土壤质量评价方法

土壤监测与评价方法的研究进展

环科101

令沛鑫 2010013234

[摘要]：土地是一种不可再生的有限资源, 更是人类赖以生存和发展的物质墓础，土壤是维系陆地生态系统食物链的一个重要环节。土壤质量好坏，直接影响植物产品的质量与数量，进而通过食物链影响人们的生活与人体的健康。因此，土壤环境质量评价具有十分重要的意义。目前，土壤环境质量评价方法很多，目前土壤环境质

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量评价的方法很多。常见的土壤环境质量评价方法有单因子指数法、模糊综合评价法、灰色聚类法和综合指数法等。单因子指数法只能识别单个污染物的污染状况，不能反映综合环境质量。模糊综合评价法和灰色聚类法考虑了土壤环境质量的模糊性和综合性。 但对同一土壤采用不同的方法进行评价，往往得出不同的结果。鉴于此，对几种常用的土壤环境质量评价方法的特点作了分析和探讨，指出了各种方法的适用范围极其优缺点。

关健词：土壤环境质量 土壤监测与评价评价方法 讨论与进展 正文：

近30 年来，随着经济和城市化的快速发展,大量城市和工业污染物向农村和农业环境转移，加上化肥、农药的不合理施用，使得土壤环境污染物种类和数量、发生的地域和规模、危害特点等都发生了很大变化[1]。

土壤不仅是一种有限的资源, 作为地理环境的组成部分,也对人类生存和发展乃至地球上众多生命形态的生存繁衍有着重要的作用[2]。所谓土壤环境, 就是地球生态系统中能够生长植物、具有一定环境容量及动态环境过

，

程地表疏松层连续体构成的环境。土壤环境与地球表层环境以及生物健康和人类健康均有重大关系[34]。因此, 科学评价土壤环境具有重大意义, 它不仅关系到我国的可持续发展战略, 而且还可以为土地、环境等部门提供合理保护与利用土壤资源的依据[5]。

随着环境影响评价工作的不断深入, 尤其是在生态型开发建设项目的环境影响评价工作中, 土壤环境质量评价工作显得更为重要。但由于土壤环境质量评价工作不象大气水环境质量评价那样有国家标准作为依据, 土壤环境质量评价缺乏评价标准, 这给评价工作带来不少麻烦。因此, 过去在土壤环境质量评价中采用不同的方法进行评价。

欲进行土壤质量评价, 首先要划分污染级别和选取各级别的评价标准。土壤污染级别划分为五级, 即清洁土壤( 第一级) 、尚清洁土壤( 第二级) 、起始污染土壤( 第三级) 、显著污染土壤( 第四级) 和严重污染土壤( 第五级) 。评价标准选取的原则是: 一、二、三级的界限参照当地土壤背景值数据确定,四、五级的界限则参照土壤中元素含量是否会使作物的生长发育受阻及使农产品中污染物含量超过食品卫生标准来确定

1.评价标准与方法 1.1评价标准

土壤环境质量评价采用《土壤环境质量标准》（GB15618—1995）二级标准[5]和环保部《全国土壤污染状况评价技术规定》（环发〔2008〕39 号）中的评价标准。

1.2土壤质量评价方法：

土壤质量的评价应针对特定的土地功能和土地利用类型来进行。土壤质量评价指标是土壤质量评价的具体形式, 包括物理学指标化学指标和生物学指标三个方面, 它们的不同组合可以反映出土壤维持和促进植物生长、抵抗侵蚀、促进人体和动植物健康和维持土壤生态系统稳定的功能。土壤质最评价与监测是评价土壤退化的重要工作, 也是设计和评价土壤持续利用及土壤管理系统的一个基础。目前缺乏统一的评价指标以及将各项土壤性质与土壤管理措施结合起来的评价方法。国际上比较常用的评价方法有以下几种:

1.2.1多变量指标克立格法(MVIK )

这种方法可以将多个土壤质量指标整合成一个综合的土壤质量指数, 这一过程称为多变量指标转换(MvIT , multinle variable indicator trasform ), 是根据特定的标准将测定值转换为土壤质量指数。该法优于土壤质量评分法, 它可以把管理措施、经济和环境限制因子引人分析过程, 其评价范围可以从农场到地区水平。通过单项指标的评价, 该法还能确定影响土壤质量的最关键因子。该方法的优点是可以把管理措施、经济和环境限制因子引入分析过程，其评价范围可从农场到地区水平，评价的空间尺度弹性大。[6]

