基于区间数排序法的农田土壤重金属生态风险分析

王晓飞，邓超冰，尹 娟，许桂苹，邓渠成

1.广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004 2.广西壮族自治区环境监测中心站，广西 南宁 530028 3.广西财经学院管理科学与工程学院，广西 南宁 530003 4.澳洲国立大学 克劳福德公共政策学院，堪培拉 541004

基于区间数排序法的农田土壤重金属生态风险分析

王晓飞1,2，邓超冰1,2，尹 娟1,3，许桂苹1,2，邓渠成4

1.广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004 2.广西壮族自治区环境监测中心站，广西 南宁 530028 3.广西财经学院管理科学与工程学院，广西 南宁 530003 4.澳洲国立大学 克劳福德公共政策学院，堪培拉 541004

将土壤中重金属浓度以区间形式表示，运用土壤重金属生态风险分析模型得出风险区间。为区分风险等级并引入区间数排序法，建立了一种基于不确定性的区间数排序法的土壤重金属污染风险评价模型。运用该模型对不同研究区域土壤重金属生态风险和同一研究区域土壤中不同重金属生态风险进行分析。结果表明，A采样区的风险最大，其区间排序向量为0.275 5，区间向量排序为A>B>D>E>C，与内梅罗综合污染指数排序结果一致。区间数排序法考虑到评价过程中的不确定性，避免主观因素的影响。因此，土壤重金属生态风险量化结果更加客观直观，为风险管理提供较为精确的理论依据。

重金属；生态风险；区间数排序法；农田

Abstract:The model for ecological risk assessment of heavy metals in soil was established, in which the concentrations of heavy metals was expressed as interval numbers. Considering it is difficult to compare the interval numbers, the ranking-method of interval numbers was introduced. And the model of ecological risk assessment for heavy metals in soil based on ranking-method of intervals numbers was built. This model was applied to the risk assessment of heavy metals in the different study area farmland soil and different heavy metals in the same study area farmland soil in Guangxi, and the results were compared with Nemerow Pollution Index method. The results showed that the risk of A is the greatest, the interval sequencing vector is 0.275 5, the order of the risk for the five sampling sites was A>B>D>E>C, the same as the order of the Nemerow Pollution Index method. Interval number ranking method consider the uncertainty in the process of evaluation, and avoid the influence of subjective factors, thus it is more intuitive and objective for the quantitative result of the ecological risk of heavy metals in soil, which can provide more accurate theoretical basis for the risk management.

Keywords:heavy metals;ecological risk;interval number ranking method;farmland

近年来，我国农田土壤重金属的污染已受到人们的广泛关注[1-2]。工业废水[3]、冶炼废渣[4]等含有重金属的污染物通过各种途径进入土壤环境系统中不断累积，由于重金属形态多变，且具有隐蔽性、不可生物降解性和富集性等特点[5]，一旦重金属过量累积，极易导致农田土壤肥力下降、作物减产和质量降低[6-8]，并通过食物链进一步危害人体健康[9-11]。因此，深入分析农田土壤重金属污染来源[12]、空间分布特征[13]，对其生态风险做出正确分析[14-15]，对于及时有效开展农田土壤重金属污染治理工作意义重大。

目前，针对土壤重金属污染生态风险评价的方法很多，通常采用方法包括单因子指数评价法[16]、内梅罗污染指数法[17]、污染负荷指数法[18]、地质累积指数法[19]、潜在生态风险法[20]；而基于特定数学模型的方法包括层次分析法[21]、模糊数学法[22]、灰色关联分析法[23]、BP神经网络法[24]、物元分析法[25]、属性识别模型[26]、支持向量基法[27]等。指数法采用明确的界限对重金属污染情况进行区分和量化，未考虑到评价过程中的不确定性，而不确定性在风险评价过程中不可忽视[28]，模型法考虑环境质量的模糊性等特征，所得结果相对真实可靠，但也会存在信息丢失等现象。而区间数是能反映污染物浓度范围的一种数学方法，避免由于使用均值而产生的数据误差，其已经在水质风险评价中得到应用[29-32]。本文引进区间数排序法并建立基于区间排序法的土壤重金属生态风险分析模型，且将该模型应用到环江污染农田土壤重金属生态风险分析中，对各研究区域的总风险和同一研究区域不同重金属元素进行排序，为风险管理提供更加准确的信息。

