李 玲，張云霞，盛 奇，付巧玲，杜麗偉

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州450002;2.河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州450001)

土壤質(zhì)量直接影響糧食產(chǎn)量和安全品質(zhì)，一直是農(nóng)學(xué)、土壤學(xué)及環(huán)境科學(xué)關(guān)注的熱點。農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查是針對與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的地質(zhì)環(huán)境要素展開的調(diào)查工作，研究巖石、土壤、水、生物等要素的相互作用及規(guī)律，是地質(zhì)科學(xué)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的直接應(yīng)用，調(diào)查成果可以為土壤質(zhì)量評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。關(guān)于土壤質(zhì)量內(nèi)涵、評價方法模型、評價指標(biāo)體系及土壤屬性與農(nóng)作物和人體健康的關(guān)系等方面已有諸多研究［1-4］。其中關(guān)于土壤綜合質(zhì)量評價研究多選擇物理、生物學(xué)評價指標(biāo)，此類指標(biāo)的度量主觀性和專業(yè)性較強(qiáng)，對工作者經(jīng)驗要求較高，評價結(jié)果受評價人員經(jīng)驗影響較大。鑒于此，本研究從土壤環(huán)境質(zhì)量、肥力質(zhì)量和健康質(zhì)量的內(nèi)涵出發(fā)，構(gòu)建了基于農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查成果的土地質(zhì)量評價體系，并對開封市土壤進(jìn)行了綜合質(zhì)量評價。研究成果可對科學(xué)合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考［5］，對探索農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查成果的應(yīng)用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

開封市位于黃河下游沖積平原東部，屬暖溫帶大陸型季風(fēng)性氣候，境內(nèi)水系較多，地下水位埋深較淺。土壤母質(zhì)分沖積物、風(fēng)積物和人工灌淤沉積物三類，土壤類型以砂質(zhì)、壤質(zhì)潮土為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的限制因素主要是沙土鹽堿及旱澇等自然災(zāi)害［6］。2012年全市土地總面積629 600 hm2，其中耕地面積394 010 hm2，耕地以水澆地為主，其次是旱地。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與測試方法

21世紀(jì)初，農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查納入國家國土資源大調(diào)查計劃。本研究根據(jù)《河南省黃淮平原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查》(2010年)的多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)成果，將農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查成果的應(yīng)用從最初的環(huán)境污染評價、地方病防治、礦產(chǎn)資源預(yù)測延伸到區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估、土壤質(zhì)量綜合評估、優(yōu)勢農(nóng)作物種植區(qū)劃。土壤樣品采樣密度為1件/km2，采樣深度為0～20 cm，分析樣品共計1 558件，采樣點空間布設(shè)見圖1。

圖1 土壤樣點布設(shè)圖Fig.1 The distribution of soil sampling sites

SiO2、P、K2O、S、Pb、Cr、Zn 采用 X 射線熒光光譜法測定，有機(jī)碳(Corg)采用凱氏法測定，B采用交流水平電極發(fā)射光譜法測定，I采用催化動力學(xué)分光光度法測定，F(xiàn)、pH值采用離子選擇電極法測定，Cu、Ni采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定，Cd采用石墨爐原子吸收光譜法測定，As、Hg采用氫化物發(fā)生—原子熒光光譜法測定。

2.2 評價方法

首先，根據(jù)土壤質(zhì)量內(nèi)涵分別進(jìn)行了土壤環(huán)境質(zhì)量評價及土壤肥力與健康評價;然后，將2項評價結(jié)果進(jìn)行疊加，得到土壤綜合質(zhì)量結(jié)果。

2.2.1 土壤環(huán)境質(zhì)量評價方法。土壤環(huán)境質(zhì)量評價主要是土壤重金屬污染評價，選擇了 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8個評價因子，采用單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評價。考慮到開封市土壤pH值整體上在7.5以上，計算單項污染指數(shù)時，污染物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)參照1995年國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的pH＞7.5時的二級標(biāo)準(zhǔn)值(表1)［7］。根據(jù)污染指數(shù)(P)的大小將土壤環(huán)境質(zhì)量劃分為5個等級:P≤0.7，1級，土壤環(huán)境質(zhì)量安全、清潔;0.7 ＜P≤1.0，2級，土壤環(huán)境質(zhì)量處于警戒線范圍、尚清潔;1.0＜P≤2.0，3級，土壤環(huán)境質(zhì)量受到輕度污染、污染物超過標(biāo)準(zhǔn)值;2.0＜P≤3.0，4級，土壤環(huán)境質(zhì)量受到中等污染;P＞3.0，5級，土壤環(huán)境質(zhì)量受到嚴(yán)重污染。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn) mg·kg－1Tab.1 The secondary environmental quality standard for soil

單項污染指數(shù)法:Pi=Ci/Si。式中:Pi為土壤污染物i的單項污染指數(shù);Ci為污染物i的實測值;Si為污染物i的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值。綜合污染指數(shù)法:P綜=平均單項污染指數(shù);Pi，max為最大單項污染指數(shù)。

