青岛市土壤重金属污染的物元可拓评价

张晶晶,马传明,匡 恒,周爱国

(中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430074)

青岛市土壤重金属污染的物元可拓评价

张晶晶,马传明*,匡 恒,周爱国

(中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430074)

鉴于由各个单因素评价得到的评价结果存在一定的矛盾性,从而导致土壤重金属污染程度存在不确定性的特点,研究中引入了物元理论和可拓集理论,建立了土壤重金属污染的物元可拓模型.对常规的污染物浓度超标赋权法进行了修正,引进了Hakanson毒性响应系数,使得评价因子的权重不仅能反映污染物浓度的超标状况,还与重金属的毒理性质有关,并将其与传统的定权方法进行对比,发现其修正效果显著,突显了重金属的潜在危害程度.以青岛市为例进行评价方法实证分析:共采集83个土壤样品,在对表层土壤中的Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As6种重金属元素含量进行分析的基础上,采用修正后的重金属权重以及物元可拓模型进行评价;评价结果表明青岛市土壤重金属污染等级以清洁—尚清洁为主,极个别采样点存在轻度或中度污染;模糊数学法评价结果与物元可拓模型的评价结果基本一致,验证了物元可拓模型应用于土壤重金属污染评价的可靠性.

土壤重金属；污染评价；物元可拓模型；毒性响应系数；青岛市

土壤作为生态系统的重要组成部分,不仅能对污染物质进行容纳、缓冲和净化,还可以通过生态系统将污染物尤其是重金属污染物作用于人类自身[1-2].但由于土壤重金属污染具有滞后性、隐蔽性、长期性及不可逆性的特点[3-5],直到近年来才受到关注.如今,随着城市化、工业化的快速发展,我国重金属污染具有愈演愈烈的趋势,因此,在分析区域土壤重金属污染现状的基础上对其进行科学的评价是十分必要的.

土壤环境质量评价始于20世纪50年代,70年代后进入定量评价阶段[6].现有的评价方法主要有单因子指数评价法、内梅罗综合污染指数法、模糊数学法、地累积指数法、潜在生态危害指数法、健康风险评价法等[7-15],它们的共同点是能较为全面地评价土壤的综合污染程度,操作过程较为简单,但是精确度难以保障[16],且会存在不相容现象,也会遗漏单指标之间的一些评价信息[17].物元分析是我国蔡文等[18]于20世纪80年代初创立的新学科,其理论支柱是物元理论和可拓集合,可拓论以物元为逻辑细胞,建立了解决矛盾问题的可拓模型.物元可拓模型通过界定评价指标经典域的区间,利用单指标的关联函数获取单指标状态,再通过模型集成得到多指标综合水平,提高了评价的科学性[19].物元可拓模型目前已经广泛地应用于水质综合评价、生态安全评价、土地适宜性评价等[20-24]方面,但在土壤重金属污染评价方面鲜少研究.鉴于土壤重金属污染评价涉及的指标具有多样性,且由各个单因素评价得到的结果存在一定的矛盾性和不相容性,本文建立了基于物元可拓法的土壤重金属污染评价模型,并对常规的污染物浓度超标赋权法进行了修正,引入了Hakanson毒性响应系数,综合考虑污染物浓度和重金属的毒性两方面的影响,并以青岛市为研究区,运用该方法进行了区域土壤重金属污染评价,以期为青岛市土壤的生态环境保护、重金属污染防治提供科学依据.

1 研究区概况

青岛市位于山东半岛南部,是山东半岛城市群的龙头城市,中国重要的外贸港口,也是我国14个沿海开放城市之一.据青岛市统计年鉴显示,2015年青岛市地区生产总值达9300.07亿元,位居山东省榜首,人均生产总值为102806.372元,位列山东省第三.随着经济的发展和人类活动的加剧,青岛市的生态环境问题愈加显现,成为制约青岛市可持续发展的关键性因素.

2 材料与方法

2.1 样品布点与采集

为保证样点尽量覆盖全区,本研究采用网格布样法采取表层土壤样品,事先在1:5万地形图上布设采样点83个(图1).野外实际工作中,采样定点参照地形地物标志,使用GPS定位仪定点并标注到地形图上,定点误差在地形图上不超过2mm.采样密度为1件/km2,1件样品是由每个采样点分别向四周辐射约50m,选取3～5个辐射点的土壤构成混合样.采样时使用无污染的竹勺去除土壤表层杂物及浮土后,垂直地表均匀采集0～20cm之间的土样,在弃去砾石及动植物残体后保证原始样品质量在1kg以上.采取的土样经过干燥、揉碎和编号后,过20目(0.900mm)尼龙筛,保存待测.

