物元分析法对土壤重金属质量评价的研究及改进

谢峻铭

(广东环境保护工程职业学院，广东 佛山 528216)

土壤重金属污染是指由于人类活动，导致重金属元素进入土壤后并超过其自净能力而造成土壤环境质量恶化的现象。土壤重金属污染主要由Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg、As等8种重金属元素引起的土壤污染[1]，其可通过食物链传递并累积，具有滞后性、隐蔽性和长期性的特点，会对生态环境和人体健康造成严重的危害。因此，对土壤环境进行重金属污染评价是了解重金属对土壤的污染状况、治理与改善土壤环境的必要手段；同时，土壤重金属质量评价是环境影响评价的重要组成部分。

在土壤重金属质量评价方面有较多的方法和模型，如模糊数学综合评价法、灰色关联分析法、灰色聚类法和物元分析评价法等，这些评价方法各有其独特的特点，但国内目前尚未有统一的评价方法[2]。

本文主要针对物元分析法在土壤重金属质量评价中的应用进行研究。物元分析理论以研究处理矛盾问题的思维过程并将其数学形式化为核心[3]。物元是把事物的质和量有机联系在一起的重要概念，“事物”、“特征”及“量值”构成了物元三要素。从数学角度，给定事物的名称N，它关于特征C的量值为X,以有序3元R=(N,C,X)组作为描述事物特征的基本元，简称物元[4]。

1 物元分析的方法步骤

物元分析方法的步骤如下：

1.1 建立物元矩阵

根据事物特征选取多个特征量实测值，建立相应物元矩阵R0(待评对象)[5]，则：

式中，P0为待评单元；Ci为待评单元的第i项特征，i=1,2,…,n;Xi为关于P0的量值，即对待评单元第i项特征进行分析的原始数据。

1.2 划定经典域和节域

根据国家标准或拟定新的准则,建立经典域矩阵Rj和节域矩阵RP如下：

式中，Nj为第j个质量等级；Ci为质量等级Nj的第i个特征量,i=1,2,…,n；Xji为第j个质量等级中关于第i项特征(C)所规定的量值范围；P为质量等级的全体;Xpi为P关于Ci所取的量值范围;Ci为质量评价的第i个特征量。

1.3 计算关联函数

①确定各项指标属于各质量等级的关联度，公式如下：

式中，Kj(Xi)为第i项特征(指标)属于第j级的关联度。

②采用指标污染贡献率的计算方法确定各特征量的权重，公式如下：

③确定待评单元属于各质量等级的综合关联度，公式如下：

式中，Wi为第i项特征的权重(采用指标污染贡献率的计算方法)；Kj(P0)为待评单元(P0)属于第j级的综合关联度。

1.4 待评单元质量等级的评定

若Kj=max{ Kj(P0)}，j=1.2.3…m，则待评单元P0的质量等级为第j 级。当0

2 案例研究背景

在我国，由于地域广阔、土壤分布类型复杂、各地气候不同、且成土母质不同等等，用统一的国家土壤背景值为标准并不能准确地反应当地的实际状况，因此，国家制定的《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中一些标准值缺乏可靠的依据，也导致了一级标准的制定过分强调统一及二级标准难以操作等问题[6～8]。鉴于我国《土壤环境质量标准》现存的问题，本文为评价方法研究需要，在参考《土壤环境质量标准》并阅读大量文献资料的基础上，同时借鉴了广东省土壤(底土和表土)中化学元素的含量的均值作为背景值，暂定将土壤重金属环境质量划分为4级标准。其中Ⅰ级为优级，符合广东省背景值标准；Ⅱ级为良级，符合我国绿色食品产地环境技术条件(NY/T391-2000)；Ⅲ级为合格级，符合农业部发布的无公害食品产地环境条件(NY5010-2001)中土壤环境质量标准所列技术指标；Ⅳ级为劣级，属于不合格级(见表1)。

表1 土壤重金属评价标准(单位：mg/kg)

