秦旭芝，黎 宁，温中海，罗志祥，王 斌，陈 洋

1．广西壮族自治区环境监测中心站，广西 南宁 530028

2．广西壮族自治区产品质量检验研究院，广西 南宁 530022

3．天津市环境监测中心，天津 300000

土壤环境直接关系到农产品质量安全、水质量安全、食品质量安全，其是人们赖以生存的基础。但在很多地区，伴随着大面积的矿区开采、选矿、冶炼等工业行为，造成矿区周围环境，以及农田耕地等严重污染。目前，评价土壤环境质量一般采取国家土壤环境质量标准，即以土壤中各种污染物含量为评价尺度，对土壤环境质量进行评价［1-4］的报道较多，而土壤环境、自然环境对污染物的耐受能力、敏感程度的研究并不多见。本文借鉴了生态环境脆弱性研究［5-20］的思路，使用层次分析法(AHP)研究土壤环境各因素对重金属污染的敏感性和重要程度，研究土壤环境脆弱性评价方法并建立相关的评价模型和体系，使用地理信息软件(ArcGIS9.3)对自然、环境、社会要素栅格化后进行叠加运算，可展示、评价区域土壤环境脆弱性空间分布状况。建立的土壤环境脆弱性评价模型包含自然因素、土壤因素、社会因素3个要素，筛选了21个因子作为评价项目(因子层)。选取广西河池市作为研究区域，以分辨率2.5 km×2.5 km的像元作为评价单元，对该市开展土壤环境脆弱性评价，为将来区域土壤环境分级分区管理、治理矿区污染以及保护生态环境提供科学依据，同时为以后建立生态环境预警体系提供理论基础。

1 研究区概况

河池市地处云贵高原南麓，介于东经106°34'～109°09'、北纬 23°41'～ 25°37'之间。东西长228 km，南北宽260 km，全市土地面积3.35万km2。年平均气温16.9～21.5℃，雨量充沛，年降雨量在1 200～600 mm。在地貌上，境内山地、丘陵和各种地表、地下喀斯特发育广泛。市内的河流主要为红水河、龙江及其支流，属珠江水系，珠江40%以上水量流经河池。

河池地处环太平洋金属成矿带，属南岭成矿带的一部分。因此，矿产资源特别是有色金属矿产资源十分丰富，具有矿种较齐全，共生、伴生矿种多、分布广、质量好、储量大、综合利用性强、价值高等特点。全市11个县、市(区)都有矿藏，已探明的有锡、锑、锌、铟、铜、铁、金、银、锰、砷等 46个矿种，矿产地172处，其中大型18处，能源矿产主要有煤、石煤等。非金属矿产主要有硫、石灰岩、白云岩等。水气矿产主要有矿泉水，是全国著名的“有色金属之乡”，保有储量居广西首位的有锡、铅、锌、锑、铟等，是广西最重要的矿产地区。

河池市现辖金城江、宜州、罗城、环江、南丹、天峨、东兰、巴马、凤山、都安、大化等 11个县(市、区)，总面积3.35万 km2，总人口402万人。河池境内绝大部分地区属于石山地区，显性和潜在石漠化占总面积60%以上，耕地占11%，库区移民40万，森林覆盖率 67.92%，城镇化率28.95%。

2 土壤环境脆弱性评价指标体系的建立

2.1 评价指标的确定

土壤环境的脆弱性除了土壤自身条件外，同样具有自然和社会的双重特征，其成因也包括自然因素、土壤因素、社会因素3大类。研究的指标体系由自然因素、土壤因素、社会因素3部分组成，评价指标的选择依据土壤环境质量相关的因素，考虑了指标的可得性、实效性和区域特征。自然因素主要考虑年降水量、坡度、地形粗糙度、水网密度、植被覆盖率等。土壤因素考察土壤侵蚀率、土地利用类型、石漠化强度、土壤本身的重金属含量现状、有机质含量、pH、全磷、全氮。社会因素包括人口压力指数、公路网密度、人口素质、人均纯收入、工业产投比、人均GDP、工业污染指数、农业污染指数、工矿企业密度等。如表1所示。

表1 因素指标明细

表1中指标体系的二级指标数据来源可分为两类：定量数据和不可定量数据。可采用以下处理方式：1)可定量数据为坡度、地形粗糙度、水网密度、土壤重金属含量现状、有机质含量、pH、全磷、全氮、人口压力指数、工业污染指数、农业污染指数、工矿企业密度、人均GDP。利用ArcGIS 9.3的统计分析模块，差值方法选用反距离权重法(IDW)，空间变异程度选取平方变异;面状数据采用ArcGIS9.3属性转化工具Feature to Raster，转化为栅格数据，栅格大小为2.5×2.5 km。2)不可定量数据为年降水量、土地利用现状。采用最小－最大标准化方法进行了分级，使其数值范围为0～10，再根据已有的点位信息，进行插值，按数据分布规律划分为五级，其标准值范围为0 ～10，见表2。

