基于Topsis模型的黃河流域（沁蟒河段）土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

于 超

（中化地質(zhì)礦山總局河南地質(zhì)局，河南鄭州 450002）

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛增長(zhǎng)，使得人類面臨的社會(huì)問(wèn)題及生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾逐漸凸顯在人們面前。因此，堅(jiān)持生態(tài)可持續(xù)發(fā)展是世界各國(guó)共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。沁蟒河流域位于河南省南太行山水林田湖草生態(tài)區(qū)西南部，地處河南省黃河高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃區(qū)，沁蟒河流域可持續(xù)發(fā)展的根本在于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，該流域土壤環(huán)境質(zhì)量是沁蟒河流域健康可持續(xù)的重要構(gòu)成部分，是沁蟒河流域綜合發(fā)展與發(fā)展前景的重要影響因素。鑒于此，本文擬建立沁蟒河流域土壤環(huán)境質(zhì)量體系，進(jìn)一步評(píng)價(jià)該區(qū)域的土壤環(huán)境問(wèn)題，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策的制定提供了重要依據(jù)，有益于保證流域土壤環(huán)境系統(tǒng)的正常社會(huì)服務(wù)功能，一定程度上促進(jìn)了流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境整體協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

1 土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)理論

1.1 基本概念

土壤主要指的是地球陸地上能夠生長(zhǎng)植物的疏松表層，是固相、氣相和液相三種相態(tài)組成的自然體，如土壤礦物、土壤有機(jī)物、土壤生物、土壤空氣和土壤水等。土壤生態(tài)系統(tǒng)就是三種相態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，也是土壤生物與非生物之間的能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)。土壤環(huán)境質(zhì)量就是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的主要組成物、結(jié)構(gòu)以及功能等所處的狀態(tài)，能夠反映出土壤的容納、吸收和降解物質(zhì)的能力[2]。因此，土壤環(huán)境質(zhì)量主要取決于土壤在形成過(guò)程中內(nèi)部各種特征的相互作用和土地的利用方式。土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)主要指的是根據(jù)目的和要求，按照一定的原則和方法對(duì)一定范圍內(nèi)的土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合分級(jí)，做出半定量和定量評(píng)價(jià)，如污染程度等。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定方法

指標(biāo)權(quán)重方法是一種最為常見的評(píng)價(jià)方法，該方法中的權(quán)重大小對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度存在差異，將這種影響程度差異的計(jì)算過(guò)程稱為賦權(quán)。即將不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)按照一定的計(jì)算過(guò)程賦權(quán)，通過(guò)一定的計(jì)算方案獲得最終各個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，進(jìn)而對(duì)所獲得各個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重進(jìn)行匯總，得出該評(píng)價(jià)方案各個(gè)因子的權(quán)重總和。指標(biāo)權(quán)重方法是一種常用的評(píng)價(jià)方法，權(quán)重的賦值方法也較多，根據(jù)賦值方法的差異大致可分為客觀賦權(quán)法、主觀賦權(quán)法和組合賦權(quán)法三種類型。不同的賦權(quán)方法所使用的場(chǎng)合存在一定的差異，多以根據(jù)賦權(quán)數(shù)據(jù)來(lái)源為主，如主觀賦權(quán)法一般與賦權(quán)人的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備以及主觀經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，客觀賦權(quán)法一般主要依據(jù)客觀的數(shù)據(jù)，前者的主觀性比較大，一般由行業(yè)領(lǐng)域的專家、抽調(diào)問(wèn)卷等方式實(shí)現(xiàn)；后者以客觀數(shù)據(jù)為主，但需要的數(shù)據(jù)量較為龐大。無(wú)論是主觀賦權(quán)法還是客觀賦權(quán)法，其賦權(quán)難度均較大，為便于本次研究，本文選擇較為常用的熵權(quán)法和變異系數(shù)法，二者均屬于客觀賦權(quán)法中的一種類型。

