侯靜濤 劉 娟 向永金 王夢(mèng)青 方凱秦 褚 楚 喬 敏

(1.國(guó)家環(huán)境保護(hù)土壤健康診斷與綠色修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

土壤是人們賴(lài)以生存和發(fā)展的自然資源，也是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，是關(guān)系到人類(lèi)生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤環(huán)境不僅與大氣、水及生物環(huán)境密切相關(guān)，而且土壤環(huán)境的安全更是整個(gè)生態(tài)安全的重要組成部分。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化、城市化進(jìn)程的不斷加快，不同類(lèi)型的污染物會(huì)通過(guò)各種途徑進(jìn)入土壤，隨后在土壤中通過(guò)生物、物理及化學(xué)作用下在土壤中累積。而重金屬是造成土壤污染的主要污染物，一旦進(jìn)入土壤，很難被微生物降解，極易被農(nóng)作物和植物吸收，并通過(guò)食物鏈，對(duì)人體健康造成極大危害，嚴(yán)重威脅到我國(guó)的糧食和食品安全[1]。

我國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂(lè)觀，部分地區(qū)土壤污染尤為嚴(yán)重。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤重金屬污染問(wèn)題研究的不斷深入[2-4]，針對(duì)土壤中重金屬累積預(yù)測(cè)模型的開(kāi)發(fā)與利用引起了科研工作者的極大興趣[5-8],[9]4-14。土壤中重金屬累積預(yù)測(cè)模型可以在一定時(shí)期內(nèi)對(duì)土壤中的重金屬污染狀況進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，從而確定土壤中重金屬污染的變化趨勢(shì)以及到達(dá)某一極限的時(shí)間或濃度，因而為土壤健康管理提供方向和對(duì)策。因此，開(kāi)發(fā)和利用土壤中重金屬累積預(yù)測(cè)模型已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)、土壤學(xué)以及信息科學(xué)等多學(xué)科交叉的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)。本研究主要綜述了近幾年來(lái)報(bào)道的土壤中重金屬累積預(yù)測(cè)模型，通過(guò)分析不同模型的原理及關(guān)鍵參數(shù)，重點(diǎn)介紹了各類(lèi)模型的優(yōu)缺點(diǎn)以及在土壤中的應(yīng)用，并提出了影響預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確度的因素，最后總結(jié)了土壤中重金屬累積預(yù)測(cè)模型研究的不足，并進(jìn)行了展望。

1 重金屬在土壤中的累積行為

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)重金屬在土壤中的變化趨勢(shì)，需了解重金屬污染物在土壤中的累積行為，而土壤中重金屬的累積與其在土壤中的界面過(guò)程密不可分。重金屬一旦進(jìn)入到土壤環(huán)境，便會(huì)與土壤活性組分(土壤礦物、有機(jī)質(zhì)和微生物)發(fā)生物理、化學(xué)以及生物界面過(guò)程，這些界面過(guò)程通常包括吸附/解吸、氧化/還原、溶解/沉淀、分配、絡(luò)合以及揮發(fā)等，并最終使重金屬在土壤中累積。

除物理、化學(xué)、生物界面過(guò)程影響土壤中重金屬累積，重金屬在土壤中的遷移也會(huì)影響其累積行為。污染物遷移與很多因素有關(guān)，例如氣象條件、地形、地勢(shì)、地貌、淋溶以及地表徑流等[10-12]。對(duì)于重金屬而言，由于其在土壤中難降解、不易揮發(fā)(Hg除外)，揮發(fā)和降解等行為不是引起其在土壤中累積的重要途徑。

2 預(yù)測(cè)模型與方法

隨著人們對(duì)污染物在土壤中的界面過(guò)程以及遷移途徑認(rèn)識(shí)的不斷深入，科研工作者們依據(jù)土壤性質(zhì)、重金屬類(lèi)型的差異以及情景分析的需要，建立相應(yīng)的模型與方法(見(jiàn)表1)，用來(lái)預(yù)測(cè)重金屬在土壤中的累積行為及變化趨勢(shì)，為土壤質(zhì)量的管理提供指導(dǎo)和研究方向。

