改进物元分析法在农田土壤重金属污染评价

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　　摘要 [目的]进一步探讨铅锌矿区的开采对农田土壤中重金属的污染状况以及危害程度。[方法]以广西环江某铅锌金属尾矿区周边农田土壤作为研究对象，测定了重金属Cu、Zn、Pb、Cd含量，并对农田土壤样品重金属测定结果分别采用改进物元分析法、传统物元分析法以及潜在生态危害指数法进行综合评价和分析危害程度。[结果]改进物元分析法中中度污染程度以上的监测点占85.72%；传统物元分析法中不符合级别程度的监测点占85.72%；潜在生态危害指数法中严重级别以上的监测点占85.72%。[结论]铅锌金属矿区尾砂坝坍塌对周边农田土壤造成重金属污染危害。
　　关键词 物元分析法；熵权系数法；土壤重金属；污染评价
　　中图分类号 X53 文献标识码 A
　　文章编号 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
　　土壤资源是保障人类赖以生存和繁衍的主要资源之一，因此在人类生活和社会发展中发挥着不可获取的重要作用[1]。土壤重金属污染所引起的环境问题已被国内外研究学者广泛关注[2-5]。而在农田土壤中主要的重金属污染元素有8种[6]，其中Pb、Cd、Cr、Hg、As元素的生物毒性最显著，Cu、Zn、Ni元素也具有一定的毒性[7-8]。这些具有潜在毒性的重金属元素直接作用于土壤生态系统、农产品、地表水等方式渗透在土壤中，通过日积月累的存留、迁移，并经过农作物等相关食物链方式传递并累积，直接或间接地对人体的健康造成危害。 被重金属元素污染的土壤容易受到外界条件下进入大氣和水体中，造成大气、水体及生态系统污染退化等环境问题[9-10]。然而，土壤重金属污染相比于其他污染具有隐蔽性、易迁移以及长期性等特点，并且其不能完全被土壤生物分解或消失，其危害更大，更难以进行土壤修复和治理。
　　目前针对土壤重金属污染评价的研究现状，国内外诸多学者均提出了不少方法，如蔡小冬[11]对耕地耕层的土壤重金属污染进行污染评价采用改进的层次分析法，但该方法还没有达到理想的结果；张敏等[12]对土壤健康评价采用模糊综合评价法，但该方法在土壤健康中应该考虑环境质量的模糊性，并且存在丢失信息的风险，所得结果主要是依据决策者的偏好和人为主观因素来判断。因此，该研究应用Hakanson提出制定的重金属毒性响应系数[13]，并结合熵权系数法对物元分析法中的权重进行改进，提出了熵权毒性概念。改进的评价方法可从整体上反映土壤中重金属元素浓度超标的情况及其毒性效应在评价级别中的占比和主要影响。笔者主要以广西某铅锌金属矿区尾砂坝的农田土壤为研究对象，对该区域的土壤污染状况进行综合评价，并根据研究结果制定具有针对性的措施和方案，以期为广西某铅锌金属矿区尾砂坝的农田土壤管理部门提供科学依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 研究区域概况与样品采集
　　研究区域环江毛南族自治县位于广西西北部黔中高原南部边缘的斜坡地带地理位置，其主要地形地貌为北高南低、四周山岭绵延，海拔149～1 693 m，年平均气温为19.9 ℃，年降水量为1 750 mm以及空气平均湿度为79%，属于热带季风性气候。因广西环江某铅锌金属矿区尾砂坝坍塌，使得该区域大面积的农田受到重金属污染，为此对该区域污染的农田土壤进行样品采集测定，样品的监测点主要取自受污染面积较大的典型污染区。 　　1.2 样品处理与测定
　　采集好的土壤样品放置在温室条件下自然风干，筛选出碎石并进行研磨，分别用830、150 μm进行分析测定。采用国际标准法和ICP-MS对重金属元素Cu、Zn、Pb、Cd的含量分别进行消解以及测定，各监测点中的重金属元素Cu、Zn、Pb、Cd的测定结果如表1所示，其毒性系数分别为5、1、5、20。
　　1.3 数据处理与分析
　　试验数据采用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0进行处理和分析。
　　1.4 评价方法
　　1.4.1 评价标准。由于该区域地形及土壤分布类型复杂，该研究主要结合《广西壮族土壤环境背景值的图集》[14]和《土壤环境指标标准》（GB15618—1995）以及有关文献资料，对土壤重金属等级标准进行划分（表2）。
　　1.4.2 改进物元分析法。
　　物元分析法是我国著名的蔡文教授[15]独创的一门新型学科，并通过30多年的探讨和研究，现如今已经形成了一套完整体系，并在理论和实践等方面发挥了重要作用。物元分析法是研究解决不相容问题的新兴学科，即是思维学科、系统学科以及数学3门学科的交叉边缘学科，其原理是利用“事物名称、特征、量值”组成物元模型三要素对事物进行描述，通过关联度来表示元素与集合关系，分析其变化规律来解决不相容问题，适用于多指标评价。由于物元分析法广泛应用于生态健康评价、风险评价以及环境质量综合评价等方面的级别划分，但在土壤重金属污染评价的应用较少，尤其是土壤重金属元素本身自带生物毒性特征，对土壤重金属污染进行评价，然而土壤重金属涉及面较广，其评价指标较多，单一指标的评级结果具有矛盾性和不相容性，而物元分析法正是解决单一评价指标存在不相容问题。
　　1.4.2.1 构建土壤重金属污染物元分析模型。
　　1.4.2.4 确定评价指标权重（熵权毒性）。