本文采用东莞市12个监测点的土壤重金属监测数据为例(见表2)，采用物元分析评价法对土壤重金属污染情况进行评价。

表2 东莞市12个监测点的土壤重金属含量现状(单位：mg/kg)

3 案例分析评价

3.1 建立待评物元矩阵。以东莞市厚街水田监测点为例，建立物元矩阵如下：

同理，按照上面的建立方法建立其他11个监测点的物元矩阵。

3.2 建立经典域和节域。根据土壤重金属评价标准(表1)建立经典域和节域如下：

同理，建立R2、R3、R4和RP。

注：由于Cu和Pb在待评的12个监测点中的最大值已经超过了土壤重金属评价标准中的第Ⅳ级，故R4和Rp中的Cu和Pb的量值范围上限分别取105.60、120.12。

3.3 确定各特征量权重

由于各评价要素对某一环境综合体的贡献存在差异，即对综合体的作用不同，相应有不同的侧重。因此对各评价要素要给予一定的权重。计算权重的方法很多，本文主要采用指标污染贡献率的计算方法确定各特征量的权重，它反映了超标多，加权大的特点。利用指标污染贡献率的计算公式(2)可以得到厚街水田测点的特征量权重(表3)，同理可得其他11个测点的特征量权重。

表3 各特征量的权重

3.4 确定待评单元属于各质量等级的综合关联度

利用公式(1)和公式(3)，可以计算出12个监测点在不同评价等级的关联度和综合关联度。根据计算结果可知，厚街水田属于第二级的综合关联度为-0.003，为其它所有级别中最大的，故由K2=max{ Kj(P0)}可知，该水田属于第二级；以此类推，可得其它11个监测点的最大综合关联度和所属等级(表4)。并由评价结果可知，本次评价的7个测点属于Ⅱ级标准(良级)，1个测点属于Ⅲ级标准(合格级)，其它4处测点为Ⅳ级标准(属于不合格级)。

表4 东莞市12个监测点的综合关联度

4 对物元分析评价法的改进

通过对物元分析评价法的剖析，可知采用合理的权重计算方法，可以提高物元分析评价法评价结果的准确性及客观性，其评价结果主要由两个部分求得：关联度和权重。关联度是物元评价法本身具有的特点，因此权重的确定对评价结果有重要的影响。

本文尝试将土壤风险评价中的毒性系数引用到土壤重金属质量评价中，对权重进行改进，充分利用土壤重金属各元素毒性不同的特点，采用加权毒性的权重计算方法对物元分析方法进行研究，通过对本文12个监测点的土壤重金属监测数据分析，以求获得更合理、更可靠、更准确的评价结果。

4.1 基于毒性的物元分析评价法

本文引用了土壤重金属风险评价中的毒性系数，将毒性系数归一化作为各特征量固定的权重来代替原来指标污染贡献率的权重计算方法，对12个监测点进行评价。毒性系数归一化结果见表5。

表5 毒性系数归一化

由上表可知，土壤中各重金属元素的毒性并不相同，所占的比重也不同。将毒性归一化后的数值作为各特征量固定的权重，并利用公式(1)和公式(3)，按照物元分析评价法同样的计算过程，可以计算出12个监测点在不同评价等级的关联度和综合关联度。计算结果见表6。

表6 基于毒性的物元分析的综合关联度及评价结果

4.2 基于加权毒性的物元分析评价法

土壤中的重金属并不等同于其它污染物，不仅影响和改变城市土壤的生态功能,而且通过扬尘或者直接接触危害人体健康。不同的重金属的其毒性不一样，对人类的危害也不一样,因此，把毒性系数引入到土壤重金属质量评价中是至关重要的。

本文采用权重与毒性相结合的方法，在利用指标污染贡献率的计算方法确定各特征量的权重的基础上与毒性系数归一化结果相乘，使权重的结果中包含有毒性的信息，弥补原先方法中权重计算的不足，增加其权重的合理性和准确性。计算结果见表7。

表7 各特征量的加权毒性

采用上表各特征量的加权毒性计算结果，并利用公式(1)和公式(3)，按照物元分析评价法同样的计算过程，可以算出12个监测点在不同评价等级的关联度和综合关联度。计算结果见表8。

