論如下：

(1)從化區(qū)耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)主要以重金屬Cd和Hg為主，重金屬As，Pb，Cr相對(duì)污染風(fēng)險(xiǎn)較小，與前人研究較為一致[18-20]，表明從化區(qū)耕地存在一定的土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)部門應(yīng)引起重視，并有針對(duì)性地對(duì)區(qū)域耕地土壤重金屬污染進(jìn)行防范和治理修復(fù)，加快從化區(qū)生態(tài)文明建設(shè)。

(2)根據(jù)從化區(qū)實(shí)測(cè)耕地土壤重金屬樣點(diǎn)數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，各重金屬風(fēng)險(xiǎn)劃分結(jié)果Kappa系數(shù)均大于0.4，表明分類質(zhì)量較好，精度符合要求，進(jìn)一步說明了采用層次分析法對(duì)從化區(qū)進(jìn)行耕地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分是合理的，可為其他區(qū)域尺度重金屬研究提供思路。