Fuzzy概率法在土壤重金屬污染綜合評價中的應用

孟 超 宋小云 熊娟娟 宋坤坤

(中原油田分公司技術監(jiān)測中心環(huán)保監(jiān)測總站，濮陽 475001)

惠樓山藥為著名傳統(tǒng)土特產(chǎn)，由于土質地性所致，為虞城縣店集鄉(xiāng)惠樓所獨產(chǎn)?；輼巧剿庨L約0.5 m，個勻稍扁，皮色紅潤、肉色乳白、味甘、性古?；輼巧剿幰延?00余年栽培史，經(jīng)現(xiàn)代醫(yī)學研究，其含有豐富的粘蛋白、糖、淀粉、維生素A、B1、B2、C和多種氨基酸、活性酶、鈣、鉀等27種營養(yǎng)元素，用于中藥有養(yǎng)胃、健脾、補肺、益腎、健腦、安神、利濕止瀉、抗壞血等作用?；輼巧剿幣c其它山藥相比，有4大顯著特點：(1)不麻不澀；(2)甘、面，易剝皮；(3)含糖量高達25%；(4)營養(yǎng)及藥用價值高，含27種營養(yǎng)元素?；輼巧剿幾鳛橐环N綠色食品加之其特有的營養(yǎng)價值，深受人們青睞，市場需求量很大，前景十分廣闊。而土壤環(huán)境質量的優(yōu)劣直接影響著農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質量以及人們的身體健康。加強農(nóng)用地土壤環(huán)境質量的監(jiān)測和評價對于保護土壤環(huán)境質量和糧食安全具有重要的意義,土壤重金屬含量和農(nóng)田土壤環(huán)境質量評價研究已成為環(huán)境科學的一個重要研究領域[1,2]。

環(huán)境質量評價的方法很多,主要分為簡單指數(shù)法和復雜數(shù)學模型法。對于多要素環(huán)境系統(tǒng)作環(huán)境質量綜合評價只用簡單的綜合評判往往效果較差。事實上，一方面因為環(huán)境質量的評價等級之間沒有明確的界限，因而它的劃分和歸屬是一個模糊問題；另一方面，由于在區(qū)域環(huán)境內(nèi)選擇監(jiān)測點的方式和指標實測值在各分段區(qū)間內(nèi)的點位數(shù)具有隨機性，使得上述問題的討論已超出經(jīng)典概率的范圍。在環(huán)境質量評價中，F(xiàn)uzzy概率法較多地應用于區(qū)域水質、大氣的綜合評價[3-5],有關土壤的Fuzzy概率評價報道并不多見。筆者嘗試采用Fuzzy概率理論,對惠樓及周邊地區(qū)山藥種植地重金屬污染進行綜合評價。

1 研究區(qū)概況

虞城縣店集鄉(xiāng)特產(chǎn)惠樓山藥素有“一品山藥”之稱，其盛名享譽全國?；輼谴逦饔幸粋€叫小金河的地方，現(xiàn)在已經(jīng)被改造為農(nóng)田，兩岸之間是黃沙土或白沙土。小金河沿岸山藥即為惠樓山藥，為該地區(qū)所獨產(chǎn)。該區(qū)地理位置優(yōu)越，京九鐵路縱貫其中，連霍高速公路橫穿其境，西臨105國道，北臨325省道，交通十分便利。

2 樣品的采集與處理

2.1 樣品采集

2008年4月，在惠樓及周邊地區(qū)全面布設取樣點53個，其中在小金河沿岸為惠樓優(yōu)質山藥種植區(qū)，在該區(qū)均勻布設采樣點26個，為本研究的中心區(qū)。周邊地區(qū)，即對照區(qū)，設對照樣27個，樣品質量為l～2 kg?；旌蠘硬扇》謪^(qū)均勻布點的方法,采集表層土壤樣品(深度0～15 cm)。

2.2 樣品的處理及測定

將采集的土壤樣品用四分法進行縮分帶回實驗室，自然風干，除去砂石、動植物碎片等明顯異物后混合均勻。用瑪瑙研缽將樣品研細過150 μm(100目)尼龍篩，裝入聚乙烯塑料袋保存?zhèn)溆谩?/p>

消解所用器皿均用1∶3鹽酸或1∶4硝酸浸泡7 h以上，先用蒸餾水清洗，然后用去離子水洗凈后烘干。土壤的消解參照國家環(huán)境保護總局標準方法(GB/T 17138-1997)[6]，將消解后的土樣轉移到聚乙烯塑料瓶后待上機測定。