1.3 熵權(quán)法

熵權(quán)法主要依靠指標(biāo)變異程度來(lái)賦予客觀權(quán)重。通常而言，信息熵越小說(shuō)明指標(biāo)值的變異程度越大，權(quán)重更大，所反映的信息量更豐富，對(duì)實(shí)際工作的指導(dǎo)性越強(qiáng)。反之如果指標(biāo)信息熵較大，則說(shuō)明指標(biāo)值的變異程度較小，所反映的信息量就更少，權(quán)重也更小。根據(jù)現(xiàn)階段已有的各種信息論的原理等，比較普遍的認(rèn)識(shí)是有效信息量與信息熵之間存在正相關(guān)關(guān)系，按照現(xiàn)階段已有的各種信息論中的基本原理，認(rèn)為評(píng)價(jià)指標(biāo)所包含的有效信息量和信息熵的大小之間存在正相關(guān)關(guān)系，如果評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵的值越大，則表明該指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的評(píng)估對(duì)象的差異性就越明顯，同時(shí)也反映了該評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)率也就越大，其所代表的權(quán)重值也相應(yīng)的越高；反之，若所選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵越小，則說(shuō)明該評(píng)價(jià)指標(biāo)所代表的權(quán)重值也就越低，即該評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的敏感性也就越差[3]。根據(jù)前人大量的研究資料表明，熵權(quán)法能夠有效地消除評(píng)價(jià)過(guò)程中的人為因素，即該方法更能夠直觀地反映出評(píng)價(jià)對(duì)象的真實(shí)現(xiàn)狀。為得到科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、合理的權(quán)重系數(shù)，故采用熵權(quán)法確定權(quán)重系數(shù)。

1.4 “時(shí)間度”權(quán)重確定法

土壤環(huán)境的變化是處于動(dòng)態(tài)變化中的，故以時(shí)間為基本評(píng)價(jià)指標(biāo)才能更加有效地評(píng)價(jià)土壤環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。因此，“時(shí)間度”權(quán)重在土壤環(huán)境動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)中至關(guān)重要。“時(shí)間度”權(quán)重主要指的是在不同時(shí)間段內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量的各個(gè)靜態(tài)結(jié)果。因此，當(dāng)“時(shí)間度”接近0時(shí)，說(shuō)明評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)程中時(shí)間的變化更加重要，也就是評(píng)價(jià)者對(duì)近期所獲得數(shù)據(jù)更加重視；當(dāng)“時(shí)間度”接近于1時(shí)，說(shuō)明評(píng)價(jià)者更加重視距離評(píng)價(jià)時(shí)間更遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)；當(dāng)“時(shí)間度”權(quán)值為0.5 時(shí)，說(shuō)明評(píng)價(jià)者對(duì)各個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)同樣重視[2]。

2 Topsis模型

Topsis 模型最初是由K.Yoon 和C.L.Hwang 于1981年提出的一種優(yōu)劣比較方法，也是現(xiàn)代最為常用的綜合評(píng)價(jià)方法之一。Topsis 模型中確定正理想解和負(fù)理想解的兩個(gè)概念。其中，正理想解主要反映的是評(píng)估對(duì)象能夠達(dá)到的最好的狀態(tài)值，即評(píng)價(jià)指標(biāo)的各個(gè)狀態(tài)均達(dá)到了最優(yōu)值；反之，負(fù)理想解主要指的是評(píng)估對(duì)象能夠達(dá)到的最劣的狀態(tài)值，即評(píng)價(jià)指標(biāo)的各個(gè)狀態(tài)均達(dá)到了最劣值。綜上所述，Topsis模型在綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中將評(píng)估對(duì)象按照最優(yōu)理想解和最劣理想解進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而按照歐氏距離、相對(duì)貼近度等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)估。其中，相對(duì)貼近度主要指的是評(píng)價(jià)方案與正理想解和負(fù)理想解之間的貼近度，若某一評(píng)價(jià)方案與最優(yōu)正理想解更加貼近，則表明該方案與負(fù)理想解距離越遠(yuǎn)，也說(shuō)明該評(píng)價(jià)方案是最好的方案。同時(shí)，歐氏距離測(cè)量評(píng)價(jià)與相對(duì)貼近度基本一致，即通過(guò)距離進(jìn)行各個(gè)評(píng)價(jià)方案的排序，若歐氏距離距離正理想解越近，則說(shuō)明該評(píng)價(jià)方案更優(yōu)，反之則為最劣方案。

