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1、第 29 卷第 6 期 环 境 化 学 Vol. 29, No. 6 2010 年 11 月 ENVIRONMENTAL CHEMISTRY November 2010 基于模糊数学的太原市敦化灌区污灌 土壤重金属污染评价 * * 梁镇海 i*陈翠翠 1韩玉兰 2成昌顺 2罗玉 2续卫国 2 陈启斌 1任所才 1 (1.太原理工大学，太原 ， 030024; 2.太原市清徐县水务局，太原 ， 030400) 摘要采用原子吸收和原子荧光分光光度法测定了太原市敦化污灌区 95个表层土壤样品的 8种重金属含 量，并对污灌土壤的 pH值、阳离子交换量、容重等理化性质进行分析，在此基础上采用模糊数学方法
2、评价了 其土壤环境质量 ， 探讨了灌区土壤重金属的分布特征及污染状况 .结果表明 ， 土壤重金属砷 、 铜 、 锌 、 镍 、 汞 、铬 和铅含量值都在国家二级标准值范围内，平均含量分别为 6. 165, 39. 198, 114. 758, 37. 225, 0. 171,28. 249 和 37.468 mg.kg 1,重金属镉的含量高于国家二级标准值 ， 平均含量高达 1.247 mg.kg 1;敦化灌区土壤的平均 pH 值为 8.01,属弱碱性土壤 ， 平均阳离子交换量 为 80. 96cmol.kg-1,表层土壤有机质含量在1.27% 2.18% 之间；模糊数学评价结果得到灌区土壤环
3、境质量为三级水平，各个采样点的污染程度为董家营村西 西谷乡 东 王答乡南 孟封镇北 鹅池村南 . 关键词敦化污灌区，模糊数学模型，污染评价，土壤，重金属 . 重金属是土壤环境中一类具有潜在危害的污染物，它们在土壤环境中 _般不易随水流失，不能被微 生物分解 ,常在土壤环境中富集 1 ,因此对土壤重金属的研究越来越受到国内外学者的关注 M .用来评价 土壤环境质量的方法有综合污染指数法、聚类分析法、层次分析法和模糊数学法等 S ,其中最主要的方法 是单因子污染指数法和内罗梅综合污染指数法，但由于土壤污染具有渐变性和隐蔽性等特点，采用模糊数 学模型对污染程度进行评价更科学合理 ,而且在环境质量评价
4、中其分辨率明显高于其它评价方法 63 . 敦化灌区位于太原市南端，是晋中平川的 _部分，本文针对有二十余年污灌历史的清徐县，通过取样 与室内分析，采用模糊数学法进行综合评价，对敦化污灌区土壤重金属 Cu, As, Ni, Hg、 Zn、 Cr、 Cd 和 Pb的含 量及累积污染程度做 出相应的研究，以期为太原市污灌区土壤污染防治及生态环境管理提供参考 . 1 实验部分 1.1 样品米集 敦化灌区土地资源较丰富，根据全国第二次土壤普查结果，灌区土壤分为褐土、草甸土、盐土三大 类 .采样点主要分布在太原市敦化污灌区的五个乡镇，具体取样位置为王答乡南、董家营村西，西谷乡 东、鹅池村南和孟封镇北，共采
5、集到样品 95 个，每个样品的取样量不少于 lkg. 1.2 样品分析 将样品自然风干 ,采用四分法取 0.5kg,去除植物残体及石子 ,研磨过 100 目筛，装入样品袋保存 .采 用电位法测定土壤 pH 值 ,有机质 （ SOM)采用重铬酸钾法测定，土壤粒度采用比重法测定，环刀法测定 土壤的容重 .样品经 HCHWO3 消化测定重金属离子，消解时按国标要求加入强酸试剂，消解后过滤定容 至 50ml备用 .利用火焰原子吸收法 （ AA240FS VARIAN)测定重金属离子 Cu, Ni, Zn, Cr, Pb 和 Cd,重金 属 Hg 和As 采用 AFS-3100 双道原子荧光光度计（北京
6、科创）分析 ， 每个样品平行测定三次 ， 取平均值进 行统计分析 . 2009 年 11 月 27 日收稿 . *山西省水利厅科研项目 （ 2007-547). * 通讯联系人， E-mail :liangzhenhai tyut. edu. cn 1.3 评价方法 研究采用模糊数学模型对清徐县土壤重金属进行评价 .首先需要确定隶属度函数，建立关系模糊矩 阵 .取 u = 铜、镍、汞 为评价因子的集合 ;v =_级、二级、三级 ;通过隶属度函数求得各指标对各级别 土壤重金属污染状况的隶属度，组成一个 3 x3 的模糊矩阵，即关系模糊矩阵 7 .按如下隶属度函数计算 各因素指标的隶属度： C1
