薛志斌, 李 玲?, 張少凱, 董 晶

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，450002，鄭州; 2.河南省地質(zhì)物探測(cè)繪技術(shù)有限公司,450099,鄭州)

伴隨著工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)等的快速發(fā)展，工業(yè)廢棄物與生活垃圾的排放、農(nóng)藥化肥的過量施用等問題時(shí)有發(fā)生，各類污染物所攜帶的重金屬進(jìn)入土壤[1]。過量的重金屬會(huì)影響土壤的理化性質(zhì)[2]，造成土壤結(jié)構(gòu)破壞、水土流失等問題，且會(huì)遷移到動(dòng)植物以及人體內(nèi)，進(jìn)而對(duì)生態(tài)安全和人類健康產(chǎn)生危害[3]，嚴(yán)重影響人類的生存與發(fā)展。

近來，土壤的重金屬污染逐漸被國(guó)內(nèi)外所重視[4-9]?？茖W(xué)、合理、準(zhǔn)確地評(píng)估可為制訂有效的污染防治提供依據(jù)。單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)法等是較為常見的污染評(píng)估方法[10-15]，其中內(nèi)梅羅指數(shù)法運(yùn)用較為廣泛。復(fù)合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果與內(nèi)梅羅指數(shù)法的結(jié)果在空間位置和污染等級(jí)方面存在著一定的差異。筆者采用2016年采樣數(shù)據(jù)，遴選Cd、Pb、As、Hg、Cr作為特征污染元素，借助ArcGIS軟件，分別用內(nèi)梅羅指數(shù)法和復(fù)合指數(shù)法進(jìn)行評(píng)估。對(duì)這2種方法所得出結(jié)果的差異進(jìn)行比對(duì)，并分析存在差異的原因，以期為今后的土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

該區(qū)地處豫、陜、晉的交界地帶，位于黃河中游地區(qū)，當(dāng)?shù)啬昃照諘r(shí)間2 261.7 h，年均氣溫13.8 ℃，年均降水量580～680 mm，全年無霜期216 d，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。研究區(qū)面積1萬6 966 hm2，其中耕地7 219 hm2，園地9 595 hm2，其他用地152 hm2。土壤類型以褐土為主，作物熟制一年二熟或者兩年三熟制。

2 材料與方法

2.1 樣點(diǎn)采集和測(cè)定

通過GPS定位，大致按1 km×1 km網(wǎng)格進(jìn)行布點(diǎn)，采用五點(diǎn)取樣法采樣，采樣深度20 cm。

圖1 土壤樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Soil sampling points in the study area

土壤pH值測(cè)定采用電位法。Pb、Cd采用GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》測(cè)定，As、Hg采用HJ/T 680—2013《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測(cè)定 微波消解/原子熒光法》測(cè)定，Cr采用HJ/T 491—2009《土壤總鉻的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》測(cè)定。

2.2 評(píng)價(jià)方法

內(nèi)梅羅指數(shù)法及復(fù)合指數(shù)法均需要以單因子指數(shù)作為評(píng)價(jià)因子，因此需要先確定單因子指數(shù)。

(1)

式中：Pi為單因子指數(shù)；Ci為元素i的實(shí)測(cè)值，mg/kg；Si為元素i的標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg。若Pi≥1，則存在污染；若Pi<1，則不存在污染。標(biāo)準(zhǔn)值遵照GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定。

2.2.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法 該方法能夠較為全面地反映研究區(qū)各重金屬對(duì)土壤的綜合危害程度。

(2)

式中：PN為內(nèi)梅羅指數(shù)；Pi為單因子指數(shù)；Pimax為各重金屬元素單因子指數(shù)的最大值；Piave為各重金屬元素單因子指數(shù)的平均值。PN分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1[16]所示。

