改進物元分析法在農田土壤重金屬污染評價

李植花 趙昕

摘要 [目的]進一步探討鉛鋅礦區的開采對農田土壤中重金屬的污染狀況以及危害程度。[方法]以廣西環江某鉛鋅金屬尾礦區周邊農田土壤作為研究對象，測定了重金屬Cu、Zn、Pb、Cd含量，并對農田土壤樣品重金屬測定結果分別采用改進物元分析法、傳統物元分析法以及潛在生態危害指數法進行綜合評價和分析危害程度。[結果]改進物元分析法中中度污染程度以上的監測點占85.72%；傳統物元分析法中不符合級別程度的監測點占85.72%；潛在生態危害指數法中嚴重級別以上的監測點占85.72%。[結論]鉛鋅金屬礦區尾砂壩坍塌對周邊農田土壤造成重金屬污染危害。

關鍵詞 物元分析法；熵權系數法；土壤重金屬；污染評價

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）09-0227-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.09.064

Abstract [Objective] The research aimed to further explore the pollution of heavy metals in farmland soils by the exploitation of PbZn mining area and the degree of its harm. [Method] Takeing the farmland soil around a PbZn metal tailing area in Huanjiang of Guangxi as the research object， the content of Cu， Zn， Pb and Cd were determined. The results of the determination of heavy metals in farmland soil samples were comprehensively evaluated and analyzed by means of improved matterelement analysis， traditional matterelement analysis and potential ecological hazard index method. [Result]The monitoring points of improving the degree of moderate pollution in the matterelement analysis method accounted for 85.72%； the monitoring point of nonconforming level in the traditional matterelement analysis was 85.72%； the potential ecological Hazard index method had 85.72% of the monitoring points above the severity Level.[Conclusion]The collapse of tailings dam in PbZn metal mining area caused heavy metal pollution to surrounding farmland soil.

Key words Matter element analysis method；Entropy weight coefficient method；Soil heavy metals；Pollution assessment

土壤資源是保障人類賴以生存和繁衍的主要資源之一，因此在人類生活和社會發展中發揮著不可獲取的重要作用[1]。土壤重金屬污染所引起的環境問題已被國內外研究學者廣泛關注[2-5]。而在農田土壤中主要的重金屬污染元素有8種[6]，其中Pb、Cd、Cr、Hg、As元素的生物毒性最顯著，Cu、Zn、Ni元素也具有一定的毒性[7-8]。這些具有潛在毒性的重金屬元素直接作用于土壤生態系統、農產品、地表水等方式滲透在土壤中，通過日積月累的存留、遷移，并經過農作物等相關食物鏈方式傳遞并累積，直接或間接地對人體的健康造成危害。 被重金屬元素污染的土壤容易受到外界條件下進入大氣和水體中，造成大氣、水體及生態系統污染退化等環境問題[9-10]。然而，土壤重金屬污染相比于其他污染具有隱蔽性、易遷移以及長期性等特點，并且其不能完全被土壤生物分解或消失，其危害更大，更難以進行土壤修復和治理。

目前針對土壤重金屬污染評價的研究現狀，國內外諸多學者均提出了不少方法，如蔡小冬[11]對耕地耕層的土壤重金屬污染進行污染評價采用改進的層次分析法，但該方法還沒有達到理想的結果；張敏等[12]對土壤健康評價采用模糊綜合評價法，但該方法在土壤健康中應該考慮環境質量的模糊性，并且存在丟失信息的風險，所得結果主要是依據決策者的偏好和人為主觀因素來判斷。因此，該研究應用Hakanson提出制定的重金屬毒性響應系數[13]，并結合熵權系數法對物元分析法中的權重進行改進，提出了熵權毒性概念。改進的評價方法可從整體上反映土壤中重金屬元素濃度超標的情況及其毒性效應在評價級別中的占比和主要影響。筆者主要以廣西某鉛鋅金屬礦區尾砂壩的農田土壤為研究對象，對該區域的土壤污染狀況進行綜合評價，并根據研究結果制定具有針對性的措施和方案，以期為廣西某鉛鋅金屬礦區尾砂壩的農田土壤管理部門提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況與樣品采集

