基于廣西河池市脅迫風險的土壤環境脆弱性評價

秦旭芝，黎 寧，溫中海，羅志祥，王 斌，陳 洋

1．廣西壯族自治區環境監測中心站，廣西 南寧 530028

2．廣西壯族自治區產品質量檢驗研究院，廣西 南寧 530022

3．天津市環境監測中心，天津 300000

土壤環境直接關系到農產品質量安全、水質量安全、食品質量安全，其是人們賴以生存的基礎。但在很多地區，伴隨著大面積的礦區開采、選礦、冶煉等工業行為，造成礦區周圍環境，以及農田耕地等嚴重污染。目前，評價土壤環境質量一般采取國家土壤環境質量標準，即以土壤中各種污染物含量為評價尺度，對土壤環境質量進行評價［1-4］的報道較多，而土壤環境、自然環境對污染物的耐受能力、敏感程度的研究并不多見。本文借鑒了生態環境脆弱性研究［5-20］的思路，使用層次分析法(AHP)研究土壤環境各因素對重金屬污染的敏感性和重要程度，研究土壤環境脆弱性評價方法并建立相關的評價模型和體系，使用地理信息軟件(ArcGIS9.3)對自然、環境、社會要素柵格化后進行疊加運算，可展示、評價區域土壤環境脆弱性空間分布狀況。建立的土壤環境脆弱性評價模型包含自然因素、土壤因素、社會因素3個要素，篩選了21個因子作為評價項目(因子層)。選取廣西河池市作為研究區域，以分辨率2.5 km×2.5 km的像元作為評價單元，對該市開展土壤環境脆弱性評價，為將來區域土壤環境分級分區管理、治理礦區污染以及保護生態環境提供科學依據，同時為以后建立生態環境預警體系提供理論基礎。

1 研究區概況

河池市地處云貴高原南麓，介于東經106°34'～109°09'、北緯 23°41'～ 25°37'之間。東西長228 km，南北寬260 km，全市土地面積3.35萬km2。年平均氣溫16.9～21.5℃，雨量充沛，年降雨量在1 200～600 mm。在地貌上，境內山地、丘陵和各種地表、地下喀斯特發育廣泛。市內的河流主要為紅水河、龍江及其支流，屬珠江水系，珠江40%以上水量流經河池。

河池地處環太平洋金屬成礦帶，屬南嶺成礦帶的一部分。因此，礦產資源特別是有色金屬礦產資源十分豐富，具有礦種較齊全，共生、伴生礦種多、分布廣、質量好、儲量大、綜合利用性強、價值高等特點。全市11個縣、市(區)都有礦藏，已探明的有錫、銻、鋅、銦、銅、鐵、金、銀、錳、砷等 46個礦種，礦產地172處，其中大型18處，能源礦產主要有煤、石煤等。非金屬礦產主要有硫、石灰巖、白云巖等。水氣礦產主要有礦泉水，是全國著名的“有色金屬之鄉”，保有儲量居廣西首位的有錫、鉛、鋅、銻、銦等，是廣西最重要的礦產地區。

河池市現轄金城江、宜州、羅城、環江、南丹、天峨、東蘭、巴馬、鳳山、都安、大化等 11個縣(市、區)，總面積3.35萬 km2，總人口402萬人。河池境內絕大部分地區屬于石山地區，顯性和潛在石漠化占總面積60%以上，耕地占11%，庫區移民40萬，森林覆蓋率 67.92%，城鎮化率28.95%。

2 土壤環境脆弱性評價指標體系的建立

2.1 評價指標的確定

土壤環境的脆弱性除了土壤自身條件外，同樣具有自然和社會的雙重特征，其成因也包括自然因素、土壤因素、社會因素3大類。研究的指標體系由自然因素、土壤因素、社會因素3部分組成，評價指標的選擇依據土壤環境質量相關的因素，考慮了指標的可得性、實效性和區域特征。自然因素主要考慮年降水量、坡度、地形粗糙度、水網密度、植被覆蓋率等。土壤因素考察土壤侵蝕率、土地利用類型、石漠化強度、土壤本身的重金屬含量現狀、有機質含量、pH、全磷、全氮。社會因素包括人口壓力指數、公路網密度、人口素質、人均純收入、工業產投比、人均GDP、工業污染指數、農業污染指數、工礦企業密度等。如表1所示。

表1 因素指標明細

表1中指標體系的二級指標數據來源可分為兩類：定量數據和不可定量數據?？刹捎靡韵绿幚矸绞剑?)可定量數據為坡度、地形粗糙度、水網密度、土壤重金屬含量現狀、有機質含量、pH、全磷、全氮、人口壓力指數、工業污染指數、農業污染指數、工礦企業密度、人均GDP。利用ArcGIS 9.3的統計分析模塊，差值方法選用反距離權重法(IDW)，空間變異程度選取平方變異;面狀數據采用ArcGIS9.3屬性轉化工具Feature to Raster，轉化為柵格數據，柵格大小為2.5×2.5 km。2)不可定量數據為年降水量、土地利用現狀。采用最?。畲髽藴驶椒ㄟM行了分級，使其數值范圍為0～10，再根據已有的點位信息，進行插值，按數據分布規律劃分為五級，其標準值范圍為0 ～10，見表2。