表1 預(yù)測(cè)模型的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍

2.1 超標(biāo)年限預(yù)測(cè)模型

超標(biāo)年限預(yù)測(cè)模型充分考慮工業(yè)發(fā)展對(duì)土壤污染累積的影響，并基于重金屬在土壤中的堆積速率，將土壤的污染過(guò)程分為勻速和加速兩種情景，即：在工業(yè)發(fā)展較為緩慢的地區(qū)，重金屬在土壤中的累積適用于勻速累積模型；在工業(yè)發(fā)展較快的區(qū)域則適用加速累積模型[13-14]。超標(biāo)年限預(yù)測(cè)模型與環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)警時(shí)間、土壤的基準(zhǔn)值等有關(guān)，模型可以依據(jù)工業(yè)發(fā)展不同階段，使用加速和勻速兩種情景預(yù)測(cè)重金屬在土壤中的累積行為。例如，薛強(qiáng)[15]在土壤超標(biāo)年限和土壤評(píng)價(jià)模型基礎(chǔ)上，采用加速和勻速累積預(yù)測(cè)兩種情景，以江西某礦區(qū)重金屬Cu、Pb、Cd、As、Hg為研究對(duì)象，預(yù)測(cè)幾年后土壤中重金屬變化趨勢(shì)。此外，楊忠平等[16]在長(zhǎng)春土壤污染的歷史基礎(chǔ)上，利用污染超標(biāo)年限預(yù)測(cè)模型，分別在勻速和加速累積模式下，對(duì)長(zhǎng)春城區(qū)土壤中Cr、As、Pb出現(xiàn)的預(yù)警時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在勻速累積模式下，重金屬在研究區(qū)域的累積速率較緩慢；在加速累積模式下，分別有約90%、65%、80%和60%的土壤中Cu、Zn、Hg和Cd含量在20～50年內(nèi)超過(guò)警戒線。

超標(biāo)年限預(yù)測(cè)模型最大優(yōu)點(diǎn)在于參數(shù)較少，容易獲取，使用方便。但是該模型并沒(méi)有充分考慮社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r以及未來(lái)環(huán)境保護(hù)措施的變化，因此模型的預(yù)測(cè)精度低，誤差較大，進(jìn)而會(huì)影響此模型在實(shí)際中的應(yīng)用。此外，該模型沒(méi)有很好地體現(xiàn)重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化，未來(lái)還需進(jìn)一步完善。

2.2 累積量預(yù)測(cè)模型

相較于超標(biāo)年限預(yù)測(cè)模型，累積量預(yù)測(cè)模型應(yīng)用更為廣泛，該模型基于土壤環(huán)境容量構(gòu)建，是土壤評(píng)價(jià)學(xué)中重金屬累積預(yù)測(cè)的通用計(jì)算方法[17]59-66,[18]64-66。

目前有很多科研工作者將累積量預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于土壤重金屬累積預(yù)測(cè)研究。如ZHAO等[19]以湖南黃場(chǎng)村雄黃礦區(qū)土壤中的As為研究對(duì)象，采用累積量預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)了25年后土壤中As含量變化，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，建議采取停止采礦和冶煉活動(dòng)、處置廢渣、污水凈化等源頭控制措施降低礦區(qū)土壤中As污染風(fēng)險(xiǎn)。此外，郭志明等[18]64-66運(yùn)用累積量預(yù)測(cè)模型對(duì)氣源性重金屬污染物進(jìn)入土壤的累積效應(yīng)進(jìn)行分析和估算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤中重金屬的累積量會(huì)隨著預(yù)測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)，逐步呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于土壤背景值。

通過(guò)分析該模型可以發(fā)現(xiàn)殘留率為土壤累積量預(yù)測(cè)模型的關(guān)鍵參數(shù)，殘留率準(zhǔn)確與否在一定程度上會(huì)影響預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。由于不同地區(qū)土壤特性不同，重金屬在不同土壤中的殘留率不盡相同，因此重金屬殘留率數(shù)據(jù)的獲取成為制約該模型應(yīng)用的最大障礙。