7、1 级隶属度函数 u) = ( - ） /( -%) at ry， j = 1-2-3 i =1 式中 :bj 为最终评价结果对应于第 j 个等级的隶属度 ,w,为对应的权重为模糊关系矩阵 S 中对应的元 素 ,n为参评因子的个数 . 1.4 评价标准 分别采用土壤环境质量标准 8 (GB15618 1995)二级标准进行分析评价 ,具体标准如表 1. 表 1 土壤环境质量标准值 （ mg.kg-1) Table 1 Soil enviromental quality standards 评价标准 As Hg Cd Pb Cr Cu Ni Zn pH7.5 25 1.0 0.6 350 250
8、 100 60 300 2 结 果 与 讨 论 2.1 土壤理化性质 太原市敦化污灌区表层土壤理化性质如表 2 所示 .从表 2 可以看出，灌区阳离子交换量的平均值为 80.96cmol.kg-1,其中王答乡南的阳离子交换量最高 （ 118.95cmol.kg-1);灌区土壤 pH 分布比较集中， 表层土壤 pH 值在 8 左右，最高平均值 8. 38 出现在王答乡南，最低平均值 7. 61 出现在董家营村西，整体 平均 pH 值为 8.01,属弱碱性土壤 B;表层土壤有机质含量在 1.27% 2.18%之间 ， 灌区土壤整体有机 质平均含量为 1.69%,从有机质含量的分布来看灌区土壤较适合
9、农业生产；土壤容重是指在未破坏土 壤结构的情况下，单位容积中的质量，是衡量土壤松紧状况的指标，整体容 重分布在 1. 197 1. 471 g-cm3 之间，不同采样点的容重如表 2 所示，整体容重平均为 1.320g*cm_3;从粒度比可以划分土壤的 质地 ,5 个采样点的土壤质地均属于壤土类 ;灌区土壤结构多为碎块和屑粒状，颜色为棕红色 . 表 2 表层土壤基本性质 Table 2 The properties of surface soil 采样点 孟封镇北 鹅池村南 西谷乡东 王答乡南 董家营村西 阳离子交换量 / (cmo kg-1) 59.35 61.49 85.27 118. 9
10、5 79.75 pH 平均值 8.02 7. 97 8. 06 8. 38 7. 61 有机质 /% 2.18 1. 56 1. 40 2. 03 1. 27 容重 4g， cm-3) 1.373 1. 312 1. 249 1. 197 1. 471 沙粒 /% 50 30 41 48 78 粉粒 /% 43 60 48 45 17 粘粒 /% 7 10 11 7 55 土壤质地 壤土 粉沙壤土 粉沙壤土 壤土 沙壤土 2.2 灌区重金属平均含量 对灌区的 8 种重金属进行分析 ， 结果见表 3.灌区重金属 Cu 的最高含量为 106.258mg kg 1,平均含 量为 39.198mg_k
11、g 1,以国家二级标准值计算其超标率仅为 1%,但若以山西省的背景值计算 M，超标 率为 91.4% ,说明 Cu 含量基本没有高于二级标准的，符合农业生产的需要，但有被污染的趋势 .采样点 的 Zn 含量最高达 573.265mg.kg 1,Hg 的最高含量为 0. 981 mg.kg 1,但整体上 Zn、 Hg 平均含量 (114.758、 . 171mg.kg 1)没有高于二级标准值 .Ni 含量超过二级标准 4. 3%,比山西省背景值高 62. 9% ,污染程度较小 .As、 Cr 的含量都很低 ,基本没有污染 .Cd 含量都高于二级标准值 (0.6 mg_kg 1), 属于污染最严重
12、的重金属元素，由此推测，敦化灌区使用的灌溉污水中含有大量的 Cd,要控制 Cd 的污 染程度，应首先对灌溉污水进行处理 . 表 3 土壤中重金属元素平均含量 （ mg-kg 1) Table 3 Average content of heavy metals in soils (mg*kg 1) 采样点 Cu Zn Hg Ni Pb Cr Cd As 王答乡南 38.452 103.713 0. 168 36.588 35.796 28.691 1. 256 6. 576 董家营村西 42.112 156. 763 0. 190 41.788 36.046 30.793 1. 422 6. 6