图1 研究区位置及采样点分布Fig.1 Research area and sampling sites

2.2 样品处理与分析

土壤样品经混合酸(浓H Cl+浓HNO3+HF+ H ClO4)消解后测定.消解液中的重金属Cd、Cu、Pb、Zn采用电感耦合等离子体质谱法(ICP—MS)进行测定;重金属Cr采用X射线荧光光谱法(XRF)测定;重金属As采用原子荧光光谱法(AFS)测定.采用标准样、密码样、监控样多种监控手段进行质量控制,以保证数据的准确度和精度.

2.3 污染评价方法

2.3.1 物元可拓模型 可拓集合中“及是又非”的临界概念,摆脱了经典数学“非此即彼”的二值限制,显示了自然界“即此亦彼”的过渡状态[25],可拓方法在对事物的识别和评判方面,具有更广的应用领域.因此,根据物元可拓理论建立重金属污染的物元模型,其步骤如下:

(1)构建重金属污染评价物元

土壤重金属污染N,重金属污染特征C和特征值X,共同构成土壤重金属污染物元R,记作R=(N,C,X),若N有多个特征C1,C2,…,Cn,每个特征相应的量值为X1,X2,X3,…,Xn,则表示为:

(2)确定经典域和节域物元矩阵

土壤重金属污染的经典物元矩阵RN表示为:

式中:Ni表示所划分的第i个评价等级;C1,C2,…, Cn为评价指标;(ain,bin)表示评价指标Cn对于第i个评价等级的取值范围,即经典域.

土壤重金属污染的节域物元矩阵Rp表示为:

式中:Np表示由土壤重金属污染评价等级构成的全体;C1,C2,…,Cn为评价指标;(ain,bin)表示节域物元关于特征Cn的量值范围.

(3)计算单指标关联度

土壤重金属污染指标关于等级j的关联函数定义为:

式中:K(Xi)j表示第i项指标相应于第j级土壤重金属污染等级的关联度.

式中:Xi、Xpn分别表示待评土壤重金属污染物元的经典域和节域的量值范围;ρ(Xi,Xij)表示点Xi与对应特征向量有限区间Xij的距离;ρ(Xi,Xpn)表示点Xi与对应特征向量有限区间Xpn的距离.关联度表示某个评价对象符合某标准范围的隶属程度.当Kj(Xi)＜-1时,表示评价对象不符合标准,且不具备转化为符合标准要求的条件,值越小,离该标准要求越远;当-1≤Kj(Xi)＜0时,表示评价对象不符合标准,但具备转化为符合标准要求的条件;当Kj(Xi)≥0时,表示评价对象符合标准,值越大,效果越好.

(4)计算综合关联度及等级评定

综合关联度表示所有评价指标与各评价等级的关联程度,其计算公式为:

式中:Kj(N)为待判物元N关于等级j的关联度;Wi为各评价指标的权重.

若Kj=max﹛Kj(N)﹜,则待评对象属于重金属污染等级j,令:

式中:j*为待评物元N所属等级的特征值,表示待评对象属于等级j的程度.

2.3.2 修正权重 传统的污染物浓度超标倍数赋权法[26]是环境质量评价中普遍采用的权重计算方法,该方法可以在一定程度上反映污染物的浓度对因子权重的影响,是采用土壤环境中污染物因子的实测浓度与其相应分级标准的比值来计算权重,其计算公式为:

式中:Wki为样品k元素i的常规权重;Xki为样品k元素i的实测值;si为元素i的所有评价等级标准值的算术平均值;n为评价因子的个数.

但是土壤中的重金属不同于其他污染物,不仅影响土壤的生态功能,还会危害人体健康.不同重金属元素毒性不同,其对人体的危害程度也不一样.而单独采用污染物浓度超标倍数赋权法可能会掩盖某些低浓度高毒性组分的毒性作用,因此将重金属元素的毒性水平纳入权重考虑,引入Hakanson毒性响应系数对常规权重进行修正,从而使因子权重不仅受污染物浓度的影响,还与重金属元素毒性有关.修正权重的计算公式为:

式中:Wki’为样品k元素i的修正权重;Wki为采用污染物浓度超标赋权法计算出的样品k元素i的权重; Tri为元素i的毒性响应系数;n为评价因子的个数.

本研究中6种重金属的毒性水平顺序为Cd＞As＞Pb=Cu＞Cr＞Zn,其毒性响应系数Tri的值分别为Cd=30,As=10,Pb=Cu=5,Cr=2,Zn=1[27-28].修正后各重金属元素权重值Wki’与污染物浓度超标赋权法权重值Wki对比如图2所示.