采用原子吸收分光光度計(AA-6601F型，日本島津公司)測定土壤消解溶液中銅、鋅、鉛、鉻、鎳的含量，石墨爐系統(tǒng)測定樣品中鎘的含量。

3 土壤重金屬污染評價方法

Fuzzy概率法的原理和評價步驟如下[7-10]：

(1)樣本的構成。設有k個監(jiān)測點，且各有i個污染物，每個指標有j個環(huán)境質量等級，則能確立因素論域U={x1，x2，…xm}的m個評價因子，評價論域V={v1，v2，…vp}的p個評價標準等級。

(2)根據(jù)環(huán)境質量分級標準，采用分段線性變換求每單項污染指標對各評價等級的隸屬函數(shù)XA(x)。

(3)確定監(jiān)測數(shù)值在各區(qū)間的概率。在研究區(qū)域內(nèi)隨機選擇k個監(jiān)測點，根據(jù)實際情況，將每一單項污染指標的值劃分為一系列連續(xù)區(qū)間，由該單項污染指標實測值在各區(qū)間內(nèi)的點位數(shù)Ni，確定出實測值位于各區(qū)間內(nèi)的概率Pi。

(4)平均隸屬度的確定。分別計算各污染物指標在每段區(qū)間內(nèi)的部分對于評價等級{Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ}的平均隸屬度，按式(1)計算：

(1)

式中：μ(a

a——污染指標區(qū)段下限;

b——污染指標區(qū)段上限;

x——污染指標監(jiān)測值。

(5)計算各單項污染指標的Fuzzy概率。根據(jù)所建立的各單項污染指標對各評價等級的隸屬函數(shù)及實測值在區(qū)間內(nèi)點數(shù)計算的概率，按式(2)計算出各單項污染指標在各評價等級的Fuzzy概率P(A)：

(2)

式中：Pi——單項污染指標在各評價等級的Fuzzy概率。

(3)

(4)

Si——第i種污染物的土壤背景值。

(7)綜合評價。按式(5)綜合計算區(qū)域內(nèi)總體污染隸屬于評價等級的大小，即:

(5)

4 測定結果與污染評價

4.1 評價等級指標

考查區(qū)域內(nèi)Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni等5個單項污染指標。評價等級集合為{清潔、中污染、重污染}，簡記為{Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ}級。測定的土壤pH值大于7.5，參照國家標準GB 15618-1995確定評價等級[11]，如表1所示，文中的土壤背景值采用河南省土壤元素背景值[12]。

表1 土壤環(huán)境質量標準值 mg/kg

4.2 重金屬含量數(shù)據(jù)

對中心區(qū)及對照區(qū)重金屬含量進行測定，結果列于表2。

表2 中心區(qū)及對照區(qū)重金屬含量數(shù)據(jù) mg/kg

由表2并結合表1可知，除Zn外，對照區(qū)重金屬含量普遍較中心區(qū)高。該區(qū)重金屬含量平均值除Cd外均低于國家一級標準，但Zn略高于當?shù)赝寥辣尘爸?，Ni比當?shù)赝寥辣尘爸蹈叱?4%。而Cd含量平均值超出國家標準10倍以上，是當?shù)赝寥辣尘爸档?7倍。Cd是環(huán)境中廣泛存在的重金屬微量元素，它們既不參與植物體的結構組成，也不參與細胞的代謝活動，如果在體內(nèi)過量積累將對植物產(chǎn)生嚴重的毒害效應。研究表明，由于Cd具有在環(huán)境中穩(wěn)定、存留時間長、易被植物吸收等特性，已成為目前我國土壤-作物生態(tài)系統(tǒng)中主要的重金屬污染物。Cd進入作物體內(nèi)后，不僅嚴重影響到作物的生長發(fā)育、品質及產(chǎn)量，還可通過食物鏈富集放大，危及人類健康[13-15]。該地土壤Cd含量應引起相關部門重視并給予正確處理，以避免造成嚴重后果。

4.3 隸屬函數(shù)

對各單項指標計算出其對各評價等級的隸屬函數(shù)。以元素Pb為例，Pb的隸屬函數(shù)為：

4.4 監(jiān)測點分布概率

在區(qū)域環(huán)境內(nèi)每個監(jiān)測點位測得的單項污染指標的監(jiān)測數(shù)值位于分段區(qū)間內(nèi)的點位數(shù)Ni和相應的概率如表3所示。

4.5 平均隸屬度計算

按式(1)分別計算各單項污染指標在每段區(qū)間內(nèi)的部分對于評價等級的平均隸屬度，計算結果如表4所示。

污染指標對評價等級{Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ}的隸屬度可分區(qū)間表示，以元素Pb為例：

