基于內梅羅指數法及其改進方法的小尺度區域土壤重金屬污染評價

李小曼++徐夢潔++劉勤++孟令儀

摘要：采用110個采樣點數據，利用內梅羅指數法及其改進方法，結合評價標準對小尺度區域Y鎮土壤重金屬污染進行評價，比較各自方法的優缺點、適用性，并選擇最優方法使得評價結果更為全面地反映小尺度區域土壤重金屬污染程度，從而為該地土壤重金屬污染治理提供依據。結果表明：內梅羅指數法的改進方法更適用于小尺度地區的土壤重金屬污染評價，該方法改進了內梅羅指數是因為最大值而夸大了污染情況的缺點，更加重視外界因素對土壤重金屬污染的影響，分級更加科學。

關鍵詞：重金屬污染評價；內爾梅羅指數法；改進方法；小尺度；蘇南

中圖分類號：X53文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2017）03-0241-05

收稿日期：2015-12-11

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAJ24B06）

作者簡介：李小曼（1990—），女，江蘇南京人，碩士研究生，從事環境地理信息系統、地圖學與地理信息系統的研究。E-mail：xiaoman421@qq.com。

通信作者：徐夢潔，碩士生導師，從事區域經濟與可持續發展、地理信息系統研究。Tel：（025）84395700；E-mail：xmj@njau.edu.cn。

重金屬污染的主要來源包括工業污染、金屬礦山開采、污水灌溉、固體廢棄物處置等方面[1]，近年受到了研究人員的廣泛關注。我國在第1個國家“十二五”規劃上通過了《重金屬污染綜合防治規劃》，這充分表明對重金屬污染問題的重視已經上升到國家層面。污染物在土壤中的聚集往往因人為活動的增強呈現出高度的空間變異性，使得土壤重金屬污染問題更為復雜，往往在空間上形成一種或多種趨勢[2]。由于重金屬不易移動溶解，進入生物體后會積累下來，并對生物體產生不利影響。如低濃度的Hg在小麥萌發初期能起到促進作用，但隨著影響時間的延長，呼吸作用會降低，最終表現為抑制作用[3]。土壤重金屬污染潛伏時間長，多數重金屬不易降解，對農作物的品質、產量造成不良影響，甚至可以通過食物鏈影響人類健康[4]。因此，了解土壤中重金屬的含量與空間分布并進行污染評價，對于土壤重金屬污染防治乃至維護人體健康都具有十分重要的意義。

在城鎮化發展飛速的蘇南地區，因鄉鎮企業大力發展和監管力度缺乏而導致的村鎮地區土壤重金屬污染問題十分嚴重[5]。鄉鎮是一個特定的區域，處于城市的外圍，是連接農村和城市的橋梁與紐帶，在接受大中型城市輻射的同時，帶動周圍廣大農村經濟和社會的發展，并促進農民生活水平的提高[6]?，F階段，鄉鎮企業快速發展，先進的農業技術得到廣泛應用，但是環境問題也隨之而來。由于鄉鎮監管力度薄弱，鄉鎮企業的廠房設施一般較為簡陋，重金屬物質排放不合理，使得土壤重金屬污染成為鄉鎮環境中較為嚴峻的問題。蘇南的鄉鎮企業非常多，鄉鎮企業的蓬勃發展，為鄉鎮經濟的騰飛、社會發展和環境建設提供了較為雄厚的物質基礎，有力地促進了蘇南農村現代化建設的步伐。由于大力發展經濟，蘇南在鄉鎮環境污染方面存在許多問題，尤其是那些“看不見”的污染。由于重金屬在土壤中遷移緩慢，較小的尺度更能反映污染的真實性，所以展開以村鎮為單位的小尺度土壤重金屬污染研究顯得更為重要。

土壤重金屬污染研究中，評價方法也是十分重要的研究內容。目前，國內外應用較多的土壤重金屬評價方法有內梅羅指數法、環境風險指數法[7]、灰色聚類法[8]等，其中內梅羅指數法應用最為廣泛，并對該方法做了種種改進。在土壤重金屬污染評價時，研究人員往往只使用一種評價方法，往往導致結果唯一，沒有可比性，無法進行擇優判斷；評價時所采用的基準值通常為國家基準值或江蘇省基準值，范圍較廣，不能因地制宜體現研究區域的實際情況。同時，重金屬污染評價的范圍一般趨向大中尺度，小尺度的研究較為少見。因此，本研究以小尺度區域為依托，使用采樣數據，采用內梅羅指數及其改進方法對研究區域的重金屬污染進行評價，通過對比評價結果，得出更為符合研究區域實際情況的評價結果，進而確定小尺度區域重金屬污染評價的適宜方法。研究結論也可以為政府部門以及環保部門的工作提供參考。