2.2.2 復(fù)合指數(shù)法 該法是將各元素的Pi進(jìn)行空間插值、賦值(Ki)、疊加，獲取各圖斑復(fù)合污染狀況。復(fù)合指數(shù)法可獲取2類信息：1)復(fù)合污染種類指數(shù)(Pollution Compound Type Index，Pcti)，確定圖斑受到哪幾種元素的污染；2)復(fù)合污染等級(jí)指數(shù)(Pollution Compound Level Index，Pcli)，為單因子指數(shù)的最大值；引用表1分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 內(nèi)梅羅指數(shù)法污染程度分級(jí)Tab.1 Classification of pollution degree by Nemerow Index Method

若Pi<1，則Ki=0；

若Pi≥1，則Ki=1，

(3)

式中：Pi為單因子指數(shù)；Ki為污染情況賦值；Pcti為復(fù)合種類指數(shù)。若Pi<1時(shí)，則土壤未受到污染，計(jì)Ki為0，此時(shí)復(fù)合種類指數(shù)為0；若Pi≥1時(shí)，則土壤存在污染，計(jì)Ki為1，K值之和即為其復(fù)合種類指數(shù)。

Pcli=Pimax。

(4)

式中：Pcli為復(fù)合等級(jí)指數(shù)；Pimax為各重金屬元素單因子指數(shù)的最大值。對(duì)單因子指數(shù)進(jìn)行篩選，得到單因子指數(shù)的最大值，將最大值按照表1進(jìn)行分級(jí)處理，即為復(fù)合污染等級(jí)。

3 結(jié)果與分析

共采集108個(gè)樣點(diǎn)，計(jì)算樣點(diǎn)各元素的單因子指數(shù)值，結(jié)果如表2所示。

表2 研究區(qū)重金屬元素單因子指數(shù)Tab.2 Single factor index of heavy metals in the study area

Cd、Pb、As、Hg、Cr的含量有較大的差異,Cd、Pb、As、Hg的變異系數(shù)比較大，表明這4種元素的空間變化比較大。Cd、Pb、As、Hg等元素的單因子指數(shù)最大值均>1。

在ArcGIS中運(yùn)用反距離加權(quán)法對(duì)單因子指數(shù)進(jìn)行插值并導(dǎo)出柵格文件，將柵格在ArcGIS中進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，從而得到每一個(gè)圖斑的各單因子指數(shù)。結(jié)果如圖2所示。

圖2 基于單因子指數(shù)的土壤重金屬污染空間分布Fig.2 Spatial variation of heavy metals soil pollution based on single factor index

Cd、Pb、As、Hg 4種元素存在污染區(qū)域，其中Cd污染面積644.74 hm2，Pb、Hg污染面積10.53 hm2，As污染面積18.45 hm2?？偟膩砜矗廴敬嬖谟谘芯繀^(qū)的東北部，存在復(fù)合污染情況。

3.1 內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)單因子指數(shù)，計(jì)算其內(nèi)梅羅指數(shù)，如圖3所示。研究區(qū)3級(jí)以上區(qū)域總面積為317.70 hm2，占研究區(qū)的1.87%。其中：3級(jí)區(qū)域?yàn)?92.87 hm2，占污染區(qū)域的92.19%，占研究區(qū)的1.73%；4級(jí)區(qū)域?yàn)?4.82 hm2，占污染區(qū)域的7.81%，占研究區(qū)的0.15%。污染區(qū)域集中于研究區(qū)的東北部。

圖3 基于內(nèi)梅羅指數(shù)的土壤重金屬污染空間分布Fig.3 Spatial variation of heavy metals soil pollution based on Nemerow index

3.2 復(fù)合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2.1 復(fù)合種類指數(shù)評(píng)價(jià) 根據(jù)單因子指數(shù)進(jìn)行疊加得到復(fù)合種類指數(shù)，如圖4所示。其中：Ⅱ類區(qū)域?yàn)?26.29 hm2，占污染區(qū)域的97.14%，占研究區(qū)的3.69%；Ⅲ類區(qū)域?yàn)?.92 hm2，占污染區(qū)域的1.23%，占研究區(qū)的0.05%；Ⅴ類區(qū)域?yàn)?0.53 hm2，占污染區(qū)域的1.63%，占研究區(qū)的0.06%。