熵權(quán)-Topsis 模型是結(jié)合了熵權(quán)賦值與Topsis 模型的一種綜合評(píng)價(jià)方法，該方法在土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中取得了良好的應(yīng)用效果，主要表現(xiàn)在以下幾方面：①熵權(quán)賦值方法是一種典型的客觀賦權(quán)法，該方法具有計(jì)算方法簡(jiǎn)便、計(jì)算結(jié)果可靠的優(yōu)勢(shì)；②Topsis 模型中的正理想解和負(fù)理想解賦值，與歐氏距離、相對(duì)貼近度等相比，更加直觀地表達(dá)了評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣；③Topsis模型在不同領(lǐng)域的實(shí)用性較強(qiáng)，該模型對(duì)評(píng)價(jià)體系、目標(biāo)以及整體或者局部等沒(méi)有明顯的限制，具有較廣的使用環(huán)境；④Topsis 模型可實(shí)現(xiàn)多個(gè)層次體系的評(píng)價(jià)，也可以有效解決單層次評(píng)價(jià)方案的評(píng)價(jià)過(guò)程。

在現(xiàn)階段常用的Topsis 模型中，一般是計(jì)算出評(píng)價(jià)指標(biāo)正理想解和負(fù)理想解的歐氏距離，進(jìn)而根據(jù)上述兩個(gè)理想解的歐式距離值對(duì)比分析。若某一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的歐式距離更加接近正理想解時(shí)，則說(shuō)明該方案是最優(yōu)的；反之，若該評(píng)價(jià)指標(biāo)的歐式距離更接近負(fù)理想解而遠(yuǎn)離正理想解時(shí)，則說(shuō)明該評(píng)價(jià)方案是最劣方案。為客觀評(píng)價(jià)黃河流域（沁蟒河段）土壤環(huán)境質(zhì)量，本文采用Topsis 模型，計(jì)算出正理想解和負(fù)理想解，進(jìn)而評(píng)價(jià)其方案的優(yōu)劣。

在Topsis 模型中，比較評(píng)價(jià)對(duì)象與正理想解、負(fù)理想解的歐式距離，如果評(píng)價(jià)對(duì)象最遠(yuǎn)離負(fù)理想解，最接近正理想解則是最優(yōu)方案，反之，若最接近負(fù)理想解，最遠(yuǎn)離正理想解，則是最劣方案。Topsis 模型使用正、負(fù)理想解作為中介，實(shí)現(xiàn)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相互比較。

3 基于Topsis模型的黃河流域（沁蟒河段）土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)用

3.1 熵值法確定權(quán)重

本文選取了研究區(qū)內(nèi)2010～2021 年的土壤數(shù)據(jù)為樣本，對(duì)研究區(qū)內(nèi)的土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行研究分析。為了使得研究數(shù)據(jù)更加可靠，本文所使用的數(shù)據(jù)均采用來(lái)自《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》、中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)、EPS數(shù)據(jù)平臺(tái)以及河南省的統(tǒng)計(jì)年鑒中公布的數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了便于權(quán)重等賦值，將所獲取的數(shù)據(jù)均進(jìn)行了無(wú)量綱化處理。此外，由于本文所收集到的數(shù)據(jù)以2015 年最為齊全，且更加靠近評(píng)價(jià)階段年份，故本文采用2015年的數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算并賦值。土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重確定如表1所示。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系

