基于內(nèi)梅羅指數(shù)法及其改進方法的小尺度區(qū)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(shù)據(jù)，利用內(nèi)梅羅指數(shù)法及其改進方法，結合評價標準對小尺度區(qū)域Y鎮(zhèn)土壤重金屬污染進行評價，比較各自方法的優(yōu)缺點、適用性，并選擇最優(yōu)方法使得評價結果更為全面地反映小尺度區(qū)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(jù)。結果表明：內(nèi)梅羅指數(shù)法的改進方法更適用于小尺度地區(qū)的土壤重金屬污染評價，該方法改進了內(nèi)梅羅指數(shù)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(nèi)爾梅羅指數(shù)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(huán)境地理信息系統(tǒng)、地圖學與地理信息系統(tǒng)的研究。E-mail：xiaoman421@qq.com。

通信作者：徐夢潔，碩士生導師，從事區(qū)域經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展、地理信息系統(tǒng)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(yè)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(guī)劃上通過了《重金屬污染綜合防治規(guī)劃》，這充分表明對重金屬污染問題的重視已經(jīng)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(xiàn)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(chǎn)生不利影響。如低濃度的Hg在小麥萌發(fā)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(xiàn)為抑制作用[3]。土壤重金屬污染潛伏時間長，多數(shù)重金屬不易降解，對農(nóng)作物的品質(zhì)、產(chǎn)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(zhèn)化發(fā)展飛速的蘇南地區(qū)，因鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)大力發(fā)展和監(jiān)管力度缺乏而導致的村鎮(zhèn)地區(qū)土壤重金屬污染問題十分嚴重[5]。鄉(xiāng)鎮(zhèn)是一個特定的區(qū)域，處于城市的外圍，是連接農(nóng)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(nóng)村經(jīng)濟和社會的發(fā)展，并促進農(nóng)民生活水平的提高[6]。現(xiàn)階段，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)快速發(fā)展，先進的農(nóng)業(yè)技術得到廣泛應用，但是環(huán)境問題也隨之而來。由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)監(jiān)管力度薄弱，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的廠房設施一般較為簡陋，重金屬物質(zhì)排放不合理，使得土壤重金屬污染成為鄉(xiāng)鎮(zhèn)環(huán)境中較為嚴峻的問題。蘇南的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)非常多，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的蓬勃發(fā)展，為鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟的騰飛、社會發(fā)展和環(huán)境建設提供了較為雄厚的物質(zhì)基礎，有力地促進了蘇南農(nóng)村現(xiàn)代化建設的步伐。由于大力發(fā)展經(jīng)濟，蘇南在鄉(xiāng)鎮(zhèn)環(huán)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(zhèn)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(nèi)容。目前，國內(nèi)外應用較多的土壤重金屬評價方法有內(nèi)梅羅指數(shù)法、環(huán)境風險指數(shù)法[7]、灰色聚類法[8]等，其中內(nèi)梅羅指數(shù)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(yōu)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(xiàn)研究區(qū)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(qū)域為依托，使用采樣數(shù)據(jù)，采用內(nèi)梅羅指數(shù)及其改進方法對研究區(qū)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(qū)域?qū)嶋H情況的評價結果，進而確定小尺度區(qū)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(huán)保部門的工作提供參考。

1研究區(qū)域、材料與方法

1.1研究區(qū)概況

Y鎮(zhèn)位于江蘇省C市，地處中國經(jīng)濟最活躍的區(qū)域——上海經(jīng)濟圈中心，總面積約為12.67 km2。境內(nèi)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(wǎng)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(zhèn)高速發(fā)展工業(yè)、苗木種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)觀光旅游，其中工業(yè)產(chǎn)值占該鎮(zhèn)總產(chǎn)值的90%以上。工廠主要集中在東部，尤其是東南部地區(qū)，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(diào)查中了解到，Y鎮(zhèn)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(wǎng)布點法與半隨機布點法相結合的采樣方式。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)范圍以外的研究區(qū)內(nèi)以500 m格網(wǎng)布點；鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)內(nèi)由于廠房眾多，并且排列不規(guī)則，同時要避開道路等設施，不便于采用格網(wǎng)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(yǎng)殖水面等不同的土地利用現(xiàn)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(nèi)），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(nèi)的點占43.64%，農(nóng)作物及附近50 m以內(nèi)的點（包含居民區(qū)內(nèi)零碎菜地、農(nóng)業(yè)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(nèi)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(zhì)譜儀（HPLC-ICP-MS）測定，As、Hg含量采用GB/T 22105.1—2008《土壤質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhèn)的實際情況，本研究采用當?shù)赝寥辣尘爸底鳛樵u價基準。土壤背景值是土壤環(huán)境評價的基準值，同時也是土壤污染態(tài)勢預報、土壤環(huán)境容量計算、土壤環(huán)境質(zhì)量標準確立以及制定國民經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的重要基礎數(shù)據(jù)[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(nèi)梅羅指數(shù)法及其改進方法

2.2.1內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法（綜合污染指數(shù)法）是一種兼顧極值或突出最大值的計權型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法，該方法包括單項污染指數(shù)法和綜合指數(shù)法。其中，單項污染指數(shù)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(shù)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(shù)法的基礎上發(fā)展內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，可以較全面地反映多種污染物的共同作用。內(nèi)梅羅指數(shù)可以突出顯示指數(shù)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(huán)境質(zhì)量評價有偏差。

