孟 超 宋小云 熊娟娟 宋坤坤

(中原油田分公司技术监测中心环保监测总站，濮阳 475001)

惠楼山药为著名传统土特产，由于土质地性所致，为虞城县店集乡惠楼所独产。惠楼山药长约0.5 m，个匀稍扁，皮色红润、肉色乳白、味甘、性古。惠楼山药已有400余年栽培史，经现代医学研究，其含有丰富的粘蛋白、糖、淀粉、维生素A、B1、B2、C和多种氨基酸、活性酶、钙、钾等27种营养元素，用于中药有养胃、健脾、补肺、益肾、健脑、安神、利湿止泻、抗坏血等作用。惠楼山药与其它山药相比，有4大显著特点：(1)不麻不涩；(2)甘、面，易剥皮；(3)含糖量高达25%；(4)营养及药用价值高，含27种营养元素。惠楼山药作为一种绿色食品加之其特有的营养价值，深受人们青睐，市场需求量很大，前景十分广阔。而土壤环境质量的优劣直接影响着农产品的产量、质量以及人们的身体健康。加强农用地土壤环境质量的监测和评价对于保护土壤环境质量和粮食安全具有重要的意义,土壤重金属含量和农田土壤环境质量评价研究已成为环境科学的一个重要研究领域[1,2]。

环境质量评价的方法很多,主要分为简单指数法和复杂数学模型法。对于多要素环境系统作环境质量综合评价只用简单的综合评判往往效果较差。事实上，一方面因为环境质量的评价等级之间没有明确的界限，因而它的划分和归属是一个模糊问题；另一方面，由于在区域环境内选择监测点的方式和指标实测值在各分段区间内的点位数具有随机性，使得上述问题的讨论已超出经典概率的范围。在环境质量评价中，Fuzzy概率法较多地应用于区域水质、大气的综合评价[3-5],有关土壤的Fuzzy概率评价报道并不多见。笔者尝试采用Fuzzy概率理论,对惠楼及周边地区山药种植地重金属污染进行综合评价。

1 研究区概况

虞城县店集乡特产惠楼山药素有“一品山药”之称，其盛名享誉全国。惠楼村西有一个叫小金河的地方，现在已经被改造为农田，两岸之间是黄沙土或白沙土。小金河沿岸山药即为惠楼山药，为该地区所独产。该区地理位置优越，京九铁路纵贯其中，连霍高速公路横穿其境，西临105国道，北临325省道，交通十分便利。

2 样品的采集与处理

2.1 样品采集

2008年4月，在惠楼及周边地区全面布设取样点53个，其中在小金河沿岸为惠楼优质山药种植区，在该区均匀布设采样点26个，为本研究的中心区。周边地区，即对照区，设对照样27个，样品质量为l～2 kg。混合样采取分区均匀布点的方法,采集表层土壤样品(深度0～15 cm)。

2.2 样品的处理及测定

将采集的土壤样品用四分法进行缩分带回实验室，自然风干，除去砂石、动植物碎片等明显异物后混合均匀。用玛瑙研钵将样品研细过150 μm(100目)尼龙筛，装入聚乙烯塑料袋保存备用。

消解所用器皿均用1∶3盐酸或1∶4硝酸浸泡7 h以上，先用蒸馏水清洗，然后用去离子水洗净后烘干。土壤的消解参照国家环境保护总局标准方法(GB/T 17138-1997)[6]，将消解后的土样转移到聚乙烯塑料瓶后待上机测定。

采用原子吸收分光光度计(AA-6601F型，日本岛津公司)测定土壤消解溶液中铜、锌、铅、铬、镍的含量，石墨炉系统测定样品中镉的含量。

3 土壤重金属污染评价方法

Fuzzy概率法的原理和评价步骤如下[7-10]：

(1)样本的构成。设有k个监测点，且各有i个污染物，每个指标有j个环境质量等级，则能确立因素论域U={x1，x2，…xm}的m个评价因子，评价论域V={v1，v2，…vp}的p个评价标准等级。

(2)根据环境质量分级标准，采用分段线性变换求每单项污染指标对各评价等级的隶属函数XA(x)。

(3)确定监测数值在各区间的概率。在研究区域内随机选择k个监测点，根据实际情况，将每一单项污染指标的值划分为一系列连续区间，由该单项污染指标实测值在各区间内的点位数Ni，确定出实测值位于各区间内的概率Pi。

(4)平均隶属度的确定。分别计算各污染物指标在每段区间内的部分对于评价等级{Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ}的平均隶属度，按式(1)计算：

(1)

式中：μ(a

a——污染指标区段下限;

b——污染指标区段上限;

x——污染指标监测值。

(5)计算各单项污染指标的Fuzzy概率。根据所建立的各单项污染指标对各评价等级的隶属函数及实测值在区间内点数计算的概率，按式(2)计算出各单项污染指标在各评价等级的Fuzzy概率P(A)：