研究區域環江毛南族自治縣位于廣西西北部黔中高原南部邊緣的斜坡地帶地理位置，其主要地形地貌為北高南低、四周山嶺綿延，海拔149～1 693 m，年平均氣溫為19.9 ℃，年降水量為1 750 mm以及空氣平均濕度為79%，屬于熱帶季風性氣候。因廣西環江某鉛鋅金屬礦區尾砂壩坍塌，使得該區域大面積的農田受到重金屬污染，為此對該區域污染的農田土壤進行樣品采集測定，樣品的監測點主要取自受污染面積較大的典型污染區。

1.2 樣品處理與測定

采集好的土壤樣品放置在溫室條件下自然風干，篩選出碎石并進行研磨，分別用830、150 μm進行分析測定。采用國際標準法和ICP-MS對重金屬元素Cu、Zn、Pb、Cd的含量分別進行消解以及測定，各監測點中的重金屬元素Cu、Zn、Pb、Cd的測定結果如表1所示，其毒性系數分別為5、1、5、20。

1.3 數據處理與分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0進行處理和分析。

1.4 評價方法

1.4.1 評價標準。由于該區域地形及土壤分布類型復雜，該研究主要結合《廣西壯族土壤環境背景值的圖集》[14]和《土壤環境指標標準》（GB15618—1995）以及有關文獻資料，對土壤重金屬等級標準進行劃分（表2）。

1.4.2 改進物元分析法。

物元分析法是我國著名的蔡文教授[15]獨創的一門新型學科，并通過30多年的探討和研究，現如今已經形成了一套完整體系，并在理論和實踐等方面發揮了重要作用。物元分析法是研究解決不相容問題的新興學科，即是思維學科、系統學科以及數學3門學科的交叉邊緣學科，其原理是利用“事物名稱、特征、量值”組成物元模型三要素對事物進行描述，通過關聯度來表示元素與集合關系，分析其變化規律來解決不相容問題，適用于多指標評價。由于物元分析法廣泛應用于生態健康評價、風險評價以及環境質量綜合評價等方面的級別劃分，但在土壤重金屬污染評價的應用較少，尤其是土壤重金屬元素本身自帶生物毒性特征，對土壤重金屬污染進行評價，然而土壤重金屬涉及面較廣，其評價指標較多，單一指標的評級結果具有矛盾性和不相容性，而物元分析法正是解決單一評價指標存在不相容問題。

1.4.2.1 構建土壤重金屬污染物元分析模型。

1.4.2.4 確定評價指標權重（熵權毒性）。

指標權重取值范圍對評價結果有著較大影響，因此指標權重的確定在整個評價系統占主導地位。目前，計算指標權重的方法主要有層次分析法[18]，但是層次分析法極易受人為主觀因素的影響，為了減少這一因素的影響，該研究對熵權系數法中的權重進行改進，進而對物元分析法進行改進。熵權系數法是一種不僅避免人為主觀因素的干擾，還能根據實測數據自身攜帶的信息確定出每個評價指標的權重，是一種客觀的賦權方法。由此，熵權系數法根據重金屬在土壤中的毒性特點，對權重進行改進，并提出熵權毒性概念，使改進權重既包含了毒性的信息，又彌補熵權方法中權重計算的不足，還增加了權重的合理性和準確性。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量及污染程度分析

由表3可知，農田土壤中重金屬表現出較大的差異，Cu、Zn、Pb、Cd的含量分別為7.598～38.674、94.210～848.196、192.429～1363.227、0.104～1.980 mg/kg，其相差分別為Cu 5.09倍、Zn 9.00倍、Pb 7.08倍、Cd 19.04倍，說明4種重金屬在不同監測點中的空間分異大；平均值分別為27.990、620.276、823.992、1.003 mg/kg，4種重金屬均超過了廣西土壤背景值，說明該區域的農田土壤受到鉛鋅礦的重金屬污染較為嚴重。根據變異系數原則[22]，變異系數從大到小依次為Cd、Cu、 Pb、 Zn，4種重金屬均屬于中等變異性，其中，Cd的變異系數最高，說明不同的監測點Cd元素含量變化差異明顯，離散性越大。農田土壤樣品中除了Cu元素的平均含量較接近于廣西土壤背景值外，Zn、Pb、Cd元素的平均含量均超過了廣西土壤背景值，超標率從大到小依次為Pb、Zn、Cd、Cu。說明近幾年來廣西某鉛鋅礦周邊的農田土壤中Zn、Pb、Cd均有富集存在，且Pb元素全部超標，其富集程度最大，而Cu元素基本無富集。

