几种区域土壤重金属污染评价方法的比较研究_苏全龙
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不同评价方法各有应用特点，评价方法主要是 掌握研究区域总体污染程度，但很少有学者对不同 方法评价结果进行系统的总结与比较，即使有也仅 仅停留在理论上的介绍，缺乏定量探讨各方法评价 结果的差异（ 范拴喜等，2010； 郭笑笑等，2011 ） ． 因 此，本文以 经 济 快 速 发 展 的 昆 山 市 为 例，采 用 简 单 数理统计、正态模糊数法和核密度估计法对研究区 土壤重金 属 总 体 污 染 程 度 进 行 评 价，从 评 价 便 捷 性、结果的准确度与全面性方面揭示各方法的差异．
2 研究区概况（ Study area）
昆山市位于江苏省东南部，上海和苏州之间，地 处东经 120°48'21″ ～ 121°09'04″E，北纬 31°06'34″ ～ 31°32'36″N，是 上 海 经 济 圈 重 要 的 新 兴 工 商 城 市， 2013 年人均 GDP 达 2． 89 万美元，连续 9 年被评为 全国百强县市之首． 昆山市属于典型的北亚热带季 风气候，年平均气温 17． 6 ℃ ，年平均降水量 1200． 4 mm，全市土壤分为水稻土、潮土、沼泽土、黄棕壤 4 个土类，水 稻 土 在 各 类 土 壤 总 面 积 中 占 比 最 高，达 93． 8% ．
本文侧重研究不同方法下土壤重金属污染程 度评价结果的差异，较土壤重金属综合污染评估而
图 1 采样点分布图 Fig． 1 Spatial distribution of sampling
言，单元素 评 估 可 以 免 去 综 合 污 染 的 加 权 求 和，能
减少不同权重对结果的干扰． 已有研究表明： 作为
1 引言（ Introduction）
区域土壤重金属污染评价是土壤环境研究的 和污染防 治 的 重 要 基 础 （ 王 庆 仁 等，2002； 马 成 玲 等，2005； Zhou et al． ，2013 ） ，目前对区域土壤重金
属污染程度的评价方法已有很多研究，如单因子指 数法、地累 积 指 数 法、生 态 风 险 系 数 法 等 简 单 指 数 法，内梅罗指数、加权综合指数、生态风险综合系数 等综合指数法，这些评价模型在土壤重金属评价领 域得 到 了 广 泛 应 用 （ 钟 晓 兰 等，2007； 胡 春 华 等，
文章编号： 0253-2468（ 2016） 04-1309-08
中图分类号： X53
文献标识码： A
A comparative study of different assessment methods of regional heavy metal pollution
SU Quanlong，ZHOU Shenglu* ，YI Haomin，WANG Junxiao，LIU Lu，ZENG Jingjing
1310
环境科学学报
36 卷
2012； Krishna et al． ，2013； Okedeyi et al． ，2014 ） ． 为 了解决传统的指数法评价难以描述土壤重金属污 染的不确定性问题，模糊数学方法在土壤重金属污 染评价领域得到广泛的应用（ 朱青等，2004； OnkalEngin et al． ，2004； 樊梦佳等，2010； 李如忠等，2011； 李飞等，2012） ． 核密度估计法不对数据的分布形式 进行预先的假设，具有更广泛的适用性（ 吴喜之和 王兆军，1996） ，但目前核密度估计模型在自然科学 上的应用不 多，主 要 是 集 中 在 社 会、经 济 以 及 医 药 等领域（ 杨国昌等，2011； 陈璐等，2012； Yang et al． ， 2004） ．
Abstract： We obtained 2 km × 2 km heavy metal concentration data in Kunshan by field sampling and indoor test． By selecting As and Hg as typical elements and geo-accumulation index as pollution index，we applied simple mathematical statistics，normal fuzzy numbers，and kernel density estimation to evaluate regional soil heavy metal contamination level，and made intercomparison between evaluation results of these methods． Simple statistical evaluation showed the highest evaluation convenience，followed by normal fuzzy numbers evaluation and kernel density estimation． Normal fuzzy numbers evaluation and kernel density estimation could more accurately display the pollution degrees． The difference between average geoaccumulation index and the reference was 19． 2% ，19． 2% and 15． 4% for As and 14． 3% ，14． 3% and 10． 