謝 虹

(山東畜牧獸醫(yī)職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊 261061)

土壤的污染問(wèn)題已經(jīng)受到了全社會(huì)的關(guān)注，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》對(duì)今后一個(gè)時(shí)期我國(guó)土壤污染防治工作做出了全面戰(zhàn)略部署，對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)范。

土壤被重金屬污染后，導(dǎo)致土壤性質(zhì)發(fā)生變化，從而影響土壤營(yíng)養(yǎng)元素的供應(yīng)和肥力特性，直接導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量減少，品質(zhì)降低[1-2]。因此，開(kāi)展對(duì)土壤重金屬的污染評(píng)價(jià)分析，對(duì)評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)土壤種植環(huán)境的質(zhì)量安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)田土壤重金屬污染程度評(píng)價(jià)方法包括：因子指數(shù)評(píng)價(jià)法(單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法)、地積累指數(shù)評(píng)價(jià)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法、灰色聚類模型、污染負(fù)荷指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)價(jià)法等。

本文對(duì)目前應(yīng)用農(nóng)田土壤重金屬評(píng)價(jià)比較廣泛的方法進(jìn)行了總結(jié)和比較，指出了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為科學(xué)評(píng)價(jià)土壤重金屬污染提供參考，從而獲得更加科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)方法。

1 土壤重金屬評(píng)價(jià)方法

1.1 因子指數(shù)評(píng)價(jià)法

1.1.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是國(guó)內(nèi)重金屬污染評(píng)價(jià)通用的一種方法，是以土壤元素背景值為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)重金屬累積污染的程度，指數(shù)越大表明土壤重金屬累積污染程度越高[3]。該方法計(jì)算公式簡(jiǎn)單，但是存在一定的局限性，只能分別反映每種重金屬的污染程度，不能全面、綜合地反映土壤的污染程度，僅適用于單一重金屬污染區(qū)域的評(píng)價(jià)，該方法是其他環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[4]。

1.1.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

由于土壤不僅受一種重金屬污染，而是被多種重金屬同時(shí)污染，單因子污染指數(shù)法不能滿足土壤污染程度的評(píng)價(jià)方法，應(yīng)用綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算最常用的方法之一，是一種兼顧單元素極值或突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[5]。張玉蓮等以鄭州市為例對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用對(duì)內(nèi)梅羅指數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均修正，得出不同區(qū)域的重金屬污染程度[6]。楊玉等以湖南獼猴桃主產(chǎn)區(qū)土壤為研究對(duì)象，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)全省土壤重金屬污染狀況進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)，研究的54個(gè)獼猴桃果園取樣點(diǎn)中有 68.5%的果園綜合污染指數(shù)小于1，達(dá)到無(wú)公害果園標(biāo)準(zhǔn)[7]。但是內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法也存在一定的缺點(diǎn)，即沒(méi)有考慮到土壤中各種污染物對(duì)作物毒害作用的差別，只是簡(jiǎn)單地反映污染的程度，對(duì)于污染的質(zhì)變特征則難于反映出來(lái)[4]。

1.2 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法(Geoaccumulation Index)是由德國(guó)海德堡大學(xué)沉積物研究所的科學(xué)家Muller 于 1969 年提出的，用于定量評(píng)價(jià)沉積物中重金屬的污染程度[8]。該方法不僅考慮了自然地質(zhì)過(guò)程對(duì)土壤背景值的影響，而且充分考慮了人為活動(dòng)對(duì)重金屬污染的影響，因此，該指數(shù)不僅能有效地反映出重金屬分布的自然變化特征，還可以從人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響角度方面做出判別，對(duì)于重金屬污染級(jí)別的判定給出了直觀的判斷標(biāo)準(zhǔn)[9]。陳增文基于地理信息系統(tǒng)軟件，采用地積累指數(shù)法對(duì)福建省土壤重金屬 (As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn) 污染程度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明污染強(qiáng)弱為:Cd > Pb > Hg > As > Zn > Cr > Ni > Cu，總體上累積污染主要處于0～3級(jí)[10]。但是，地積累指數(shù)判斷重金屬的污染程度也存在一定的局限性，選擇的不同的參比值會(huì)對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果造成較大的差異[12]，對(duì)于廣域土壤的研究并不能單純利用區(qū)域背景值的平均值作為評(píng)價(jià)參比值，應(yīng)充分考慮到各因子的不同污染貢獻(xiàn)以及地理空間差異等因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響[11，13]。