2.3 情景模擬預(yù)測(cè)模型

情景模擬預(yù)測(cè)是預(yù)測(cè)者在已有的歷史資料基礎(chǔ)上，運(yùn)用個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)情景的判斷能力，對(duì)事物未來(lái)發(fā)展做出情景假設(shè)，并且預(yù)測(cè)事物在這幾種情景下的發(fā)展?fàn)顩r?？蓪⒃撃Ｐ头譃闃?lè)觀、無(wú)突變、悲觀3種情景進(jìn)行預(yù)測(cè)[17]59-66，其中樂(lè)觀情景基于主要污染企業(yè)關(guān)閉，重金屬輸入量為零的假設(shè)；無(wú)突變情景則基于維持目前的狀況，不出現(xiàn)新的污染企業(yè)，不關(guān)閉現(xiàn)有企業(yè)，排污量維持不變的假設(shè)；而悲觀情景則是基于污染企業(yè)不斷增加，排污量不斷增加的假設(shè)。

該模型可提供不同情景下土壤重金屬的累積預(yù)測(cè)，給出不同情景的模擬結(jié)果。吳春發(fā)[9]4-14以2003年為起始年，運(yùn)用情景模擬預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)2020年研究區(qū)域重金屬含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在樂(lè)觀情景下，2020年研究區(qū)域的土壤中除Pb外其他重金屬含量無(wú)明顯下降；在無(wú)突變情景下，各種重金屬含量不斷增加，污染狀況繼續(xù)惡化?？傮w來(lái)說(shuō)，無(wú)突變情景下的重金屬含量預(yù)測(cè)結(jié)果是樂(lè)觀情量下預(yù)測(cè)結(jié)果的1.3～2.5倍。

由于此模型中涉及到的數(shù)據(jù)獲取比較復(fù)雜，難以全部獲取，且在使用過(guò)程中有不少的假設(shè)條件，模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在誤差，在一定程度上增加了此模型的不確定性。此外，此模型模擬土壤重金屬的累積傳輸機(jī)理過(guò)于簡(jiǎn)單，不能很好地闡述重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[17]59-66，今后還需進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的積累，探討更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)機(jī)理模型。

2.4 STEM-profile模型

STEM-profile模型處于初步探索階段，相關(guān)研究較少，應(yīng)用范圍不夠廣。該模型的基本原理是將土壤剖面在垂直方向上進(jìn)行一系列分解，每塊土壤的重金屬分為4個(gè)相態(tài)——有機(jī)相、吸附相、礦物相以及溶液相，并且會(huì)受到3種輸入輸出方式(重金屬輸入、植物吸收以及淋溶過(guò)程)的影響。

此模型主要應(yīng)用于某種特定的金屬元素預(yù)測(cè)，模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果可以有較高的擬合度，能為農(nóng)田中重金屬預(yù)測(cè)提供很好的技術(shù)支撐。例如，趙忠明等[20]初次運(yùn)用STEM-profile模型，通過(guò)分析污染物的輸入、輸出形態(tài)以及再生水灌溉農(nóng)田對(duì)Cd產(chǎn)生的影響，以北京通州某農(nóng)田Cd為研究對(duì)象，并對(duì)Cd含量進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該模型模擬預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的擬合度較高，并且得出STEM-profile模型模擬結(jié)果對(duì)再生水灌溉后農(nóng)田中Cd的累積有較好的重現(xiàn)性。

此模型涉及到的動(dòng)力學(xué)平衡方程式中輸入?yún)?shù)包括有機(jī)相的礦化速率、水力動(dòng)態(tài)彌散系數(shù)、沉淀速率常數(shù)、溶解速率常數(shù)等，但是在實(shí)際過(guò)程中，部分?jǐn)?shù)據(jù)很難獲取，在一定程度上阻礙了STEM-profile模型的應(yīng)用，未來(lái)還需進(jìn)一步提高該模型的普適性。

