遵義農(nóng)業(yè)耕作區(qū)土壤質(zhì)量的模糊評價

羅 艷 許錫娟 何錦林

摘? 要：以遵義東南部地區(qū)農(nóng)業(yè)耕作區(qū)的土壤質(zhì)量為研究對象，對該地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中重金屬Cd、Pb、Cr、Hg、As含量進行監(jiān)測分析和模糊評價。結(jié)果表明，僅泮水鎮(zhèn)土壤質(zhì)量為Ⅰ級，屬于清潔，僅馬蹄鎮(zhèn)土壤質(zhì)量為Ⅲ級，屬于污染，其余13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤質(zhì)量均為級尚清潔。主要重金屬污染物是Cd。

關(guān)鍵詞：模糊評價;重金屬;農(nóng)業(yè)耕作區(qū)

中圖分類號：S19? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.11974/nyyjs.20181131002

引言

根據(jù)重金屬（鎘、鉛、鉻、汞、砷）的毒理學(xué)特征和生物吸收、富集能力，我國《無公害食品產(chǎn)地環(huán)境評價準則》（NY/T 5295-2015）將以上5種重金屬作為無公害產(chǎn)地土壤的嚴格控制指標 [1]。目前土壤重金屬污染評價運用較多的方法有綜合污染指數(shù)法、聚類分析法、層次分析法、物元分析法和模糊數(shù)學(xué)法等[2-4]，由于土壤重金屬的實際污染狀況是漸變、不確定的，模糊數(shù)學(xué)可以通過隸屬度指標更加確切的描述土壤重金屬污染狀況的漸變性 [5]。

模糊數(shù)學(xué)是由美國計算機控制專家L A Zadeh于1965年創(chuàng)始，已在農(nóng)業(yè)生態(tài)領(lǐng)域取得了應(yīng)用成果。董文濤等[6]以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，運用模糊數(shù)學(xué)方法對安慶市土壤樣點的肥力狀況進行了綜合評價。黃功標[7]利用專家經(jīng)驗法、模糊數(shù)學(xué)與層次分析法開展福安市茶園土壤適宜性評價，為準確評價不同作物土壤適宜性及動態(tài)監(jiān)測提供理想的途徑。張超等[8]考慮重金屬毒性和濃度這2個雙權(quán)重因子改進模糊綜合評價法對鄭汴公路土壤重金屬污染狀況進行評價，說明其污染程度受通車時間、主導(dǎo)風(fēng)向、路旁防護措施等多方面因素的影響。王春光等[9]采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)評價法分別對哈爾濱市東郊菜地土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量進行評價，結(jié)果表明2種評價方法所得結(jié)果基本一致，該菜地土壤環(huán)境質(zhì)量安全。王鳳春等[10]采用模糊數(shù)學(xué)（AHP-Fuzzy）與GIS相結(jié)合對北京房山區(qū)綠色食品產(chǎn)地發(fā)展?jié)摿M行評價。

研究區(qū)域遵義東南部地區(qū)位于貴州省北部，是貴州省大米、油菜籽、烤煙生產(chǎn)的重要基地，近年來工業(yè)發(fā)展迅速導(dǎo)致工業(yè)三廢污染嚴重[11]，同時該區(qū)域是由碳酸鹽巖和鉛鋅礦等巖、礦石風(fēng)化后所形成的土壤，地質(zhì)環(huán)境造成土壤重金屬的沉淀、吸附和富集[12]，致使該地區(qū)土壤重金屬含量偏高。因此本文在對該地區(qū)的部分耕作區(qū)的土壤重金屬指標檢測的基礎(chǔ)上，開展土壤重金屬污染狀況模糊評價研究，為該地區(qū)農(nóng)業(yè)土地資源合理利用提供參考依據(jù)。

1? ? ? 材料與方法

1.1? ? ? 試驗時間、地點

土壤樣品于2016年5—8月采集完成。分析檢測于2017年完成。

1.2? ? ? 樣品采集

樣品采集時隨機在5.33 hm2的地塊內(nèi)設(shè)置采樣點，采樣點分布于43個村15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（見圖1），采用手持GPS定位采集樣本889個。樣品取自0～15cm耕層，為了保證土壤樣品的代表性，按梅花采樣法采集土樣后充分混合，按四分法最終保留約l kg。樣品攤放在室內(nèi)經(jīng)自然風(fēng)干研磨，過0.150 mm孔徑尼龍網(wǎng)篩待測。

1.3? ? ? 測量方法

根據(jù)《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（NY/T 395-2012）規(guī)定的農(nóng)田土壤中重金屬檢測方法原子熒光法測定As、Hg元素;石墨爐原子吸收光譜法測定Cd、Pb元素;火焰原子吸收分光光度法測定Cr元素。