从对比分析图(图2)可以看出,研究区各采样点的Zn、Cr、Cu、Pb4种重金属元素的修正权重(Wki’)较常规权重(Wki)总体上呈现不同程度地降低,其中Zn元素下降幅度最大,降低约80%;而修正后As和Cd元素权重有所增大,As元素权重增加约20%, Cd元素权重变化最为显著,增加约200%左右.这是由于引入了Hakanson毒性响应系数,使得各因子修正权重值的大小还与各污染物的毒性水平有关.6种重金属污染物中Cd的毒性最大,其次为As,而Pb、Cu、Cr、Zn的毒性相对较小,因此该4种重金属元素的修正权重表现为不同程度地减小,且减小的幅度为Zn＞Cr＞Cu＞ Pb,而另外2种毒性水平较高的重金属Cd和As的修正权重则表现为不同程度地增大,以Cd的变化幅度最为显著.由此可见,引入Hakanson毒性响应系数对权重的修正效果显著,且6种重金属污染物修正权重的变化幅度均与其毒性水平的大小一致,修正权重突显了重金属元素的毒性效应.

图2 6种重金属元素Wki’与Wki对比分析Fig.2 Comparative analysis to Wki’ and Wkiof six heavy metals

2.4 评价标准

本文采用的重金属污染评价标准(表1),是在山东省土壤背景值的基础上,参照国家《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)[29]来确定的.以山东省土壤背景值作为重金属元素的累计起始值,土壤环境质量标准的三级标准作为中度污染的临界值.

表1 土壤重金属污染评价标准(mg/kg)Table 1 Assessment standards for soil heavy metals pollution(mg/kg)

3 结果与讨论

3.1 采样土壤数据统计分析

参照国家环保总局颁布的《中华人民共和国环境保护行业标准》(HJ/T 166-2004)[30],取置信水平95%,精度为均值的20%,得到各重金属元素的合理取样数目[31],合理取样数的最大值为41,而实际采样数为83,能够很好地反映该区域土壤重金属含量分布情况.

研究区83个采样点的6种重金属含量统计结果如表2所示.结果表明,各采样点6种重金属元素含量平均值均达低于国家二级标准限值,除Pb和Cd外,采样点其他4种重金属元素的平均值均小于山东省背景值.变异系数反映采样总体中各采样点之间的平均变异程度,变异系数的范围在27.55%～94.2%之间,由大到小依次为Cd＞Pb＞Zn＞Cr＞Cu＞As.从表中可以看出,Cd和Pb的变异系数达60%以上,属强变异性,说明土壤中Cd、Pb受外界干扰比较显著,空间分异较大;Zn的变异系数在50%以上,属中等强度变异;Cu、Cr、As3种重金属元素的变异系数较小,均在30%左右,说明这3种元素受外界影响比较一致,空间分异不十分显著,反映这3种元素在该区的来源可能具有同源性.

表2 研究区土壤6种重金属含量Table 2 Contents of six heavy metals in research area

3.2 综合评价

3.2.1 建立物元矩阵 根据土壤重金属污染的可拓性及污染分级标准(表2),将土壤重金属污染分为5个等级,描述为清洁、尚清洁、轻度污染、中度污染、重度污染,分别用Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级表示.建立研究区土壤重金属污染评价的经典域物元矩阵RN1、RN2、RN3、RN4、RN5和节域物元矩阵Rp,如下所示:

根据83个土壤样品的重金属测试结果,建立待评物元矩阵形式R ,如下所示:

3.2.2 关联度计算 根据公式(4)～(7)计算出83个待判物元关于各等级的单指标关联度,其关联值越大,表示该指标与评价等级的复合度越高.对于同一评价对象,不同指标关联度不同,由此确定的污染等级也不同,表现出不相容性,这正是物元可拓模型解决的问题.在不同的评价对象中,不同的评价指标的贡献表现出一定的差异,这有助于为研究区土壤重金属污染的治理确定主要方向,并提出具体的、针对性的措施.

依据公式(8)～(10)计算各待评物元的综合关联度并进行等级评定.以第1号采样点为例(表3),其综合指标关联度依次为0.179、-0.042、-0.576、-0.819、-0.874,最大关联度为0.179,由此判定污染等级属于Ⅰ级,特征值为1.71,即精确等级为Ⅰ级和Ⅱ级之间,有向Ⅱ级转化的趋势.基于Sufer软件及MapGIS平台绘制各采样点所属等级的特征值j*的等值线(图3)以及各采样点的污染等级示意图(图4).从图中可以看出,研究区83个土壤样品中,重金属污染等级为Ⅰ级清洁的样品有56个,占总采样点的67.5%;污染等级为Ⅱ级尚清洁的样品有25个,主要集中分布在研究区中部与西部,占总采样点的30.1%;Ⅲ级轻度污染和Ⅳ级中度污染采样点各1个,占总采样点的1.2%,没有Ⅴ级重度污染.从整体上看,研究区土壤重金属污染整体处于清洁级,其中采样点N14污染等级为Ⅲ级,具体等级值为2.44,即精确的等级是介于Ⅱ级和Ⅲ级之间,有向Ⅱ级转化的趋势;采样点N67污染等级为Ⅳ级,具体等级值为4.00,精确等级即为Ⅳ级.