1 基于区间数土壤重金属潜在生态风险分析模型

目前，大部分评价采用重金属浓度的均值进行评价，并不能很好地反映污染物浓度的变化和范围，因此研究采用区间数来表示污染物浓度的变化范围，从而包含更多的污染物浓度信息。初始模型采用经典的Hakanson的生态风险指数法模型。基于区间数的Hakanson潜在生态风险指数模型计算公式[33]：

(1)

(2)

(3)

1.1区间排序法

本研究以区间数的形式表示土壤中重金属的潜在生态风险，通过可能度方法对区间数进行排序，为风险管理提供较为精确的理论依据。

1.2基本概念及理论

区间排序法的基本概念[34-35]如下：

1.3模糊互补矩阵排序中转法(MTM)

根据参考文献，基于可能度的区间数排序方法是建立在模糊互补判断矩阵排序法方法上。可能度矩阵是模糊互补判断矩阵。因此，利用中转法对区间数进行排序。

2 不同研究区域土壤重金属污染评价中的应用研究

2.1研究区域

土壤样品采集区域位于广西环江毛南族自治县，在广西西北部、地处云贵高原东南缘，总地势为北高南低，四周山岭绵延，中部偏南为丘陵，略呈高海拔为1 693 m，最低海拔为149 m，年平均降雨量北部为1 750 mm，年均气温南邱陵一带为19.9 ℃，空气平均相对湿度79%。该县境内有丰富的铅锌等矿产资源。2001年遭遇特大暴雨，引发铅锌金属矿区尾砂坝坍塌，造成近万亩农田受到重金属污染。通过采集该地区的土壤，选取沿着大环江流域A、B、C、D、E 5个采样区域，对其土壤中重金属的生态风险进行风险评估。

研究将土壤中重金属浓度以区间形式表示，运用土壤重金属生态风险分析模型得出风险区间。为区分风险等级并引入区间数排序法，建立了一种基于不确定性的区间数排序法的土壤重金属污染风险评价模型。运用此模型对不同研究区域土壤重金属污染进行了生态风险评价。

2.2样品分析与质量控制

2014年11月3—7日，根据《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2204)，采集广西大环江流域5个农业活动区农田土壤样品。采用双对角线法采集农田土壤混合样，首先，分别采集各分点样品(采样深度0～20 cm)，然后将各分点样品等重量混匀后用四分法弃取，每份混合样品重500 g，共计采集土壤样品38个。将采集的土壤样品装布袋运回实验室，置于通风避光干燥的地方自然风干，剔除其中的碎石块和甘蔗根茎等杂质，将风干的土样粗磨后再用玛瑙研钵细磨，分别过0.850、0.150 mm的尼龙筛，装袋，供分析用。

土壤样品中Cu、Zn、Pb、Cd 4种重金属元素采用7 700 e电感耦合等离子体质谱仪(美国)测定，使用标准物质(GSS-14、GSS-16)进行质量控制，回收率为95%～105%。为保证仪器的稳定性和准确性，在用电感耦合等离子体质谱仪测定消解液中的重金属含量时，每10个样品反测一次标样。

2.3参数选择

由于中国地域辽阔，土壤分布类型复杂，为能准确反映当地的实际情况，本节选取7种重金属进行研究，分别为Cu、Zn、Pb、Cd、As、Cr、Ni。在基于区间数的Hakanson生态风险模型中，各种重金属的毒性系数[36]和土壤重金属背景值[37]见表1。7种重金属的测定结果见表2。

表1 各种重金属的毒性系数和土壤背景值Table 1 The toxity index and background values of theheavy metals

表2 研究区域中土壤重金属的含量Table 2 The concentrations of heavy metals in different the study area mg/kg

续表mg/kg

2.4监测结果

分别选取大环江流域沿岸A、B、C、D、E 5个采样区甘蔗农田土壤中的7种重金属进行监测。将土壤重金属污染物浓度进行区间化(表3)。

表3 重金属含量的区间化Tabal 3 The interval numbers of the concentrations of heavy metals mg/kg

