目前国内外研究所使用的土壤环境质量评价方法已经有很多，按照评价对象可将现有的评价方法归纳为两类：评价单个污染因子污染程度的单因子指数法和评价多种污染因子共同污染的综合评价法。单因子指数法主要包括单项污染指数法^[1]、潜在生态危害指数法^[2]、富集因子法^[3]和地累积指数法^[4-5]等；综合评价法主要包括内梅罗综合污染指数法^[6]、灰色聚类法^[7-8]、物元分析法^[9-10]、模糊数学法^[11-13]等。

现有关于土壤环境质量评价的研究主要集中在三个方面：一是应用各种评价方法对研究区域污染状况进行评价，了解研究区域污染状况^[14-15]；二是对现有的评价方法进行改进研究，寻求更科学合理的环境质量评价方法^[16-17]；三是从定性角度对各评价方法的适用性和局限性进行比较^[18-22]。土壤环境质量评价方法的定性比较主要有两种方式：一种是综述性研究，即注重评价方法的原理，从评价方法本身出发进行各方法的优缺点比较^[18-20]，这种方法的优点在于涵盖的评价方法种类较多，对评价方法的原理分析得较为透彻，不足之处在于未引证实例对评价结果进行比较， 不能得到直观的对比结果；另一种形式是应用多种方法对某个研究区域的环境质量进行评价，然后对评价结果进行比较，得出较优的评价结果^[21-22]。目前此类研究的不足之处在于研究选取样点较少，未对评价结果进行统计分析，研究结果具有一定的偶然性。

本文拟提出采用分级统计、相关性分析、等级差值比较和综合排序等相结合的方法开展典型区域土壤重金属污染评价方法研究，弥补上述土壤环境质量评价研究中的不足之处。分级统计法是统计分析的一种方法，其特点是将研究对象进行分级，然后按照每级研究对象出现的频次进行统计，目前已被应用于人口统计等方面^[23-24]。土壤环境质量评价一般将评价结果分为五级^[1-13]，现有的研究通常采样点较少，研究结果具有一定偶然性^[21-22]，在采样点较多的情况下，可对各评价方法的评价结果进行分级统计，能更好地对各评价方法进行比较。相关性分析在环境领域常用于研究几种物质含量之间的相关关系^[25-26]，差值分析被广泛应用于气象研究中自动站与人工站监测结果的比较^[27-28]，能有效评估不同方法的差异，李民升等^[29]将此两种方法应用于水环境质量评价方法的比较研究中， 发现综合水质标识指数法和单因子评价法为最优水环境质量评价方法。综合排序法主要是对多种指标的优劣级别进行综合排名^[30]，确定评价方法的适宜性， 胡祖光等^[31]将其用于全国工业企业综合经济效益排序，发现资金利税率作为快捷评价商业企业经济效益的“牛鼻子指标”最为合理。分级统计、相关性和等级差值分析等土壤综合评价方法与经济效益综合指标筛选的原理类似。

本文以广州208 个土壤样品的8 种重金属（Pb、 Cd、Zn、Hg、As、Cu、Cr 和Ni）为研究对象，采用分级统计、相关性分析、等级差值分析和综合排序分析等方法对土壤环境质量评价的主要方法进行定性和定量比较研究，旨在得到最优选的评价方法，使土壤环境质量评价结果更为客观、科学。

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

广州（112.57°~114.3°E，22.26°~23.56°N）地处中国南部、广东省中南部、珠江三角洲中北缘，属于丘陵地带，地势东北高、西南低，背山面海，北部是森林集中的丘陵山区，东北部为中低山地，中部是丘陵盆地， 南部为沿海冲积平原。面积约为7 434.4 km2，年平均温度21.9 益，年降雨量约为1736 mm，平均相对湿度77%，属于海洋性亚热带季风气候。

1.2 样品的采集与处理 1.2.1 样品采集

2011 年10月—2014年10月，采用4 km伊4 km的网格在广州布设208 个采样点（图 1），同时采用GPS 对每个采样点精确定位。每个样点垂直采集0~20 cm 的表层土壤，混合后装入采样袋，样品原始质量大于1kg。