2.5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的預(yù)測(cè)能力，是目前最具有代表性、應(yīng)用最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[21]。在過(guò)去幾十年的研究中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于不同的環(huán)境工程領(lǐng)域[22],[23]51-52。例如，王芬等[24]運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究四川某區(qū)土壤重金屬加密插值；段寧等[25]運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鉛酸蓄電池廠的地下水重金屬濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型基本原理是通過(guò)建立土壤的空間位置和各金屬含量、污染程度之間復(fù)雜的非線性映射關(guān)系[26]，將經(jīng)緯度、土壤酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量等因素作為輸入量導(dǎo)入輸入層，將輸入層數(shù)據(jù)導(dǎo)入隱含層進(jìn)行數(shù)據(jù)算法處理，隨后將重金屬含量作為輸出量傳至輸出層，將結(jié)果與預(yù)測(cè)值比較，若產(chǎn)生誤差，則進(jìn)行BP，調(diào)整權(quán)重函數(shù)，使輸出誤差達(dá)到最小，從而使結(jié)果更具有科學(xué)性[27],最后將其輸出值與目標(biāo)值建立線性回歸方程，相關(guān)系數(shù)越接近1，表明此模型預(yù)測(cè)精度越高[28-29]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型監(jiān)測(cè)成本和分析成本較低，在使用過(guò)程中可避免分析樣品帶來(lái)的化學(xué)污染問(wèn)題，同時(shí)也可彌補(bǔ)因監(jiān)測(cè)指標(biāo)不足而使預(yù)測(cè)結(jié)果片面[30]，也有研究表明此模型的擬合度接近期望值，對(duì)土壤中重金屬的模擬預(yù)測(cè)有著較高的預(yù)測(cè)精度[31]。樊寧等[32]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)設(shè)置輸入層、預(yù)測(cè)時(shí)間和預(yù)測(cè)模式等參數(shù)，以重金屬Cd、Hg、Cr、Pb、As為研究對(duì)象，綜合重金屬的毒性、污染程度等各個(gè)方面因素，預(yù)測(cè)了燃煤電廠周邊土壤中重金屬濃度的變化，并對(duì)其累積情況進(jìn)行相應(yīng)評(píng)價(jià)。此外，楊娟等[33]、王天巍等[34]、張鈺等[23]54-56利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)重金屬污染的土壤進(jìn)行研究，并證實(shí)了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中非線性映射關(guān)系的可行性。但是此模型目前研究的重金屬有限，因此未來(lái)研究中有必要將該模型研究范圍進(jìn)行擴(kuò)展，提高其普適性。

2.6 灰色聚類(lèi)分析

聚類(lèi)分析是指在任何無(wú)先驗(yàn)知識(shí)的情況下，將一組數(shù)據(jù)的群聚結(jié)構(gòu)按照樣本間的距離和相似度進(jìn)行分類(lèi)[35]。而灰色聚類(lèi)法便是其中一種，該方法在土壤研究中應(yīng)用最為廣泛，可以提取土壤中重金屬濃度超標(biāo)的信息，將其作為評(píng)價(jià)依據(jù)，進(jìn)一步預(yù)測(cè)土壤污染地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量狀況。

灰色聚類(lèi)分析法基本步驟如下：首先通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)中的參數(shù)[36-37]確定樣本空間并構(gòu)造矩陣；隨后尋找灰色理論的白化函數(shù)，確定污染物權(quán)重、引入修正系數(shù)；用特定的計(jì)算方法進(jìn)行分類(lèi)，最后得到歸納聚類(lèi)分析結(jié)果[38]。若對(duì)白化函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)研究?jī)?nèi)容引入新的指標(biāo)函數(shù)，便成為改進(jìn)灰色聚類(lèi)分析，能建立更完善的預(yù)測(cè)模型[39]147-149。

