基于AHP、負權重和模糊數(shù)學的土壤質(zhì)量評價研究

摘要：以北京市房山區(qū)為研究區(qū)域，選用土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量的8個指標，采用層次分析法（AHP）、負權重和模糊數(shù)學對北京房山區(qū)土壤質(zhì)量進行綜合評價，發(fā)現(xiàn)房山區(qū)土壤綜合指數(shù)在0.247～0.996之間，其中燕山地區(qū)土壤綜合指數(shù)最低（0.247），蒲洼鄉(xiāng)的土壤綜合指數(shù)最高（0.996）。根據(jù)耕地地力等級的劃分范圍，北京市房山區(qū)Ⅰ級占9%，Ⅱ級占23%，Ⅲ級占55%，Ⅳ級占14%，說明土壤質(zhì)量總體處于中等水平。通過對比分析Ⅰ級和Ⅳ級指標含量，發(fā)現(xiàn)土壤綜合指數(shù)高的區(qū)域具有土壤肥力指標高、土壤環(huán)境質(zhì)量指標低、沒有指標超標的特點，而土壤綜合指數(shù)低的區(qū)域具有土壤肥力指標低、土壤環(huán)境質(zhì)量指標高、至少有一個指標超過臨界值的特點。

關鍵詞：土壤質(zhì)量；負權重；層次分析法（AHP）；模糊數(shù)學

中圖分類號：F224.0 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4480-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.031

Abstract：The research area located at Beijing Fangshan district，soil fertility and soil environment quality was taken as evaluating indicators which included soil organic matter， alkaline N，available P，available K，Cu，Pb，Cr，Cd. Comprehensive evaluation of soil quality was carried out by analytic hierarchy process，negative weights and fuzzy in Fangshan district of Beijing city，the results showed that the soil quality index was between 0.247 and 0.996，in which soil quality index of Yanshan area was the lowest of 0.247，soil quality index of Puwa town was the higest of 0.996. According to the classification cultivated land fertility range，Ⅰgrade accounted for 9%，Ⅱ grade accounted for 23%，Ⅲ grade 55%，Ⅳ grade 14%. Through comparative analysis it was found that areas of high soil quality index had high soil fertility，low soil environmental quality indicators， no indicators exceeded the threshold. Areas with low soil quality index had low soil fertility， soil environmental quality index was higher， and there was at least a characteristic index exceeded the threshold.

Key words： soil quality； negative weights； analytic hierarchy process（AHP）； fuzzy math

土壤是重要的農(nóng)業(yè)資源和自然環(huán)境要素之一，提供了農(nóng)作物生長的大部分養(yǎng)分，又是農(nóng)作物生長發(fā)育的重要載體。近年來，工業(yè)污染、過量施肥、污水灌溉等原因?qū)е峦寥蕾|(zhì)量下降，土壤質(zhì)量評價越來越成為土壤科學研究的熱點之一[1]。

土壤質(zhì)量是土壤肥力質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量的綜合量度[2]，而土壤質(zhì)量評價則是科學準確衡量土壤維持生產(chǎn)力、環(huán)境凈化能力以及保障動植物健康能力的集中體現(xiàn)[3]。目前，對土壤質(zhì)量的評價主要以土壤質(zhì)量3個部分（土壤肥力質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量）的單獨評價為主。由于這3個部分對土壤質(zhì)量的影響不同，土壤肥力的指標大多對土壤質(zhì)量產(chǎn)生正向積極影響，而土壤環(huán)境的指標通常對土壤產(chǎn)生消極的影響。但土壤質(zhì)量評價是一個綜合質(zhì)量評價，需要綜合考慮土壤質(zhì)量的正負向指標。選擇土壤質(zhì)量的土壤肥力指標和土壤環(huán)境指標進行綜合評價，有助于更加準確地了解土壤質(zhì)量狀況。