圖4 基于復(fù)合種類指數(shù)的土壤重金屬污染空間分布圖Fig.4 Spatial variation of heavy metals soil pollution based on compound type index

圖5 基于復(fù)合等級(jí)指數(shù)的土壤重金屬污染空間分布圖Fig.5 Spatial variation of heavy metals soil pollution based on compound level index

3.2.2 復(fù)合等級(jí)指數(shù)評(píng)價(jià) 將單因子指數(shù)法的處理結(jié)果進(jìn)行空間疊加，根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)出復(fù)合等級(jí)指數(shù)，如圖5所示。研究區(qū)內(nèi)3級(jí)以上區(qū)域?yàn)?44.74 hm2，占研究區(qū)的3.80%。其中：3級(jí)區(qū)域?yàn)?94.74 hm2，占污染區(qū)域面積的76.73%，占研究區(qū)的2.92%；4級(jí)區(qū)域?yàn)?38.71 hm2，占污染區(qū)域面積的21.51%，占研究區(qū)的0.82%；5級(jí)區(qū)域?yàn)?1.30 hm2，占污染區(qū)域面積的1.75%，占研究區(qū)的0.07%。

3.3 內(nèi)梅羅指數(shù)法與復(fù)合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

將每一圖斑的內(nèi)梅羅指數(shù)減其復(fù)合等級(jí)指數(shù)，若其結(jié)果不為0，則說明2種方法的評(píng)級(jí)存在不一致。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)有739.12 hm2的計(jì)算結(jié)果為-1，說明這部分區(qū)域的內(nèi)梅羅指數(shù)比其復(fù)合等級(jí)指數(shù)低一個(gè)等級(jí)。由圖3和圖5可知，等級(jí)發(fā)生變化的區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)的東北部，所以將該區(qū)域剪裁出來(圖6)。

圖6 評(píng)級(jí)不一致區(qū)域空間分布圖Fig.6 Spatial variation of inconsistent regions

將上述方法評(píng)價(jià)結(jié)果中等級(jí)不一致的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

表3 2種方法評(píng)級(jí)不一致區(qū)域面積Tab.3 Areas of the inconsistent regions by the two methods

內(nèi)梅羅1級(jí)區(qū)域有275.59 hm2與復(fù)合指數(shù)2級(jí)區(qū)域重合，占研究區(qū)的1.62%；內(nèi)梅羅2級(jí)區(qū)域?yàn)?27.05 hm2與復(fù)合指數(shù)3級(jí)區(qū)域相重合，占研究區(qū)的1.93%；內(nèi)梅羅3級(jí)區(qū)域?yàn)?25.18 hm2與復(fù)合指數(shù)4級(jí)區(qū)域相重合，占研究區(qū)的0.74%；內(nèi)梅羅4級(jí)區(qū)域?yàn)?1.30 hm2與復(fù)合指數(shù)5級(jí)區(qū)域相重合，占研究區(qū)的0.07%。在EXCEL中利用隨機(jī)函數(shù)從等級(jí)不一致區(qū)域選取特征圖斑，如表4所示。

表4 2種方法評(píng)級(jí)不一致區(qū)域抽取圖斑Tab.4 Extracted spots of the inconsistent regions by the two methods

注：PCd為Cd的單因子指數(shù)；PPb為Pb的單因子指數(shù)；PAs為As的單因子指數(shù)；PHg為Hg的單因子指數(shù)；PCr為Cr的單因子指數(shù)；PN為內(nèi)梅羅指數(shù)；Pcli為復(fù)合等級(jí)指數(shù)。Notes:PCdis single factor index of Cd；PPbis single factor index of Pb；PAsis single factor index of As；PHgis single factor index of Hg；PCris single factor index of Cr；PNis Nemerow index；Pcliis compound level index.

