鎘污染稻田修復效果評估指標體系的構建

吳霄霄，米長虹，吳 昊，胡均銘，林大松*，鄭宏杰，焦位雄

（1.農業(yè)農村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津300191；2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護科學研究院，南寧530022；3.廣西壯族自治區(qū)農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所，南寧530007）

2014年我國公布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示：我國土壤污染總超標率為16.1%，從污染分布情況看，南方土壤污染重于北方，耕地點位超標率達19.4%，污染類型以無機型為主，其中重金屬鎘點位超標率高達7.0%[1]。經調查研究，我國土壤鎘污染范圍廣、來源多，鎘在環(huán)境中具有化學活性強、毒性持久、移動性大等特點，易通過食物鏈富集危及人類健康[2]。湖南、湖北、廣西、江西、四川等地都出現了鎘污染農田。由于鎘處于水溶態(tài)時活性大且易被作物吸收，因此污染農田多以水稻田為主。近幾年，在各個鎘污染區(qū)陸續(xù)開展了相應小區(qū)、大田修復試驗，旨在篩選出適合當地土壤鎘污染條件和農業(yè)種植習慣的土壤修復材料，為鎘污染耕地安全利用、保障農產品質量安全提供技術支撐[3]。

鈍化材料修復鎘污染稻田后，缺乏一套修復效果評估體系來評價修復是否達到了預期效果，而建立評估體系目前存在著評估指標選取、評估指標重要性程度分配等問題，因此建立一套評估指標體系來解決以上問題就顯得尤為重要。從我國已頒布的相關標準和規(guī)范來看，《污染場地土壤修復技術導則》（HJ 25.4—2014）[4]、《污染場地風險評估技術導則》（HJ 25.3—2014）[5]與《污染場地修復驗收技術規(guī)范》（DB11/T 783—2011）（北京市）[6]等行業(yè)與地方標準僅適用于場地污染修復，并不適用于農田修復效果評估。從陸續(xù)開展的評價工作來看，主要分為以下幾類：一是修復后對幾項指標前后對比評價，如修復前后土壤中有效態(tài)重金屬變化和作物中重金屬含量變化研究[7]；二是針對污染修復評價方法與評價指標選取研究，如植物毒性評價、土壤微生物評價等常用污染土壤修復效果評定方法與植物吸收毒理指標、污染物遷移指標、土壤酶指標、土壤微生物指標等常用修復后觀察指標研究[8-9]；三是建立不完善的指標體系研究，如王濤、袁毳推薦的缺乏各指標權重賦值的評價指標體系研究[10-11]；四是不針對修復效果評估而是針對一個修復項目或工程的評估，如在農田土壤、重金屬污染、經濟效益、生態(tài)效益、社會影響等范圍廣且針對性弱的評估研究[12]。以上的評價研究尚缺乏對土壤-作物-修復劑材料整體系統的評估，這就很大程度限制了污染農田修復相關工作的進行與修復材料研發(fā)的開展，因此，探索建立鎘污染稻田修復效果評估指標體系已迫在眉睫。

1 研究方法

構建指標體系的方法有理論分析、統計分析、文獻分析、實例研究、層次分析、比較分析等，本研究采用理論分析、文獻分析、德爾菲法和層次分析法[13]構建修復效果評估指標體系。

1.1 理論分析法

理論分析是評價研究中常用的方法之一，主要是指用現代科學理論進行實際問題分析的方法，在不同領域有不同的理念范式。

1.2 文獻分析法

文獻分析法是指搜集、鑒別、整理某一研究主題的相關文獻，并對其進行系統性地分析來獲取信息，進而形成對事實科學認識的一種研究方法[14]。

1.3 德爾菲法

德爾菲法又稱專家調查法，是依據系統的程序，采用匿名發(fā)表意見的方式，即專家之間不得互相討論，不發(fā)生橫向聯系，只能與調查人員發(fā)生聯系，以調查問卷形式，集結專家共識及搜集不同領域各專家意見，解決復雜難題的管理技術。這種方法具有廣泛的代表性，有匿名性[15-16]、反復性特點，因所請專家領域不同，得到的信息廣泛而較為可靠。

1.4 層次分析法

層次分析法（AHP）是在對復雜決策問題的內在關系、影響因素等進行深入分析的基礎上，將人們的經驗思維數量化，并檢驗決策者判斷一致性的一種常用評價方法。其方法運用過程是：將決策的目標、考慮的因素（決策準則）和決策對象按它們之間的相互關系分為目標層、準則層和指標層做遞階層次模型[17]；用T.L.Satty1-9比例標度比較各指標重要性并構造兩兩比較判斷矩陣[18]；計算矩陣并經一致性檢驗。

本文通過理論分析初步考慮將體系分為土壤、重金屬、種植作物、修復劑4個方面，重點運用文獻分析進行指標篩選，在此基礎上結合德爾菲、層次分析法建立指標體系構架，并確定指標權重，最終構建帶有權重賦值的修復效果評估指標體系。