在土壤質(zhì)量評價中，土壤肥力質(zhì)量評價采用的方法主要有層次分析法（AHP）和模糊數(shù)學[4-7]、支持向量機方法[8]、灰色關聯(lián)模型[9]、神經(jīng)網(wǎng)絡[10]等，而土壤環(huán)境質(zhì)量評價以單項污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)[11-15]為主。在眾多評價方法中，利用層次分析法和模糊數(shù)學評價土壤質(zhì)量最為常見和成熟。本研究以北京市房山區(qū)為研究對象，將土壤肥力指標和土壤環(huán)境指標結合起來，采用層次分析法為評價指標賦權重、模糊數(shù)學計算指標隸屬度，對土壤環(huán)境質(zhì)量進行綜合評價。

1 研究區(qū)概況及樣品的采集和分析

1.1 研究區(qū)概況

北京市房山區(qū)位于北京西南面，城區(qū)距市中心22 km，地處北緯39°30′～39°55′，東經(jīng)115°25′～116°15′，面積201 900 hm2，東北與豐臺區(qū)相鄰，東與大興區(qū)一水相隔，南面和西面與河北涿州市、淶水縣相連，北與門頭溝以百花山為界。房山地形復雜多變，處于華北平原與太行山交界地帶，西部和北部是山地、丘陵，約占全區(qū)總面積2/3，人口數(shù)量83萬。境內(nèi)有大小河流13條，拒馬河、大石河回旋曲折，永定河、小清河穿境而過。氣候?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂颍昶骄鶜鉁貫?1.9 ℃，年平均降水量582.8 mm，年平均無霜期202 d。

1.2 樣品的采集與測定

土壤樣品采集時間為2006年3、5、8月，樣點布局考慮了土壤肥力指標和土壤環(huán)境指標的空間變異性、土地利用方式和土壤類型。采用梅花點法進行定點采樣，應用GPS確定樣點位置，采集的耕層為土壤的0～20 cm，采用多點混合和四分法制樣，共采集土壤樣品22個。采集的土壤樣品經(jīng)風干后，采用四分法過20目、100目篩后風干保存?zhèn)溆谩Ｍ寥烙袡C質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀-外加熱氧化法，堿解氮的測定采用堿解擴散法，速效磷的測定采用 0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀的測定采用醋酸銨浸提-原子吸收法，Pb、Cd的測定為石墨爐原子吸收分光光度法，Cr和Cu的測定為火焰原子吸收分光光度法。本研究以鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為評價單元，選取土壤肥力（有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀）和重金屬污染元素（Cd、Pb、Cu、Cr）8項作為評價指標。

2 結果與分析

2.1 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的計算

2.1.1 土壤質(zhì)量評價指標的標準化處理 由于土壤質(zhì)量的各個指標從不同角度反映土壤質(zhì)量狀況，并且各指標實測值之間的量綱有很大區(qū)別，所以選用隸屬函數(shù)進行數(shù)據(jù)標準化。隸屬函數(shù)是根據(jù)一定范圍內(nèi)評價指標與作物產(chǎn)量關系確定的，鑒于土壤環(huán)境質(zhì)量指標與作物成負相關關系，選用降半梯形分布函數(shù)，而土壤肥力指標與農(nóng)作物成正相關關系，選用S型分布函數(shù)。

降半梯形分布函數(shù)，分段函數(shù)界限值為相應的環(huán)境質(zhì)量標準級數(shù)，函數(shù)如下：

土壤肥力指標與作物效應呈S型關系，所以隸屬函數(shù)也采用S型，為方便計算把曲線函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應的折線函數(shù)，隸屬函數(shù)[16]如下：

結合研究區(qū)實際，參照國家土壤質(zhì)量標準（GB15168-1995）和綠色食品中心發(fā)布的標準（NY/T391-2000），確定土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量各指標隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點，如表1所示。

2.1.2 權重的設置 土壤質(zhì)量評價中土壤肥力質(zhì)量指標大多為正向因素，而土壤環(huán)境質(zhì)量指標多為負向因素。確定正向因素和負向因素所占比例是土壤質(zhì)量評價至關重要的一步。無論采用哪種方法，權重的加和必須為1，即正負權重之和也必須為1，對于土壤質(zhì)量評價來說，土壤肥力直接作用于植物生長，理論上不應存在負值，而土壤污染危害植物生長，在土壤評價中發(fā)揮著負向作用。在類似的問題中，正向權重應大于負向權重，并且兩者差距較大。