1.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法是瑞典學(xué)者 Hakanson于1980年建立的一套評(píng)價(jià)重金屬污染及生態(tài)危害的方法[14]。該方法不但考慮了土壤重金屬含量，而且還引入了毒性響應(yīng)系數(shù)，將重金屬的環(huán)境效應(yīng)、生態(tài)效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系起來(lái)，綜合考慮了重金屬的毒性在土壤中遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律，體現(xiàn)了生物有效性的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合了區(qū)域背景值，弱化了區(qū)域差異的影響，以定量的方法劃分出重金屬潛在危害的程度，綜合反映出重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，適合于大區(qū)域范圍沉積物和土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)比較，是目前此類研究中應(yīng)用較為廣泛的一種[4，15]。

目前，很多研究者在土壤重金屬污染物評(píng)價(jià)方面應(yīng)用此方法來(lái)評(píng)價(jià)重金屬的潛在生態(tài)危害。例如，江宏等采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)安徽省沿江某縣農(nóng)田土壤重金屬進(jìn)行了分析，研究區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)介于83.83～6 987.87之間，平均值為 250.76，有 13.57%的采樣點(diǎn)處于強(qiáng)或以上生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[16]；李雪等以瓊北農(nóng)田土壤為研究對(duì)象, 采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)該地區(qū)農(nóng)田重金屬污染情況，結(jié)果表明3類農(nóng)田土壤重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小于40，為輕微生態(tài)危害，其中重金屬 Ni、Hg和Co的累積水平較高[17]。

1.4 灰色聚類法

灰色聚類法是在模糊數(shù)學(xué)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，由于土壤環(huán)境是一個(gè)復(fù)合體，其質(zhì)量同時(shí)受到多種因素的影響，不同重金屬元素之間存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系[15]。我們?cè)囼?yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)都是在有限的空間和時(shí)間內(nèi)獲得的，對(duì)于土壤污染情況不能具體充分地描述，有關(guān)學(xué)者提出灰色聚類法以來(lái)[18]，在土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方面得到廣泛的應(yīng)用。其方法主要是利用已知的白信息，使灰色系統(tǒng)白化，通過(guò)引入灰色理論的白化函數(shù)，按照灰類進(jìn)行歸納，得出聚類對(duì)象屬于哪類污染，有效地判斷出污染物和污染級(jí)別的關(guān)系，聚類系數(shù)值越大表明土壤受污染的程度越高[19-20]。郭紹英等用改進(jìn)的灰色聚類法評(píng)價(jià)馬鞍山重點(diǎn)礦區(qū)土壤重金屬污染情況，結(jié)果表明Hg、Cu、Cd 為該礦區(qū)土壤土壤的主要污染因子，相對(duì)于傳統(tǒng)聚類法，改進(jìn)灰色聚類法在分析判定污染物關(guān)聯(lián)度方面更具優(yōu)勢(shì)，能綜合反映出多種重金屬的協(xié)同作用下，土壤環(huán)境質(zhì)量受污染的情況，評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀[21]。

1.5 污染負(fù)荷指數(shù)