13、38 西谷乡东 39. 516 106.730 0. 132 37.549 32. 000 28.764 1. 215 5. 867 孟封镇北 40.606 109.610 0.246 37.973 34.319 28.707 1. 234 6. 338 鹅池村南 35.302 96. 974 0. 119 32. 226 49.181 24.291 1. 107 5. 406 变异系数 （ CV) 0.241 0. 290 0.491 0.266 0. 328 0. 438 0. 142 0. 195 2.3 重金属含量与土壤理化性质的相关性 为了揭示重金属污染状况与土壤性质的关系，采用 S
14、PSS 软件对其相关性进行分析，表 4 为土壤重 金属含量与土壤理化性质的相关系数矩阵 .分析结果表明，土壤中重金属与 pH 值均呈负相关，重金属 Zn 与pH 值的负相关性最明显为 -0.785,说明 pH 值是影响土壤重金属含量的 一 个重要性质；重金属 含量与阳离子交换量的相关性不明显 ,Zn,Hg,Pb 与阳离子交换量呈负相关，其余 5 种为正相关，但相关 性不显著 ;容重也是影响重金属含量的重要性质，从表 4 中可以看出重金属含量与土壤容重均为正相 关 ;重金属 Hg, As与有机质呈正相关，其余为负相关 . 表 4 土壤重金属元素与土壤理化性质的相关系数矩阵 Table 4 Mat
15、rix of correlation coefficients between heavy metal and soil properties Cu Zn Hg Ni Pb Cr Cd As CEC 0. 061 0. 021 0. 188 0.161 0. 379 0. 362 0. 275 0. 495 pH 0. 446 0. 785 0. 141 0. 489 0. 111 0. 254 0. 504 0. 035 有机质 0. 091 0. 506 0. 570 0. 222 0. 135 0. 086 0. 273 0. 254 容重 0. 265 0. 719 0.122 0.3
16、23 0. 355 0. 078 0. 417 0. 002 2.4 重金属含量的相关性分析 表 5 为 8 种重金属的相关性分析结果，从表 5 可以看出来，灌区土壤重金属元素间普遍相关 .Ni 与 Cu、Cr 的相关性达极显著水平 （ P 西谷乡 东 王答乡南 孟封镇北 鹅池村南 .不同采样点的污染程度虽然不同但差别不大，除了与土壤 pH 值 以及距离灌渠的距离有关外，还与农药化肥的使用以及农田两边的公路车流量等因素有一定关系 .两种 模糊数学模型评价结果各采样点均为 m 级污染水平，重金属综合污染比较严重 . 加权平均模型与单因素决定模型评价结果相比，生成的隶属度存在较大差异 ,对应的评价
17、结果也有 所不同，加权平均模型的评价分数均在 70 分以上，平均分为 75. 951 分 ;而单因素决定模型的评价分值 比较低基本为 60 分，平均分为 60.190.主要原因是单因素决定模型适用于个别参评因子超标过大，评价 出发点为希望体现单因素否决的情况，加权平均模型适用于各参评因子超标情况接近，评价出发点为希 望体现各个参评因子对土壤重金属环境质量综合影响的情况 13 . 3 结论 灌区阳离子交换量的平均值为 80. gscmobkg 1,平均 pH 值为 8. 01,属弱碱性土壤 ,表层土壤有机 质含量在 1.27% 2.18%之间，平均容重为 1.320g cm 3.灌区土壤重金属砷
18、、铜、锌、镍、汞、铬和铅含 量值基本都在国家标准值范围内，平均含量分别为 6. 165,39. 198,114.758,37.225,0. 171,28.249 和 37.468mg kg-1,重金属镉的含量高于国家二级标准值，平均含量高达 1.247mg kg-1.重金属含量与土 壤pH 值呈负相关，与容重呈正相关 ,Zn, Hg, Pb 与阳离子交换量呈负相关，其余 5 种为正相关 ,但相关 性不显著 ,重金属 Hg, As 与有机质呈正相关，其余为负相关 . 根据权重矩阵可以得到 Cd 的污染最为严重 .从评价分值可以得到各采样点的污染程度为：董家营 村西 西谷乡东 王答乡南 孟封镇北