1研究區域、材料與方法

1.1研究區概況

Y鎮位于江蘇省C市，地處中國經濟最活躍的區域——上海經濟圈中心，總面積約為12.67 km2。境內四季分明，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為16 ℃；雨量充沛，水網稠密，年平均降水量為1 200 mm，土壤類型主要為水稻土[9]。Y鎮高速發展工業、苗木種植、水產養殖、農業觀光旅游，其中工業產值占該鎮總產值的90%以上。工廠主要集中在東部，尤其是東南部地區，主要有紡織廠、印染廠、機械制造廠、五金廠、溫室制造廠等（圖1）。筆者在污染源調查中了解到，Y鎮有大型銅管廠，并且金屬材料廠、電鍍廠較多，很多工廠的廢水、廢渣中都含有重金屬。

1.2材料與方法

1.2.1樣品采集與前期處理

本研究采用的是格網布點法與半隨機布點法相結合的采樣方式。在鄉鎮工業區范圍以外的研究區內以500 m格網布點；鄉鎮工業區內由于廠房眾多，并且排列不規則，同時要避開道路等設施，不便于采用格網的形式，所以采取加密布點的方式，加密時一部分考慮了主要污染源，一部分隨機布點，盡量覆蓋景觀草坪、居民地、工廠、水稻田、養殖水面等不同的土地利用現狀。采樣時間為2014年10月21—22日，重金屬采樣器型號為WN0306。采樣時，用手持式GPS精確定位，采集表層0～20 cm土壤。其中，每一樣點分別向4個方向輻射約2 m（在5 m×5 m方格內），共采集5次。將5份樣品均勻混合制成該樣點的樣品，并標號，采樣點分布如圖1所示，共采集110個樣。工廠附近200 m以內的點占43.64%，農作物及附近50 m以內的點（包含居民區內零碎菜地、農業科技園等）占22.72%。

采集的土壤樣品帶回實驗室，置于陰涼處，室溫下使其自然風干。將風干的土壤樣品用木棒壓揉捻碎過20目的尼龍篩，并分成2份，一份進行pH值的測定，另一份研磨過100目的尼龍篩并充分混合均勻，裝瓶并貯存于干燥器內備用。

1.2.2樣品分析

土樣pH值的測定采用便攜式pH計（SG8-FK）用玻璃電極法進行測定，水土比為2.5 ∶[KG-*3]1。土壤重金屬分析項目為全量Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、As、Hg，其中Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd含量前處理采用HF-HClO4-HNO3等3酸高溫消解，Cr、Cu、Zn、Ni含量采用電感耦合等離子光譜法（ICP-AES）測定[10]，Pb、Cd含量采用液相色譜電感耦合等離子體質譜儀（HPLC-ICP-MS）測定，As、Hg含量采用GB/T 22105.1—2008《土壤質量總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法第1部分：土壤總汞的測定》、GB/T 22105.2—2008《土壤質量總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法第2部分：土壤總砷的測定》測定。重金屬分析測試過程中均用GSS-4和 GSS-5 標準參考土樣進行全程質量控制。

2評價指標體系與方法

2.1土壤重金屬污染評價標準

[JP2]為切實反映Y鎮的實際情況，本研究采用當地土壤背景值作為評價基準。土壤背景值是土壤環境評價的基準值，同時也是土壤污染態勢預報、土壤環境容量計算、土壤環境質量標準確立以及制定國民經濟發展規劃的重要基礎數據[11]。本研究以蘇南土壤背景值作為各種污染評價方法的基準（表1）。

2.2內梅羅指數法及其改進方法

2.2.1內梅羅指數法

內梅羅指數法（綜合污染指數法）是一種兼顧極值或突出最大值的計權型多因子環境質量指數法，該方法包括單項污染指數法和綜合指數法。其中，單項污染指數法是以重金屬含量實測值和評價標準相比除去量綱來計算污染指數的方法，能夠準確反映某種重金屬元素的污染程度，目標明確，公式及分級標準參見文獻[14]。在單項污染指數法的基礎上發展內梅羅綜合污染指數法，可以較全面地反映多種污染物的共同作用。內梅羅指數可以突出顯示指數最大值的重金屬污染物的危害性，但可能會夸大或縮小一些污染物的影響，導致對土壤污染程度分級的不精確，環境質量評價有偏差。