(2)

式中：Pi——单项污染指标在各评价等级的Fuzzy概率。

(3)

(4)

Si——第i种污染物的土壤背景值。

(7)综合评价。按式(5)综合计算区域内总体污染隶属于评价等级的大小，即:

(5)

4 测定结果与污染评价

4.1 评价等级指标

考查区域内Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni等5个单项污染指标。评价等级集合为{清洁、中污染、重污染}，简记为{Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ}级。测定的土壤pH值大于7.5，参照国家标准GB 15618-1995确定评价等级[11]，如表1所示，文中的土壤背景值采用河南省土壤元素背景值[12]。

表1 土壤环境质量标准值 mg/kg

4.2 重金属含量数据

对中心区及对照区重金属含量进行测定，结果列于表2。

表2 中心区及对照区重金属含量数据 mg/kg

由表2并结合表1可知，除Zn外，对照区重金属含量普遍较中心区高。该区重金属含量平均值除Cd外均低于国家一级标准，但Zn略高于当地土壤背景值，Ni比当地土壤背景值高出44%。而Cd含量平均值超出国家标准10倍以上，是当地土壤背景值的27倍。Cd是环境中广泛存在的重金属微量元素，它们既不参与植物体的结构组成，也不参与细胞的代谢活动，如果在体内过量积累将对植物产生严重的毒害效应。研究表明，由于Cd具有在环境中稳定、存留时间长、易被植物吸收等特性，已成为目前我国土壤-作物生态系统中主要的重金属污染物。Cd进入作物体内后，不仅严重影响到作物的生长发育、品质及产量，还可通过食物链富集放大，危及人类健康[13-15]。该地土壤Cd含量应引起相关部门重视并给予正确处理，以避免造成严重后果。

4.3 隶属函数

对各单项指标计算出其对各评价等级的隶属函数。以元素Pb为例，Pb的隶属函数为：

4.4 监测点分布概率

在区域环境内每个监测点位测得的单项污染指标的监测数值位于分段区间内的点位数Ni和相应的概率如表3所示。

4.5 平均隶属度计算

按式(1)分别计算各单项污染指标在每段区间内的部分对于评价等级的平均隶属度，计算结果如表4所示。

污染指标对评价等级{Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ}的隶属度可分区间表示，以元素Pb为例：

4.6 单项指标的Fuzzy概率

由式(2)计算出研究区域环境内单项污染指标Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni属于评价等级{Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ}归一化后的Fuzzy概率列于表4。

表3 实测值在各分段区间内的点位数、相应概率及对应各评价等级的隶属度

表4 研究区及对照区单项指标属于各评价等级的Fuzzy概率

4.7 各分指标在总污染中的权重数

根据区域环境内分指标的平均超标情况进行加权，确定各分指标在总污染中的权重数。按式(3)、(4)计算，结果见表5。

表5 研究区及对照区指标的及归一化

4.8 综合评价

综合计算区域环境内总体污染隶属于各评价等级的大小，从而得出环境总体质量综合评价的最优选择。

(1)中心区的总体污染隶属度

PⅠ=0.030 7×0.981 9+0.045 1×1+

0.031 4×1+0.827 3×0.259 6+0.0207 8×1+

0.044 6×0.769 25=0.376 6

PⅡ=0.0307 35×0.018 0+0.827 31×0.144 3+

0.044 64×0.219 76=0.129 7

(2)对照区的总体污染隶属度

PⅡ=0.028 1×0.007 7+0.032 2×0.019 2+

0.852 3×0.083 3+0.044 6×0.343 9=0.087 2

4.9 结果分析

通过比较上述数值的大小可以判断中心区和对照区环境综合质量属于Ⅲ级，即重污染。产生污染的主要原因为Cd的严重超标。对照区总体环境质量劣于研究区，单项指标除Pb略优于研究区，其它指标均较中心区污染严重。中心区取样点的Cd含量隶属于国家三级标准的点数高达59.61%，属于镉重污染区;Ni有76.93%的点隶属于国家一级标准，部分取样点超标，但总体为清洁;Pb仅有个别点属于轻污染，其余均为清洁;而Zn、Cu、Cr在各采样点均未发现污染。研究区单因子污染权重排序为Cd>Zn>Ni>Cu>Pb>Cr。将各单项指标进行加权平均，得到研究区重金属环境质量综合指标为三级，即重污染。对照区取样点均处于污染状态，而99.67%的点都隶属于强污染等级。Ni虽然整体水平为清洁，但仍有34.39%的取样点隶属于轻污染状态。Pb、Zn几乎全部的点，以及Cu、Cr的全部点均隶属于清洁范畴，环境状况良好。对照区单因子污染权重排序为Cd>Ni>Zn>Pb>Cu>Cr。将各单项指标进行加权平均，得到对照区重金属环境质量综合指标为三级，即重污染。

