山地坝区耕地质量地球化学评价及应用探讨

2020-08-05孔鹏飞毛治超任光明

有色金属设计 2020年2期

孔鹏飞，毛治超，郭宇，任光明

(1贵州省地矿局102地质大队，贵州遵义 563003；2长江大学资源与环境学院，湖北武汉 430100)

0 引言

耕地是最宝贵的自然资源之一，是农业生产之要、粮食安全之本。喀斯特地貌地区坡耕地比重大，地块零星破碎，而坝区具有良好的土地耕作条件，且多具交通区位优势，生产配套设施较齐备，是喀斯特地貌地区耕地资源中的精华，对于保障粮食安全和蔬菜供应具有无法替代的重要作用，同时在脱贫攻坚以及农村产业结构优化调整中有不可替代的作用。

耕地质量评价从属与土地评价。山地地区耕地质量总体水平偏低且差异性显著，局部存在重金属富集的现象，因此对耕地进行科学全面的调查评价工作，是制定合理的耕地保护利用制度的重要基础。随着贵州省1：5万耕地质量地球化学调查评价工作的启动，泗渡坝区隶属的汇川区为第一阶段开展工作52个区/县之一，于2018年完成调查评价。

该文以汇川区泗渡坝区耕地土壤为评价对象，对区内耕地表层土壤进行采样分析，借助土地质量地球化学调查与评价数据管理与维护(应用)子系统，以耕地图斑为评价单元，针对坝区耕地进行地球化学评价，同时结合农作物的调查评价，查明了坝区耕地土壤的地球化学综合质量及农作物质量，为坝区耕地管护、农业种植规划等提供了重要的依据。

1 研究区概况

泗渡坝区隶属于遵义市汇川区泗渡镇，位于遵义城区北郊大娄山南麓，距市中心约26 km，南接高坪镇，西邻沙湾镇，北连板桥镇，交通便利，见图1。气候温和，雨量充沛，森林覆盖率31 %。研究区为一个山间平坝，耕作条件、耕地质量整体较好，产水稻、粮油、果蔬，为黔北“粮油重镇”泗渡镇的粮食主产区。

研究区内出露的地层时代主要为二叠系、三叠系、奥陶系，成土母岩主要为泥岩、页岩、灰岩。土壤类型主要为水稻土、石灰土、黄壤土等。

2 样品采集与测试

耕地表层土壤样品采集以1：5万地形图以及二调图斑为底图，叠加项目区最新的高清卫片，对点位进行布设，共采集151件耕地表层土壤样品，采样点密度约为9点/km2，采样时间为10月至次年3月，避开了耕作及施肥期，采样点距离主干道路100 m以上，同时避开明显存在污染地段、垃圾堆放区域，田埂等。采样时，刨除地表含落叶杂草的腐殖层，采样坑深度稍>20 cm，0～20 cm连续采集土柱。每个样品由1个主样坑，4个与主坑相距20～50 m子样坑内采集近似等量的土壤混匀组成，子坑采用“X”或“S”形布局，样品原始重量约为1 500 g。土壤样品风干、敲碎，过20目尼龙筛后送样测试。

图1 研究区区位交通图

农作物水稻样品于水稻收获盛期10月份进行采集，根据坝区内水稻种植情况，以约0.15公顷的水田为1个采样单元，在1个采样单元内选取约20株水稻，连根拔起，取稻穗混匀为1个样品，重量约3 kg，同时抖落根部携带的土壤，混匀，取约1 500 g为根系土壤样，共采集15件水稻样品。

样品测试由贵州省地矿局中心实验室按《生态地球化学评价样品分析技术要求》执行。各元素测试方法及检出限见表1。准确度和精度采样国家一级标准物质进行控制，每种元素的分析准确度和精密度合格率均高于98 %；每种元素报出率均高于99 %。

表1 耕地表层土壤各元素检出方法及检出限

3 耕地质量地球化学评价方法

该次评价依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T0295—2016)、《贵州省耕地质量地球化学调查评价总体设计》《贵州省富硒土壤评价分级标准》(试行)、以及贵州省最新锗元素含量评价分级及富锗标准，基于Arcgis平台进行数据处理和图件绘制。

3.1 评价指标与评价单元

评价指标选取影响耕地土壤质量的主要因素，即土壤养分指标、土壤环境指标、农作物特色及重金属元素含量指标。土壤养分指标包括有机质、N、P、K、B、Mo、Se、I、F、Ge、Cu、Zn、Co、V；土壤环境指标包括pH、Cd、Hg、Pb、As、Cr、Cu、Ni、Zn、Tl；农作物评价指标包括As、Cd、Cr、Hg、Pb、Se、Ge。