圖斑b、c、d的內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)級(jí)低于復(fù)合等級(jí)指數(shù)評(píng)級(jí)，其原因是：第一，從計(jì)算過程來看，由式2可知，單因子指數(shù)最大值≥內(nèi)梅羅指數(shù)值，由式4可知，復(fù)合等級(jí)指數(shù)=單因子指數(shù)最大值，則復(fù)合等級(jí)指數(shù)≥內(nèi)梅羅指數(shù)；第二，從數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)來看，當(dāng)單因子指數(shù)最大值普遍較大，且處于分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的臨界值附近；但其他指數(shù)值均比較小，造成平均值大大低于最大值，基本處于最大值的1/2附近。如表4中的圖斑b,其Cd指數(shù)為1.038，屬于輕度污染，其他元素單因子指數(shù)均小于0.7，屬于清潔。若使用復(fù)合指數(shù)法時(shí)，該圖斑的等級(jí)指數(shù)為1.038，為輕度污染，但使用內(nèi)梅羅指數(shù)法時(shí)，其指數(shù)僅為0.811，等級(jí)為警戒，其結(jié)果降低了污染指數(shù)，掩蓋了圖斑b存在輕度污染的事實(shí)。正是由于以上原因，造成研究區(qū)內(nèi)梅羅指數(shù)全面降低，其污染等級(jí)也隨之降低，最終使其判定的污染面積小于復(fù)合指數(shù)法判定的污染面積。

4 結(jié)論

通過內(nèi)梅羅指數(shù)法和復(fù)合指數(shù)法評(píng)價(jià)研究區(qū)的土壤重金屬污染情況的對(duì)比分析，可以看出2種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果在空間位置和污染等級(jí)等方面存在著一定差異。

內(nèi)梅羅指數(shù)法選取研究區(qū)內(nèi)各元素的平均值和最大值作為變量進(jìn)行評(píng)價(jià)，考慮了研究區(qū)內(nèi)污染最為嚴(yán)重的單項(xiàng)污染元素對(duì)整個(gè)區(qū)域的影響；但是相較于復(fù)合指數(shù)法，內(nèi)梅羅指數(shù)法在處理過程中會(huì)降低其指數(shù)值。加之局部區(qū)域數(shù)據(jù)分布的特點(diǎn)，當(dāng)單因子指數(shù)最大值普遍較大，且處于分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的臨界值附近，但指數(shù)平均值大大低于最大值時(shí)，會(huì)造成內(nèi)梅羅指數(shù)法降低其污染等級(jí)，減少受污染區(qū)域的面積。這就導(dǎo)致研究區(qū)的實(shí)際受污染狀況與評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果之間的矛盾。

復(fù)合指數(shù)法以單因子指數(shù)法為基礎(chǔ)，通過對(duì)研究區(qū)單因子法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行空間疊加，通過統(tǒng)計(jì)分析，可以得到復(fù)合種類指數(shù)和復(fù)合等級(jí)指數(shù)。其中，復(fù)合種類指數(shù)解決了存在污染的元素有幾種和是哪幾種的問題，這是內(nèi)梅羅指數(shù)法無法直接反映的內(nèi)容；而復(fù)合等級(jí)指數(shù)客觀反映了污染程度。筆者認(rèn)為復(fù)合指數(shù)法方法不會(huì)因?yàn)樵u(píng)價(jià)過程本身的問題和數(shù)據(jù)的分布情況對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，其適用范圍廣泛，所得到的結(jié)果能夠更科學(xué)的反映研究區(qū)的真實(shí)狀況，其結(jié)果更為客觀和完善，且操作也較為簡(jiǎn)便。

土壤重金屬污染是阻礙土地資源可持續(xù)利用的一個(gè)重要問題，對(duì)污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)十分必要。更為客觀真實(shí)的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法更有利于了解和掌握土壤實(shí)際狀況，為合理科學(xué)的利用土地資源奠定良好的基礎(chǔ)。在確定復(fù)合污染區(qū)域的位置、面積及復(fù)合污染物的種類等工作中，復(fù)合指數(shù)法相較于內(nèi)梅羅指數(shù)法具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，可以為土地利用者和決策者提供更為真實(shí)客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果，應(yīng)在今后的土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作中加以推廣和使用。

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