表2 指标分级及对应数值

因可定量性数据中不同变量具有不同单位和不同变异程度，为了消除量纲影响、变量自身变异大小和数值大小的影响，故将数据标准化。Min-Max标准化方法是对原始数据进行线性变换。设Xmin、Xmax分别为属性A的最小值和最大值，将A的一个原始值Xi通过min-max标准化映射的方法，使数值处于区间［0，10］中，计算公式如下：

式中：Xi表示处理前的数值，Xmin表示一组数值中的最小值，Xmax表示一组数值中的最大值，Si表示标准化后的数值。采用软件ENVI5.1中波段计算band math对已经栅格化的图层(b1)按Min-Max标准化方法计算，使其数值范围为0～10。

2.2 指标权重的确定

研究所需资料分别是河池市各县的社会经济统计资料、植被覆盖资料、土地利用资料、土壤资料以及该地区的气象资料。地形因素中的坡度是根据该自治区电子地图中等高线生成TIN并转为GRID数据，然后进行坡度计算而得。利用层次分析法对指标进行标度形成判断矩阵后，计算出各指标的权重、综合权重，同时对矩阵进行一致性检验，判断检验矩阵是否可以接受，见表3。

表3 因素指标分权重及综合权重

由于计算过程工作量大，出错率较高，需引进MATLAB7.0专业统计软件进行计算。计算过程需要对矩阵进行编程后运行，最终生成矩阵最大特征值。

以一级、二级指标构成的判断矩阵进行一致性检验，形成判断矩阵，通过输入一致性检验程序，运行后判断是否通过一致性检验。

2.3 评价结果

利用ArcGIS 9.3中的Spatial Analyst模块，结合各因子权重和加权指数建立河池市土壤环境脆弱性评价模型，见式(2)：

式中：SEVI表示土壤环境脆弱性指数，Xi、Wi表示第i个因子及其权重值。

通过导入数据和权重，得出相应的评价结果，根据结果可以得出每个评价单元上的脆弱度指数，由于目前对土壤环境脆弱度分级尚无统一标准，没有普遍认可的评价依据，评价的结果主要反映的是土壤环境的脆弱程度，所以分值越高，表示土壤环境质量的脆弱性越高。为了使评价结果更直观，本文结合一些评价模型［21-22］，按照生态脆弱度指数从高到低划分为微度、低度、中度、高度、极度5个脆弱度等级。各等级的划分标准见表4。

表4 土壤环境脆弱度分级

通过对各河池市土壤环境脆弱性因素指标的数值标准化处理后，结合AHP与GIS方法，绘制了河池市土壤环境脆弱性评价结果图，如图1所示。

图1 河池市土壤环境脆弱性评价

自然因素是影响土壤环境脆弱性形成的基本因素，而土壤因素是影响土壤环境质量的内在因素，社会经济因素是外在因素，3者相互作用，相互依存，共同胁迫土壤环境质量。河池市的土壤环境脆弱性在这3个方面受胁迫的表现比较明显。首先，随着河池市城镇化水平的提高，原来林地变为低覆盖度草地和城镇建设用地，城镇建设用地增加，大大降低了土壤的表层植被覆盖，即自然因素胁迫土壤环境质量;其次，河池市部分区域土壤重金属背景高，加上自然条件和人为扰动的影响造成一些区域土壤贫瘠，肥力下降，石漠化现象严重，土壤因素的胁迫程度较强;再次，河池市的社会经济因素影响显著，主要表现有色金属采矿、选矿、冶炼行业发达，矿产开发造成一系列污染问题，如采矿、选矿企业的固体矿渣等排放较多，多年未得到有效控制，重金属污染问题较突出。

研究结果证明3个因素对河池市土壤环境脆弱性的胁迫影响，图1是3个主要因素的综合作用结果，河池北部和南部区域属于高度脆弱的区域，东部为中等脆弱区域，西部为低脆弱区域。北部区域主要为广西3大重金属防控区(南丹、环江、金城江)，受当地经济因素即有色行业发展的负面影响较重，使该区域土壤环境更显脆弱;河池市南部的都安、大化等县份主要受土地贫瘠、石漠化、重金属高背景等影响;东部区域存在一定的工业重金属污染，石漠化程度高，土地利用变化较大，经济发展较好，人均GDP等也相对较高;属于低度脆弱的西部各县从自然因素看，该地区地势坡度起伏度大，水网密度较大。从土壤因素看，该地区的重金属指标、有机质、pH、总氮、总磷等指标要明显低于河池北部、东部、南部区域，且石漠化强度较低。从社会经济因素看该区域工矿企业密度小，人口密度也相对较小，评价结果与河池市实际情况吻合。

