改进内梅罗指数法与复合指数法在土壤环境质量评价中的对比研究
2020-07-26于慧明郑金城
常 翠，于慧明，郑金城，杨 婷
(1.漳州科技职业学院，福建 漳州 363202；2.中国地质调查局 沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034)
1 评价区概况
土壤环境质量的优劣对于人类健康以及工业、农业安全等方面有极大的影响，合理、准确地评价土壤环境质量可为土地资源的有效利用和土壤污染风险管控提供重要依据。而土壤环境质量评价方法众多，每种方法都有一定的适用情况及局限，本次研究分别使用改进内梅罗指数法和复合指数法对某山区的土壤环境质量进行评价，对两种方法的评价结果进行对比，并分析其差异存在的原因，以期为今后的土壤环境质量评价工作提供参考。
评价区坐落于长白山余脉大黑山脉之中，地形地貌多以低山丘陵、冲积平原为主，面积为362 km2。区内气候属温带大陆性气候。一年四季分明，最热月平均气温23℃,凉爽宜人；最冷月平均气温为-8.6℃，凉而不冷。是东北地区某省会城市大力发展的旅游、生态农业和现代服务业产业区，该区在发展过程中极其重视生态保护与可持续发展。
2 方法概述
2.1 采样方法与样品测定
根据地形地貌、土壤类型等条件，大致按 1 km × 1 km 网格进行布设采样点(见图1)。利用GPS精确定位，采用洛阳铲于土壤表层进行采样，取样深度30 cm，样本包含黑土、草甸土、淹育水稻土等土壤类型。
图1 土壤采样点分布图
土壤pH值在野外驻地测定，采用玻璃电极法，土水比为1 ∶2.5；重金属元素含量测定结合实验室的实际情况，采用的分析方法见表1。
表1 重金属元素分析方法
2.2 改进内梅罗指数法
内梅罗指数法是评价土壤环境质量的一种综合指数法，是从单因子指数法发展而来的。常见的改进方法有用于计算内梅罗指数的单因子指数结合背景值修正；对不同的重金属元素赋权重修正平均污染指数或者最大污染指数；结合地累积指数法改进；对单因子指数构成连续函数取代对原单因子指数的离散取值[1-3]。本次研究依据评价区实际污染情况与采样点各重金属元素含量测定值的分布情况，采用单因子指数背景值修正结合对不同重金属元素赋权重修正平均污染指数的方法对内梅罗指数法进行改进。
2.2.1 单因子指数结合背景值修正
单因子指数计算公式：
Ci≤Xa(1)
Pi=1+(Ci-Xa)/(Xc-Xa)
Xa Pi=3+(Ci-Xp)/(Xp-Xc) Ci≥Xp(3) Pi=2+(Ci-Xc)/(Xp-Xc) Xd 式中，Pi为单因子指数;Ci为元素的实测值，mg/kg;Xa为累积起始值，Xc为污染起始值，Xp为重污染起始值，mg/kg。Xa设定为该元素研究区背景值上限，Xc、Xp参考《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)确定，并将单因子污染指数(Pi)分为5个级别(见表2)[4]。 表2 单因子污染指数分级标准 2.2.2 赋权重修正平均污染指数 首先将各个评价因子的标准值 Si由小到大进行排列，然后将其标准值的最大值 Smax同各个评价因子的标准值 Si比较，并令 Ri为第 i 种评价因子的相关性比值，则 (5) (6) Wi即为某种重金属元素的权重值，用其对平均污染指数进行修正，得到改进的内梅罗指数和单因子指数加权平均值公式(7)和(8)。 (7) (8) 复合指数法亦是以单因子指数作为评价因子，将各元素的单因子指数进行空间插值、赋值、叠加，获取各图斑复合污染状况。[5] 复合指数法计算公式(若Pi<1(未污染)，则Ki=0；若Pi≥1(存在污染)，则Ki=1)： (9) 式中，Pi为单因子指数;Ki为污染情况赋值;Pcti为复合种类指数。 Pcli=Pimax (10) 式中，Pcli为复合等级指数;Pimax为各重金属元素单因子指数的最大值。 对单因子指数进行筛选，得到单因子指数的最大值，将最大值按照表2进行分级处理，即为复合污染等级。 3.1.1 单因子指数计算 本次研究选择土壤中常见的部分重金属污染物Cd、As、Hg、Pb、Cu、Cr、Zn、Ni作为评价因子，采用数据43组，计算上述重金属元素的单因子指数，统计结果如表3所示。