7% for Cd with the three methods，respectively． The results of kernel density estimation had higher accuracy than normal fuzzy numbers evaluation and simple statistical evaluation，while normal fuzzy numbers evaluation contained more information than kernel density estimation and simple statistical evaluation． Normal fuzzy numbers evaluation can obtain the number of intervals characterizing the overall pollution levels，which kernel density estimation and simple statistical evaluation can only get a unique value． Keywords： evaluation of heavy metals； simple mathematical statistics； normal fuzzy numbers； kernel density estimation； systematic comparison
基金项目： 国土资源部公益性行业科研专项项目（ No． 201211050） Supported by the Public Science and Technology Ｒesearch Funds Projects of Land and Ｒesources（ No． 201211050） 作者简介： 苏全龙（ 1993—） ，男，E-mail： njusuquanlong@ 163． com； * 通讯作者（ 责任作者） ，E-mail： zhousl@ nju． edu． cn Biography： SU Quanlong（ 1993—） ，male，E-mail： njusuquanlong@ 163． com； * Corresponding author，E-mail： zhousl@ nju． edu． cn
School of Geographic and Oceanographic Sciences，Nanjing University，Nanjing 210023
Ｒeceived 21 May 2015；
received in revised form 25 June 2015；
accepted 25 June 2015
几种区域土壤重金属污染评价方法的比较研究
苏全龙，周生路* ，易昊旻，王君櫹，刘露，曾菁菁
南京大学地理与海洋科学学院，南京 210023
收稿日期： 2015-05-21
修回日期： 2015-06-25
录用日期： 2015-06-25
摘要： 根据昆山市 2 km × 2 km 网格土壤采样重金属测试数据，选取 As、Cd 作为代表元素，以地累积指数为污染指数，运用简单数理统计、正态 模糊数与核密度估计对区域土壤重金属总体污染程度进行了评价，系统比较了不同评价方法的结果差异． 结果表明： 评价的便捷性上，3 种方 法的排序是简单数理统计 ＞ ＞ 正态模糊数法≥核密度估计； 结果的准确性上，与简单数理统计相比，正态模糊数法和核密度估计能较敏感地显 示研究区域分布极少的污染等级区域，3 种方法下研究区 As 总体污染评价的平均地累积指数相对于参照值的偏差分别为 19． 2% 、19． 2% 、15． 4% ，Cd 的分别为 14． 3% 、14． 3% 、10． 7% ，准确度排序为核密度估计 ＞ 正态模糊数法 = 简单数理统计，结果所包含信息的全面性上，为正态模 糊数法 ＞ ＞ 核密度估计 = 简单数理统计，应用正态模糊数法评价能得到表征总体污染程度的区间数，核密度估计与简单数理统计只能得出唯 一值． 关键词： 重金属评价方法； 简单数理统计； 正态模糊数； 核密度估计； 系统比较
℃ 的 有 孔 电 热 板 上 加 热 反 应、再 加 入 HF-HNO3 HClO4 置于 200 ℃ 有孔电热板上加热消解后，采用
ICP-MS 法测定； As 采用 1 ∶ 1 的王水沸水浴消解后
用还原气化-原子荧光光谱法进行测定．
水网地区的昆山市土壤 As 含量相对不高，空间分异
Hale Waihona Puke Baidu
程度也较小； Cd 含量相对较高，空间分异程度也较
大（ 万红友等，2006； 钟晓兰等，2008 ） ． 这两种元素
具有较强的代表性，能在污染评估结果中形成较为
鲜明的对比，因此，本文选取 As 和 Cd 为代表元素
进行研究． Cd 采用分别加入浓盐酸、浓硝酸在 150
第 36 卷第 4 期 2016 年 4 月
环境科学学报 Acta Scientiae Circumstantiae
Vol． 36，No． 4 Apr． ，2016
DOI： 10． 13671 / j． hjkxxb． 2015． 0538 苏全龙，周生路，易昊旻，等． 2016． 几种区域土壤重金属污染评价方法的比较研究［J］． 环境科学学报，36（ 4） ： 1309-1316 Su Q L，Zhou S L，Yi H M，et al． 2016． A comparative study of different assessment methods of regional heavy metal pollution［J］． Acta Scientiae Circumstantiae，36（ 4） ： 1309-1316
3 数 据 来 源 和 方 法 （ Data resources and study methods）
3． 1 数据来源 研究数据为 2 km × 2 km 网格的土壤采样测试