灰色聚類(lèi)分析模型在識(shí)別性質(zhì)相近的環(huán)境問(wèn)題時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)。但將傳統(tǒng)灰色聚類(lèi)分析法應(yīng)用在土壤領(lǐng)域時(shí)，存在分辨率、信息利用率低、多因素的評(píng)價(jià)精度不高等問(wèn)題。且傳統(tǒng)灰色聚類(lèi)分析法中白化函數(shù)所涉及到的范圍過(guò)于狹窄，濃度較為分散，易丟失數(shù)據(jù)，因而導(dǎo)致結(jié)果偏于保守[40]。比較之下，改進(jìn)灰色聚類(lèi)分析法更能綜合體現(xiàn)土壤中多種重金屬聯(lián)合作用。例如，郭紹英等[39]147-149根據(jù)馬鞍山某重點(diǎn)礦區(qū)的土壤污染特點(diǎn)，以Hg、Zn、Cd、Cr、Pb、Cu為研究對(duì)象，通過(guò)含超標(biāo)濃度賦權(quán)法的傳統(tǒng)灰色聚類(lèi)分析模型和含雙因子權(quán)重賦權(quán)法的改進(jìn)灰色聚類(lèi)分析模型，分別對(duì)該礦區(qū)的土壤重金屬的累積進(jìn)行預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了改進(jìn)灰色聚類(lèi)模型的實(shí)用性，為礦區(qū)土壤多種重金屬聯(lián)合作用下的累積預(yù)測(cè)提供了一定參考借鑒。此外，孫永亮[41]也通過(guò)改進(jìn)灰色聚類(lèi)分析，對(duì)川西某鉛鋅礦土壤重金屬Pb、Hg、As、Cr污染的10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，得到了較理想的預(yù)測(cè)結(jié)果，為土壤中重金屬污染防控提供了參考價(jià)值。

2.7 克里格插值法

克里格插值法是對(duì)采樣點(diǎn)區(qū)域的變量半方差函數(shù)和某一范圍內(nèi)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性計(jì)算，在采樣點(diǎn)的分割間距范圍內(nèi)，根據(jù)采樣點(diǎn)與待估樣點(diǎn)空間和結(jié)構(gòu)上的相互關(guān)系建立變異函數(shù)，對(duì)已測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性無(wú)偏最優(yōu)化[42]。這種方法最早被用來(lái)估算礦山中目標(biāo)位置的樣品值[43]。后期也陸續(xù)在水質(zhì)、土壤方面得到了廣泛應(yīng)用，目前在土壤方面更多應(yīng)用于揭示空間相關(guān)規(guī)律和土壤中重金屬預(yù)測(cè)?？死锔癫逯捣ǚ譃?類(lèi)，場(chǎng)地特點(diǎn)不同，適用條件不同，選用方法也不同[44]。

在克里格插值法中最關(guān)鍵的兩個(gè)步驟為生成變異函數(shù)和協(xié)方差函數(shù)、預(yù)測(cè)未知點(diǎn)的值。權(quán)重函數(shù)的計(jì)算需在無(wú)偏差、最優(yōu)化兩大條件下進(jìn)行[45]。劉庚等[46]研究了某蓄電池場(chǎng)地重金屬Pb的空間分布，并比較了分區(qū)預(yù)測(cè)模型、反距離加權(quán)模型、克里格模型以及樣條函數(shù)模型對(duì)重金屬污染分布預(yù)測(cè)的影響差異，發(fā)現(xiàn)不同的插值方法和模型的預(yù)測(cè)結(jié)果均能反映出場(chǎng)地的總體污染變化趨勢(shì)?？死锔癫逯捣ㄖ胁逯迭c(diǎn)的數(shù)量、空間變量的自身性質(zhì)、插值點(diǎn)的位置均對(duì)插值精度存在一定的影響。并且插值方法不同，適用條件不同，預(yù)測(cè)結(jié)果的精度也不同。

2.8 光譜反演預(yù)測(cè)模型

目前已有大量研究利用高光譜和近紅外光譜來(lái)探究土壤光譜與重金屬含量之間的關(guān)系[47-48]，并通過(guò)光譜反演建立了土壤中重金屬含量預(yù)測(cè)模型[49-52]，取得了良好的效果。反演預(yù)測(cè)模型使用流程如下：首先對(duì)采集土壤樣品的光譜進(jìn)行收集和預(yù)處理，然后利用連續(xù)投影算法(SPA)選取預(yù)處理后光譜數(shù)據(jù)的特征頻率，最后可采用多元逐步回歸、主成分回歸、偏最小二乘法(PLS)、支持向量機(jī)(SVM)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)方法建立重金屬含量的反演預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)(Rp)、預(yù)測(cè)集均方根誤差(RMSEP)、校正集相關(guān)系數(shù)(Re)和校正集均方根誤差(RMSEC)等參數(shù)對(duì)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，確定最佳預(yù)測(cè)模型。