2.5结果与分析

2.5.1 综合风险

根据基于区间数的Hakanson潜在生态风险指数模型〔公式(1)～公式(3)〕、表1、表2求出各采样区各种重金属的风险值，并求出各采样区土壤中7种重金属的总风险值(表4)。

表4 不同研究区域总风险Table 4 The total risk in different the study area

2.5.2 各研究区域风险区间数排序法

设A、B、C、D、 E 5个采样区的风险值分别为R1、R2、R3、R4、R5，则有：

R1=[419.10, 879.52]

R2=[240.09, 1 033.18]

R3=[73.69, 144.37]

R4=[133.84, 382.68]

R5=[100.95, 333.87]

根据区间数排序法，求出其可能度矩阵Pij。

(4)

经计算VR1(A)=0.275 5；VR2(B)=0.260 5；VR3(C)=0.108 5；VR4(D)=0.184 5；VR5(E)=0.169 0。可见，风险值排序为A>B>D>E>C。

2.5.3 内梅罗综合污染指数法计算

运用内梅罗综合污染指数法对各采样区污染指数值进行分级计算，依据污染指数值进行风险评价的等级区分。计算5个采样区的综合污染指数，结果见表5。

表5 两种方法的对比结果Table 5 The results of Nemerow Pollution Index

按照内梅罗综合污染指数法进行污染评价，其污染程度大小排序为A>B>D>E>C。由表5可见，两种方法计算的风险大小排序是一致的，证明本研究方法可行。内梅罗污染指数法是样品的均值和最大值进行计算，区间排序法涵盖了所有样品在质控条件下土壤重金属的区间浓度，还考虑土壤中各种污染物对作物毒害的差别，避免了重金属生物有效性的相对贡献比例和地理空间差异等多种不确定因素的影响，具有较强的实际指导意义。故区间数排序向量法能够更加精确地反映各采样区风险的大小及排序。

3 结论

1)基于区间排序法的不同研究区域土壤重金属生态风险模型评价结果可知，其区间排序向量排序为A>B>D>E>C，A采样区的风险最大，其区间排序向量为0.275 5。这是由于研究区域A上游分布着铅锌等众多有色金属矿区。2001年，特大洪水冲毁部分选矿企业和尾矿库，大量尾矿随洪水淹没该农田，造成大量尾矿砂积累，引起土壤中重金属含量增高，导致重金属污染，如要恢复农业生产活动需开展土壤重金属污染修复，其他研究区域B、C、D、E均处于环江沿岸，同样遭受重金属不同程度的污染。

2)将基于区间排序法的不同研究区域土壤重金属生态风险模型评价结果与内梅罗指数评价法的评价结果进行对比，两种方法所得到的评价顺序是相同的，均为A>B>D>E>C。通过区间排序法避免了多种不确定因素的影响。因此，土壤重金属生态风险量化结果更加客观直观，为风险管理提供较为精确的理论依据。

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EcologicalRiskAssessmentofHeavyMetalsintheContaminatedFarmlandBasedonRanking-MethodofIntervalNumbers

WANG Xiaofei1,2, DENG Chaobing1,2, YIN Juan1,3, XU Guiping1,2, DENG Qucheng4

1.College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China 2.Guangxi Zhuang Autonomous Region Environmental Monitoring Center, Nanning 530028, China 3.College of Management Science and Engineering, Guangxi University of Finance and Economics, Nanning 530003, China 4.Crawford School of Public Policy, Australian National University, Canberra 541004, Australia

X820.4； X825

A

1002-6002(2017)03- 0106- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.16

2016-05-11;

2016-06-12

广西自然科学基金项目“西江流域水环境重金属污染机制与调控”(2013GXNSFEA053001)；广西自然科学基金重大项目“基于镉、砷污染农田安全利用的生态修复研究”(2015GXNSFEA139001)；广西财经学院管理科学与工程学院开放性课题“基于无人机遥感的内陆水环境应急监测研究”(GK2015009)

王晓飞(1984-)，男，山西阳泉人，在读博士生，工程师。

邓超冰