数据，将研究区划分成 2 km × 2 km 的网格，每个网 格作为一个采样点，对于区域边界上的破碎网格按 照四舍五入来处理，共选取 232 个样点． 按照 5 点混 合采样法采集 0 ～ 20 cm 表层土壤样品，四分法取分 析样品约 1． 5 kg． 样品经自然风干，挑除石砾和植物 残体，研磨过 100 目筛，并充分混匀以待用．
2 研究区概况（ Study area）
昆山市位于江苏省东南部，上海和苏州之间，地 处东经 120°48'21″ ～ 121°09'04″E，北纬 31°06'34″ ～ 31°32'36″N，是 上 海 经 济 圈 重 要 的 新 兴 工 商 城 市， 2013 年人均 GDP 达 2． 89 万美元，连续 9 年被评为 全国百强县市之首． 昆山市属于典型的北亚热带季 风气候，年平均气温 17． 6 ℃ ，年平均降水量 1200． 4 mm，全市土壤分为水稻土、潮土、沼泽土、黄棕壤 4 个土类，水 稻 土 在 各 类 土 壤 总 面 积 中 占 比 最 高，达 93． 8% ．
本文侧重研究不同方法下土壤重金属污染程 度评价结果的差异，较土壤重金属综合污染评估而
图 1 采样点分布图 Fig． 1 Spatial distribution of sampling
言，单元素 评 估 可 以 免 去 综 合 污 染 的 加 权 求 和，能
减少不同权重对结果的干扰． 已有研究表明： 作为
1 引言（ Introduction）
区域土壤重金属污染评价是土壤环境研究的 和污染防 治 的 重 要 基 础 （ 王 庆 仁 等，2002； 马 成 玲 等，2005； Zhou et al． ，2013 ） ，目前对区域土壤重金
属污染程度的评价方法已有很多研究，如单因子指 数法、地累 积 指 数 法、生 态 风 险 系 数 法 等 简 单 指 数 法，内梅罗指数、加权综合指数、生态风险综合系数 等综合指数法，这些评价模型在土壤重金属评价领 域得 到 了 广 泛 应 用 （ 钟 晓 兰 等，2007； 胡 春 华 等，
文章编号： 0253-2468（ 2016） 04-1309-08
中图分类号： X53
文献标识码： A
A comparative study of different assessment methods of regional heavy metal pollution
SU Quanlong，ZHOU Shenglu* ，YI Haomin，WANG Junxiao，LIU Lu，ZENG Jingjing
1310
环境科学学报
36 卷
2012； Krishna et al． ，2013； Okedeyi et al． ，2014 ） ． 为 了解决传统的指数法评价难以描述土壤重金属污 染的不确定性问题，模糊数学方法在土壤重金属污 染评价领域得到广泛的应用（ 朱青等，2004； OnkalEngin et al． ，2004； 樊梦佳等，2010； 李如忠等，2011； 李飞等，2012） ． 核密度估计法不对数据的分布形式 进行预先的假设，具有更广泛的适用性（ 吴喜之和 王兆军，1996） ，但目前核密度估计模型在自然科学 上的应用不 多，主 要 是 集 中 在 社 会、经 济 以 及 医 药 等领域（ 杨国昌等，2011； 陈璐等，2012； Yang et al． ， 2004） ．
Abstract： We obtained 2 km × 2 km heavy metal concentration data in Kunshan by field sampling and indoor test． By selecting As and Hg as typical elements and geo-accumulation index as pollution index，we applied simple mathematical statistics，normal fuzzy numbers，and kernel density estimation to evaluate regional soil heavy metal contamination level，and made intercomparison between evaluation results of these methods． Simple statistical evaluation showed the highest evaluation convenience，followed by normal fuzzy numbers evaluation and kernel density estimation． Normal fuzzy numbers evaluation and kernel density estimation could more accurately display the pollution degrees． The difference between average geoaccumulation index and the reference was 19． 2% ，19． 2% and 15． 4% for As and 14． 3% ，14． 3% and 10． 