不同土壤重金属污染评价方法对比研究

摘要 土壤作为陆地生态系统重要组成部分，是人类居住不可替代的环境因子，也是食物安全与人体健康的基本保障。重金属污染具有毒性，土壤中的重金属会通过食物链在植物、动物和人体内传递并累积，对生态环境和人体健康构成严重威胁，因此评价土壤中的重金属污染程度有着重要意义和指导作用。目前土壤重金属污染评价方法繁多，大体可以分为指数法、模型指数法及其他评价法3类。各种评价方法都有其适用范围及优缺点，通过对比各方法优点和不足，以期为实际评价提供参考，从而获得最合适的评价方法。

关键词 土壤；重金属污染；评价方法；对比研究

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）13-0223-03

Comparative Study of Different Soil Heavy Metal Pollution Evaluation Method

MA Jian-yu ZHAO Zuo-ping MIN Suo-tian *

（College of Chemical and Environment Science，Shaanxi University of Technology，Hanzhong Shaanxi 723000）

Abstract As an important part of terrestrial ecosystem，soil is living an irreplaceable human environment factor，also is the basic guarantee of food safety and human health. Toxic heavy metal pollution of heavy metals in the soil will be in plant，animal and human body through food chain transfer and accumulation，serious threat to the ecological environment and human health，therefore，the evaluation of soil heavy metal pollution degree has important significance and plays a guiding role.The soil heavy metal pollution evaluation method is various which generally can be divided into index method，the model of index method and other three kinds of evaluation method.All kinds of evaluation method have its applicable range and advantages and disadvantages. Comparison the advantages and disadvantages of each method was conducted，in order to provide the reference for the actual evaluation process，then access to the most appropriate evaluation method.

Key words soil；heavy metal pollution；assessment methods；comparative study

土壤是陆地植物着生的基地，是人类从事生产生活的基础之一，更是人类赖以生存的基本环境要素。随着我国工业化和城市化的快速发展，工业和生活废水排放、污水灌溉、矿产资源的开发利用、农药化肥的施用、汽车尾气的排放等造成的土壤重金属污染问题也日益严重[1]。重金属长期停留并在土壤环境中积累，无法被化学或生物完全降解清除，极低的浓度即显示较强的毒性，其在土壤中的毒性效果之强可见一斑[2]。并且重金属易通过食物链途径在植物、动物和人体内积累，对生态环境、食品安全和人体健康构成严重威胁[3-5]。

1955年发生在日本的骨痛病和水俣病是国际著名的重金属中毒事件，而近年来出现在我国的镉米事件和血铅超标事件也只是众多土壤重金属污染事件的代表。越来越多的土壤重金属污染事件已经引起了生态环境科学家及农业研究领域专家的关注和重视。不同地域的土地污染情况不同，所需要的修复方法也不同，这就需要对土壤的污染情况作出合理准确的评价判断。为此，针对目前广泛应用的土壤重金属污染评价方法，比较其各自的优缺点，并对应用条件进行分析。

1 土壤重金属污染评价方法

1.1 单因子污染指数法

单因子污染指数法[6]计算公式如下：

Pi=Ci/Si（1）

式（1）中，Si为污染物i根据需要选取的评价标准；Ci为污染物i的实测浓度；Pi为土壤中污染物i的污染指数。

该方法通过测定土壤中某种重金属元素的含量，并与当地土壤背景值进行比较，对其累积污染程度进行评价。通过公式计算，若Pi>1.0，表明土壤受到人为污染；反之，若Pi≤1.0，即某种重金属元素含量在土壤背景值含量之内，表明土壤未受到人为污染。总之，Pi指数随着土壤中某种重金属累积污染程度加剧而增大。

1.2 综合污染指数法

运用最为广泛的综合指数法是内梅罗指数法[7-8]，可以通过单因子污染指数对土壤重金属污染作出较为全面的评价。其计算公式如下：

P综合=（2）

式（2）中，Pi为单项污染指数平均值；Pimax为最大单项污染指数；P综合为综合污染指数。

P综合>3表示土壤为重污染，P综合处于（2，3]表示土壤为中度污染，P综合处于（1，2]表示土壤为轻度污染，P综合≤1表示土壤未受污染。

1.3 地积累指数法

地积累指数法由Muller于1969年提出，其可以实现土壤中的重金属污染定量评价[9]。近年来，在国内得到了大量应用[10-11]，计算公式如下：

Igeo=log2[Cn/（K×Bn）]（3）

式（3）中，K为表征岩石地质、沉积特征等影响背景值变化的系数（一般取1.5）；Bn为重金属元素n的地球化学背景值；Cn是沉积物中重金属元素n的含量；Igeo为沉积物重金属地积累指数。