从河池市不同脆弱程度所占面积看，高度脆弱区占全市的36.3%，中度脆弱区占38.3%，低度脆弱区占25.4%。总体来看，河池市大部分区域的土壤环境属中高度脆弱。

3 结论与建议

1)结合AHP与GIS方法，利用插值和标准化值等多种方法，能够定量分析土壤环境脆弱性指数。土壤环境脆弱性对表征区域的土壤环境质量的风险具有很直观的表达。

2)利用土壤环境脆弱性，结合国家现有相关标准建立起的土壤环境质量风险防控体系具有综合性、灵活性的特点，可用于指示不同工业区周边土壤环境质量评价及土壤污染防治工作，以此防控指标体系为导向，提出土壤环境质量分级分区管理对策，以期进一步提高土壤环境质量的防控水平。

3)根据河池市土壤环境脆弱性特征及不同脆弱度分布，建议对该区域土壤环境高度脆弱区，重点治理。主要措施包括石漠化综合整治、环境基础设施建设以及环保资金的投入，减少人类活动对矿产资源的滥采和对林地的破坏，控制和治理污染，提高对工业“三废”和生活污水、生活垃圾的处理率和利用率，同时工程修复和生态修复相结合，减缓目前该区土壤环境十分脆弱的态势。在中度和轻度脆弱区，土壤环境质量形势不是十分严峻，但仍要高度重视环境保护和建设，减少人为干扰和破坏，防止土壤环境质量恶化。

致谢：感谢广西土壤环境污染与生态修复人才小高地和广西西江流域生态环境与一体化发展协同创新中心的支持。

［1］王建国，杨林章，单艳红．模糊数学在土壤质量评价中的应用研究［J］．土壤学报，2001，38(2)：176-183．

［2］许树辉．地块尺度耕地质量评价与方法探讨——以湖南省浏阳市为例［J］．长江流域资源与环境，2004，13(1)：47-52．

［3］苏春田，唐健生，潘晓东，等．不同地质条件下土壤重金属质量评价比较［J］．中国环境监测，2012，28(4)：25-28．

［4］付亚宁，范秀华，邹璐，等．电厂周围土壤重金属空间分布与风险评价研究［J］．中国环境监测，2011，27(6)：5-8．

［5］Shao C，Guan Y，Chu C，et al．Trends analysis of ecological environment security based on DPSIR model in the coastal zone：A survey study in Tianjin，China［J］．International Journal of Environmental Research，2014，8(3)：765-778．

［6］Gogu R C ，Dassargues A．Current trends and future challenges in groundwatervulnerability assessment using overlay and index methods［J］．Environmental Geology，2000，39(6)：549-559．

［7］ Wang S Y，Liu J S，Yang C J．Eco-environmental vulnerability evaluation in the yellow river basin，China［J］．Pedosphere，2008，18(2)：171-182．

［8］ Li X M，Min M，Tan C F．The functional assessment of agriculture ecosystems in Hubei province，China ［J］．Ecological Modelling，2005，187：352-360．

［9］商博，于光金，王桂勋，等．基于PCA的区域环境质量综合评价及应用实例研究［J］．中国环境监测，2013，29(5)：12-15

［10］董贵华，何立环，刘海江，等．生态系统管理中生态环境评价的关键问题［J］．中国环境监测，2013，29(2)：41-45．

［11］张笑楠，王克林，张伟，等．桂西北喀斯特区域生态环境脆弱性［J］．生态学报，2009，29(2)：749-757．

［12］袁明瑞，诸葛玉平，刘蕊．基于AHP法的泰安市生态系统脆弱性模糊评价［J］．环境科学与技术，2011，34(2)：173-177．

［13］尚立照，张龙生．基于“成因-结果”指标的甘肃各县区生态脆弱性定量评价［J］．中国水土保持，2010(6)：11-13，23．

［14］黄义忠．丽江市地质环境脆弱性及其对策研究［D］．昆明：昆明理工大学，2010．

［15］付标，祝桂兰，康鸳鸯，等．矿区生态环境脆弱性评价——以河南省新安县正村煤矿为例［J］．安徽农业科学，2006，34(24)：6 565-6 567．

［16］李茜，张建辉，罗海江，等．区域环境质量综合评价指标体系的构建及实证研究［J］．中国环境监测．2013，29(3)：1-8．

［17］古德宁，李光明，张兆海，等．濮阳工业园区土壤重金属背景值及质量评价［J］．中国环境监测，2015，31(1)：50-52．

［18］雷国平，代路，宋戈．黑龙江省典型黑土区土壤生态环境质量评价［J］．农业工程学报，2009，25(7)：243-248．

［19］官冬杰，苏维词．基于GIS重庆岩溶地区生态环境脆弱度评价［J］．中国岩溶，2006，25(3)：211-218．

［20］任志远．陕北黄土高原景观生态环境遥感评价模型研究［J］．陕西师范大学学报：自然科学版，1997，25(1)：97-102．