1.4? ? ? 土壤質(zhì)量模糊評價方法

1.4.1? ? ? 確定模糊評價因子和評價分級標準

將農(nóng)業(yè)耕作區(qū)土壤的嚴格控制指標（Cd、Pb、Cr、Hg、As ）5種重金屬作為模糊評價因子。以《中國土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB15618—2015）中規(guī)定的農(nóng)業(yè)土壤分類和重金屬污染物最高允許濃度為評價分級標準[13]，由于該地區(qū)土壤pH值均在6.5～7.5之間，因此Ⅱ級標準的重金屬指標取pH值為6.5～7.5的數(shù)值。各評價因子的分級標準見表1。

1.4.2? ? ? 隸屬度函數(shù)

隸屬度指的是評價因子的觀測值符合該模糊性概念的程度。隸屬函數(shù)則表示評價因素的觀測值與隸屬度之間的解析函數(shù)，根據(jù)評價因子的隸屬函數(shù)，對于某評價因子的每一觀測值均可計算出其對應(yīng)的隸屬度。本文采用降半梯形模糊分布建立隸屬函數(shù)[14]，表達式如下：

（1）

=1- （2）

式中R1（Ci）為a1的隸屬度，R2（Ci）為a2的隸屬度，a1 和a2為任意2個等級的標準限值，Ci是第i個因子實測濃度值。

1.4.3? ? ? 生成隸屬度矩陣

將每個采樣點土壤重金屬的實測濃度值代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)，計算5個評價因子隸屬于3個不同級別的隸屬度，得到相應(yīng)的5×3階隸屬度矩陣R。

（3）

1.4.4? ? ? 評價因子權(quán)重計算

為了表征每個重金屬元素污染超標的輕重程度對評價因子的權(quán)重影響，采用加權(quán)法按照公式（4）計算權(quán)重，組成權(quán)重矩陣W，W={W1，W2，…，Wm}。

（4）

式中Wi為第i個評價因子的權(quán)重;Ci為第i個指標的實測值;Si=（Sl+S2+S3）/3;Sl、S2、S3為該指標對應(yīng)的表4中分級指標的標準值;m為評價因子的個數(shù)。

1.4.5? ? ? 模糊評價運輸和結(jié)果生成

模糊評價結(jié)果計算公式為B=AR，算法與矩陣乘法類似，兩元素相乘取兩數(shù)較小者，2元素相加取2數(shù)較大者。

B=AR=（W1，W2，…，Wm）×

=（B1，B2，…，Bn）? ? ? ? （5）

式中Bn為模糊評價復(fù)合運算結(jié)果，對應(yīng)于土壤質(zhì)量各級的隸屬度，一般取隸屬度最大的對應(yīng)級別為評價結(jié)果。當(dāng)同時存在有2個或2個以上最大值時，取次大值貼近的對應(yīng)級別作為最后評價結(jié)果 [15]。

2? ? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? ? 土壤重金屬含量分析

經(jīng)檢測所有土壤樣品的重金屬檢測結(jié)果見表2。

2.2? ? ? 各采樣點隸屬度矩陣

按照式（1）到（3）計算15個采樣點重金屬的隸屬度矩陣，見表3。

2.3? ? ? 權(quán)重矩陣

按照式（4）計算土壤重金屬Cd、Pb、Cr、Hg、As的權(quán)重矩陣，見表4。

2.4? ? ? 模糊評價結(jié)果

利用式（5）復(fù)合計算得出研究區(qū)域土壤質(zhì)量的模糊評價結(jié)果，見表5。評價結(jié)果表明在遵義東南部地區(qū)的土壤主要重金屬污染物均為Cd。13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤質(zhì)量均為Ⅱ級尚清潔，該地區(qū)土壤質(zhì)量狀況基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染，可適于農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園等用途。泮水鎮(zhèn)土壤質(zhì)量為Ⅰ級，屬于清潔，馬蹄鎮(zhèn)土壤質(zhì)量為Ⅲ級，屬于污染。該鎮(zhèn)土壤受到Cd元素一定的污染和擾動。

3? ? ? 結(jié)論與討論

為了對遵義東南部地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬進行監(jiān)測分析，對該地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染狀況進行了模糊評價，評估了耕作區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況。結(jié)果表明，14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤環(huán)境質(zhì)量級別為Ⅱ級以上，未受到污染，僅馬蹄鎮(zhèn)土壤質(zhì)量級別為Ⅲ級，處于污染狀況，主要重金屬污染物為Cd。鑒于土壤重金屬嚴重污染的區(qū)域可能會對種植的農(nóng)作物產(chǎn)生影響，建議農(nóng)戶或農(nóng)業(yè)部門在污染嚴重區(qū)域采取化學(xué)措施、植物修復(fù)、科學(xué)施肥的方法來進行修復(fù)土壤。

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