2.2.2內(nèi)梅羅指數(shù)法的幾種改進方法

2.2.2.1單項污染指數(shù)結合土壤背景值修正

原單項污染指數(shù)法中，Si為土壤環(huán)境質(zhì)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(huán)境的影響，可以對單項污染指數(shù)用土壤背景值進行修正[15]。

2.2.2.2多因子綜合污染指數(shù)結合環(huán)境影響程度修正

由于不同重金屬元素對環(huán)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(shù)平均值公式，后面計算綜合污染指數(shù)的公式仍然不變[16]。

權重和類別依據(jù)Swaine的環(huán)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(nèi)梅羅指數(shù)結合地累積指數(shù)改進

地累積指數(shù)具有與單項污染指數(shù)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(shù)替換為地累積指數(shù)，從而獲得新的綜合指數(shù)[17]。

2.2.2.4內(nèi)梅羅指數(shù)結合土壤環(huán)境質(zhì)量標準的改進

直接采用內(nèi)梅羅指數(shù)法評價，僅在公式中依據(jù)當?shù)赝寥辣尘爸祷蛲寥拉h(huán)境質(zhì)量評價標準來計算，安全系數(shù)較小，且規(guī)范性和可比性欠佳。采用土壤環(huán)境質(zhì)量標準對內(nèi)梅羅指數(shù)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(jù)GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)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(diào)整[18]。

全部采樣點單因子污染指數(shù)的平均值以及全部采樣點單因子污染指數(shù)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(shù)分級不變，綜合污染指數(shù)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(shù)。

[BT1#]3評價結果與分析

采用上述方法分別對研究區(qū)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(tǒng)計。為了更直觀地展示出研究區(qū)的整體污染狀況，選用插值效果較好的徑向基函數(shù)法的高次曲面函數(shù)對樣點土壤環(huán)境質(zhì)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(nèi)梅羅指數(shù)法

3.1.1單項污染指數(shù)評價

單項污染指數(shù)法實際上是利用實測數(shù)據(jù)和標準對比分類，根據(jù)單項污染指數(shù)計算公式對110個采樣點重金屬數(shù)據(jù)分別進行單項評價，得到研究區(qū)內(nèi)的重金屬污染情況。

由統(tǒng)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(qū)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(shù)評價

計算每一個采樣點多因子綜合污染指數(shù)（P綜 1）均值得到采樣地多因子綜合污染指數(shù)（P綜），詳見表2，P綜為1.98，表明該地區(qū)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(fā)展，需要在局部地區(qū)開展防治工作。

3.2改進方法

3.2.1內(nèi)梅羅單項污染指數(shù)結合背景值修正

修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)削弱了內(nèi)因的影響，重點考慮外在因素，實質(zhì)上是計算各樣點的超標率，修正后無污染樣點占總樣點數(shù)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%。總體來看，修正后的單項污染指數(shù)更加強調(diào)外因?qū)ξ廴镜挠绊懀瑹o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(shù)排序不變，但是在單項指數(shù)的均值、最大值調(diào)整后的綜合指數(shù)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(shù)卻有所下降，其他指數(shù)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(nèi)梅羅多因子綜合污染指數(shù)結合環(huán)境影響程度修正

在單項污染指數(shù)修正的基礎上進行單個采樣點所有污染物的算數(shù)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(shù)，Pi為內(nèi)梅羅單項污染指數(shù)），加入了權重值，來衡量不同重金屬元素對環(huán)境影響程度的大小。對環(huán)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(shù)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(nèi)梅羅指數(shù)結合地累積指數(shù)法改進

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

3.2.4內(nèi)梅羅指數(shù)結合土壤環(huán)境質(zhì)量標準的改進

采用土壤環(huán)境質(zhì)量標準的三級標準制定新的評價體系，統(tǒng)計改進前后不同污染級別的樣點占總樣點數(shù)的比例，改進前后的單項污染指數(shù)和改進后的多因子綜合指數(shù)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。總體來看，改進后的單項污染指數(shù)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(qū)分度，污染評價結果更為準確。對于Pb、Cu污染指數(shù)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(nèi)梅羅單項污染指數(shù)結合背景值修正后與未經(jīng)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(xiàn)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(shù)結合環(huán)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(shù)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(diào)了人為活動影響土壤重金屬污染的作用。

內(nèi)梅羅指數(shù)結合地累積指數(shù)法改進后的單因子綜合污染指數(shù)較修正前內(nèi)梅羅指數(shù)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(shù)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(nèi)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(nèi)梅羅指數(shù)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(huán)境質(zhì)量標準的內(nèi)梅羅指數(shù)從評價結果來看，比其他單因子內(nèi)梅羅指數(shù)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(nèi)梅羅指數(shù)結合土壤環(huán)境質(zhì)量標準改進評價比其他內(nèi)梅羅方法更能反映客觀實際，且污染分布的區(qū)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(zhèn)這樣的小尺度區(qū)域，重金屬污染評價適合采用內(nèi)梅羅指數(shù)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(shù)減少，但仍可以看出，樣本點數(shù)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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