5 结论

应用Fuzzy概率法评价土壤重金属环境质量，考虑到了实际界线的模糊性，评价体现了模糊问题又体现了概率问题[16]，使评价结果接近客观。但是在给定参数的权值确定方面有较强的主观性[17]，而且实验中有大量指标成分未检出，该指标权重取零值,使得该指标因此失去了在环境质量评价中的作用。这既会使评价结果由于忽略未污染成分的作用而失真,又会破坏整个地域综合评价的一致性[18]。

土壤中的Cd可能来源于成土母岩和残落的生物物质、大气重金属降尘、工业“三废”[19]、化肥的施用[20]等。我国农田Cd污染主要来源是工矿企业排放的废气和废水，多数是由于引用工业污水灌溉造成的[21]。该地区土壤中的Cd达到严重污染的程度。但惠楼及周边地区是典型的农业生态系统，一般是引用井水灌溉，周边无工厂污染源。具体原因还需进一步研究。

土壤中有害重金属元素全量的高低在某种程度上反映了土壤对环境的潜在风险。土壤中有害重金属元素能否被植物所吸收，主要取决于含该元素的有效态(有效性)含量，而重金属元素的有效性受到多种因素影响，并直接影响植物对有害金属元素的吸收[22]。但全量重金属元素的评价能为当地的整体环境风险评价做出参考。

[1] 陈玉娟,温琰茂,柴世伟.珠江三角洲农业土壤重金属含量特征研究[J].环境科学研究,2005,18(3):752-771.

[2] 黄国锋,吴启堂,容天雨,等.无公害蔬菜生产基地环境质量评价[J].环境科学研阶段究,1999,12(4):532-561.

[3] 冯吉燕,刘志斌,荣跃.Fuzzy概率法在地下水环境质量评价中的应用[J].露天采矿技术,2006,(6):51-53.

[4] 吴泊人,夏琼,钱家忠.Fuzzy概率模型在淮北平原地下水水质评价中的应用[J].地下水,2007,29(5):95-97.

[5] 李祚泳,赵邦杰.区域环境质量综合评价的一种方法—Fuzzy概率法[J].环境科学学报，1984，4(3)：204-213.

[6] GB/T 17138-1997 土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法[S].

[7] 候克夏.环境系统工程[M].北京：北京理工大学出版社，1992:368-378.

[8] 张跃，邹寿平，宿芬.模糊数学方法及其应用[M].北京：煤炭工业出版社，1992:403-413.

[9] 李祚泳,丁晶,彭荔红.环境质量评价原理与方法[M].北京:化学工业出版社,2004:94-103.

[10] Amir H Meghdadi, Mohammad R Akbarzadeh-T. Probabilistic fuzzy logic and probabilistic fuzzy systems[C].∥IEEE. International Fuzzy Systems Conference. Melbourne, Australia, 2001:1 127-1 130.

[11] GB 15618-1995 土壤环境质量标准[S]

[12] 中国环境监测总站.中国土壤元素背景值[R].北京：中国环境科学出版社，1990:334-380.

[13] Dudka S, Miller W P. Accumulation of potentially toxielements in plants and their transfer to human foodchain[J].J Envi Sci Helt Part Best Food Cont Ants Agri Wast,1999,34(4):681-708.

[14] Mclaughlin M J, Parker D R,Clarke J M. Metals and micronutrients-food safety issues[J].Fiel Crop Res，1999,60:143-163.

[15] Hossain M F, Khondaker M. Environmental contamination and seasonal variation on heavy metals in rice fields[J].Res J Chem Environ,2006,10(1):8-12.

[16] Bezdek J. Fuzziness vs probability: again[C].∥IEEE Trans Fuzzy Systems 2. Boston, America,1994:1-3.

[17] 刘金生,周焕银,刘金辉.基于神经网络的抚河水环境质量评价研究[J].东华理工大学学报,2008,31(1):85-88.

[18] 王建花,钱家忠,李如忠.Fuzzy概率法的改进及其应用[J].系统工程理论与实践,2007(5):173-176.

[19] Tiller K G. Heavy metals in soils and their environmental signifiance[J]. Advances in Soil Science,1989(9):113-141.

[20] 王开峰,彭娜,王凯荣,等. 长期施用有机肥对稻田土壤重金属含量及其有效性的影响[J].水土保持学报,2008.22(1):105-108.

[21] 刘发欣,高怀友,伍钧.镉的食物链迁移及其污染防治对策研究[J].农业环境科学学报,2006,25(增刊):805-809.

[22] 刘清,王子健,汤鸿霄.重金属形态与生物毒性及生物有效性关系的研究进展[J].环境科学,1996,17(1):89-92.