3.2 土壤環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的權(quán)重確定

土壤環(huán)境質(zhì)量是動(dòng)態(tài)變化的，故對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)是有必要的。但是，考慮到研究區(qū)不同年份的數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度存在差異，故本文采用“時(shí)間度”的賦值方法處理本次收集到的各個(gè)年份的數(shù)據(jù)，即按照時(shí)間的變化規(guī)律對(duì)時(shí)間因子進(jìn)行賦權(quán)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于“時(shí)間度”賦值來(lái)說(shuō)，越接近評(píng)價(jià)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)的權(quán)重越高，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響也越明顯；反之，越是遠(yuǎn)離評(píng)價(jià)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所代表的的權(quán)重也就越低，即對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響也就越小。通過(guò)計(jì)算β=（0.1,0.3,0.5），其中β=0.3 時(shí)結(jié)果最為理想，此時(shí)，2010～2021年的時(shí)間權(quán)重確定如表2所示。

表2 2010～2021年的時(shí)間權(quán)重

3.3 土壤環(huán)境質(zhì)量的理想解

理想解分為正理想解與負(fù)理想解，正理想解為各個(gè)指標(biāo)中可能出現(xiàn)的最優(yōu)情形，負(fù)理想解為可能出現(xiàn)的最壞情形。在本次在土壤環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)中，正、負(fù)理想解確定如表3所示。

表3 土壤環(huán)境質(zhì)量的正理想解和負(fù)理想解

3.4 計(jì)算歐式距離與相對(duì)貼近度

2015 年的土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)與正、負(fù)理想解的歐式距離、相對(duì)貼近度如表4所示（由于該表數(shù)據(jù)較多，故文章中僅表達(dá)2015年土壤環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)的歐式距離與相對(duì)貼近度）。

3.5 土壤環(huán)境質(zhì)量靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

本文中主要考察2010～2021 年研究區(qū)內(nèi)的土壤環(huán)境質(zhì)量情況，Topsis 模型下，2010～2021 年的土壤環(huán)境質(zhì)量的相對(duì)貼近度。根據(jù)表5的靜態(tài)綜合評(píng)價(jià)，得出分析結(jié)果：在2010～2021 年期間，研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量排名保持了一定的穩(wěn)定性，這表明研究區(qū)內(nèi)的土壤環(huán)境質(zhì)量發(fā)展具有相對(duì)一致性。

表5 2010～2021年土壤環(huán)境質(zhì)量相對(duì)貼近度

如果不考慮時(shí)間權(quán)重的影響，濟(jì)源市中東部在“時(shí)間度”范圍內(nèi)的土壤環(huán)境質(zhì)量綜合排名具有優(yōu)勢(shì)，其次為沁陽(yáng)市，武陟縣墊底?？紤]到時(shí)間權(quán)重的影響（時(shí)間距離越遠(yuǎn)，影響程度越?。?，雖然濟(jì)源市中東部的土壤環(huán)境質(zhì)量在2010～2021 年表現(xiàn)最優(yōu)。但是綜合計(jì)算后研究區(qū)的歷年土壤環(huán)境質(zhì)量排序依次是沁陽(yáng)市、濟(jì)源市中東部、溫縣、孟州、武陟縣北部。