李斌等[53]采用太赫茲光譜技術(shù)，對(duì)土壤中重金屬Pb含量進(jìn)行反演預(yù)測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)土壤中的Pb含量與對(duì)應(yīng)的太赫茲吸收光譜有一定聯(lián)系，并證明用太赫茲光譜反演預(yù)測(cè)模型研究土壤中重金屬的含量變化具有可行性。在此基礎(chǔ)上，李超等[54]利用太赫茲光譜技術(shù)，對(duì)不同pH條件下的土壤中Pb含量的最佳反演預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了研究，并通過(guò)預(yù)測(cè)模型的評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，pH=8.5的土壤樣品最佳預(yù)測(cè)模型為SPA-PLS，其中Rp=0.994 6，RMSEP=22.70 mg/kg，Re=0.997 7，RMSEC=14.52 mg/kg。

通過(guò)在反演預(yù)測(cè)模型中使用SPA選取光譜的特征頻率，不僅能代替原來(lái)的光譜進(jìn)行建模，還可減少數(shù)據(jù)量，簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)模型，提高預(yù)測(cè)模型精度，取得較好的預(yù)測(cè)效果。但是目前基于太赫茲光譜技術(shù)的土壤中重金屬反演預(yù)測(cè)模型的研究相對(duì)較少，適用的重金屬類(lèi)型單一，并且樣本數(shù)量還需增加，在今后的研究中還需進(jìn)一步探索更為精準(zhǔn)的適合其他重金屬的反演預(yù)測(cè)模型。

3 影響預(yù)測(cè)模型和方法精度的因素

為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土壤中重金屬的變化趨勢(shì)，依據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)，選擇合適的重金屬累積預(yù)測(cè)模型尤為重要。而預(yù)測(cè)模型和方法的精度受很多因素影響。

3.1 參數(shù)來(lái)源

建立土壤中重金屬累積預(yù)測(cè)模型關(guān)鍵在于輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確度。在實(shí)際應(yīng)用中，參數(shù)取值多半是根據(jù)研究者個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、對(duì)文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)擬合以及與國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則相結(jié)合而獲得，存在較大差異。此外，一部分參數(shù)取值與重金屬在土壤中的界面過(guò)程、遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程以及地域地形等息息相關(guān)。例如，重金屬在土壤中的對(duì)流、吸附、擴(kuò)散、絡(luò)合和沉淀等過(guò)程會(huì)極大影響土壤中重金屬的輸入量和土壤重金屬濃度背景值；并且在實(shí)際工程中，往往會(huì)忽略重金屬通過(guò)大氣、水等途徑進(jìn)入土壤的含量；同時(shí)不同地區(qū)地形地貌也會(huì)影響重金屬的輸入量和輸出量。參數(shù)輸入值存在誤差，模型的預(yù)測(cè)精度也會(huì)受到影響。

3.2 變量個(gè)數(shù)

在土壤中重金屬累積預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程中，通常設(shè)置很多假設(shè)條件，假設(shè)條件的設(shè)置是為了減少參數(shù)變量的個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)化土壤中重金屬累積的凈化過(guò)程。但在實(shí)際過(guò)程中，部分假設(shè)條件偏離實(shí)際，在建立預(yù)測(cè)模型時(shí)，參數(shù)變量的個(gè)數(shù)也多與個(gè)人所收集的資料有關(guān)，因此在一定程度上會(huì)影響模型的準(zhǔn)確度。例如，累積量預(yù)測(cè)模型中有3個(gè)變量參數(shù)，分別為重金屬的年輸入量、重金屬在土壤中的年殘留率和土壤污染物的背景濃度；情景模擬預(yù)測(cè)模型中重金屬年殘留率、研究區(qū)土壤重金屬累積加速度、土壤重金屬累積速度、采樣時(shí)所取土壤重金屬含量和土壤背景值均為變量參數(shù)；此外，STEM-profile模型中，有機(jī)相的礦化速率、水力動(dòng)態(tài)彌散系數(shù)、沉淀速率常數(shù)、溶解速率常數(shù)等參數(shù)都會(huì)隨著研究區(qū)域和污染物的輸入輸出形態(tài)發(fā)生變化。模型中變量參數(shù)過(guò)多，會(huì)影響模型的準(zhǔn)確度，進(jìn)而影響土壤中重金屬累積的預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.3 研究區(qū)域的特征