7% for Cd with the three methods，respectively． The results of kernel density estimation had higher accuracy than normal fuzzy numbers evaluation and simple statistical evaluation，while normal fuzzy numbers evaluation contained more information than kernel density estimation and simple statistical evaluation． Normal fuzzy numbers evaluation can obtain the number of intervals characterizing the overall pollution levels，which kernel density estimation and simple statistical evaluation can only get a unique value． Keywords： evaluation of heavy metals； simple mathematical statistics； normal fuzzy numbers； kernel density estimation； systematic comparison
基金项目： 国土资源部公益性行业科研专项项目（ No． 201211050） Supported by the Public Science and Technology Ｒesearch Funds Projects of Land and Ｒesources（ No． 201211050） 作者简介： 苏全龙（ 1993—） ，男，E-mail： njusuquanlong@ 163． com； * 通讯作者（ 责任作者） ，E-mail： zhousl@ nju． edu． cn Biography： SU Quanlong（ 1993—） ，male，E-mail： njusuquanlong@ 163． com； * Corresponding author，E-mail： zhousl@ nju． edu． cn
School of Geographic and Oceanographic Sciences，Nanjing University，Nanjing 210023
Ｒeceived 21 May 2015；
received in revised form 25 June 2015；
accepted 25 June 2015
几种区域土壤重金属污染评价方法的比较研究
苏全龙，周生路* ，易昊旻，王君櫹，刘露，曾菁菁
南京大学地理与海洋科学学院，南京 210023
收稿日期： 2015-05-21
修回日期： 2015-06-25
录用日期： 2015-06-25
摘要： 根据昆山市 2 km × 2 km 网格土壤采样重金属测试数据，选取 As、Cd 作为代表元素，以地累积指数为污染指数，运用简单数理统计、正态 模糊数与核密度估计对区域土壤重金属总体污染程度进行了评价，系统比较了不同评价方法的结果差异． 结果表明： 评价的便捷性上，3 种方 法的排序是简单数理统计 ＞ ＞ 正态模糊数法≥核密度估计； 结果的准确性上，与简单数理统计相比，正态模糊数法和核密度估计能较敏感地显 示研究区域分布极少的污染等级区域，3 种方法下研究区 As 总体污染评价的平均地累积指数相对于参照值的偏差分别为 19． 2% 、19． 2% 、15． 4% ，Cd 的分别为 14． 3% 、14． 3% 、10． 7% ，准确度排序为核密度估计 ＞ 正态模糊数法 = 简单数理统计，结果所包含信息的全面性上，为正态模 糊数法 ＞ ＞ 核密度估计 = 简单数理统计，应用正态模糊数法评价能得到表征总体污染程度的区间数，核密度估计与简单数理统计只能得出唯 一值． 关键词： 重金属评价方法； 简单数理统计； 正态模糊数； 核密度估计； 系统比较
℃ 的 有 孔 电 热 板 上 加 热 反 应、再 加 入 HF-HNO3 HClO4 置于 200 ℃ 有孔电热板上加热消解后，采用
ICP-MS 法测定； As 采用 1 ∶ 1 的王水沸水浴消解后
用还原气化-原子荧光光谱法进行测定．
水网地区的昆山市土壤 As 含量相对不高，空间分异
Hale Waihona Puke Baidu
程度也较小； Cd 含量相对较高，空间分异程度也较
大（ 万红友等，2006； 钟晓兰等，2008 ） ． 这两种元素
具有较强的代表性，能在污染评估结果中形成较为
鲜明的对比，因此，本文选取 As 和 Cd 为代表元素
进行研究． Cd 采用分别加入浓盐酸、浓硝酸在 150
第 36 卷第 4 期 2016 年 4 月
环境科学学报 Acta Scientiae Circumstantiae
Vol． 36，No． 4 Apr． ，2016
DOI： 10． 13671 / j． hjkxxb． 2015． 0538 苏全龙，周生路，易昊旻，等． 2016． 几种区域土壤重金属污染评价方法的比较研究［J］． 环境科学学报，36（ 4） ： 1309-1316 Su Q L，Zhou S L，Yi H M，et al． 2016． A comparative study of different assessment methods of regional heavy metal pollution［J］． Acta Scientiae Circumstantiae，36（ 4） ： 1309-1316
3 数 据 来 源 和 方 法 （ Data resources and study methods）
3． 1 数据来源 研究数据为 2 km × 2 km 网格的土壤采样测试
数据，将研究区划分成 2 km × 2 km 的网格，每个网 格作为一个采样点，对于区域边界上的破碎网格按 照四舍五入来处理，共选取 232 个样点． 按照 5 点混 合采样法采集 0 ～ 20 cm 表层土壤样品，四分法取分 析样品约 1． 5 kg． 样品经自然风干，挑除石砾和植物 残体，研磨过 100 目筛，并充分混匀以待用．