1.2.2 样品测定

将野外采集的混合土壤样品按四分法取1 kg 左右，风干，利用玛瑙研钵在振动研磨仪中磨碎，过100 目尼龙筛，放入编号的塑料自封袋备用。测定时准确称取样品40 mg，置于容量为10 mL 的聚四氟乙烯消解罐中，用HNO₃-H₂O₂-HF超声消解。采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS，安捷伦7700）对Pb、Cd、Zn、 Hg、As、Cu、Cr 和Ni 的含量进行分析测试，测试方法参考美国EPA 的SW-846 方法。

1.3 评价方法

本研究拟采用4 种单因子指数法（单项污染指数法^[1]、潜在生态危害指数法^[2]、富集因子法^[3]、地累积指数法^[4-5]）和5 种综合评价法（潜在生态危害指数法、内梅罗指数法^[6]、灰色聚类法^[7]、物元分析法^[9-10]、模糊数学法^[32-33]）对广州土壤重金属含量进行评价。

2 研究方法 2.1 分级统计法

本研究选取的各种评价方法的评价结果均可分为Ⅰ~Ⅴ级共5个级别，因此可分别对各评价方法的评价结果进行分级统计，即计算出各评价方法评价结果中各等级样点个数占采样点总数的比例，然后对分级统计结果进行比较。

2.2 相关性分析法

设有n 个评价方法M₁、M₂、M₃、…M_n，各评价方法之间的相关性系数为m₁₁、m₁₂、…m_nn。求出各综合评价法与除自身以外的其他方法的平均相关性系数，如M₁与M₂、M₃、…M_n的平均相关系数为：

将 进行比较，若最大，则方法M_i最优，i∈（1，n）。

2.3 等级差法

将各综合评价方法所得的各采样点评价等级分别进行平均，求出研究区域评价等级平均值xi （表 1）， 对比各方法平均等级的等级差（表 2），求出各综合评价法与除自身以外的其他方法的平均差值，按照评价等级接近的原则，选出较优的土壤重金属污染评价方法^[29]。

则M₁与M₂、M₃……M_n的平均差值为：

将进行比较，若最小，则方法Mi 最优，i∈（1，n）。

2.4 综合排序法

将分级统计法、相关性分析法和评价等级差值分析得出的方法从优到劣进行排序，最优的排第1，其次排第2，依此类推，然后将各种不同的评价方法下的排序相加，得到序号总和，序号总和排序的结果即为真正的序位^[31]。当序号总和相等而无法排序时，可借助于众数理论来解决排序问题^[30]。

3 广州土壤重金属含量分布特征与统计结果

本研究选取广州208 个采样点的土壤样品作为研究对象，Pb、Cd、Zn、Hg、As、Cu、Cr、Ni 8种重金属的浓度范围分别为1.00~299.50、0.01~3.49、5.40~1 215.1、 0~2.71、3.10~137.30、0.80~132.20、2.30~364.10、0.90~ 125.00 mg·kg^-1，变异系数分别为71.4%、109.7%、 102.0%、148.0%、88.7%、83.0%、78.3%、80.4%。根据变异系数的大小可粗略估计变量的变异程度：弱变异性，变异系数约10豫；中等变异性，10豫约变异系数约100豫；强变异性，变异系数跃100豫^[34]。可见研究区域Cd、Zn 和Hg 均属于强变异性，Pb、As、Cu、Cr 和Ni 均达到中等变异性。与《土壤环境质量标准》（GB 15618— 1995）二级标准相比较，除Cd 超标1.02 倍以外，其余各重金属含量均值都低于该标准限值，但部分样点的重金属浓度有超标现象存在，这8 种重金属超标率分别为16.3%、33.2%、15.9%，20.2%、3.8%、9.1%、2.4% 和10.6%，其中Cd 和Hg 超标率较高。本研究采样点多，各重金属含量范围较大，8 种重金属均达到中等或强变异，可见土壤中重金属浓度分布广泛，能较好地反映典型区域内不同土壤重金属因子的组合关系。 208个土壤样品中重金属浓度数据统计结果见图 2。

4 评价方法研究 4.1 单因子指数法

单项污染指数法、潜在生态危害指数法、地累积指数法和富集指数法均可对土壤中单个重金属元素进行评价。运用4 种指数法对广州208 个土壤样品中8种重金属浓度进行评价，将各方法的评价结果进行分级统计，结果见表 3。