研究區(qū)域的地形地勢(shì)地貌、氣象條件、地表徑流等也會(huì)影響重金屬累積預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確度。例如，部分研究區(qū)域的地形情況復(fù)雜，采樣難度較大，數(shù)據(jù)的獲取容易存在誤差；情景模擬預(yù)測(cè)中土壤重金屬累積加速度、土壤重金屬累積速度與研究區(qū)域的降水、地表徑流量相關(guān)，當(dāng)氣象條件發(fā)生變化時(shí)，相關(guān)參數(shù)取值也隨之變化，會(huì)直接影響模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。此外，研究區(qū)域的土地利用方式不同，土壤的理化性質(zhì)不同，重金屬污染的種類(lèi)不同，累積方式也不同，也會(huì)導(dǎo)致研究對(duì)象、適用模型及方法發(fā)生相應(yīng)變化。例如，對(duì)于場(chǎng)地土壤，主要從人體健康角度出發(fā)，考慮企業(yè)周邊的土壤污染物累積變化趨勢(shì)，并結(jié)合場(chǎng)地土壤污染的特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)；而對(duì)于農(nóng)田土壤，主要從食品安全角度出發(fā)，考慮農(nóng)作物中污染物的累積變化趨勢(shì)，綜合農(nóng)用地的污染特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 問(wèn)題與展望

4.1 問(wèn) 題

由于當(dāng)前土壤重金屬累積預(yù)測(cè)模型的研究還處于起步階段，其應(yīng)用還存在不足之處。具體如下：

(1) 預(yù)測(cè)模型適用范圍不夠廣。盡管很多研究者針對(duì)不同類(lèi)型土壤中重金屬累積預(yù)測(cè)模型開(kāi)展了大量的研究，但土壤中一些關(guān)注度高的重金屬如As、Pb、Hg等涉及到的累積預(yù)測(cè)模型較少，對(duì)建立完善的土壤重金屬污染累積預(yù)測(cè)平臺(tái)存在一定的局限性。

(2) 預(yù)測(cè)模型精度有待提高。目前更多的預(yù)測(cè)模型偏向于數(shù)據(jù)的結(jié)果輸出，但針對(duì)其模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的相互驗(yàn)證的研究較少，模型的準(zhǔn)確性和精密度還有待進(jìn)一步明確。

(3) 預(yù)測(cè)模型的理論研究不夠深入。由于土壤污染的復(fù)雜性，支撐預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)理論研究不夠深入，部分模型只能定性預(yù)測(cè)土壤重金屬污染的程度，缺乏與國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)銜接的量化預(yù)測(cè)研究。

4.2 展 望

(1) 開(kāi)展預(yù)測(cè)模型理論基礎(chǔ)研究。對(duì)土壤重金屬累積預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)理論研究不足，無(wú)法獲得更切合實(shí)際結(jié)果的預(yù)測(cè)模型，影響了預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，因此要加強(qiáng)預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)理論的研究。

(2) 提高預(yù)測(cè)模型適用性。在今后土壤中重金屬累積預(yù)測(cè)模型的研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中，應(yīng)針對(duì)不同類(lèi)型土壤的理化性質(zhì)開(kāi)展不同適應(yīng)模型的研究，提高其適用性，最大程度地為土壤質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)。

(3) 加強(qiáng)預(yù)測(cè)模型結(jié)果實(shí)證研究。部分預(yù)測(cè)模型結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不一致，為提高其精密度，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)預(yù)測(cè)模型的實(shí)證研究。在預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用中需要將模型與環(huán)境實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，根據(jù)土壤污染背景數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整與修正。