基于模糊數(shù)學(xué)的農(nóng)村土壤污染防治研究

陳天宜 何依文 顏 濛

（上海立信會(huì)計(jì)金融學(xué)院，上海 201209）

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，但由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，污染排放量總量較高，土壤環(huán)境壓力持續(xù)加大，從而導(dǎo)致農(nóng)村土壤環(huán)境狀況不容樂觀［1］，尤其是農(nóng)村耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂。然而，良好的土壤環(huán)境是人類生存的必要條件之一，隨著土壤污染進(jìn)一步加劇，人類生活質(zhì)量與水平持續(xù)下降。研究農(nóng)村土壤污染的發(fā)生機(jī)制是解決農(nóng)村土壤污染問(wèn)題的關(guān)鍵之一。土壤污染的發(fā)生機(jī)制可以簡(jiǎn)單總結(jié)為內(nèi)部的有害物質(zhì)不斷積累，并由土壤通過(guò)植物或水傳播到環(huán)境周圍。土壤污染將會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)被嚴(yán)重破壞［2］。為合理、有效地治理農(nóng)村土壤污染問(wèn)題，建設(shè)生態(tài)化新農(nóng)村迫在眉睫。

1 農(nóng)村土壤污染成因

1.1 重金屬污染

大部分農(nóng)村地區(qū)的土壤污染以無(wú)機(jī)物污染為主，如鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅和鎳等無(wú)機(jī)物污染。無(wú)機(jī)物中的重金屬污染是土壤污染的主要誘因。重金屬在土壤中的移動(dòng)性較差，并且無(wú)法被微生物完全降解，治理難度極大［3］。隨著工業(yè)的大力發(fā)展，工廠生產(chǎn)產(chǎn)品產(chǎn)生的氣體和粉塵自然沉降入土壤中，氣體和粉塵中含有大量重金屬，重金屬深入土壤內(nèi)部，造成大范圍的不可逆污染。

1.2 過(guò)量使用化肥

每年我國(guó)化肥平均用量超過(guò)5 800 萬(wàn)t，大量使用化肥破壞了土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使生物多樣性銳減、耕地土壤保水能力變差，生物生存受到阻礙，在很大程度上影響了農(nóng)作物的品質(zhì)與產(chǎn)量?；手泻卸喾N化學(xué)物質(zhì)，會(huì)對(duì)土壤環(huán)境帶來(lái)多重影響。首先，化肥中含有大量氮、磷化合物，在土壤風(fēng)蝕作用的影響下擴(kuò)大了污染范圍。其次，化肥中的有機(jī)物質(zhì)較少，土壤缺乏有機(jī)物質(zhì)將會(huì)造成土壤板結(jié)，土壤板結(jié)又會(huì)造成土壤無(wú)法有效吸收養(yǎng)分，進(jìn)而加重土壤污染程度?，F(xiàn)今過(guò)量使用化肥已常態(tài)化，其不僅會(huì)造成土壤污染，而且會(huì)加劇其他環(huán)境污染。

1.3 污水灌溉問(wèn)題

對(duì)于水資源極度缺乏的地區(qū)，通常會(huì)采用污水灌溉方式。但是，污水中含有大量有害物質(zhì)，污染物沉淀進(jìn)入土壤內(nèi)部，會(huì)造成土壤環(huán)境惡化［4］。污水灌溉之所以被廣泛使用，是因?yàn)槲鬯泻写罅康挠袡C(jī)物質(zhì)，對(duì)于農(nóng)作物的增產(chǎn)效果明顯。而隨著農(nóng)村的快速發(fā)展，污水灌溉已成為土壤污染的重要源頭之一。究其原因，污水處理廠無(wú)法滿負(fù)荷地處理污染的灌溉水源，從而導(dǎo)致未經(jīng)處理的污水滲入農(nóng)村土壤，產(chǎn)生大規(guī)模污染［5］。因此，污水處理場(chǎng)迫切需要改進(jìn)技術(shù)，增加污水處理的負(fù)荷程度。