　　指标权重取值范围对评价结果有着较大影响，因此指标权重的确定在整个评价系统占主导地位。目前，计算指标权重的方法主要有层次分析法[18]，但是层次分析法极易受人为主观因素的影响，为了减少这一因素的影响，该研究对熵权系数法中的权重进行改进，进而对物元分析法进行改进。熵权系数法是一种不仅避免人为主观因素的干扰，还能根据实测数据自身携带的信息确定出每个评价指标的权重，是一种客观的赋权方法。由此，熵权系数法根据重金属在土壤中的毒性特点，对权重进行改进，并提出熵权毒性概念，使改进权重既包含了毒性的信息，又弥补熵权方法中权重计算的不足，还增加了权重的合理性和准确性。
　　2 结果与分析
　　2.1 土壤重金属含量及污染程度分析
　　由表3可知，农田土壤中重金属表现出较大的差异，Cu、Zn、Pb、Cd的含量分别为7.598～38.674、94.210～848.196、192.429～1363.227、0.104～1.980 mg/kg，其相差分别为Cu 5.09倍、Zn 9.00倍、Pb 7.08倍、Cd 19.04倍，说明4种重金属在不同监测点中的空间分异大；平均值分别为27.990、620.276、823.992、1.003 mg/kg，4种重金属均超过了广西土壤背景值，说明该区域的农田土壤受到铅锌矿的重金属污染较为严重。根据变异系数原则[22]，变异系数从大到小依次为Cd、Cu、 Pb、 Zn，4种重金属均属于中等变异性，其中，Cd的变异系数最高，说明不同的监测点Cd元素含量变化差异明显，离散性越大。农田土壤样品中除了Cu元素的平均含量较接近于广西土壤背景值外，Zn、Pb、Cd元素的平均含量均超过了广西土壤背景值，超标率从大到小依次为Pb、Zn、Cd、Cu。说明近几年来广西某铅锌矿周边的农田土壤中Zn、Pb、Cd均有富集存在，且Pb元素全部超标，其富集程度最大，而Cu元素基本无富集。
　　2.2 土壤重金属的改进物元分析评价
　　对土壤重金属污染构建改进物元分析模型，分别计算该区域各监测点的综合关联度及对各监测点的污染程度划分等级（表4）。根据评价标准[7]可知，监测点2、3在（0，1）之间，且由最大关联度原则，监测点中2、3的综合关联度分别为0.174 5、0.142 3，其分别处于Ⅰ级和Ⅳ级（清洁和中度污染），即监测点2、3符合标准对象要求；根据评价标准，其他5个监测点的综合关联度均小于0，即监测点1、4、5、6、7均不符合标准对象要求，但5个监测点均具备转化为标准对象的条件，并且监测点1、4、5、6、7的关联度越大，越容易转化；土壤中监测点污染等级比例分别为不符合污染等级71.44%、清洁14.28%、中度污染14.28%，说明该研究区域内农田土壤普遍受到重金属污染，且污染情况较为严重。
　　2.3 土壤重金属的传统物元分析评价
　　表5为土壤重金属的传统物元分析法及其污染等级评价。根据评价标准[7]可知，监测点2在（-1，0）之间，并由最大关联度原则，监测点2的综合关联度为-0.342，其处于Ⅲ级别（轻度污染），即采样点2符合标准对象的要求；而监测点1、3、4、5、6、7的综合关联度均小于-1，由最大关联度和评价标准可知，监测点1、3、4、5、6、7均不符合被评价级别，且又不具备转化为标准对象的条件；土壤中监测点污染等级比例分别为不符合污染等级85.72%、轻度污染14.28%，说明该研究区域的农田土壤受到重金属污染，且污染较为严重。
　　2.4 土壤重金属的潜在生态危害指数评价
　　根据潜在生态危害指数法[23]和其危害程度等级标准[24]，表6列出了農田土壤中重金属元素危害指数和危害综合指数的结果。由表6可知，Cu、Zn、Pb、Cd元素的均值分别7.428、11.025、233.690、297.758，根据潜在危害指数法标准，Cu和Zn均属于轻微生态危害元素，而Pb和Cd均属于严重生态危害元素，其中Cd元素的生态危害生态指数大于其他重金属元素；农田土壤研究区域的潜在生态危害综合指数均值为548.616，属于严重生态危害。因此，在整体污染中，轻微危害级别占14.28%，较重危害级别42.86%，严重危害级别占42.86%。 　　3 结论
　　应用改进物元分析法、传统物元分析法和潜在生态危害指数法对研究某铅锌金属矿区尾砂坝坍塌的农田土壤重金属进行分析评价，得出以下结论：
　　（1）研究区域农田土壤中各重金属元素的改进物元分析法监测点的污染级别比例分别为不符合污染等级71.44%、清洁14.28%、中度污染14.28%，说明该研究区域农田土壤普遍受到重金属污染，污染情况较为严重且污染范围较普遍。
　　（2）研究区域农田土壤中各重金属元素的传统物元分析法监测点的污染级别比例分别为不符合污染等级85.72%、轻度污染14.28%，说明该研究區域农田土壤受到重金属污染且污染较为严重，与改进物元分析法的结果基本相一致。
　　（3）研究区域农田土壤中各重金属元素的潜在生态危害指数法可知，Cu、Zn、Pb、Cd元素的均值分别7.428、11.025、233.690、297.758，表明Cd元素的潜在危害最为严重，依次是Pb、Zn、Cu元素。潜在综合潜在生态危害指数法值表明，农田土壤中85.72%的监测点存在严重级别以上的综合潜在危害程度，其结果与改进物元分析法、传统物元分析法结果相一致，说明铅锌金属矿区尾砂坝坍塌对周边农田土壤造成重金属污染危害，其次，说明改进物元分析法在土壤重金属污染评价方面运用是具有可行性，其结果是合理的、科学的。
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