评价单元为汇川区泗渡坝区1：

5万耕地图斑及农作物水稻。借助中国地质调查局发展研究中心开发的土地质量地球化学调查与评价数据管理与维护(应用)子系统，运用插值法，使每个耕地图斑都具有可以进行评价的数值。农作物采用单点评价。

3.2 土壤养分地球化学评价

该文从营养元素、有益元素单指标以及土壤养分综合等级等方面进行评价，将营养元素指标划分为丰富、较丰富、中等、较缺乏和缺乏五个等级，有益元素碘、氟划分为缺乏、边缘、适量、高和过剩5个等级。

依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T0295—2016)、贵州省土壤富硒标准、锗含量等级划分标准见表2、表3。本次评价将硒元素划分为7个等级，其中特级、一级、二级、三级4个级别为富硒，锗元素划分为5个等级，其中一等、二等为富锗。

选取氮、磷、钾单指标养分等级，按照下面公式计算土壤养分地球化学综合得分/养综：

式中：

f养综—壤氮、磷、钾评价总得分1≤f养综≤5；

表2 贵州省富硒土壤划分标准(单位：mg/kg)

表3 贵州省土壤锗等级划分标准(单位：mg/kg)

ki—氮、磷、钾权重系数，分别为0.4、0.3和0.3(经贵州省耕调办专家组讨论后确定该系数)；

fi—土壤氮、磷、钾的单元素等级得分，单指标评价结果为五等、四等、三等、二等、一等时所对应的fi得分分别为1分、2分、3分、4分、5分。土壤养分地球化学综合等级划分见表4。

表4 土壤养分地球化学综合等级划分表

3.3 土壤环境地球化学评价

3.3.1 土壤总镉、总汞、总砷、总铅、总铬

见表5、表6。土壤中污染物含量(Ci)对照《土壤环境质量农用土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)中的筛选值(Si)，见表5，管制值(Gi)，见表6。将土壤风险程度分为3类。

Ⅰ类：Ci≤Si，一般认为无土壤污染风险或风险很低可忽略，应优先保护；

Ⅱ类：Si

Ⅲ类：Ci>Gi，一般认为风险较高，应该划为严格管控。

3.3.2 土壤总铜、总镍、总锌、铊

对照《土壤环境质量农用土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)中的筛选值(Si)(表)将土壤风险程度分为二类：

Ⅰ类：Ci≤Si，无土壤污染风险或风险很低可忽略，应优先保护；

表5 农用地土壤污染风险筛选值

注：①重金属和类金属砷境均按元素总量统计；②对于水旱轮作地，采用其中较严格的含量限值；③《土壤环境质量农用土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)，单位：mg/kg。

表6 农用地土壤污染风险管制值

注：《土壤环境质量农用土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)，单位：mg/kg。

Ⅱ类：Ci>Si，存在一定的土壤污染风险。3.3.3 土壤环境质量评价

表7 基于单项污染物的农用地土壤环境质量评价分类

基于单项污染物的农用地土壤环境质量评价分类见表7。

评价单元土壤环境质量类别按照级别优先选择风险较高的污染物的类别进行划定。

3.4 土壤质量地球化学综合等级划分

利用依据《土壤环境质量农用土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)评价确定的土壤环境质量结果，结合按《按土地质量地球化学评价规范》(DZ/T0295—2016)评价确定的土养分综合质量结果，以及规范要求的土壤质量地球化学综合等级含义，对耕地土壤质量地球化学综合等级进行划分，结果见表8。