2.2 土壤重金屬的改進物元分析評價

對土壤重金屬污染構建改進物元分析模型，分別計算該區域各監測點的綜合關聯度及對各監測點的污染程度劃分等級（表4）。根據評價標準[7]可知，監測點2、3在（0，1）之間，且由最大關聯度原則，監測點中2、3的綜合關聯度分別為0.174 5、0.142 3，其分別處于Ⅰ級和Ⅳ級（清潔和中度污染），即監測點2、3符合標準對象要求；根據評價標準，其他5個監測點的綜合關聯度均小于0，即監測點1、4、5、6、7均不符合標準對象要求，但5個監測點均具備轉化為標準對象的條件，并且監測點1、4、5、6、7的關聯度越大，越容易轉化；土壤中監測點污染等級比例分別為不符合污染等級71.44%、清潔14.28%、中度污染14.28%，說明該研究區域內農田土壤普遍受到重金屬污染，且污染情況較為嚴重。

2.3 土壤重金屬的傳統物元分析評價

表5為土壤重金屬的傳統物元分析法及其污染等級評價。根據評價標準[7]可知，監測點2在（-1，0）之間，并由最大關聯度原則，監測點2的綜合關聯度為-0.342，其處于Ⅲ級別（輕度污染），即采樣點2符合標準對象的要求；而監測點1、3、4、5、6、7的綜合關聯度均小于-1，由最大關聯度和評價標準可知，監測點1、3、4、5、6、7均不符合被評價級別，且又不具備轉化為標準對象的條件；土壤中監測點污染等級比例分別為不符合污染等級85.72%、輕度污染14.28%，說明該研究區域的農田土壤受到重金屬污染，且污染較為嚴重。

2.4 土壤重金屬的潛在生態危害指數評價

根據潛在生態危害指數法[23]和其危害程度等級標準[24]，表6列出了農田土壤中重金屬元素危害指數和危害綜合指數的結果。由表6可知，Cu、Zn、Pb、Cd元素的均值分別7.428、11.025、233.690、297.758，根據潛在危害指數法標準，Cu和Zn均屬于輕微生態危害元素，而Pb和Cd均屬于嚴重生態危害元素，其中Cd元素的生態危害生態指數大于其他重金屬元素；農田土壤研究區域的潛在生態危害綜合指數均值為548.616，屬于嚴重生態危害。因此，在整體污染中，輕微危害級別占14.28%，較重危害級別42.86%，嚴重危害級別占42.86%。

3 結論

應用改進物元分析法、傳統物元分析法和潛在生態危害指數法對研究某鉛鋅金屬礦區尾砂壩坍塌的農田土壤重金屬進行分析評價，得出以下結論：

（1）研究區域農田土壤中各重金屬元素的改進物元分析法監測點的污染級別比例分別為不符合污染等級71.44%、清潔14.28%、中度污染14.28%，說明該研究區域農田土壤普遍受到重金屬污染，污染情況較為嚴重且污染范圍較普遍。

（2）研究區域農田土壤中各重金屬元素的傳統物元分析法監測點的污染級別比例分別為不符合污染等級85.72%、輕度污染14.28%，說明該研究區域農田土壤受到重金屬污染且污染較為嚴重，與改進物元分析法的結果基本相一致。

（3）研究區域農田土壤中各重金屬元素的潛在生態危害指數法可知，Cu、Zn、Pb、Cd元素的均值分別7.428、11.025、233.690、297.758，表明Cd元素的潛在危害最為嚴重，依次是Pb、Zn、Cu元素。潛在綜合潛在生態危害指數法值表明，農田土壤中85.72%的監測點存在嚴重級別以上的綜合潛在危害程度，其結果與改進物元分析法、傳統物元分析法結果相一致，說明鉛鋅金屬礦區尾砂壩坍塌對周邊農田土壤造成重金屬污染危害，其次，說明改進物元分析法在土壤重金屬污染評價方面運用是具有可行性，其結果是合理的、科學的。

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