由于本次的研究是在一个区域尺度上进行,采样时为了使评价结果能代表研究区的整体污染情况,基本上采取均匀布点.在后续工作中应以本研究为基础,对污染较为严重的区域有针对性地进行采样,深入讨论其污染物的来源,以期为环保部门提出科学合理的污染防治建议.

3.2.3 模型可靠性验证 采用土壤重金属污染评价中较常用的模糊数学方法[29]进行对比验证,指标权重同样采用引入Hakanson毒性响应系数的修正权重.模糊数学法评价结果表明:研究区土壤重金属污染以清洁—尚清洁为主,与物元可拓法评价结果基本一致.其中Ⅰ级清洁样品78个,Ⅱ级尚清洁样品4个,Ⅳ级中度污染样品1个.与物元可拓评价结果相同的采样点有60个,占样品总数的72%;评价结果不同的23个采样点在模糊数学法评价结果中均处于Ⅰ级清洁水平,而物元可拓评价结果中有22个采样点为Ⅱ级尚清洁,另一个采样点为Ⅲ级轻度污染.造成这种差异的主要原因在于:物元可拓的关联函数把模糊数学的逻辑值从[0,1]闭区间拓展到(-∞,+∞)实数轴上,关联度可取负值,分辨能力强,能全面分析待评对象属于某一等级的程度,因此能提供更为丰富的信息,使判断更为准确;其次,物元可拓的关联函数计算公式固定,不需要构造隶属函数,计算简单,不涉及取最大、最小值的模糊运算,因而不会造成信息丢失.

表3 N1采样点土壤重金属污染评价结果Table 3 Assessment results of soil heavy metals from N1

图3 特征值j*等值线图4各采样点污染等级Fig.3 Contours of eigenvalues j*Fig.4Pollution levels of the 83soil samples

4 结论

4.1 综合评价结果表明:青岛市土壤重金属污染等级以清洁—尚清洁为主,土壤环境质量良好,仅极个别采样点存在Ⅲ级或Ⅳ级污染.

4.2 模型验证结果表明:物元可拓模型与传统方法的评价结果基本一致,证明物元可拓模型可应用于土壤重金属污染评价中,评价结果切实可靠,且更为准确.

4.3 权重计算结果表明:引入Hakanson毒性响应系数后,对污染物浓度超标倍数赋权法的计算权重修正效果显著,更能突显重金属的潜在危害程度.

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Assessment of heavy metals pollu tion in soil of Q ingdao based on matter-element extension model.

ZHANG Jing-jing, MA Chuan-ming*, KUANG Heng, ZHOU Ai-guo
(School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：661～668

Considering that the contradictory results of single factor evaluation may lead to the uncertain degree of soil pollution in the soil heavy metals pollution assessment, matter-element and extension set theories were introduced to establish the matter-element extension model of soil heavy metal pollution. Hakanson toxic response coefficients was applied to modifying the conventional method of multiple super-scale weighting, thusly the weights of different factors would not only reflect the concentration of pollutants, but also be related to heavy-metal toxicity. In comparison with classic method, the newmethod showed more remarkable correction effect of emphasizing the degree of potential hazards caused by heavy metal. Taking Qingdao city as the study area, the above model with the newapproach was used to evaluate the soilheavy metal pollution based on analyzing the contentsof heavy metal elements in the topsoil, including Cu, Pb, Zn, Cr, Cd and As in 83soil samples. The results showed that the degree of soil pollution in the study area was mainlyclearnto slight clean, with only a fewsamples showing light to mediumpollution. The evaluated results based on matter-element extension model was consistent with those fromtraditional fuzzy-mathematical method, confirming the reliability of soil heavy metals pollution assessment for this model.

soil heavy metals；pollution assessment；matter-element extension model；toxic response coefficients；Qingdao

X53

A

1000-6923(2017)02-0661-08

张晶晶(1992-),女,湖南常德人,中国地质大学(武汉)硕士研究生,主要研究方向为环境地质,城市地质.发表论文3篇.

2016-06-18

“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAJ11B04)

* 责任作者, 副教授, bjmcm@163.com