1.2 .2土壤质量动力学方法

该法是在全过程测定土壤质量的指标, 确定一个管理系统的实际行为, 并据此评估其可持续性。首先确定一个管理系统期望产出; 评价系统的设计, 确定其是否能生产期望的产出; 确定土壤质量的重要参数并建立其质量标准; 建立评价一个管理系统的初始状况; 评价系统的产出, 确定它是源于系统设计, 还是源于系统的执行过程, 或者是两者的总和; 稳定失控的系统过程; 借助于合适的试验设计技术, 改善一个稳定管理系统的持续性。该法适用于描述土壤系统的动态性，特别适合于土壤可持续管理。[7]

1.2.3 土壤质量综合评分法

Do ra n 和Prakin将土壤质量评价细化为食物与纤维的生产量、土壤侵蚀量、地下水质量、地表水质量、法运算计算出土壤质量的大小, 每个元素的权重由地理、社会和经济因素所决定。该方法可以大气质量和食物质量

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等6 个特定的土壤质量元素的评价。通过建立各个元索的评价标准, 利用简单乘法运算计算出土壤质量的大小, 每个元素的权重由地理、社会和经济因素所决定。该方法可以针对不同的土壤类型、土地利用类型和土地管理实践, 在不同的研究区域选择不同的土壤指标对不同的土壤功能进行质量评价。[8]

1.2.4 土壤相对质量评价法

通过引人相对土壤质量指数来评价土壤质量的变化, 首先假设研究区有一种理想土壤, 其各项评价指标均能完全满足植物生长需要, 以这种土壤的质量指数为标准, 其它土壤的质量指数于之相比,得出土壤的相对质量指数(R SQI), 从而定量的表示所评价土壤的质量与理想土壤质量之间的差距。它评价的是土壤的相对质量, 而且可以根据不同地区的不同土壤建立理想土壤, 选择代表性的土壤质量评价指标做出量化的评价结果。。该方法方便、合理，可以根据研究区域的不同土壤选定不同的理想土壤，针对性强，评价结果较符合实际。

以上土壤质量评价方法各有优点，实际工作中可以根据评价区域的时间和空间尺度、评价的土壤类型、评价的目的等，选择适宜的评价方法。[9]

2.评价方法

2.1采用单因子污染指数法和综合因子污染指数法进行评价。 单因子污染指数= 污染物实测值/ 污染物评价标准[10]

在我国土壤重金属污染环境质量评价中，主要采用公式（1）进行单因子污染指数评价。 Pi=Ci/Si （1）

式中：Pi 为第i 个单因子污染指数，Ci 为第i 个污染物的实测值，Si 为第i 个污染物的评价标准。这是目前环境各要素评价中应用较广泛的一种指数，这种方法的优点是以土壤环境质量标准作为基础，目标明确。一般认为，作为无量纲指数，具有可比较的等价特性。但也有人研究认为，（1）式并非完全等价，还有进一步修正的必要。因为（1）式中的Ci 和Si 都包含两部分，一部分是土壤的背景含量，它是相对稳定的；另一部分是污染的量，它是指数所要表明的部分。指数等价的概念主要是体现在自然的历史发展过

程中与人体之间相互矛盾统一的背景含量。但Ci/Si 之比不仅意味着第二部分，即污染量与Si 中相当于污染量之比，而且也包括着Ci 中的污染量与Si 中的背景量之比，这从概念上就否定了指数等价的意义。此外，由于土壤中各污染物的背景含量差异甚大，不同的数值包含土壤质量标准时，它们所占的份额就十分不同。有学者针对这种情况对（1）式进行了修正，提出公式（2）

Pi=（Ci- Bi ） /（Si- Bi ） （2）

式中：Bi 为土壤污染物的背景值，其它同（1）式。但是由于全国各地的土壤背景值不同，因此（2）式未能得到推广和广泛应用。单因子指数法仅仅针对土壤中重金属单元素进行评价，不能反映土壤污染的综合状况。

综合因子污染指数= [ 平均单因子污染指数2+ 最大单因子污染指数2 )] ( 1/ 2) 2.2综合指数评价法

综合指数评价法是目前进行土壤环境污染评价的主要方法。所谓污染综合指数评价法是用土壤污染监测结果和土壤环境质量标准定义的一种数量尺度并以此作依据来评定现实的土壤环境质量对人类社会发展需要的满足程度。这种方法通过环境质量指数的无量纲化后，各环境因子对污染贡献有多大，都可以用数反应出来。综合指数法具有易懂、易学、易算和易操作等特殊优点，仍被广大科技工作者采用。国内外目前运用到土壤环境质量评价中的综合指数法已有20 余种。常用的环境质量综合指数法包括简单叠加法、算术平均法、加权平均法、均方根法、平方和的平方根法、最大值法等[10]