从评价结果看，潜在生态风险指数法评价的所有样品的Pb、Zn、As、Cu、Cr、Ni 污染程度均为Ⅰ级，仅有Cd 和Hg 的污染程度在玉~吁级均有分布；而从广州土壤重金属含量分布特征（图 2）可以看出，各重金属浓度分布范围较广，且各重金属含量在部分样点均有超标现象，潜在生态风险指数法评价结果与此并不一致。因此可以看出潜在生态危害指数法对毒性系数较小的重金属元素评价分级效果较差，仅对Cd 和Hg的污染程度进行了较好的分级。这可能是由于潜在生态危害指数法引入了毒性响应系数，从而使评价结果主观性较强^[35]。此方法对毒性响应系数较小的重金属的评价效果还有待进一步研究。

从评价结果的一致性和对各重金属元素的污染程度分级结果看，单项污染指数法和富集指数法的评价结果较其他两种方法更优。首先，从评价结果的一致性看，这两种方法评价的Pb 的污染程度均分布在Ⅰ级和Ⅱ级；其次，从各污染程度上样品数所占比例来看，这两种方法的分析结果也较为相似，例如Pb 单项污染指数法评价的Ⅰ级和Ⅱ级样品所占比例分别为98.6%和1.4%，富集指数法的这一比例分别为96.6%和3.4%。其他7 种元素的评价结果也有类似规律，在此不再一一列举。而单项污染指数法和富集指数法这两种方法相比，富集指数法评价结果更优，因为从评价原理来分析，富集指数的计算引入了参比元素进行标准化，这样就减小了环境介质以及采样制样过程中对元素浓度的影响^[4]。因此，富集指数法评价土壤重金属污染程度比单项污染指数法更为科学。

从表 3 可以看出，地累积指数法评价Pb 和As所有样品均分布在Ⅰ级（无污染），而从广州土壤重金属含量分布特征可以看出，Pb 和As 的超标率分别为16.3%和3.8%，即Pb 和As 有一定程度的污染，说明地累积指数法对有些重金属元素评价结果分级程度较差。从Cu 的评价结果看，潜在生态危害指数法评价结果为Ⅰ级占100%；地累积指数法评价结果为玉级占97.1%，Ⅱ级占2.9%；而单项污染指数法和富集指数法将评价结果分为了三级，Zn 和Cr 的评价结果也有相似的规律。由此可以看出，地累积指数法评价效果介于潜在生态风险指数法与单项污染指数法之间，从评价结果看，地累积指数法对污染程度的分级结果较潜在生态危害指数法好，但相比于单项污染指数法又过于保护。

综上所述，从对单个重金属的评价结果看，富集指数法最优，单项污染指数法次之，其次是地累积指数法，最后是潜在生态风险指数法；潜在生态风险指数法对毒性响应系数较大的元素评价结果较好，而对其他毒性响应系数较小的元素过于保护，忽略了有些样品的超标现象。

4.2 综合评价法 4.2.1 分级统计分析

内梅罗指数法、潜在生态危害指数法、模糊数学法、灰色聚类法和物元分析法评价结果的分级统计见图 3。可以看出，5 种综合评价法评价结果差异较大： 潜在生态危害指数法评价结果分布在Ⅰ~Ⅲ级，灰色聚类法评价结果分布在Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ级，而内梅罗指数法、模糊数学法和物元分析法评价结果则是在Ⅰ~ Ⅴ级均有分布。前面已经讨论过，潜在生态危害指数法对毒性响应系数较小的重金属的污染程度的评价过于保护，同理，由各元素潜在生态风险系数相加得到的潜在生态危害指数的结果也过于保护，对毒性系数较小的重金属元素评价分级效果较差。内梅罗指数法、模糊数学法、灰色聚类法和物元法评价结果前三级所占比例之和分别为89.4%、91.8%、99.5%和92.8%。灰色聚类法评价结果几乎均分布于前三级， 其中一级所占比例最大，为75.0%，内梅罗指数法和模糊数学法评价结果中也是Ⅰ级占比例最大，分别为38.9%和41.8%，物元法评价结果中芋级占比例最大， 为38.5%。从分级程度看，内梅罗指数法、模糊数学法和物元分析法较优，灰色聚类法次之，潜在生态危害指数法最差；从评价结果的一致性看，内梅罗指数法和模糊数学法较优，其次是物元分析法，再次是灰色聚类法，最后是潜在生态危害指数法。