表2 指標分級及對應數值

因可定量性數據中不同變量具有不同單位和不同變異程度，為了消除量綱影響、變量自身變異大小和數值大小的影響，故將數據標準化。Min-Max標準化方法是對原始數據進行線性變換。設Xmin、Xmax分別為屬性A的最小值和最大值，將A的一個原始值Xi通過min-max標準化映射的方法，使數值處于區間［0，10］中，計算公式如下：

式中：Xi表示處理前的數值，Xmin表示一組數值中的最小值，Xmax表示一組數值中的最大值，Si表示標準化后的數值。采用軟件ENVI5.1中波段計算band math對已經柵格化的圖層(b1)按Min-Max標準化方法計算，使其數值范圍為0～10。

2.2 指標權重的確定

研究所需資料分別是河池市各縣的社會經濟統計資料、植被覆蓋資料、土地利用資料、土壤資料以及該地區的氣象資料。地形因素中的坡度是根據該自治區電子地圖中等高線生成TIN并轉為GRID數據，然后進行坡度計算而得。利用層次分析法對指標進行標度形成判斷矩陣后，計算出各指標的權重、綜合權重，同時對矩陣進行一致性檢驗，判斷檢驗矩陣是否可以接受，見表3。

表3 因素指標分權重及綜合權重

由于計算過程工作量大，出錯率較高，需引進MATLAB7.0專業統計軟件進行計算。計算過程需要對矩陣進行編程后運行，最終生成矩陣最大特征值。

以一級、二級指標構成的判斷矩陣進行一致性檢驗，形成判斷矩陣，通過輸入一致性檢驗程序，運行后判斷是否通過一致性檢驗。

2.3 評價結果

利用ArcGIS 9.3中的Spatial Analyst模塊，結合各因子權重和加權指數建立河池市土壤環境脆弱性評價模型，見式(2)：

式中：SEVI表示土壤環境脆弱性指數，Xi、Wi表示第i個因子及其權重值。

通過導入數據和權重，得出相應的評價結果，根據結果可以得出每個評價單元上的脆弱度指數，由于目前對土壤環境脆弱度分級尚無統一標準，沒有普遍認可的評價依據，評價的結果主要反映的是土壤環境的脆弱程度，所以分值越高，表示土壤環境質量的脆弱性越高。為了使評價結果更直觀，本文結合一些評價模型［21-22］，按照生態脆弱度指數從高到低劃分為微度、低度、中度、高度、極度5個脆弱度等級。各等級的劃分標準見表4。

表4 土壤環境脆弱度分級

通過對各河池市土壤環境脆弱性因素指標的數值標準化處理后，結合AHP與GIS方法，繪制了河池市土壤環境脆弱性評價結果圖，如圖1所示。

圖1 河池市土壤環境脆弱性評價

自然因素是影響土壤環境脆弱性形成的基本因素，而土壤因素是影響土壤環境質量的內在因素，社會經濟因素是外在因素，3者相互作用，相互依存，共同脅迫土壤環境質量。河池市的土壤環境脆弱性在這3個方面受脅迫的表現比較明顯。首先，隨著河池市城鎮化水平的提高，原來林地變為低覆蓋度草地和城鎮建設用地，城鎮建設用地增加，大大降低了土壤的表層植被覆蓋，即自然因素脅迫土壤環境質量;其次，河池市部分區域土壤重金屬背景高，加上自然條件和人為擾動的影響造成一些區域土壤貧瘠，肥力下降，石漠化現象嚴重，土壤因素的脅迫程度較強;再次，河池市的社會經濟因素影響顯著，主要表現有色金屬采礦、選礦、冶煉行業發達，礦產開發造成一系列污染問題，如采礦、選礦企業的固體礦渣等排放較多，多年未得到有效控制，重金屬污染問題較突出。

研究結果證明3個因素對河池市土壤環境脆弱性的脅迫影響，圖1是3個主要因素的綜合作用結果，河池北部和南部區域屬于高度脆弱的區域，東部為中等脆弱區域，西部為低脆弱區域。北部區域主要為廣西3大重金屬防控區(南丹、環江、金城江)，受當地經濟因素即有色行業發展的負面影響較重，使該區域土壤環境更顯脆弱;河池市南部的都安、大化等縣份主要受土地貧瘠、石漠化、重金屬高背景等影響;東部區域存在一定的工業重金屬污染，石漠化程度高，土地利用變化較大，經濟發展較好，人均GDP等也相對較高;屬于低度脆弱的西部各縣從自然因素看，該地區地勢坡度起伏度大，水網密度較大。從土壤因素看，該地區的重金屬指標、有機質、pH、總氮、總磷等指標要明顯低于河池北部、東部、南部區域，且石漠化強度較低。從社會經濟因素看該區域工礦企業密度小，人口密度也相對較小，評價結果與河池市實際情況吻合。