污染样本超标率(%) = ( 超标样本数/ 监测样本总数) *100 污染累积指数= 污染物实测值/ 污染物背景值

污染物分担率(%) = ( 某项污染指数/ 各项污染指数之和) * 100 2.3模糊数学评价法

模糊数学方法可以通过隶属度描述土壤重金属污染状况的渐变性和模糊性，使评价结果更加准确可靠，目前已经应用于土壤重金属污染综合评价。此法是利用土壤质量分级差异中间过渡的模糊性，将土壤污染问题按照不同分级标准，通过建立隶属函数区间[0，1]内连续取值来进行评价的方法。[11]

2.4层次分析法

土壤环境分析与评价实际上是一个多因素综合决策过程，因而将AHP 应用于土壤质量评价不但可行，而且具有简单、有效、实用的特点。[12]

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2.5灰色聚类法

把控制论的观点和方法延伸到社会、经济、生态等抽象系统，把自动控制科学和运筹学的数学方法灰色聚类。

[13]

2.6人工神经网络法

人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）是一类模拟生物体神经系统结构的新型信息处理系统。从本质上说，它是一种黑箱建模工具，它能够通过“学习”来仿真真实系统中的输入和输出之间的定量关系；为解决非线性、不确定性和不确知系统的问题开辟了一条崭新的途径。ANN 具有自适应性、自学习性、容错性和联想记忆能力等特点，而且操作简单、具有真正多输人多输出系统的特点。目前，ANN 应用领域及其广泛，特别适合于模式识别和复杂的非线性函数关系拟合等。土壤环境质量评价实质上是依据土壤污染物浓度分级标准比较待评价的土壤环境各污染物的监测值与相应的标准浓度，如果接近，则其就被视为符合该分级标准的土壤环境质量，因此，土壤环境质量评价属于模式识别问题，用人工神经网络评价是完全可行的。[14]

2.7物元可拓集法

进行土壤环境质量评价研究，由于各单项土壤指标的评判结果往往是不相容的，直接利用土壤环境质量评价标准，难以作出确切的评价。[15]

3. 讨论与展望 3.1讨论

前述各种土壤环境质量评价方法，各有其优缺点，也都从不同的角度推动了土壤环境质量评价的发展。单因子指数法以土壤环境质量标准作为基础，目标明确，作为无量纲指数，它具有可比较的等价特性，但是单因子指数法仅仅针对土壤中重金属单元素进行评价，不能反映土壤污染的综合状况。综合指数法弥补了单因子指数的这一缺点，尽管综合指数法普遍存在有时会发生评价失效的通病，但是综合指数法以其特有的易懂、易学、易算、易操作等特殊优点，仍为广大科技工作者所采用。综合指数法种类较多，选用不同的参加评价指标数、确定权重方法、计算模式、质量分级数和分级界限值等会引起可比性差的问题，可以通过有组织地比对、优选，确定出规范化相对稳定的系列方法。土壤是一个大系统，它所涉及的内外因素众多，并且具有不确定性、随机性以及环境

[16]评价中比较质量变化的模糊性，因此有学者引入模糊综合评价方法和灰色聚类法来对土壤进行环境质量评价。

客观地表达了评判中的模糊性，实际应用也显得自然、合理。在模糊综合评价方法和灰色聚类法中模糊权的确定问题一直是学者讨论的热点，模糊权的确定关系到评价结果的科学性和准确性。在环境评价系统中，权重问题及定权方法一直是该系统中研究的关键问题。环境质量综合评价，只有通过加权综合，才能揭示不同评价因子间的内在联系，而使综合评价结果更接近和符合环境质量的实际状况。在现有的各种评价方法中，为切实评价实际环境，应考虑级别区间内的变化特征及考虑变权重问题。在实际评价中，若一般刻划即能选到评价要求，可考虑模糊综合评判法与灰色聚类法；若需精细刻划，则可考虑物元分析方法。[17]

3.2展望

3.2.1评价方法的研究。各种污染评价方法都有一定的局限和不足之处，采用单一的方法不可能得到全面的结果，采用多种方法结合的综合评价是解决实际问题的有效途径。

3.2.3污染因子权重的统一性研究。在进行土壤重金属污染综合评价时，重金属污染因子的权重是影响评价结果的关键因素。加权平均综合指数法中权重的确定大多由专家依据重金属污染物的毒性、人体对重金属污染物的吸收以及人体可承受污染物最大阈值的经验来确定，存在一定的主观色彩,评价结果往往失真。[19]由于重金属污染物对人体的危害程度不同，确定其权重时同时考虑重金属污染物对环境的影响和人体危害程度将有利于增强权重值的科学性，进而提高土壤环境质量评价的有效性和准确性。[20]

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