基于模糊数学和层次分析法的土壤环境质量评价

基于模糊数学和层次分析法的土壤环境质量评价

土壤质量是环境质量的重要组成部分。这意味着土壤在一定的时间和空间内保持生态系统的生产力和动植物健康，不受退化和其他生态问题和环境问题的影响。耕地是基本的土壤利用类型之一,是人类赖以生存的重要资源。现在我国人均耕地已不足0.1hm1南北方岩石组合贵阳市乌当区处于黔中喀斯特地貌发育区,碳酸盐类岩层分布较广。气候为亚热带温凉湿润季风气候,“冬无严寒、夏无酷暑”,光热水同季,雨量充沛,无霜期长;但因地势北高南低,起伏变化较大,垂直气候差异明显;本区内地貌类型主要是中山、低中山和高丘、浅丘、缓丘,山地面积占总面积的53.10%,丘陵面积占总面积的40.06%,山间盆地、谷地、洼地也有出现;主要岩石组合有碳酸盐类岩石的白云岩、白云岩夹层、石灰岩、灰岩夹层,碎屑岩类的砂岩、砂页岩和松散层的红色粘土等,岩层呈西南至东北走向;地带性土壤为黄壤,镶嵌分布着非地带性的石灰土、紫色土、水稻土、潮土和沼泽土等土壤,共有6个土类,18个亚类,50个土属,95个土种,18个变种2学习方法2.1样品的采集和处理在对研究区域地形地貌、母质、土地利用类型等进行调查的基础上,坚持代表性、准确性、合理性和科学性的原则,选择喀斯特山区具有代表性的石灰岩母质发育的旱耕地作为土壤采样点位进行采样。每个采样点采样深度0~20cm,按“S”形采8~10个分样点,充分混合后用四分法反复取舍,最后保留1kg左右混合土样。采集后的样品在实验室自然风干、剔除杂质并用四分法取舍后用木棍辗压,研磨过筛,装瓶备用。在实际采样中,文中的每个采样点由8~10个分样点混合而成,是为了考虑样品的代表性和土壤的空间变异性,每个采样点基本代表了1~2km研究区土壤取样点环境条件如表1。2.2土壤样品的分析和检测方法土壤肥力指标中的有机质、全氮、全磷、酸溶性钾、土壤pH值、阳离子交换量均采用常规分析方法测定,土壤机械组成采用简易比重计法测定2.3建立评价因子的对应关系本研究利用层次分析法来量化土壤环境相对质量。其评价方案为:首先把土壤环境质量分成土壤肥力、重金属元素污染和立地条件3组指标,然后确定各组指标的评价因子,依据各评价因子的渐变性和模糊性确定其隶属度,再按隶属度求出各土壤评价因子的换算值;之后对于土壤评价因子的换算值用改进的主成分分析法确定各因子的权重;再将换算值与各因子的权重加权求和,即得各自的相对数量值;最后,将得出的3组相对数量与各自权重(其权重确定仍采用改进主成分分析法确定)加权求和求出最终相对评判结果。3评估流程3.1土壤肥力评价因素根据评价因子选择的主导因素原则、差异性原则和稳定性原则,同时考虑到评价对象的特殊性、土壤环境系统的复杂性和综合性,选定土壤肥力指标、重金属污染状况、立地条件作为评价因素。根据研究区域特点,参照土壤环境质量标准GB15618—1995选择镉、铅、铬、汞、砷等5个因子来评价土壤重金属污染程度;考虑到耕地的速效养分受施肥水平、耕作措施等人为因素影响较大,采用全氮、全磷、酸溶性钾、pH值、阳离子交换量、质地和有机质等7个因子来确定土壤肥力状况;立地条件考虑地形地貌和坡度2个因子。3.2土壤肥力综合评价因子的确定各评价因子之间,没有统一的量纲,其具体数值也相差很大,无法直接放在一起进行土壤环境质量的评价。鉴于此,进行土壤环境质量的具体评价时首先要进行各项数据的归一化处理。各评价因子的归一化处理利用模糊数学原理,通过确定各个因子隶属度函数以及分级标准,采用评价分值表示各因子等级的方法来进行评价。本文结合研究区域土壤环境特点,依据研究资料和前人经验,不同的肥力指标及立地条件参评因子采用不同类型的隶属度函数进行评定。其中pH、质地采用抛物线型隶属度函数,有机质、全氮、全磷、酸溶性钾、阳离子交换量采用升S型隶属度函数,坡度采用反S形隶属度函数通过对研究区域旱耕地高产肥沃土壤的理化性质进行测定并统计后确定各评价因子的临界值,详见表2。土壤肥力及立地条件评价指标依据其相应隶属函数进行归一化处理后,结果见表3。3.3土壤重金属污染程度的测定土壤重金属污染评价目前常采用内梅罗综合指数法进行评价土壤重金属内梅罗综合污染指数的大小代表土壤重金属污染程度的轻重,其值越高,土壤的环境质量越低。本文利用模糊数学原理,依照农田土壤环境质量监测技术规范(NY/T395—2000)中土壤污染分级标准,确定土壤重金属污染环境质量隶属度函数为如下反S形函数式中:x3.4评价因子权重的确定根据每个参评因子对研究区域土壤环境质量的贡献程度,赋予其不同的权重值。