2.2.2內梅羅指數法的幾種改進方法

2.2.2.1單項污染指數結合土壤背景值修正

原單項污染指數法中，Si為土壤環境質量的標準值，未扣除自然背景值，使得外在因素的影響不突出。因此，如果要突出表示人為等外在因素對環境的影響，可以對單項污染指數用土壤背景值進行修正[15]。

2.2.2.2多因子綜合污染指數結合環境影響程度修正

由于不同重金屬元素對環境的影響大小不同，為了能將不同元素的影響程度考慮進來，而不是都視為一致，更合理地反映出污染程度，可以采用加權計算法改進i采樣點所有污染物的算數平均值公式，后面計算綜合污染指數的公式仍然不變[16]。

權重和類別依據Swaine的環境影響程度劃分，把Hg、Pb、Cd、As幾種毒性較高的元素歸為Ⅰ類，權重設為3；Zn、Cu、Cr、Ni幾種毒性較低的元素歸為Ⅱ類，權重設為2[16]。

2.2.2.3內梅羅指數結合地累積指數改進

地累積指數具有與單項污染指數一致的作用，只是考慮的因素更多、更全面。因此，可以把單項污染指數替換為地累積指數，從而獲得新的綜合指數[17]。

2.2.2.4內梅羅指數結合土壤環境質量標準的改進

直接采用內梅羅指數法評價，僅在公式中依據當地土壤背景值或土壤環境質量評價標準來計算，安全系數較小，且規范性和可比性欠佳。采用土壤環境質量標準對內梅羅指數法進行改進，可使得評價結果更加合理，可比性增強，更符合評價的實際需要。該方法依據GB 15618—1995《土壤環境質量標準》的三級標準分別作為評價的各級污染的初始值，把土壤重金屬污染分為4級，并在劃分級別上也進行相應調整[18]。

全部采樣點單因子污染指數的平均值以及全部采樣點單因子污染指數的最大值，共分為清潔、輕度污染、中度污染和重度污染4級，單項污染指數分級不變，綜合污染指數的劃分界點將2種常見的分級方法進行改進，取2種方法的算術平均數。

[BT1#]3評價結果與分析

采用上述方法分別對研究區土壤中的8種重金屬元素進行污染評價，對采樣點進行分級統計。為了更直觀地展示出研究區的整體污染狀況，選用插值效果較好的徑向基函數法的高次曲面函數對樣點土壤環境質量分類評價結果進行空間插值，并運用ArcGIS進行等值線圖的繪制。

3.1內梅羅指數法

3.1.1單項污染指數評價

單項污染指數法實際上是利用實測數據和標準對比分類，根據單項污染指數計算公式對110個采樣點重金屬數據分別進行單項評價，得到研究區內的重金屬污染情況。

由統計結果得知，Hg和Cd的污染程度較大，分別有19、20個樣點嚴重污染，中度污染的比例分別為14.55%和 20.91%，而Ni、Zn重度污染的樣點各有1個。其余元素大多無污染，少部分為輕度污染。Hg、Cd無污染的比例非常低，只有35.45%和20.91%，說明該地區Hg、Cd污染非常嚴重。以元素Cd、Hg為例，分別生成插值圖并分級，結果如圖2所示。[FL）]

[FK（W13][TPLXM222.tif][FK）]

3.1.2多因子綜合污染指數評價

計算每一個采樣點多因子綜合污染指數（P綜 1）均值得到采樣地多因子綜合污染指數（P綜），詳見表2，P綜為1.98，表明該地區總體為輕度污染。但接近于中度污染級別，污染極有可能往中、重度級別發展，需要在局部地區開展防治工作。

3.2改進方法

3.2.1內梅羅單項污染指數結合背景值修正

修正后的內梅羅指數削弱了內因的影響，重點考慮外在因素，實質上是計算各樣點的超標率，修正后無污染樣點占總樣點數的比例沒有變化（表3），在輕度污染部分，Ni、Cd、Hg所占比例有所下降，從原來的40.00%、46.36%、26.36%下降為32.73%、3000%、20.91%；而在中度污染部分Ni、Cd的比例有所上升，分別從3.64%、14.55%上升為7.27%、20.91%，而Zn、Hg的比例有所下降，分別從0.91%、20.91%下降為0、1636%；在重度污染部分，Ni、Zn、Cd、Hg所占的比例都有所上升，分別從 0.91%、0.91%、18.18%、17.27%分別上升至4.55%、1.82%、28.18%、27.27%?？傮w來看，修正后的單項污染指數更加強調外因對污染的影響，無污染部分污染程度沒有變化，而中度和重度污染的比例大大增加，但是在污染元素的分配上基本沒有變化。