3.6 土壤環(huán)境質(zhì)量的靜態(tài)結(jié)果分析

2010～2021 年是我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的12 年，我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)各個(gè)方面經(jīng)歷了翻天覆地的變化，土壤是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的沃土，在此期間，研究區(qū)內(nèi)的土壤環(huán)境質(zhì)量也同樣處于發(fā)展、變化中。研究區(qū)域內(nèi)整體土壤環(huán)境質(zhì)量貼近度變化不大，整體上看沁陽(yáng)市、溫縣呈上升趨勢(shì)，濟(jì)源市中東部、孟州市、武陟縣北部呈下降趨勢(shì)。沁陽(yáng)市、溫縣相對(duì)研究區(qū)內(nèi)其他地區(qū)來(lái)說(shuō)，氣候更加穩(wěn)定，土壤資源更加豐富，耕地資源的總量大，潛力大，隨著我國(guó)的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田及“藍(lán)天、綠水、凈土”政策的實(shí)施，土地資源得到了進(jìn)一步開發(fā)利用，因此其土壤質(zhì)量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。對(duì)濟(jì)源市中東部、孟州、武陟縣北部，首先是這些區(qū)域內(nèi)人口密度大，環(huán)境所承受的壓力相對(duì)較大，其次該區(qū)域工業(yè)化程度較高，受政策影響也較大，自然環(huán)境是一個(gè)相互影響的整體，因此，這也導(dǎo)致了土壤質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.7 土壤環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

在確定時(shí)間權(quán)重向量時(shí)，在以往文獻(xiàn)中，絕大多數(shù)都認(rèn)為，近期數(shù)據(jù)重要程度要高于遠(yuǎn)期的數(shù)據(jù)，本文采用2010～2021 年這12 年的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)β=（0.1,0.3,0.5）所得到的評(píng)價(jià)結(jié)果可知，當(dāng)β=0.3 時(shí)，所得結(jié)果最為合理。此時(shí)，2010～2021 年的時(shí)間權(quán)重分別為：λ=（0.0053，0.0071，0.0116，0.0151，0.0202，0.0347，0.0406，0.1013，0.1142，0.1721，0.2104，0.2674）。2010～2021 年研究區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。

表6 土壤環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)貼近度

通過(guò)上述動(dòng)態(tài)分析結(jié)果可知：研究區(qū)2010～2021年土壤質(zhì)量環(huán)境總體上較好，且以濟(jì)源市中東部、沁陽(yáng)市的綜合得分最高，說(shuō)明上述兩個(gè)地方的土壤環(huán)境質(zhì)量更優(yōu)；武陟縣北部的得分最低，說(shuō)明該地區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量更劣。結(jié)合各個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域其它因素，濟(jì)源市中東部、沁陽(yáng)市具有良好的自然環(huán)境條件，也是研究區(qū)周邊最為發(fā)達(dá)的地區(qū)，尤其以農(nóng)業(yè)機(jī)械化最為發(fā)達(dá)，故土地的產(chǎn)出率指標(biāo)也較為突出，故濟(jì)源市中東部、沁陽(yáng)市的排名更加靠前。此外，孟州市、溫縣的土壤較濟(jì)源市中東部、沁陽(yáng)市肥沃，該區(qū)域的農(nóng)業(yè)資源也較豐富，但機(jī)械化相對(duì)落后，故排名也相對(duì)較前。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)本文的研究成果可知，土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中土體環(huán)境因子是至關(guān)重要的，權(quán)重值也較高，可達(dá)0.89；自然環(huán)境因子的權(quán)重次之，為0.0574。同時(shí)，根據(jù)本文的研究成果可知，土壤中全鉀含量與全氮含量高的數(shù)據(jù)，所占有的權(quán)重也就越高，這與土壤質(zhì)量與鉀、氮含量相關(guān)的結(jié)論相吻合，說(shuō)明本文所采用評(píng)價(jià)因子的權(quán)重是合理的。

（2）在Topsis 模型下，研究區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量排名依次為沁陽(yáng)市、濟(jì)源市中東部、孟州、溫縣、武陟縣北部。

（3）在研究區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分析中，可以發(fā)現(xiàn)2001～2021 年期間，研究區(qū)內(nèi)的土壤環(huán)境質(zhì)量基本沒(méi)有大幅變動(dòng)，這表明研究區(qū)內(nèi)的土壤環(huán)境質(zhì)量變化較弱。同時(shí)，在研究期間土壤環(huán)境質(zhì)量的各指數(shù)呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，表明在研究區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，土壤環(huán)境質(zhì)量也有顯著的提高。