3.5 农作物安全性评价

该次农作物水稻的安全性评价，采用单因子指数法进行评价，计算公式为：

Eij=Cij/Lij

式中：

Eij—农产品i中污染物j的单因子超标指数；

Lij—农产品i中污染物j的食品国家安全标准限值；

Cij—农产品i中污染物j的含量值测定，单位与Lij保持一致。

根据Eij值的大小，将农产品超标程度分为3级，农产品单项污染物超标程度分级见表9。

表8 耕地土壤质量地球化学综合等级划分及图示含义

表9 农产品单项污染物超标程度分级

4 结果与讨论

4.1 耕地土壤养分地球化学等级特征

4.1.1 土壤中必须养分元素单指标等级特征

研究区内耕地土壤营养元素指标地球化学等级评价结果见表10。研究区耕地土壤有机质以二等(较丰富)为主，面积为1.6756万亩，占耕地面积的67.08 %，西部的幸福村、南部的泗渡居中等耕地所占的比例较大；大量营养元素氮元素以二等(较丰富)为主，面积1.7156 万亩，占耕地总面积的68.68 %；磷元素以二等(较丰富)为主，面积1.5578 万亩，占耕地面积的62.37 %；钾元素以二等(较丰富)为主，面积1.2891万亩，占耕地面积的51.61 %，其中大量元素在南部的泗渡居、松杉村等级相对较低，中等耕地分布较多。微量元素锰以三等(中等)为主，面积0.8160 万亩，占耕地面积的32.67 %，其中北部的娄山关村、板桥村锰等级较好；锌、铜、硼、钼、钴、钒元素均以一等(丰富)为主，一等耕地分别占耕地面积的比例为88.70 %、82.52 %、95.71 %、99.11 %、69.99 %、71.21 %，其中钴、钒元素在幸福村、观坝村、松杉村含量相对较低，二等耕地分布较多。

4.1.2 土壤中有益特色元素等级特征

耕地土壤有益特色元素地球化学等级评价结果见表10、11、12。硒、锗、碘、氟为人体必需的有益元素，与人体健康有密切关系。区内耕地土壤硒元素以二级富硒为主，见图2。占区内耕地面积比例的86.12 %，区内富硒耕地占耕地总面积的99.59 %，无硒含量过剩的耕地。锗元素以四级为主，占区内耕地面积的48.11 %，富锗耕地较少，仅占区内耕地面积的3.15 %，且分布零散，中部的观坝村、松杉村锗等级相对较高。碘元素以适量为主，占区内耕地总面积的69.07 %，无碘元素含量过剩耕地。氟元素以过剩为主，占区内耕地面积的98.58 %。

表10 耕地土壤养分元素地球化学等级统计表(单位：万亩)

表11 耕地土壤碘、氟元素地球化学等级统计表(单位：万亩)

表12 耕地土壤硒元素地球化学等级统计表(单位：万亩)

图2 耕地土壤硒等级分布图

4.1.3 土壤养分地球化学综合等级

研究区内耕地土壤养分综合等级以较丰富为主，见图3。面积1.8461万亩，占区内耕地73.91 %；中等的耕地面积0.5940万亩，占区内耕地面积的23.78 %，主要集中分布在南部的泗渡居、松杉村；丰富的耕地面积0.0578万亩，占区内耕地面积的2.31 %，集中分布在北部的娄山关村、板桥村。区内无养分综合等级为较缺乏、缺乏的耕地。

图3 耕地土壤养分综合等级图

4.2 耕地土壤环境地球化学等级特征

4.2.1 耕地土壤酸碱度等级特征

耕地土壤酸碱度等级见表13，图4。研究区内耕地土壤酸碱度以中性为主，面积为1.391 万亩，占区内耕地的55.69 %，集中分布在中部、北部地区。酸性-强酸性耕地0.9407 万亩，占区内耕地面积的37.66 %，主要分布在南部地区。碱性土壤0.1661万亩，占区内耕地的6.65 %，分布较零散。

表13 耕地土壤酸碱度等级统计表(单位：万亩)

4.2.2 土壤重金属单指标及环境综合等级

研究区内耕地土壤环境地球化学等级评价结果见图5、表14。Cr、Pb、Hg、Zn、Ni 5种重金属元素的环境地球化学等级全部为优先保护类。As、Cu、Tl 3种重金属元素环境地球化学等级为优先保护类的耕地占比分别为97.75 %、99.79 %、99.67 %，安全利用类耕地占比分别为2.25 %、0.21 %、0.33 %。镉元素环境地球化学等级以优先保护类为主，占比为81.43 %，安全利用类类耕地占比为18.57。

图4 耕地土壤酸碱度等级图

图5 耕地土壤环境质量综合等级图

表14 耕地土壤环境元素地球化学等级统计表(单位：万亩)

4.3 农作物质量及安全性评价

研究区地势较平坦，水源充足，农作物以水稻为主。该次工作在区内共采集了15件水稻样品，样品分析测试结果见表15。水稻中砷、镉、铬、汞、铅6种重金属元素含量均未超标，锗元素含量较低，介于0.003～0.006 mg/kg之间。硒元素含量等级较好，5件样品达到富硒水稻标准(0.04～3 mg/kg)，其余样品的硒含量介于0.02～0.04 mg/kg。

表15 水稻样品元素分析测试结果统计表(单位：mg/kg)