一般将Igeo分为7个级别，具体见表1。

1.4 潜在生态危害指数法

该方法对重金属污染程度及其潜在生态危害进行评判[12-13]，计算公式如下：

1.5 模糊数学法

1965年Zadeh提出了模糊理论[17]，之后广泛应用于计算机和电子方面，近年来，也逐渐应用于环境领域的研究中[18]。基于模糊理论，选择相关影响因子，引入隶属度和各个评价因子的权重，对各重金属元素测定值和各污染等级分别建立模型[19]。不同的隶属度函数对应不同的土壤环境质量级别，得到关系模糊矩阵；然后在对各重金属评价因子的权重进行计算的基础上，建立各元素对总体污染中的权重模糊矩阵，最后计算出污染评价结果。

1.6 灰色聚类法

灰色聚类法[20-21]从模糊数学法发展而来，但又与之有所不同。其主要内容是物化和量化抽象的问题，充分利用已知的白信息，淡化或白化灰色系统。构建白化函数能够有效判断污染物和污染级别的亲疏关系；而为了保证在分级标准值时相邻2级白化函数值相等，需要用修正系数对白化函数进行修正。灰色聚类法有2种分类原则，一种是按聚类对象对各个灰色聚类系数构成的向量矩阵的行向量中，聚类系数最大者所属的级别作为该聚类对象所属的级别，即“最大原则”法来进行分类，一般称之为灰色聚类法。该方法忽略了比其小的上一级别的聚类系数，完全未考虑聚类系数之间的关联性，因而导致分辨率降低，评价结果出现偏差。为了避免这一误判，有学者提出运用“大于其上一级别之和”的分类原则进行判定，即：若某一行向量中聚类系数δ*kj满足：δ*kj≥δkm，式中δ*kj为聚类对象k对灰类j*的聚类系数（j*=1，2，3，…，h），则聚类对象所属级别为j*，这种判定法称为改进灰色聚类法[21-22]。

1.7 基于GIS的地统计学评价法

土壤的复杂性使得简单的采样数据无法准确反映大范围土壤质量状况，取各采样点的平均值也难以客观表达区域土壤污染的情况[23]，结合地统计学方法能够较好的解决该问题。区域化变量作为地统计学的研究对象，能够反映土壤中重金属含量的变异特征，进而能从理论上分析土壤重金属的空间分布特征。半方差函数能够表示土壤中重金属空间分布的相关性。克立格插值技术可以通过采样点数据推算该区域未采样点数据，相当于完全覆盖整个研究区域，最大程度的利用采样点数据。而GIS空间分析技术对有关空间地理位置的信息操作方面有着巨大的帮助。Goovaerts在土壤学的研究中首次应用了克立格插值技术[24]，效果十分出众。研究也证明，即使以整个美国作为研究范围，地统计学也可以将空间变异性和土壤特性的变化很好地表现出来[25]。随着基于GIS的地统计学评价法的广泛应用，怎样运用GIS尽量缩小采样强度也成为了研究的热点[26]。

1.8 基于人体健康风险评价法

近几十年发展起来的人体健康风险评价法将环境污染与人体健康相结合，针对环境中对人体有毒害的物质进行计算分析，通过估算风险度来表示污染物对人体健康产生危害的风险[27-30]。人体健康风险评价法需要估算污染物进入人体的数量、分析进入数量危害健康的风险。污染物具有迁移性，会在土壤、水、动植物及人体中传递，人体也会直接通过饮用水、食物、空气摄入污染物，因此风险评估时需要考虑单污染物、多污染物和多传递途径等多方面因素[31]。

2 方法优缺点对比及综合运用

指数法、模型指数法、其他评价法三大类型方法优缺点对比见表1，各方法优缺点对比见表2。

目前评价方法众多，每种方法都有其优势和不足，选择恰当的评价方法可以既客观又直观的反映土壤重金属的污染情况，而在评价过程中可以综合运用多种方法。例如，指数法和模型指数法相互补充结合，能够使评价结果全面的反映土壤污染状况。同时在评价过程中通过计算软件的辅助，可以相对容易地获取丰富的数据并快速分析，节省了大量人力物力。

3 结语

现今，还没有一种被广泛认可的土壤重金属污染评价方法，因此在实际评价过程中，应综合考虑评价区土壤重金属的污染种类及含量、生物中重金属含量、评价目的、当地土壤背景值或其他可参照值，来选择适当的评价方法。还应结合资源与环境学、毒理与疾病学、地质学、地统计学等学科进行不确定性分析，为环境决策提供相对准确的信息。每种评价方法都有其不足和局限性，没有万能的方法，只有根据自身评价的目的和侧重点，结合不同评价区的实际情况，仔细分析所得样本数据，来确定较优的方法。可以根据实际情况采用多种方法，并借助相关工具来完成综合分析评价。

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