2 我國(guó)農(nóng)村土壤污染治理存在的問(wèn)題及對(duì)策

農(nóng)村土壤污染是由于多個(gè)因素共同作用而產(chǎn)生的復(fù)雜綜合化結(jié)果。通常，為了節(jié)約成本，人們只是著重于使用單一的治理措施，從而無(wú)法達(dá)到預(yù)期的治理效果［6］。因此，農(nóng)村土壤污染治理與預(yù)防應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。首先，對(duì)各類污染排放物進(jìn)行控制，避免污染物大量排放，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一精準(zhǔn)排放；其次，施用化肥、農(nóng)藥時(shí)，需要合理限制農(nóng)藥、化肥的使用量；最后，農(nóng)村與城市地區(qū)需要共同加強(qiáng)污水排放前的處理，減少污水中的有害物質(zhì)，在一定程度上凈化污水。

近年來(lái)，我國(guó)相關(guān)部門提出了一種農(nóng)村土壤污染治理方法，即構(gòu)建農(nóng)用地土壤污染多主體協(xié)同治理權(quán)責(zé)體系，該體系由多個(gè)社會(huì)對(duì)象——政府、生產(chǎn)者、社會(huì)組織、公眾、其他市場(chǎng)主體構(gòu)成，形成了具有地區(qū)性的治理體系，從而高效治理了土壤污染［7］。該方法將多種責(zé)任體系結(jié)合起來(lái)，達(dá)到了共同治理的效果。但是，該方法是基于宏觀層面上提出來(lái)的一種解決措施。在微觀上，對(duì)于直接導(dǎo)致土壤污染的誘因，仍舊缺乏特定區(qū)域內(nèi)土壤污染的治理方法與建議。

3 基于模糊數(shù)學(xué)的農(nóng)村土壤污染評(píng)價(jià)模型

一般情況下，對(duì)于土壤污染程度的評(píng)定主要依據(jù)于土壤污染指數(shù)。其能夠相對(duì)準(zhǔn)確地評(píng)定土壤環(huán)境狀況，是一種定量指標(biāo)。但是，現(xiàn)今流行的方法僅僅考慮了最主要的幾種因素，其他因素的作用相繼被弱化，對(duì)于區(qū)域性的研究也相對(duì)缺乏，無(wú)法綜合評(píng)價(jià)土壤污染程度［8］。

而土壤污染化程度受諸多隨機(jī)因素的影響，具有不確定性，且尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法利用簡(jiǎn)單直觀的數(shù)學(xué)模型去建模與假設(shè)。為有效了解土壤污染化程度評(píng)價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)模糊性與評(píng)價(jià)指標(biāo)本身的重要性，筆者采用了模糊數(shù)學(xué)中的模糊綜合評(píng)價(jià)法。模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種利用模糊系統(tǒng)的原理，從多角度對(duì)被評(píng)判的模糊事物的隸屬度等級(jí)狀況進(jìn)行綜合評(píng)判的方法。筆者依據(jù)此理論建立了土壤污染化程度評(píng)價(jià)模型，客觀評(píng)價(jià)農(nóng)村土壤污染化程度，并提出可實(shí)施性意見。

3.1 模糊集合確定

該研究定義模糊集合為農(nóng)村土壤污染。模糊集合主要分為3 種類型：偏小型、中間型、偏大型。而該研究的農(nóng)村土壤污染主要為中間型，其沒有主觀上的大小之分。確定完模糊集合后才能夠采用相應(yīng)的隸屬函數(shù)，并最終求出合適的隸屬度，為模糊綜合評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。值得注意的是，無(wú)論模糊集合屬于哪一種類型，隸屬度越大，屬于這個(gè)模糊集合的可能性就越大。

3.2 因素集與評(píng)語(yǔ)集確定

農(nóng)村的土壤污染與廣義上的土壤污染仍有一定的不同，農(nóng)村土壤污染的誘因主要是過(guò)量使用農(nóng)藥與化肥，過(guò)度使用污水灌溉田地等。將這種特定領(lǐng)域內(nèi)影響土壤污染的污染因子分為3 大類：有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、單位區(qū)域內(nèi)耕地面積。其中，單位區(qū)域內(nèi)耕地面積代表了農(nóng)村使用化肥的可能面積與周圍環(huán)境質(zhì)量。

通過(guò)模糊數(shù)學(xué)中對(duì)因素集的定義，將有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、單位區(qū)域內(nèi)的耕地面積依次分為3 類，放入因素集中，由此可以得出農(nóng)村土壤污染因素集合，如公式（1）所示：