陳彥清[17]利用X/Y的比值確定A值（X和Y的絕對值和）范圍，并詳細列出了X/Y在不同比值下A值的取值范圍表。根據(jù)研究區(qū)域的實際情況，本研究確定A=1.4，計算得X=1.2，Y=0.2，即正向權重總和為1.2，負向權重總和為-0.2。

2.1.3 確定評價指標的權重 目前，土壤質(zhì)量評價指標權重確定的方法主要有主成分分析法、因子分析法、灰色關聯(lián)分析法、層次分析法等[18]，其中層次分析法把定性和定量分析結合起來，更符合客觀實際，應用較為普遍。根據(jù)土壤質(zhì)量評價的特點，本研究采用層次分析法確定各項指標的權重。由于引入負權重，正向指標與負向指標在建立判斷矩陣和排序時相當于兩個獨立的體系，需分別建立判斷矩陣與排序，打分時不分正向影響與負向影響，遵循“最嚴重對應最高分”的規(guī)則，這樣在加入負權重計算時不利因素的“最嚴重”才可起到“減分最嚴重”的效果。

2.1.4 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的計算 根據(jù)計算出的各指標的隸屬度和權重，計算出各土壤樣品的綜合評價指標值（Integrated quality index）采用下列公式計算：

IQI=∑WiNi （3）

式中，Wi，Ni分別為第i種評價指標的權重和隸屬度值。綜合指標值是每個土壤采樣點的土壤質(zhì)量水平的得分，是土壤質(zhì)量狀況的綜合反映。該指數(shù)值的大小反映了土壤質(zhì)量的高低，IQI取值在0和1之間，該值越高，表明土壤質(zhì)量越好，IQI值越低， 表明土壤質(zhì)量越差[19]。根據(jù)國家農(nóng)業(yè)部標準（NY/T33092-1996）全國耕地類型區(qū)耕地地力等級劃分并結合房山區(qū)實際情況，本研究采用等間距法將IQI劃分為5個等級，如表3所示。

2.2 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)分析

通過土壤綜合指數(shù)計算發(fā)現(xiàn)，房山區(qū)土壤綜合指數(shù)區(qū)間為0.247～0.996，其中燕山地區(qū)土壤綜合指數(shù)最低（0.247），蒲洼鄉(xiāng)的土壤綜合指數(shù)最高（0.996）。根據(jù)土壤質(zhì)量等級劃分，土壤綜合質(zhì)量屬于Ⅰ級的有蒲洼鄉(xiāng)（0.996）、霞云嶺鄉(xiāng)（0.991）；土壤綜合質(zhì)量屬于Ⅱ級的有5個，分別為十渡鎮(zhèn)（0.778）、長陽鎮(zhèn)（0.692）、青龍湖鎮(zhèn)（0.649）、張坊鎮(zhèn)（0.641）、韓村河鎮(zhèn)（0.64）；土壤綜合質(zhì)量屬于Ⅲ級的有12個，分別為閻村鎮(zhèn)（0.590）、大安山鎮(zhèn)0.586）、長溝鎮(zhèn)（0.582）、南窯鎮(zhèn)（0.571）、史家營鎮(zhèn)（0.551）、石樓鎮(zhèn)（0.550）、竇店鎮(zhèn)（0.514）、周口店鎮(zhèn)（0.508）、良鄉(xiāng)鎮(zhèn)（0.483）、房山鎮(zhèn)（0.456）、佛子莊鄉(xiāng)（0.453）、河北鎮(zhèn)（0.411），占55%；Ⅳ級有3個，分別為大石窩鎮(zhèn)（0.397）、琉璃河鎮(zhèn)（0.363）、燕山地區(qū)（0.247）。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，土壤綜合質(zhì)量屬于Ⅰ級的鄉(xiāng)鎮(zhèn)占9%，Ⅱ級占32%，Ⅲ級占55%，Ⅳ級占14%，Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級之和占到86%，說明房山區(qū)土壤質(zhì)量總體處于中等水平。分析土壤綜合質(zhì)量屬于Ⅳ級的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，發(fā)現(xiàn)大石窩鎮(zhèn)、琉璃河鎮(zhèn)和燕山地區(qū)的土壤存在污染情況，主要是鎘超標，鎘的含量分別為0.16 mg/kg、0.14 mg/kg、0.23 mg/kg，超過清潔標準0.13 mg/kg，但大石窩鎮(zhèn)和琉璃河鎮(zhèn)的鎘含量未超過尚清潔的界限0.20 mg/kg，而燕山地區(qū)的鎘含量超過了尚清潔的界限，但未超出輕污染的界限0.60 mg/kg。總體來看，大石窩鎮(zhèn)和琉璃河鎮(zhèn)的土壤還屬于安全狀態(tài)，但燕山地區(qū)需要查清鎘來源，防治進一步污染。