修正后的單因子綜合指數排序不變，但是在單項指數的均值、最大值調整后的綜合指數上，Ni、Cd、Hg的值明顯增加。尤其是Ni，污染程度從中度上升為重度，而As的指數卻有所下降，其他指數基本不變，說明這種修正方法更加夸大了極值的作用，突出了外因的影響程度。

3.2.2內梅羅多因子綜合污染指數結合環境影響程度修正

在單項污染指數修正的基礎上進行單個采樣點所有污染物的算數平均值公式的修正，即把原來的P[TX-]i=[SX（]1n[SX）]∑[DD（]ni=1[DD）]Pi（n為樣點數，Pi為內梅羅單項污染指數），加入了權重值，來衡量不同重金屬元素對環境影響程度的大小。對環境危害大的元素污染值就高，使得評價值更加合理，具體修正前后對比結果參見表4。從圖3可以看出，按照綜合指數將污染程度劃分為5級，重度污染的面積大大增加，說明外界因素對整體污染影響程度較高，不容忽視。

3.2.3內梅羅指數結合地累積指數法改進

將內梅羅指數法與地累積指數法結合有利于2種方法缺陷的互補。其中，Iave是地累積指數的算數平均值，Imax是地累積指數的最大值，P為改進后的單因子綜合污染指數。改進后，單項污染指數相當于地累積指數，而單因子綜合指數和多因子綜合指數評價結果見表5、表6。

3.2.4內梅羅指數結合土壤環境質量標準的改進

采用土壤環境質量標準的三級標準制定新的評價體系，統計改進前后不同污染級別的樣點占總樣點數的比例，改進前后的單項污染指數和改進后的多因子綜合指數評價結果對比情況如表7、表8所示。

由表7可知，Hg和Cd的污染程度較大?？傮w來看，改進后的單項污染指數在污染程度較低的部分污染程度普遍上升1個級別，并且增強了區分度，污染評價結果更為準確。對于Pb、Cu污染指數修正后輕度污染比例明顯增加而不是大部分歸為無污染的級別，說明該方法對于污染的識別敏感性較強。

4討論與結論

從內梅羅單項污染指數結合背景值修正后與未經修正的評價結果對比來看，Ni、Cd、Hg輕度污染所占比例有所下降，從原來的40.00%、46.36%、26.36%下降為現在的3273%、30.00%、20.91%，變化較為明顯，由修正公式可知，Ni、Cd、Hg受人為因素影響較大。

多因子綜合污染指數結合環境影響程度評價法修正后的多因子綜合污染評價結果與修正前相比，樣本點數在輕度污染、中度污染中的比例有所下降，但在重度污染中的比例卻有所上升，輕度污染、中度污染分別從45.45%、28.18%下降為29.09%、23.64%，而重度污染的比例則從12.73%上升為33.64%，說明樣點普遍污染程度等級提高了，強調了人為活動影響土壤重金屬污染的作用。

內梅羅指數結合地累積指數法改進后的單因子綜合污染指數較修正前內梅羅指數比，污染程度下降。污染級別最高為4級，說明整體污染程度較重。改進后的多因子綜合污染評價結果與改進前相比，樣本點數在警戒限、輕度污染中的比例有所上升，但在中度污染、重度污染中的比例卻有所下降，說明樣點普遍污染程度等級提高，但極端值污染程度降低，重視內在因素和外在因素共同影響土壤重金屬污染的過程，更加符合土壤實際情況，改進了內梅羅指數因為最大值而夸大污染情況的缺點，比其他幾種修正方法整體污染程度低。

結合土壤環境質量標準的內梅羅指數從評價結果來看，比其他單因子內梅羅指數評價結果更能適度地反映人為因素和自然因素的綜合作用情況，分析結果更為客觀。而對于多因子綜合評價來看，內梅羅指數結合土壤環境質量標準改進評價比其他內梅羅方法更能反映客觀實際，且污染分布的區分度較高，更加形象清晰，有助于決策者進行決策。

綜合上述分析，在Y鎮這樣的小尺度區域，重金屬污染評價適合采用內梅羅指數的改進方法，改進后的多因子綜合污染評價與修正前相比雖然污染級數減少，但仍可以看出，樣本點數在清潔、輕度污染中的比例有所下降，但在中度污染、重度污染中的比例卻有所上升，說明更加重視了外界因素影響土壤重金屬污染的作用，且分級更加科學。

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