對(duì)于評(píng)語(yǔ)集，結(jié)合土壤污染等級(jí)劃分與污染指數(shù)設(shè)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，共分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)別。評(píng)語(yǔ)集如公式（2）所示：

3.3 隸屬函數(shù)確定

通過(guò)因素集與評(píng)語(yǔ)集的確定，下一步將確定模糊子集，這里定義模糊集合為土壤污染程度。uA( )x稱為模糊集合的一個(gè)隸屬函數(shù)。構(gòu)建隸屬函數(shù)的方法有很多種，如模糊統(tǒng)計(jì)法、德爾菲法、指派法等。這里構(gòu)建隸屬函數(shù)的方法選用了指派法，給模糊集合指派一個(gè)隸屬函數(shù)，利用K次拋物型分布，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定符合現(xiàn)實(shí)的參數(shù)，從而得到一個(gè)科學(xué)性的隸屬函數(shù)，如公式（3）所示。隸屬函數(shù)能反映模糊子集的特征，建立隸屬函數(shù)的目的是確定每一個(gè)元素的隸屬度。

3.4 通過(guò)單因素評(píng)價(jià)構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)矩陣

綜合評(píng)價(jià)矩陣是因素集與評(píng)語(yǔ)集的綜合。該綜合評(píng)價(jià)矩陣的各列含義為某種因素的3 種評(píng)語(yǔ)集，各行代表了3種確立的因素集——有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、單位區(qū)域內(nèi)耕地面積，如公式（4）所示：

3.5 一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)最為關(guān)鍵的步驟為建立權(quán)重集。筆者基于地處的周圍環(huán)境專業(yè)性的主觀建立權(quán)重集，權(quán)重集與評(píng)價(jià)集的建立需要專家協(xié)同進(jìn)行參與和指定，以保證權(quán)重集的準(zhǔn)確性。確定權(quán)重集與評(píng)價(jià)集后，計(jì)算B=A×R，通過(guò)最大隸屬度原則，即其相對(duì)于評(píng)語(yǔ)集的隸屬度，選取最大的那個(gè)作為評(píng)語(yǔ)，最終得出綜合的土壤污染程度評(píng)價(jià)。該模型是最基本的評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)了當(dāng)前區(qū)域農(nóng)村土壤污染狀況，對(duì)于土壤污染的改善與治理提供了良好的理論支持。在后續(xù)的相關(guān)研究中，將通過(guò)修改參數(shù)，因地制宜調(diào)整架構(gòu)，不斷優(yōu)化模型，從而更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)土壤污染程度。

3.6 多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)相較于一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)多了幾層因素集。一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)只有無(wú)機(jī)物、有機(jī)物、單位區(qū)域內(nèi)耕地面積3類因素。而二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)可以把無(wú)機(jī)物拓展為二氧化碳、烷基金屬、碳化物等因素，單位區(qū)域內(nèi)耕地面積可以拓展為平均化肥施用量、平均污水灌溉量、區(qū)域內(nèi)降雨量等。多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)擁有了更多的因素，對(duì)于土壤污染程度的評(píng)價(jià)能更加客觀，但是權(quán)重的確立相較于一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)更加困難，工作量較大，需要時(shí)間成本和專業(yè)性評(píng)價(jià)。

模糊綜合評(píng)價(jià)模型提供了一個(gè)全新的角度來(lái)分析土壤污染程度，該方法可以作為現(xiàn)今土壤污染治理的一個(gè)輔助措施，以物理、化學(xué)治理形式為主，模糊綜合評(píng)價(jià)法為輔，加快農(nóng)村土壤治理。

4 模型應(yīng)用與分析

4.1 因素集數(shù)據(jù)確定

模糊集合的因素集由無(wú)機(jī)物、有機(jī)物、單位區(qū)域內(nèi)的耕地面積3 種因素組成。因此，采用“一帶一路”關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)區(qū)域土壤類型與屬性數(shù)據(jù)（2019）［9］，其中無(wú)機(jī)物污染主要由碳酸鈣、硫酸鈣、鹽度的含量來(lái)表示，有機(jī)物污染由有機(jī)碳含量表示，單位區(qū)域內(nèi)耕地面積進(jìn)行泛化表示，取均值并將數(shù)值壓縮至0～1。