4.4 耕地土壤质量地球化学综合等级

将土壤养分地球化学综合等级与土壤环境地球化学等级叠加，得到土壤质量地球化学综合评价结果见图6，表16，研究区内耕地土壤质量综合等级较好，以一等(优质)为主，面积1.4627 万亩，占区内耕地面积的58.56 %，二等(良好)耕地面积0.5190 万亩，占区内耕地面积的20.78 %，三等(中等)耕地面积0.5161 万亩，占区内耕地的20.66 %。区内无差等、劣等耕地。总体上，中部、北部耕地土壤质量等级以优质为主，南部以中等-良好为主。

4.5 耕地质量地球化学评价成果应用探讨

耕地质量地球化学调查评价对山地坝区具有很强的实用性，是对坝区耕地进行科学管理和发展绿色农业的基础，研究成果可以在坝区耕地质量等级评价、500亩以上坝区范围调整、坝区种植结构优化及特色农业规划、土地整理中广泛应用，对坝区耕地数量、质量、生态“三位一体”保护管理工作具有重要的意义。

4.5.1 坝区耕地质量等别更新

国土部门开展的耕地质量等别更新工作，对农用地分等的依据一般为土壤质地、肥力、坡度、灌溉保障等对农业生产活动产生直观影响的要素，而缺少耕地土壤重金属含量等级、农作物安全性以及特色性等要素，可能会存在耕地质量等别较高，但存在重金属含量超标的耕地，或者

表16 耕地土壤质量地球化学综合等级统计表(单位：万亩)

图6 耕地土壤质量综合等级图

耕地质量等别较低，但是农作物达到富硒、富锗标准的耕地，通过对坝区耕地质量地球化学调查评价工作的成果，恰好可以弥补这一不足。在耕地质量等别更新的工作中，在原有的分等定级指标体系中，考虑增加土壤环境质量等级以及农作物安全性特色性等因素。泗渡坝区内存在土壤环境质量较好，无严格管控类耕地，Cd、As、Cu、Tl元素存在一定比例的安全利用类，建议对这类地块以及所种植的农作物加以监测；同时在坝区内发现5件富硒水稻，而且其余水稻样品硒含量也较好。建议在原分等定级的指标体系中加入这几种重金属元素，同时考虑地块中农作物的安全性以及特色性。

4.5.2 500亩以上坝区范围的调整

贵州省于2019年颁布的《贵州省500亩以上坝区种植土地保护办法》对500亩以上坝区的的界定，是指位于地形坡度小于6度的坝区内，相对集中连片的耕地、园地。保护办法中提出可以划入坝区的土地范围包括：①土地利用总体规划确定的允许建设区、有条件建设区内，经有权限的部门批准调整为一般农田、园地的种植土地；②批而未供、供而未用土地中，经有权限的部门批准撤销批准文件，并调整为一般农田、园地的种植土地。通过对坝区耕地质量地球化学调查评价工作取得的成果，根据坝区发展的需要，可以对坝区范围进行优化调整，将符合条件的优质耕地划入坝区范围内。

4.5.3 坝区种植结构优化及特色农业规划

为了发挥坝区耕地资源的优势，坝区内耕地多通过土地流转，一部分由土地所属村级行政主体牵头成立的合作社来统一经营，一部门为私人业主承包独立经营。由于经营主体较多，坝区内耕地种植的作物种类较多，有蔬菜、水稻、果树、其他经济作物等，流转后的土地多种植蔬菜、果树以及少量其他经济作物，在坝区边缘以及地块较小的区域，则多种植水稻。坝区内耕地在流转前多为水田，且耕地土壤硒元素含量等级较好，发现富硒水稻样本，建议对富硒水稻样品的所在地块开展进一步研究工作，并对坝区内不同种类农作物开展安全性以及特色性的调查评价，推广种植对硒元素吸收富集系数高的农作物，发挥坝区富硒耕地的资源优势。

4.5.4 坝区土地整治

土地整治的目的是提高土地的利用效率，农田整治是土地整治的重要内容。耕地土壤中营养元素、有机质含量缺乏时，将不能给农作物提供充足的养分，会一定程度上影响作物的正常生长；土壤中重金属元素的存在或含量超标，可能会导致农产品中重金属元素含量超标，进而危害人体健康。对这些区域应开展相应的土地整治工作，提升耕地综合质量，改善生产条件，提高耕地的利用效率和农民的收益。

4.5.5 坝区农业生产

耕地质量地球化学调查评价对坝区农业生产中的作物种植规划布局、配方施肥等具有重要的指导意义。泗渡坝区内耕地土壤肥力条件较好，可以根据作物对不同养分元素的需求量的差异，对农业施肥、种植结构进行科学合理的调整，充分利用坝区优良的耕地条件，促进农业生产增产、农民增收。