邢臺(tái)地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染測(cè)評(píng)模型研究

國(guó) 慧，李 猛，吳 迪，田 亞

（1.邢臺(tái)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054001；2.河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054000）

土壤是人類賴以生存的自然資源之一。近年來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，化肥、農(nóng)藥的大量使用，工業(yè)廢水的排放以及污水灌溉等問(wèn)題，使得土壤重金屬含量逐年增長(zhǎng)，污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。土壤重金屬污染呈現(xiàn)遷移難、危害大、周期長(zhǎng)、不易自解等特點(diǎn)，而引起國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的高度重視，使之成為世界各國(guó)面臨的主要環(huán)境問(wèn)題之一。對(duì)邢臺(tái)地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染源進(jìn)行分析，通過(guò)熵值法計(jì)算模型的權(quán)重并利用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法建立農(nóng)田土壤重金屬污染測(cè)評(píng)模型；針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域采取有效且有針對(duì)性的對(duì)策治理農(nóng)田土壤重金屬污染。

1 邢臺(tái)地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染源分析

邢臺(tái)地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬元素主要污染來(lái)源，見(jiàn)表1。

表1 重金屬元素主要污染來(lái)源Tab.1 Themain pollution sources of heavy metals

1.1 污水灌溉

污水灌溉是水資源緊缺地區(qū)采取的主要灌溉方法，污水灌溉采用城市污水、工業(yè)廢水等對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，污水中的的重金屬進(jìn)入農(nóng)田，污染農(nóng)田的同時(shí)，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量，并通過(guò)食物鏈對(duì)人體造成危害。

1.2 大氣沉降

對(duì)農(nóng)田土壤造成重金屬污染主要包括自然因素和人為因素，人為因素是造成農(nóng)田土壤重金屬污染的主要原因。研究表明，大氣中鎘的沉降是土壤鎘污染的重要來(lái)源。通過(guò)能源燃燒、金屬冶煉、交通運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)生活活動(dòng)進(jìn)入大氣中的重金屬，通過(guò)大氣沉降進(jìn)入土壤中，使得土壤中的銅和鉛含量逐漸增長(zhǎng)；鉛和鋅是交通污染源的重要標(biāo)識(shí)，含鉛汽油的長(zhǎng)期使用對(duì)土壤中鉛的增長(zhǎng)也有一定的影響。

1.3 濫用化肥

隨著化學(xué)肥料的廣泛施用，其增產(chǎn)效果較為顯著。然而大量化學(xué)肥料的施用，也給農(nóng)田土壤帶來(lái)了重金屬污染；同時(shí)部分農(nóng)藥中含有大量的汞、鉛、鎘等重金屬，抑制了土壤中微生物的活性，致使土壤中的養(yǎng)分比例嚴(yán)重失調(diào)，對(duì)土壤環(huán)境造成一定程度的破壞。

1.4 生活垃圾污染

城市生產(chǎn)生活活動(dòng)產(chǎn)生的固體廢物，通過(guò)傾倒、掩埋、焚燒等方式，向著周邊的土壤、河流進(jìn)行擴(kuò)散，最終導(dǎo)致農(nóng)田土壤中重金屬超標(biāo)，嚴(yán)重影響農(nóng)田土壤質(zhì)量。目前，我國(guó)尚未出臺(tái)完善的電子固廢垃圾傾倒的相關(guān)法律法規(guī)，電子垃圾按普通生活垃圾的處理方式進(jìn)行焚燒和填埋，勢(shì)必會(huì)對(duì)農(nóng)田土壤環(huán)境帶來(lái)一定程度的破壞。

邢臺(tái)地區(qū)不同區(qū)域的農(nóng)田土壤受污染源和污染類型的影響，重金屬含量有很大差別，以單一重金屬元素含量的高低對(duì)不同區(qū)域土壤污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)顯然不夠全面，因此對(duì)土壤重金屬污染程度的評(píng)價(jià)一定要體現(xiàn)綜合性。

2 邢臺(tái)地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染測(cè)評(píng)模型的建立

2.1 綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法建立土壤重金屬污染測(cè)評(píng)模型

受環(huán)境影響，同一地區(qū)的農(nóng)田土壤質(zhì)量狀況和重金屬污染程度存在很大差異，對(duì)邢臺(tái)地區(qū)不同區(qū)域的農(nóng)田土壤進(jìn)行采樣，檢測(cè)區(qū)域分別為冶金廠周邊農(nóng)田、大型交通干線兩側(cè)農(nóng)田、化工廠周邊農(nóng)田、污灌區(qū)農(nóng)田、畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)周邊農(nóng)田、垃圾處理場(chǎng)周邊農(nóng)田。土壤樣品化學(xué)分析指標(biāo)主要包括8種重金屬元素，分別為鉻、鉛、鎳、鎘、銅、汞、砷、鋅，對(duì)同一區(qū)域的多個(gè)樣本的8種重金屬含量進(jìn)行檢測(cè)并得出平均值，則得到6行8列的原始數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)矩陣：