3 小結與討論

土壤質(zhì)量評價是為了能夠準確衡量土壤肥力和土壤環(huán)境的情況。本研究采用模糊數(shù)學、層次分析法和負權重進行土壤質(zhì)量評價，充分考慮了土壤環(huán)境質(zhì)量指標對土壤質(zhì)量評價的限制作用。研究發(fā)現(xiàn)，房山區(qū)的蒲洼鄉(xiāng)和霞云嶺鄉(xiāng)的土壤綜合指數(shù)高，而大石窩鎮(zhèn)、琉璃河鎮(zhèn)和燕山地區(qū)土壤綜合指數(shù)低。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，土壤綜合指數(shù)高的區(qū)域具有土壤肥力指標高、土壤環(huán)境質(zhì)量指標低、沒有指標超標的特點，而土壤綜合指數(shù)低的區(qū)域具有土壤肥力指標低、土壤環(huán)境質(zhì)量指標高、至少有1個指標超過臨界值的特點。研究結果與實際調(diào)查情況相同，也驗證了采用負權重進行土壤質(zhì)量評價的可行性，同時也給土壤質(zhì)量評價提供了一個新的思路。

本研究以北京市房山區(qū)為研究對象，選擇影響土壤質(zhì)量最核心的兩個綜合因素土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量作為評價指標，由于這兩個綜合指標對土壤質(zhì)量影響不同，一般認為土壤肥力指標對土壤質(zhì)量產(chǎn)生積極作用，而土壤環(huán)境質(zhì)量指標對土壤質(zhì)量起消極作用，屬于控制因素。本研究嘗試對正向因素和負向因素統(tǒng)一賦權重，統(tǒng)一評價，充分考慮負向因素對土壤質(zhì)量的影響，有助于提高評價的準確性。

1）運用層次分析法和負權重對北京市房山區(qū)的土壤肥力指標和土壤環(huán)境指標權重進行確定，得出W（有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、鎘、銅、鉛、鉻）=（0.374、0.336、0.154、0.336、-0.103、-0.038、-0.038、-0.021）。

2）利用模糊數(shù)學的隸屬函數(shù)和層次分析法獲得的權重，計算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，房山區(qū)土壤綜合指數(shù)區(qū)間為0.247～0.996，其中燕山地區(qū)土壤綜合指數(shù)最低（0.247），蒲洼鄉(xiāng)的土壤綜合指數(shù)最高（0.996）。

3）根據(jù)耕地地力等級的劃分范圍，北京市房山區(qū)Ⅰ級占9%，Ⅱ級占23%，Ⅲ級占55%，Ⅳ級占14%。

4）通過對比分析發(fā)現(xiàn)，土壤綜合指數(shù)高的區(qū)域具有土壤肥力指標高、土壤環(huán)境質(zhì)量指標低、沒有指標超標的特點，而土壤綜合指數(shù)低的區(qū)域具有土壤肥力指標低、土壤環(huán)境質(zhì)量指標高、至少有一個指標超過臨界值的特點。

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