污染負(fù)荷指數(shù)(Pollution load index,PLA)是由 Tomlinson于1980年提出的，由評(píng)價(jià)區(qū)域所包含的多種重金屬成分共同構(gòu)成。該方法不僅可以反映單一采樣點(diǎn)的重金屬污染程度，而且可以對(duì)某一區(qū)域的土壤污染狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，使重金屬對(duì)土壤的污染情況在時(shí)間和空間上的變化趨勢(shì)得以很好的呈現(xiàn)[23-24]。近年來(lái)該方法在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方面得到廣泛的應(yīng)用。游佐佳等對(duì)某廠區(qū)土壤采樣檢測(cè)，運(yùn)用污染負(fù)荷指數(shù)評(píng)價(jià)重金屬污染情況，結(jié)果表明，該廠區(qū)周邊土壤17個(gè)點(diǎn)位中3個(gè)點(diǎn)位的PLI值處于2≤PLI<3，強(qiáng)污染程度點(diǎn)位占整體的17.6%,污染指數(shù)達(dá)到4.96，處于極強(qiáng)污染程度[22]。胡世瑋等對(duì)楊凌地區(qū)19個(gè)蔬菜生產(chǎn)合作社土壤進(jìn)行采樣分析，采用污染負(fù)荷指數(shù)法評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，4個(gè)采樣點(diǎn)為強(qiáng)污染，其余15個(gè)為中等污染，區(qū)域PLI指數(shù)為1.61，區(qū)域污染總體評(píng)價(jià)為中等程度污染[23]。祝培甜等利用污染負(fù)荷指數(shù)法對(duì)江蘇省某鎮(zhèn)表層土壤重金屬污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示73.69%的土壤樣點(diǎn)無(wú)污染，輕度污染和中度污染的試樣比例分別占25.26%和1.05%[24]。

1.6 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)價(jià)法

土壤是具有空間變異性的混合體，試驗(yàn)時(shí)的采樣點(diǎn)只能代表采樣點(diǎn)本身的土壤狀況，簡(jiǎn)單地利用采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，無(wú)法真實(shí)有效地評(píng)價(jià)區(qū)域土壤污染的分布情況[15]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN) 是一種仿生機(jī)制數(shù)學(xué)模型，利用模仿動(dòng)物神經(jīng)連接節(jié)點(diǎn)分布式并行處理信息的行為原理，建立一種信息處理系統(tǒng)，能較好地映射監(jiān)測(cè)點(diǎn)重金屬含量與其空間位置和污染程度的非線性關(guān)系，完成對(duì)空間各點(diǎn)的土壤重金屬含量進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)[25]。其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易操作、工作狀態(tài)穩(wěn)定、算法比較成熟，在對(duì)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)中得到了廣泛的使用[26]。成功等以湖南株洲市區(qū)中西部為研究區(qū)域，研究了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在土壤重金屬污染分析中的應(yīng)用[27]。王鴻等以宜賓市翠屏區(qū)土壤為例，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)耕地土壤重金屬污染進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果為 1 級(jí)、清潔，與當(dāng)?shù)氐奈廴緺顩r相符合[28]。對(duì)于一些地形復(fù)雜的研究區(qū)域，采樣難度大，可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)，降低采樣成本，更好的評(píng)價(jià)區(qū)域土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)語(yǔ)

土壤重金屬污染評(píng)價(jià)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作，學(xué)科綜合性較強(qiáng)?，F(xiàn)有的各種評(píng)價(jià)方法，優(yōu)缺點(diǎn)各不同，側(cè)重點(diǎn)和適用范圍也有所差異，各種評(píng)價(jià)方法都存在一定的局限性，到目前為止還沒(méi)有一種被廣泛認(rèn)可的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法。因此，在實(shí)際評(píng)價(jià)過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮該區(qū)域土壤重金屬的污染種類及含量、當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸?、評(píng)價(jià)的目的、生物有效性等多方面的影響因素，選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)方法，為使評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面反映土壤質(zhì)量狀況，有時(shí)需要綜合運(yùn)用多種方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[15，19]。

[1] 倪才英,陳英旭,駱永明,等.紫云英(Astragalus siniucus L)對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2003,23(5):503-508.

[2] 倪才英.海州香蕉和紫云英對(duì)銅脅迫的響應(yīng)及根際活化機(jī)制[D].浙江:浙江大學(xué),2004.