2 評估體系指標的確定

2.1 指標篩選原則

農田重金屬污染修復與一般污染場地修復有很大的不同，一般場地污染修復關注的是修復后的地塊是否可以供工、商、建筑業(yè)開發(fā)利用，而農田重金屬污染修復關注的是修復后的土壤是否可以實現復墾，生產出的農產品是否符合食品安全標準[10]。

正確進行指標篩選是科學評估修復效果的前提，直接關系到評估結果的正確性和科學性。選取的指標之間應該相互補充，上下層次分明[17]。因此，在選取修復效果評估指標時應遵循以下幾點原則：一是科學性原則，指標體系能夠客觀地反映修復效果的本質及其復雜性和系統性；二是全面性原則，體系中包含的指標應從土壤肥力、重金屬污染、作物安全經濟與鈍化材料4個方面選取，能形成綜合性的評估指標體系，反映農田-作物系統各方面指標修復前后變化；三是可操作性原則，指標數據（從采樣到樣品處理檢測）能用現有方法和手段獲得，易于調查、查找或統計，有利于高效準確完成整個評估工作；四是可比性原則，指標具有很強的時空差異，數據采樣分析應是在同一修復周期里進行（修復前后采樣同時進行）；五是可評性原則，選取的指標應有相對應標準或參考值來評估修復效果[10]。

2.2 指標篩選方法

評估指標是進行評估的基礎，是反映評估客體的基本要素，制定有效的評估指標體系是修復效果評估的核心環(huán)節(jié)和重要步驟，更是評估成功的保證[19-20]。評估指標體系的初步確定是通過查閱相關文獻、摘錄指標并統計分析各項指標的相關數據并經課題組討論后確定。查閱修復材料對鎘污染稻田土壤修復的文獻，摘錄文獻中試驗指標數據，查詢有效文獻共497組數據（按添加修復劑計算），摘錄試驗指標在Excel表中，摘錄指標名稱見表1。

表1 文獻指標相對頻度與密度分析表Table 1 Relative frequency and density analysis of literature indicators

因Tessier逐級提取鎘的5種形態(tài)在文獻中出現較BCR提取法少，因此本研究僅對BCR提取法的4種形態(tài)鎘進行了統計。在文獻檢索過程中還摘錄了水稻類型、土壤質地、修復場地、小區(qū)面積、土壤處理、土壤采樣深度、修復前土壤pH、修復前土壤有效鎘等指標，但基于指標對“土壤污染修復效果評估體系研究”的重要性比較，最終選取了表1中所列的指標進行統計分析。

本文立足于指標頻度與密度分析、理論分析基礎上，結合實例驗證時測樣可獲得性，從表1中選取了全N、有效P等11個指標，同時考慮到修復劑對水稻生長性狀和修復實施過程的可接受性，又增加了修復劑成本、株高等9個指標，從而建立了初步指標體系，詳見表2。

2.3 指標確定

綜上設計問卷進行專家咨詢，本研究對土壤學、重金屬污染修復、環(huán)境影響評價、環(huán)境規(guī)劃等不同專業(yè)領域共25名專家進行問卷調查。在咨詢結果基礎上，根據評估指標體系構建的總體思路、基本原則和構建方法，再綜合研究指標數據可評性、評價標準可確定性等因素，本研究構建了由1個目標層指標、4個準則層指標、15個指標層指標構成的修復效果評估指標體系，詳見表3。

3 評估指標體系權重計算

指標權重確定的合理與否，將直接影響到整個評估結果的科學性[20]。確定指標權重方法有兩類：一類是主觀法，評價者根據經驗判斷而得到權重，如德爾菲法、循環(huán)評分法、二項系數法、特征向量[21]等；另一類是客觀法，評價者按一定方法對指標自身數值的判斷得到權重，如熵值法、因子分析法、層次分析法[22-23]等。兩種方法各有利弊，主觀法賦值客觀性較差但確定的權重與實際相符；客觀法確定權重精度較高但與指標實際重要性相悖[24]。本研究借鑒各研究領域學者研究經驗[11，25-26]以及本研究評價指標體系的通用性和穩(wěn)定性，采用層次分析法與專家咨詢法相結合的方法確定指標權重，既克服了主觀賦值缺陷，又確保指標權重的客觀性。

表2 初步修復效果評估指標體系Table 2 Preliminary repair effect evaluation index system

3.1 層次分析法基本步驟

（1）對體系各層次指標進行重要性比較

分析表3體系中各因素間的關系，對同一層次各元素關于上一層次中某一準則的重要性進行兩兩比較，構造兩兩比較的判斷矩陣，判斷重要性方法采用T.L.Satty1-9比例標度，表4為判斷矩陣標度及含義。