4.2 權(quán)重集確定

土壤主要由45%的無(wú)機(jī)物、5%的有機(jī)物、25%的空氣、25%的水組成?；诖耍蓪o(wú)機(jī)物權(quán)重比例設(shè)置為其他物質(zhì)的2 倍，有機(jī)物和單位面積耕地面積具有相似性，且占比都較少，因此，有機(jī)物和單位面積耕地面積的權(quán)重系數(shù)占比大致相同，如公式（5）所示：

4.3 構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣

模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣是因素集對(duì)評(píng)價(jià)集隸屬度的綜合表示。評(píng)價(jià)集共分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)別，Ⅰ級(jí)別代表了同一區(qū)域內(nèi)受到有機(jī)物與無(wú)機(jī)物污染程度小，無(wú)須投入大量資金進(jìn)行治理，可以采用局部治理策略。Ⅱ級(jí)別代表了同一區(qū)域內(nèi)土壤受到有機(jī)物與無(wú)機(jī)物污染較為嚴(yán)重，治理策略主要為限制污染物質(zhì)排放，對(duì)土壤進(jìn)行化學(xué)改良。Ⅲ級(jí)別代表了在同一區(qū)域內(nèi)的污染已經(jīng)嚴(yán)重影響生態(tài)健康，治理策略主要為多權(quán)責(zé)體系與多種改良方式綜合實(shí)施。為了簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算，當(dāng)評(píng)價(jià)集為Ⅰ級(jí)別時(shí)，隸屬度函數(shù)參數(shù)為a=0.2，b=0.5；當(dāng)評(píng)價(jià)集為Ⅱ級(jí)別時(shí)，參數(shù)設(shè)置為a=0.5，b=0.7；當(dāng)評(píng)價(jià)集為Ⅲ級(jí)別時(shí)，參數(shù)設(shè)置為a=0.7，b=1。各級(jí)別的參數(shù)不是固定不變的，一開始的參數(shù)設(shè)置具有主觀性，由專家評(píng)定。進(jìn)行多次不同地區(qū)的土壤分析后，可得到更加精準(zhǔn)的參數(shù)。模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣如公式（6）所示：

4.4 模型結(jié)果分析

將權(quán)重集乘上綜合評(píng)價(jià)矩陣，通過(guò)最大隸屬度原則，得出該數(shù)據(jù)集的結(jié)果屬于Ⅰ級(jí)別，即該區(qū)域內(nèi)土壤環(huán)境良好，受到有機(jī)物與無(wú)機(jī)物污染程度小，無(wú)須投入大量資金進(jìn)行治理。對(duì)于小范圍的污染，可以采用局部治理策略。該模型能評(píng)估區(qū)域內(nèi)的土壤污染程度，對(duì)于不同區(qū)域的土壤污染提出針對(duì)性的治理措施，減少不必要的治理費(fèi)用。

5 結(jié)論

當(dāng)下我國(guó)農(nóng)村土壤污染防治面臨巨大的阻力，大部分土壤環(huán)境狀況堪憂，耕地土壤污染嚴(yán)重，土壤污染治理效果不盡如人意。與現(xiàn)今大多數(shù)污染相比，我國(guó)農(nóng)村的土壤污染治理進(jìn)展非常緩慢［10］。因此，筆者提出了一個(gè)基于農(nóng)村土壤污染的模糊綜合評(píng)價(jià)體系，通過(guò)不同區(qū)域內(nèi)土壤污染程度的判定，采取不同的治理方式，因地制宜，極大地減少了不必要的財(cái)政支出與邊際成本。后續(xù)將會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)該理論模型，如加入真實(shí)數(shù)據(jù)調(diào)整參數(shù)并進(jìn)行實(shí)踐，使其具有廣泛性與客觀性。

改善新農(nóng)村建設(shè)導(dǎo)致的土壤污染現(xiàn)狀，對(duì)于未來(lái)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在農(nóng)村土壤污染治理上，希望能有更多創(chuàng)新性的治理方法，改善土壤環(huán)境，促進(jìn)新農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)新農(nóng)村共同發(fā)展與富裕。