其中:xij表示第i個(gè)區(qū)域（i=1，2，3，4，5，6）的第j種重金屬指標(biāo)元素（j=1，2，…，8）的數(shù)值，W=（w1，w2，…，w8）T為權(quán)重矩陣，則本地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染綜合測(cè)評(píng)模型為Y=XW=（y1，y2，…，y6）T，其中yi（i=1，2，…，6）為第i個(gè)區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬污染的綜合評(píng)價(jià)值。

綜合評(píng)價(jià)值越高，該區(qū)域的農(nóng)田土壤重金屬污染程度越高，依照污染程度綜合評(píng)價(jià)值的高低可以將農(nóng)田土壤分為重污染區(qū)、中污染區(qū)、低污染區(qū)，針對(duì)土壤重金屬污染程度的高低，對(duì)重污染區(qū)域優(yōu)先進(jìn)行治理，最大限度地降低本地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染對(duì)土壤環(huán)境和人體健康造成的危害。

2.2 熵值法確定土壤重金屬污染測(cè)評(píng)模型的權(quán)重

（1）數(shù)據(jù)處理。由于熵值法計(jì)算采用的是各個(gè)方案某一指標(biāo)占同一指標(biāo)值總和的比值，因此，不存在量綱的影響，不需要進(jìn)行無(wú)量綱化處理，若數(shù)據(jù)中有負(fù)數(shù)，就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非負(fù)化處理。為了方便起見(jiàn)，仍記非負(fù)化處理后的數(shù)據(jù)為xij，即評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)矩陣仍記為：

（2）計(jì)算第j種重金屬指標(biāo)下第i個(gè)區(qū)域的貢獻(xiàn)度。

（3）計(jì)算第j種重金屬指標(biāo)的熵值即所有區(qū)域?qū)Φ趈種重金屬指標(biāo)的貢獻(xiàn)總量。

計(jì)算得出：0≤ej≤1，由此可以看出，當(dāng)某個(gè)重金屬指標(biāo)下各區(qū)域的貢獻(xiàn)度趨于一致時(shí)，即ej趨于1時(shí)，該重金屬指標(biāo)在優(yōu)先治理污染區(qū)域的決策中起到的作用微乎其微，可以忽略該重金屬指標(biāo)對(duì)決策的影響。

（4）計(jì)算第j種重金屬指標(biāo)的權(quán)重

其中dj=1-ej，j=1，2，…，8.

（5）計(jì)算各區(qū)域的綜合評(píng)價(jià)值

3 結(jié)果分析

通過(guò)熵值法確定土壤重金屬污染測(cè)評(píng)模型的權(quán)重后，通過(guò)綜合指數(shù)評(píng)定法確定本地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染綜合測(cè)評(píng)模型為:

綜合評(píng)價(jià)值yi越大，表示該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬污染程度越高，應(yīng)采取措施優(yōu)先治理，以最大程度降低土壤重金屬污染對(duì)土壤環(huán)境和人體健康造成的危害。隨著邢臺(tái)地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染測(cè)評(píng)模型的初步建立，可為本地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染程度測(cè)評(píng)提供評(píng)價(jià)依據(jù)。測(cè)評(píng)結(jié)果顯示，農(nóng)田土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)值由高到底依次為化工廠周邊農(nóng)田、污灌區(qū)農(nóng)田、冶金廠周邊農(nóng)田、禽畜養(yǎng)殖場(chǎng)周邊農(nóng)田、垃圾處理廠周邊農(nóng)田、大型交通干線兩側(cè)農(nóng)田。

首先，邢臺(tái)地區(qū)的工業(yè)結(jié)構(gòu)主要由冶金、鋼鐵、煤化工、機(jī)械、電力等組成，工業(yè)結(jié)構(gòu)以重工業(yè)為主。因此，污染物排放比較嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)重工業(yè)污染物排放的管理和處置，從源頭上防治重金屬進(jìn)入農(nóng)田土壤；其次，農(nóng)作物種植過(guò)程中應(yīng)減少化學(xué)肥料的使用，而施用有機(jī)肥，在提高土壤肥力、保持土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)平衡的同時(shí)，降低重金屬污染對(duì)農(nóng)田土壤的危害；最后，隨著城市不斷發(fā)展，居民生活水平逐年提高，機(jī)動(dòng)車輛增長(zhǎng)迅速，隨機(jī)動(dòng)車的尾氣排放進(jìn)入大氣的重金屬通過(guò)大氣沉降會(huì)對(duì)農(nóng)田土壤造成重金屬污染，因此，應(yīng)加大力度宣傳綠色出行，節(jié)能減排，提高公眾對(duì)土壤污染防治的自覺(jué)性，讓公眾切身感受到土壤重金屬污染的治理同空氣污染一樣與每位公民的切身利益息息相關(guān)。