19、鹅池村南 .敦化灌区重金属污染水平为 m 级，说明多年来采用 污水灌溉对农田土壤的污染程度影响较大，若继续采用污水灌溉，污染程度势必会加重，因此应采取有 效措施减少土壤重金属含量，改善土壤质量 . 参考文献 1 李学垣 .土壤化学 M.北京：高等教育出版社 ,2001:23-30 2 严莎，凌其聪，严森，等 .城市工业区周边土壤 -水稻系统中重金属的迁移积累特征 J .环境化学 ,2008,2(27):226-230 3 Hu K L, Zhang F R, Li H. Spatial patterns of soil heavy metals in urban-rural transitio
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24、3 石晓翠，钱翌，熊建新 .模糊数学模型在土壤重金属污染评价中的应用 J . 土壤通报， 2006, 37 (2) :334-336 SOIL HEAVY METAL POLLUTION EVALUATION OF DUNHUA SEWAGE IRRIGATION AREA BY FUZZY MATHEMATICS MODEL LIANG Zhenhai1 CHEN Cuicui1 HAN Yulan2 CHENG Changshun2 LUO Yu2 XU Weiguo2 CHEN Qibin1 REN Suocai1 (1. Taiyuan University of Technology
25、, Taiyuan, 030024, China; 2. Water Resources Bureau of Qingxu County, Taiyuan, 030400, China) ABSTRACT The content of heavy metals in top soil samples (95) from Dunhua sewage irrigation area was measured using AAS and AES. The physical property of the samples was also analyzed. The soil environmenta
26、l quality was assessal by a fuzzy mathematical model, and the distribution and pollution characteristic of soil heavy metals were discussed. The results showed that the mean content of As, Cu, Zn, Ni, Hg, Cr and Pb in these top soil samples were 6.165, 39. 198, 114.758, 37.225, 0.171,28.249and 37.46
27、8mg#kg_1, respectively. Content of Cd (1. 247 mg kg_1) was higher than the standard value； The average pH value of Dunhua irrigated soil was 8. 01, the average cation exchange capacity was 80.96cmol#kg_1, organic matter content of surface soil was 1. 27%2.18%; The soil environmental quality was of t
28、he third grade, Dong Village West was the most seriously polluted area by Fuzzy mathematical model, followed by West Valley Town, Wang Da South, Meng Feng Town and Goose Pond Village South. Keywords ： Dunhua sewage irrigation area, fuzzy mathematical model, pollution evaluation, soil, heavy metals.