其中Cd、As、Pb、Cu、Zn元素单因子指数最大值均 > 1，评价区部分采样点处存在污染。此外，8种元素变异系数均较小，说明重金属元素分布空间变化较小。 表3 评价区各重金属元素单因子指数 3.1.2 改进内梅罗指数评价 一般情况下，评价标准中污染因子的值越小，其对环境的危害越大，成反比关系[3]。本次研究考虑评价区土壤污染风险管控的需要，选择《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中的土壤污染风险筛选值，作为计算权重的各评价因子的标准值。各重金属元素评价因子权重计算结果具体见表4。 表4 评价区各重金属元素权重表(按权重值从大到小排列) 为评价区各重金属元素评价因子赋权重，根据式(7)～(8)计算得到改进的内梅罗指数，在ArcGIS软件中运用普通克里金法对其进行插值，得到评价区的污染情况分区(见图2)。根据表2的分级标准，评价区污染等级为3级轻度污染和2级警戒，经计算3级轻度污染面积为46.53 km2，占研究区总面积的12.85%。 图2 基于改进内梅罗指数法的土壤环境质量评价图 3.2.1 复合种类指数评价 在ArcGIS中，根据单因子指数进行叠加得到复合种类指数，如图3所示。研究区内不存在复合污染，只存在Ⅱ类污染区域，即单一元素污染，分别为Cd、Pb元素污染，污染面积共23.20 km2，占研究区总面积的6.41%。 图3 基于复合种类指数的土壤环境质量评价图 3.2.2 复合等级指数评价 在ArcGIS中，将单因子指数进行重分类并进行空间叠加，得到各图斑8种重金属元素单因子指数的最大值，根据表2对统计出复合等级指数进行分级，得到研究区3级轻度污染区域面积共23.20 km2，占研究区总面积的6.41%，其余均为2级警戒区域(见图 4)。 图4 基于复合等级指数的土壤环境质量评价图 改进内梅罗指数法和复合等级指数的土壤环境质量评价图进行叠加分析，将每一图斑的复合等级指数减其改进内梅罗指数，如果结果为0说明两种方法评价等级一致，否则为两种方法评价等级不一致，具体分布见图5。 经过计算评价等级不一致的面积为51.25 km2，占评价区总面积的14.15%，其中改进内梅罗指数比其复合等级指数高一个等级的面积为37.25 km2；改进内梅罗指数比其复合等级指数低一个等级的面积为14 km2。 从评价区随机选取图斑，结合改进内梅罗指数法的计算过程，发现各重金属元素单因子指数加权平均值大于其算数平均值的区域，改进内梅罗指数比复合等级指数高一个等级；而单因子指数加权平均值略小于算数平均值，则改进内梅罗指数比复合等级指数低一个等级；若两者接近，则两种评价方法评价等级一致。 选取8种土壤中常见的重金属污染元素，分别使用改进内梅罗指数法和复合指数法对某山区的土壤环境质量进行评价，通过对比分析评价结果，可以看出两种方法在污染等级及污染区域的分布存在一定的差异。评价等级不一致的面积为51.25 km2，占评价区总面积的14.15%，其中改进内梅罗指数比复合等级指数高一个等级的面积为37.25 km2；改进内梅罗指数比复合等级指数低一个等级的面积为14 km2。 从评价区随机选取图斑，结合改进内梅罗指数法的计算过程，可以看出各重金属元素单因子指数加权平均值与算术平均值的关系直接影响了两种方法评价结果的一致性，各单因子指数加权平均值大于其算术平均值，则改进内梅罗指数比复合等级指数高一个等级，相反则低一个等级，而两者接近则两种评价方法评价等级一致。可以推论出，改进内梅罗指数法的评价结果受权重值大的重金属元素的含量影响较大，对权重值较大的重金属元素污染评价较为准确，而对于权重值较小的重金属元素则会出现降低污染评价等级的情况；复合指数法可以得到复合种类指数和复合等级指数，可以给出评价区存在污染的元素有几种和是哪几种，这是改进内梅罗指数法无法直接反映的内容，但对于单因子指数接近分级标准临界值的重金属元素，由于插值方法的影响，会出现降低污染评价等级的情况。 改进内梅罗指数法与复合指数法哪种更优，需要结合评价区具体的污染元素及其对环境影响的评价标准值来综合考虑，而降低两种评价方法评价等级的机制及影响程度均需要进一步研究。 [ID:009890]
2.3 复合指数法
3 结果与分析
3.1 改进内梅罗指数法评价结果
3.2 复合指数法评价结果
3.3 结果对比分析
4 讨论与结论