從河池市不同脆弱程度所占面積看，高度脆弱區占全市的36.3%，中度脆弱區占38.3%，低度脆弱區占25.4%?？傮w來看，河池市大部分區域的土壤環境屬中高度脆弱。

3 結論與建議

1)結合AHP與GIS方法，利用插值和標準化值等多種方法，能夠定量分析土壤環境脆弱性指數。土壤環境脆弱性對表征區域的土壤環境質量的風險具有很直觀的表達。

2)利用土壤環境脆弱性，結合國家現有相關標準建立起的土壤環境質量風險防控體系具有綜合性、靈活性的特點，可用于指示不同工業區周邊土壤環境質量評價及土壤污染防治工作，以此防控指標體系為導向，提出土壤環境質量分級分區管理對策，以期進一步提高土壤環境質量的防控水平。

3)根據河池市土壤環境脆弱性特征及不同脆弱度分布，建議對該區域土壤環境高度脆弱區，重點治理。主要措施包括石漠化綜合整治、環境基礎設施建設以及環保資金的投入，減少人類活動對礦產資源的濫采和對林地的破壞，控制和治理污染，提高對工業“三廢”和生活污水、生活垃圾的處理率和利用率，同時工程修復和生態修復相結合，減緩目前該區土壤環境十分脆弱的態勢。在中度和輕度脆弱區，土壤環境質量形勢不是十分嚴峻，但仍要高度重視環境保護和建設，減少人為干擾和破壞，防止土壤環境質量惡化。

致謝：感謝廣西土壤環境污染與生態修復人才小高地和廣西西江流域生態環境與一體化發展協同創新中心的支持。

［1］王建國，楊林章，單艷紅．模糊數學在土壤質量評價中的應用研究［J］．土壤學報，2001，38(2)：176-183．

［2］許樹輝．地塊尺度耕地質量評價與方法探討——以湖南省瀏陽市為例［J］．長江流域資源與環境，2004，13(1)：47-52．

［3］蘇春田，唐健生，潘曉東，等．不同地質條件下土壤重金屬質量評價比較［J］．中國環境監測，2012，28(4)：25-28．

［4］付亞寧，范秀華，鄒璐，等．電廠周圍土壤重金屬空間分布與風險評價研究［J］．中國環境監測，2011，27(6)：5-8．

［5］Shao C，Guan Y，Chu C，et al．Trends analysis of ecological environment security based on DPSIR model in the coastal zone：A survey study in Tianjin，China［J］．International Journal of Environmental Research，2014，8(3)：765-778．

［6］Gogu R C ，Dassargues A．Current trends and future challenges in groundwatervulnerability assessment using overlay and index methods［J］．Environmental Geology，2000，39(6)：549-559．

［7］ Wang S Y，Liu J S，Yang C J．Eco-environmental vulnerability evaluation in the yellow river basin，China［J］．Pedosphere，2008，18(2)：171-182．

［8］ Li X M，Min M，Tan C F．The functional assessment of agriculture ecosystems in Hubei province，China ［J］．Ecological Modelling，2005，187：352-360．

［9］商博，于光金，王桂勛，等．基于PCA的區域環境質量綜合評價及應用實例研究［J］．中國環境監測，2013，29(5)：12-15

［10］董貴華，何立環，劉海江，等．生態系統管理中生態環境評價的關鍵問題［J］．中國環境監測，2013，29(2)：41-45．

［11］張笑楠，王克林，張偉，等．桂西北喀斯特區域生態環境脆弱性［J］．生態學報，2009，29(2)：749-757．

［12］袁明瑞，諸葛玉平，劉蕊．基于AHP法的泰安市生態系統脆弱性模糊評價［J］．環境科學與技術，2011，34(2)：173-177．

［13］尚立照，張龍生．基于“成因-結果”指標的甘肅各縣區生態脆弱性定量評價［J］．中國水土保持，2010(6)：11-13，23．

［14］黃義忠．麗江市地質環境脆弱性及其對策研究［D］．昆明：昆明理工大學，2010．

［15］付標，祝桂蘭，康鴛鴦，等．礦區生態環境脆弱性評價——以河南省新安縣正村煤礦為例［J］．安徽農業科學，2006，34(24)：6 565-6 567．

［16］李茜，張建輝，羅海江，等．區域環境質量綜合評價指標體系的構建及實證研究［J］．中國環境監測．2013，29(3)：1-8．

［17］古德寧，李光明，張兆海，等．濮陽工業園區土壤重金屬背景值及質量評價［J］．中國環境監測，2015，31(1)：50-52．

［18］雷國平，代路，宋戈．黑龍江省典型黑土區土壤生態環境質量評價［J］．農業工程學報，2009，25(7)：243-248．

［19］官冬杰，蘇維詞．基于GIS重慶巖溶地區生態環境脆弱度評價［J］．中國巖溶，2006，25(3)：211-218．

［20］任志遠．陜北黃土高原景觀生態環境遙感評價模型研究［J］．陜西師范大學學報：自然科學版，1997，25(1)：97-102．