综上所述，各综合评价法评价结果的优劣顺序为： 内梅罗指数法和模糊数学法较优，其次是物元分析法， 再次是灰色聚类法，最后是潜在生态危害指数法。

4.2.2 相关性分析

5 种综合评价法的评价等级相关性分析见表 4。 可以看出，5 种综合评价法评价等级均呈极显著正相关关系，其中内梅罗指数法与物元分析法相关性系数最大，为0.662，内梅罗指数法与灰色聚类法相关性系数最小，为0.300；潜在生态危害指数法、内梅罗指数法、模糊数学法、灰色聚类法和物元分析法与本身以外的其他4 种方法的平均相关系数（式1、式2）分别为0.426、0.473、0.457、0.323 和0.477。按照评价结果一致性的原则，5 种综合评价法的优选顺序依次为： 物元分析法、内梅罗指数法、模糊数学法、潜在生态危害指数法、灰色聚类法。

4.2.3 等级差值分析

5 种综合评价法评价的208 个采样点平均等级为：潜在生态危害指数法1.11，内梅罗指数法2.88，模糊数学法2.07，灰色聚类法1.28，物元分析法2.35。从评价结果可以看出，5 种综合评价法中内梅罗指数法所得评价等级最大，其原因可能是该方法过于强调最高分指数的影响；潜在生态危害指数法评价等级最小，可能是引入毒性响应系数导致毒性响应系数较小的重金属元素的污染被忽略；模糊数学法、灰色聚类法和物元分析法的平均评价等级介于内梅罗指数法和潜在生态危害指数法之间。

将各采样点5 种综合评价法评价结果的平均等级两两之间进行比较求出等级差，结果见表 5。内梅罗指数法与潜在生态危害指数法评价等级平均差值最大，为1.77；此外，潜在生态危害指数法-物元分析法、内梅罗指数法-灰色聚类法、灰色聚类法-物元分析法评价等级平均差值大于1 级，其他各方法两两之间平均等级差均小于1 个级别。潜在生态危害指数法、内梅罗指数法、模糊数学法、灰色聚类法和物元分析法与本身以外的其他4 种方法评价等级的平均差值（式1、式2）分别为1.04、1.18、0.71、0.91 和0.78。因此如果按照评价等级接近的原则，5 种综合评价法的优选顺序依次是：模糊数学法、物元分析法、灰色聚类法、潜在生态危害指数法和内梅罗指数法。

4.2.4 综合排序分析

将分级统计法、相关性分析和等级差值分析法得出的方法从优到劣进行排名，然后将各种不同的评价方法下的排序相加，得到序号总和（表 6）。可以看出模糊数学法与物元分析法的序号总和相等，此时结合众数理论，得出潜在生态危害指数法、内梅罗指数法、 模糊数学法、灰色聚类法和物元分析法的序号总和排序为5、3、1、4、2。即5 种综合评价法中模糊数学法最优，其次为物元分析法、内梅罗指数法、灰色聚类法、 潜在生态危害指数法。潜在生态危害指数法由于毒性响应系数的引用，导致评价结果客观性较差；灰色聚类法由于白化函数包含的污染范围太窄，会出现不合理的现象^[36]；内梅罗指数法过分强调了最高分指数的影响；物元可拓法的缺点在于构造物元矩阵具有一定的不确定性；模糊数学法能比较客观地表达评判中的模糊性^[18]。

5 结论

（1）对单个重金属元素的污染状况评价方法研究表明，富集指数法最优，单项污染指数法次之，其次是地累积指数法，最后是潜在生态风险指数法。

（2）对多种重金属的综合污染状况评价方法研究表明，分级统计法、相关性分析和等级差值法研究评选出的最优土壤环境质量评价方法分别为内梅罗指数法和模糊数学法、物元分析法和模糊数学法。最后通过综合排序法得出模糊数学法最优，其次为物元分析法、内梅罗指数法、灰色聚类法、潜在生态危害指数法。

（3）富集指数法和模糊数学法是两种首选方法， 在土壤重金属污染评价中可以组合使用。