4.6 單項指標的Fuzzy概率

由式(2)計算出研究區(qū)域環(huán)境內(nèi)單項污染指標Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni屬于評價等級{Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ}歸一化后的Fuzzy概率列于表4。

表3 實測值在各分段區(qū)間內(nèi)的點位數(shù)、相應概率及對應各評價等級的隸屬度

表4 研究區(qū)及對照區(qū)單項指標屬于各評價等級的Fuzzy概率

4.7 各分指標在總污染中的權重數(shù)

根據(jù)區(qū)域環(huán)境內(nèi)分指標的平均超標情況進行加權，確定各分指標在總污染中的權重數(shù)。按式(3)、(4)計算，結果見表5。

表5 研究區(qū)及對照區(qū)指標的及歸一化

4.8 綜合評價

綜合計算區(qū)域環(huán)境內(nèi)總體污染隸屬于各評價等級的大小，從而得出環(huán)境總體質量綜合評價的最優(yōu)選擇。

(1)中心區(qū)的總體污染隸屬度

PⅠ=0.030 7×0.981 9+0.045 1×1+

0.031 4×1+0.827 3×0.259 6+0.0207 8×1+

0.044 6×0.769 25=0.376 6

PⅡ=0.0307 35×0.018 0+0.827 31×0.144 3+

0.044 64×0.219 76=0.129 7

(2)對照區(qū)的總體污染隸屬度

PⅡ=0.028 1×0.007 7+0.032 2×0.019 2+

0.852 3×0.083 3+0.044 6×0.343 9=0.087 2

4.9 結果分析

通過比較上述數(shù)值的大小可以判斷中心區(qū)和對照區(qū)環(huán)境綜合質量屬于Ⅲ級，即重污染。產(chǎn)生污染的主要原因為Cd的嚴重超標。對照區(qū)總體環(huán)境質量劣于研究區(qū)，單項指標除Pb略優(yōu)于研究區(qū)，其它指標均較中心區(qū)污染嚴重。中心區(qū)取樣點的Cd含量隸屬于國家三級標準的點數(shù)高達59.61%，屬于鎘重污染區(qū);Ni有76.93%的點隸屬于國家一級標準，部分取樣點超標，但總體為清潔;Pb僅有個別點屬于輕污染，其余均為清潔;而Zn、Cu、Cr在各采樣點均未發(fā)現(xiàn)污染。研究區(qū)單因子污染權重排序為Cd>Zn>Ni>Cu>Pb>Cr。將各單項指標進行加權平均，得到研究區(qū)重金屬環(huán)境質量綜合指標為三級，即重污染。對照區(qū)取樣點均處于污染狀態(tài)，而99.67%的點都隸屬于強污染等級。Ni雖然整體水平為清潔，但仍有34.39%的取樣點隸屬于輕污染狀態(tài)。Pb、Zn幾乎全部的點，以及Cu、Cr的全部點均隸屬于清潔范疇，環(huán)境狀況良好。對照區(qū)單因子污染權重排序為Cd>Ni>Zn>Pb>Cu>Cr。將各單項指標進行加權平均，得到對照區(qū)重金屬環(huán)境質量綜合指標為三級，即重污染。

5 結論

應用Fuzzy概率法評價土壤重金屬環(huán)境質量，考慮到了實際界線的模糊性，評價體現(xiàn)了模糊問題又體現(xiàn)了概率問題[16]，使評價結果接近客觀。但是在給定參數(shù)的權值確定方面有較強的主觀性[17]，而且實驗中有大量指標成分未檢出，該指標權重取零值,使得該指標因此失去了在環(huán)境質量評價中的作用。這既會使評價結果由于忽略未污染成分的作用而失真,又會破壞整個地域綜合評價的一致性[18]。

土壤中的Cd可能來源于成土母巖和殘落的生物物質、大氣重金屬降塵、工業(yè)“三廢”[19]、化肥的施用[20]等。我國農(nóng)田Cd污染主要來源是工礦企業(yè)排放的廢氣和廢水，多數(shù)是由于引用工業(yè)污水灌溉造成的[21]。該地區(qū)土壤中的Cd達到嚴重污染的程度。但惠樓及周邊地區(qū)是典型的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，一般是引用井水灌溉，周邊無工廠污染源。具體原因還需進一步研究。

土壤中有害重金屬元素全量的高低在某種程度上反映了土壤對環(huán)境的潛在風險。土壤中有害重金屬元素能否被植物所吸收，主要取決于含該元素的有效態(tài)(有效性)含量，而重金屬元素的有效性受到多種因素影響，并直接影響植物對有害金屬元素的吸收[22]。但全量重金屬元素的評價能為當?shù)氐恼w環(huán)境風險評價做出參考。

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