（2）構造比較判斷矩陣

本指標體系共建立7個比較矩陣，分為兩類：一類是準則層對目標層重要性比較矩陣，如對目標層S來說準則層（A1、A2、A3、A4）之間重要性比較矩陣見表5；另一類是指標層對準則層重要性比較矩陣，如對重金屬污染指標來說所屬指標（B9、B10）之間重要性比較矩陣見表6。由于土壤肥力指標（A1）下所屬指標有8項，重要性判斷矩陣為8×8階，重要性比較較復雜，為了便于專家判斷，將指標層（8項指標）按指標理化性質分為兩類進行比較，分類見表7。增加對土壤肥力（A1）來說所屬指標（A11′、A12′）之間重要性比較矩陣、對土壤養(yǎng)分來說所屬指標（B1、B2、B3、B4）之間重要性比較矩陣、對土壤理化性狀來說所屬指標（B5、B6、B7、B8）之間重要性比較矩陣（矩陣格式同表5、表6），請各位專家對矩陣指標重要性按表4做出判斷并填在“（）”內。

表3 鎘污染稻田修復效果評估指標體系Table 3 Evaluation index system for repair effect of cadmium contaminated paddy field

表4 判斷矩陣標度及含義Table 4 Judgment matrix scale and meaning

表5 準則層各指標之間重要程度判斷矩陣Table 5 Judgment matrix of all sorts of indicators in the criterion layer

表6 重金屬污染指標重要性判斷矩陣Table 6 Heavy metal pollution indicator importance judgment matrix

表7 土壤肥力分類Table 7 Classification of soil fertility

3.2 計算矩陣權重

層次分析法計算權重常用到的有方根法與和積法[27-28]，本研究用和積法計算各問卷中矩陣。在Excel中按和積法步驟計算權重與一致性，一致性取值見表8，若一致性通過，表示矩陣中重要性比較無邏輯錯誤；若一致性不通過，則需要按經驗法或其他調節(jié)一致性方法[29-31]重新調整矩陣直至一致性通過。一致性通過后，對25份問卷中計算的權重結果做加權平均[15，32]得到體系中指標最終權重。和積法步驟如下：

（1）按式（1）將比較矩陣A每一列正規(guī)化（其中n為比較矩陣階數，也是指標個數，下同）。

（2）按式（2）將每一列正規(guī)化后的比較矩陣按行相加。

（3）按式（3）對向量

按式（4）正規(guī)化。

表8 隨機一致性指標RI值Table 8 The value of the random consistency indicator RI

所得到的W=[w1,w2,…,wn]T即為所求特征向量，也就是各個指標對應的權重值。

（4）按式（5）計算比較矩陣最大特征值λmax。

式中(AW)i表示向量AW的第i個元素。

（5）一致性檢驗：按式（6）計算一致性指標CI。

由表8查找隨機一致性指標RI，由式（7）計算一致性比率CR。

當CR＜0.1時認為比較矩陣不一致程度在容許范圍內，即指標比較無邏輯錯誤；否則重新調整矩陣至一致性比率通過。

4 修復效果評估指標體系建立

本研究經過指標篩選、指標確定、權重計算一系列步驟，最終構建了權重分配完整的修復效果評估指標體系（表9）。

表9 修復效果評估指標體系Table 9 Evaluation index system for repair effect

就準則層權重分布來看，具有一定的偏向性，權重比較大的指標集中在水稻生長安全和重金屬污染兩個方面，分別為0.43與0.34；就指標層來看，有效鎘消減量指標與糙米含鎘量指標權重最大，分別為0.219與0.253。一方面說明專家們更側重于關注重金屬鎘在土壤中有效部分與水稻可食用部分含量變化，另一方面這也符合當今土壤重金屬修復是以降低土壤中有效態(tài)含量與作物可食用部分重金屬含量為主的現狀。

5 展望

本文研究的重金屬鎘污染修復效果評估指標體系是修復效果評估體系的核心，評估體系的另一個重點是評估標準。本研究初步從3個方面確定指標標準：一是現有標準，如《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）[33]中糙米含鎘量限量值與《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）[34]中土壤鎘指標及污染風險篩選值及管制值標準；二是文獻數據分析，如有效鎘消減量指標標準可根據相關文獻中消減量數據，制定該指標消減區(qū)間；三是專家咨詢，如糙米含鎘消減量指標標準制定可咨詢相關領域專家，制定合適的消減區(qū)間作為標準。

本指標體系需要在實踐過程中不斷完善，且體系并不是固定不變的，如不同修復材料可能會對土壤產生不同的次生環(huán)境問題等。修復效果評估指標體系研究工作仍有大量需要做的工作：一是繼續(xù)研究修復效果評估指標體系，在試驗與測樣條件允許的情況下，盡量增加代表性的指標評估；二是研究其他重金屬污染類型修復效果評估指標體系，如對重金屬復合污染土壤，可能會增加相互協同或拮抗重金屬類型指標。