[3] 鄭國(guó)璋.農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染研究的理論與實(shí)踐[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2007:101-104.

[4] 范拴喜,甘卓亭,李美娟,等.土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2010,26(17):310-315.

[5] 張江華,趙阿寧,王仲?gòu)?fù),等.內(nèi)梅羅指數(shù)和地質(zhì)累積指數(shù)在土壤重金屬評(píng)價(jià)中的差異探討[J].環(huán)保與分析,2010,8(31):43-46.

[6] 張玉蓮,閆天增.內(nèi)梅羅指數(shù)法在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 河南教育學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,21(2):35-39.

[7] 楊 玉,童雄才,王仁才，等.湖南獼猴桃園土壤重金屬含量分析及污染評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2012,38(6):1097-1105.

[8] Müller G. Index of geoaccumulation in sediments of the rhine river[J].Geojournal,1969,2:108-118.

[9] 胡綿好.應(yīng)用地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)南昌市城市污泥重金屬污染[J].廣東微量元素科學(xué),2010,17(3):27-31.

[10] 陳增文.福建土壤重金屬地積累污染特征及潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)[J]. 亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào),2016,11(4):37-45.

[11] 張繼舟，呂 品，王立民，等．大興安嶺森林土壤重金屬含量空間變異與污染評(píng)價(jià)[J]．生態(tài)學(xué)雜志，2015，34(3):810-819．

[12] Loska K，Wiechula D，Korus I．Metal contamination of farming soils affected by industry [J]．Environment International，2004，30:159-165．

[13] 易 秀,谷曉靜,侯燕卿,等.陜西省涇惠渠灌區(qū)土壤重金屬地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),2010,32(3):288-291.

[14] Hakanson L.An ecological risk index for aquatic pollution control:a sedimentological approach[J].Water Research,1980,14(8):975-1001.

[15] 郭笑笑,劉叢強(qiáng),朱兆洲,等.土壤重金屬評(píng)價(jià)方法[J].生態(tài)學(xué)雜志,2011,30(5):889-896.

[16] 江 宏,馬友華,尹國(guó)慶，等.安徽省某縣農(nóng)田土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào),2017,34(4):352-359.

[17] 李 雪,李佳桐，孫宏飛，等.瓊北農(nóng)田土壤重金屬水平及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,3611:2248-2256.

[18] 鄧聚龍.灰色系統(tǒng)[M].國(guó)防工業(yè)出版社.

[19] 馬劍宇,趙佐平,閔鎖田.不同土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法對(duì)比研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2016,(13):223-225.

[20] 孟憲林，沈 晉，周 定．改性灰色聚類法在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，26(6):134-138．

[21] 郭紹英,林 皓,謝 妤,等.基于改進(jìn)灰色聚類法的礦區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)[J].環(huán)境工程,2017,35(10):146-150.

[22] 游佐佳,孟勤憲,曾前勇,等.土壤風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及空間分布的研究[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè),2018(1):52-56.

[23] 胡世瑋,楊靜,謝偉強(qiáng),等.楊凌蔬菜產(chǎn)地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2015,24(8):175-180.

[24] 祝培甜,趙中秋,等.江蘇省某鎮(zhèn)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2017,11(4):2535-2541.

[25] 陳曉燕,范成五,瞿 飛,等.土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法概述[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,58(10):1801-1810.

[26] 秦夕淳,袁 琦,周寶宣.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤重金屬預(yù)測(cè)模型研究[J].資源與環(huán)境科學(xué),2016(19):178-180.

[27] 成 功,李嘉璇,戴之秀.BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在土壤重金屬污染分析中的應(yīng)用[J].地質(zhì)學(xué)刊,2017,41(3):394-400.

[28] 王 鴻,段曉明,等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的耕地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)——以宜賓市翠屏區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)為例[J].資源與環(huán)境科學(xué),2016(13):223-225.