计算评价因子权重的方法很多,本文采用改进的主成分分析法3.5土壤重金属污染质量指数将土壤肥力及立地条件指标中各评价因子的隶属度与其权重分别加权求和,得出土壤肥力质量指数、立地条件质量指数;依照土壤重金属污染环境质量隶属度函数得出土壤重金属污染质量指数。将土壤肥力质量指数、立地条件质量指数和重金属污染质量指数与其权重值分别加权求和得出土壤环境质量综合评价指数,结果如表5所示。4结论与分析4.1旱耕地质量指数比较从表5可知,供试石灰岩母质发育的旱耕地土壤肥力质量指数平均为(8.26±1.37)(n=27),变异系数为0.17,大于均值的东风镇、金华镇和朱昌镇的旱耕地肥力质量指数分别为8.32、9.20、9.16;小于均值的水田镇和下坝乡的旱耕地肥力质量指数分别为8.10、6.96。由此可见,旱耕地土壤肥力质量排序为金华镇>朱昌镇>东风镇>水田镇>下坝乡。从表3可知,金华镇的旱耕地土壤肥力质量之所以最好,在于其土壤肥力指标中除土壤pH值指标平均值稍差外,其余指标平均值均较好,其中有机质、全氮、酸溶性钾和阳离子交换量指标均值高于其他乡镇的旱耕地土壤;下坝乡旱耕地土壤肥力质量最低的原因在于其土壤肥力指标中有机质、全氮、全磷、酸溶性钾、pH值、阳离子交换量指标均值均低于其他乡镇的旱耕地土壤,仅质地指标平均值高于东风镇和水田镇。4.2耕地的污染质量表5中供试石灰岩母质发育的旱耕地重金属污染质量指数平均为(8.70±2.51)(n=27),变异系数为0.29,大于均值的东风镇和下坝乡旱耕地的污染质量指数分别为9.47、9.69;小于均值的金华镇、朱昌镇和水田镇的旱耕地的污染质量指数分别为7.74、7.50、8.44。结果表明,下坝乡的旱耕地重金属污染环境质量最好,余下依次为东风镇、水田镇、金华镇,最差的为朱昌镇。由表4可知,下坝乡旱耕地重金属单因子污染指数仅土样23中铬污染指数超标、内梅罗综合污染指数属轻度污染级,其余土样单因子污染指数均未超标,内梅罗综合污染指数为安全级;东风镇部分土样的镉、铬、汞、砷污染指数超标,内梅罗综合污染指数有警戒级和轻度污染级;金华镇部分土壤的镉、铬、砷污染指数超标,内梅罗综合污染指数有警戒级和轻度污染级;朱昌镇部分土样的砷严重超标,内梅罗综合污染指数为重度污染级;水田镇部分土样的砷超标严重,内梅罗综合污染指数为中度污染级。鉴此,可以认为重金属污染环境质量指数下坝乡旱耕地最好,朱昌镇最低。4.3选择质量指数(“分层)表5可见,供试石灰岩母质发育的旱耕地立地条件质量指数平均为(3.90±1.72)(n=27),变异系数为0.44,大于均值的东风镇、金华镇和朱昌镇的旱耕地立地条件质量指数分别为4.60、4.36、4.31;小于均值的水田镇和下坝乡的旱耕地立地条件质量指数分别为3.06、3.16。因此,石灰岩母质发育的旱耕地立地条件质量从好到差依次是东风镇、金华镇、朱昌镇、下坝乡、水田镇。4.4国内大学增强信号综合分析土壤环境质量综合指数评价结果(表5)表明:供试石灰岩母质发育的旱耕地土壤环境质量综合指数平均为(75.17±9.61)(n=27),变异系数为0.13。大于均值的东风镇和金华镇的旱耕地环境质量综合指数分别为79.89、76.22;小于均值的朱昌镇、水田镇和下坝乡的旱耕地环境质量综合指数分别为75.01、71.77、72.28;因而研究区域石灰岩母质发育的旱耕地土壤环境质量综合评价排序为东风镇石灰岩母质发育的旱耕地>金华镇石灰岩母质发育的旱耕地>朱昌镇石灰岩母质发育的旱耕地>下坝乡石灰岩母质发育的旱耕地>水田镇石灰岩母质发育的旱耕地。由表5知,东风镇石灰岩母质发育的旱耕地的土壤肥力及重金属污染质量指数较好,立地条件质量指数最好,因此其环境质量最好;而金华镇旱耕地的重金属污染环境质量指数较低,但因其肥力质量最高,因此其环境质量仅次于东风镇的旱耕地;水田镇旱耕地的肥力质量和重金属污染环境质量均较差,立地条件质量最低,因而其环境质量最差。5土壤环境质量评价方法本文采用多因素(土壤肥力状况、土壤重金属环境质量状况和立地条件等3个评价因素)多因子(14个评价因子)对研究区域石灰岩母质发育的旱耕地土壤环境质量的优劣进行了综合评价。相对于常规只考虑重金属污染程度单因素多因子评价方法,本文采用的方法更为详细地评价了土壤环境质量,使得评价结果的可靠性增加,更加符合实际,为乌当区农业的可持续发展、旱耕地的开发利用和保护提供了科学依据。但影响土壤环境质量的因素很多,本研究