表8 基于加权毒性的物元分析的综合关联度及评价结果

5 三种结果的比较及分析

采用不同的权重计算方法(指标污染贡献率、毒性系归一化和毒性加权)的评价结果见表9。

表9 三种评价结果比较表

从上述比较表9可知，采用加权毒性的评价结果与采用指标污染贡献率的评价结果比较相近，只有3个监测点有差异。而采用毒性归一化的比较结果，有5个监测点有差异。三种结果的分析如下：

(1)加权毒性是在采用指标污染贡献率的基础上考虑重金属各元素的毒性，从监测的数据上可以看出，之所以采用加权毒性的评价结果与采用指标污染贡献率的评价结果有所差异，其主要原因是在于毒性大的重金属含量高，那么评价的等级就差。例如茶山蕉地，其监测数据中超过标准值最多的是Cu和Pb，Cu超过Ⅳ级标准，Pb超过Ⅲ级标准，但是它们的毒性系数都是5，远远不及Hg-40、Cd-30和As-10大，所以根据加权毒性评价出来的等级相比之下就比较好；同样，麻涌蕉地，其监测数据中超过标准值最多的是Hg和As，都超过Ⅱ级标准，而其它们的毒性系数分别是40和10，都很高，所以评价出来的等级是Ⅲ级标准是合理的；同理，也可以得到石排菜地监测点的评价结果是合理的，符合东莞市土壤中重金属的污染现状。

(2)采用毒性归一化的评价方法过于单一化，其权重的计算只考虑了毒性系数，并没有考虑不同评价因子现状值的大小对整体环境质量影响贡献的差异，导致了评价结果差异比较大。例如万江水田，其监测数据中超过标准值最多的是Cd、As和Cu，都超过Ⅰ级标准，但是它们的毒性系数依次为30，10，5，都比较高，所以评价结果为Ⅰ级是不合理的；同样，石排菜地B，其监测数据中超过标准值最多的是Hg和Pb，都超过Ⅱ级标准，而它们的毒性系数分别是40和5，其中Hg最高，毒性最强，所以评价出来的等级是Ⅰ级标准是不合理的；同理，分析可知其它3个监测点的评价结果也是不合理的。

6 结论

通过以上的分析比较可知，“基于加权毒性的物元分析法”是对物元分析评价法中的权重进行改进研究，在原来的计算方法上考虑土壤中重金属各元素的毒性，使权重中包含毒性的信息，结果证明，该方法在土壤重金属污染评价中的应用是合理的，评价结果是准确的，符合东莞市土壤中重金属的污染现状，是一种客观、可靠、准确的评价方法。该方法不仅反映了土壤中各重金属元素现状值对整体环境质量影响贡献的的大小，也反映了土壤中各重金属元素毒性对环境和人类的危害的大小。

[1]刘春阳，张宇峰，滕洁.土壤中重金属污染的研究进展[J].污染防治技术，2006，19(4):42-45.

[2]郭笑笑，刘丛强，朱兆洲，等.土壤重金属污染评价方法[J].生态学杂志，2011，30(5):889-896.

[3]蔡文.物元模型及其应用[M].北京:科学技术文献出版社,1998.

[4]杨晓华，杨志峰，郦建强.大气环境质量综合评价的物元分析法[J].环境工程，2003，21(5): 69-70.

[5]吴华军，刘年丰，何军，等.基于物元分析的生态环境综合评价研究[J].华中科技大学学报，2006，23(1): 52-55.

[6]聂静茹，马友华，等.我国土壤环境质量标准中重金属污染相关问题探讨[J].农业资源与环境学报，2013，30(6): 44-49.

[7]刘传平，李芳柏.我国土壤环境质量标准存在的问题及探讨[J].中国环境保护优秀论文集(2005):2138-2141.

[8]袁建新，王云.我国《土壤环境质量标准》现存问题与建议[J].中国环境监测，2000，16(5):41-43.