2.2.2 土壤肥力與健康質(zhì)量評價方法。選擇評價模型和評價因子，確定權(quán)重和隸屬度。

①評價模型。綜合質(zhì)量指數(shù)法是土地評價的一種常用方法，綜合質(zhì)量指數(shù)可用加權(quán)指數(shù)和模型計算［8-11］。以土壤肥力與健康綜合質(zhì)量指數(shù)綜合反映土壤肥力與土壤肥力與健康質(zhì)量綜合指數(shù);Wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重，

②評價因子的選擇。評價因子的選擇主要根據(jù)主導(dǎo)性原則、差異性原則、穩(wěn)定性原則及易獲取性原則。通過綜合分析、反復(fù)篩選，最終選取土壤理化性質(zhì)指標(biāo)pH、SiO2，土壤養(yǎng)分指標(biāo) Corg、P、K2O、S、B 及健康元素指標(biāo)F、I共計9個因子［12］。因子選擇時考慮到土壤質(zhì)地是影響土壤肥力的基本要素之一，而SiO2在砂粒、粉粒、粘粒中所占比例依次遞減［13］，SiO2含量在不同質(zhì)地土壤差異明顯，對土壤質(zhì)地有很好的指示作用，故將SiO2篩選為土壤理化性質(zhì)指標(biāo)之一，并賦予了比較高的權(quán)重;另外，土壤中作物必需的大量元素N對作物生長影響較大，但因為全N與Corg呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，因此，僅將Corg作為評價因子，而將全N因子篩除。

③權(quán)重的確定。利用層次分析法，通過建立層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造判斷矩陣，層次單排序和一致性檢驗及層次總排序和一致性檢驗，最終確定各因子的權(quán)重(表2)。

表2 開封市土壤肥力與健康質(zhì)量評價指標(biāo)權(quán)重Tab.2 The index weight of soil fertility and health quality evaluation in Kaifeng City

④隸屬度的確定。根據(jù)開封市各評價因子指標(biāo)值取值變化范圍及其與作物生產(chǎn)、土壤肥力與健康質(zhì)量的影響，并參照當(dāng)前研究成果及專家經(jīng)驗構(gòu)建隸屬函數(shù)［14-18］。選用指標(biāo)的隸屬函數(shù)可分為拋物線型和“S”型兩類，隸屬度值越大，表示土壤質(zhì)量越好。

拋物線型:

式中:I為隸屬度;x為指標(biāo)實際值;x1，x2，x3，x4分別為指標(biāo)取值的上限、下限、最優(yōu)值1、最優(yōu)值2。

拋物線型隸屬函數(shù)的指標(biāo)包括 pH、SiO2、S、F、I。對于指標(biāo)pH，土壤酸堿度為中性時質(zhì)量最好，當(dāng)土壤變酸或堿時質(zhì)量逐漸變差;對于表征土壤質(zhì)地的指標(biāo)SiO2，在一定取值范圍內(nèi)土壤質(zhì)地為中壤，質(zhì)量最好，隨著SiO2含量變多(變少)，土壤質(zhì)地逐漸偏砂(粘)，質(zhì)量逐漸變差;對于指標(biāo)F、I，在一定取值范圍內(nèi)，不會引起區(qū)域內(nèi)人群身體疾病，認(rèn)定土壤質(zhì)量健康，超過這個取值范圍，指標(biāo)值偏大或偏小都易引發(fā)人類地方病(如過低的F引發(fā)的齲齒、老年骨質(zhì)疏松癥，過高的F引發(fā)的地方性氟中毒［19］，過低的I引發(fā)的地方性甲狀腺腫、地方性克汀病，過高的I引發(fā)的高碘型甲狀腺腫［20］等)，認(rèn)定土壤質(zhì)量變差;對于S，在一定取值范圍內(nèi)，土壤質(zhì)量最好，但當(dāng)指標(biāo)低于或高于取值范圍時，土壤質(zhì)量變差。

“S”型隸屬函數(shù)的指標(biāo)包括指標(biāo) Corg、P、K2O、B。對于這4項指標(biāo)在一定取值范圍內(nèi)，指標(biāo)值越大，土壤肥力質(zhì)量越好，達(dá)到某一臨界值之后，隨著指標(biāo)值的變大土壤質(zhì)量基本不再變化。通過綜合分析，最終確定了各評價因子隸屬函數(shù)閾值(表3)。

表3 土壤肥力與健康質(zhì)量指標(biāo)的隸屬函數(shù)及其閾值Tab.3 The index subordinate function and threshold of soil fertility and health quality evaluation index and its threshold

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤環(huán)境質(zhì)量評價

為了反映研究區(qū)內(nèi)任意一點的土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，首先運(yùn)用ArcGIS中的克里金插值方法對樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，生成一個覆蓋整個研究區(qū)的面狀的土壤重金屬含量分布圖，然后通過軟件中柵格計算工具求取任一點的污染指數(shù)，通過重分類工具進(jìn)行土壤污染分級，最后統(tǒng)計不同土壤污染等級的面積比例。

從土壤環(huán)境質(zhì)量單因子評價結(jié)果(表4)看，開封市Hg、Cu、Pb、Cr、Ni土壤環(huán)境質(zhì)量全部為 1 級;Cd、As、Zn土壤環(huán)境質(zhì)量以1級為主，局部區(qū)域呈現(xiàn)不同程度的污染。其中Cd、As、Zn的2級土壤環(huán)境質(zhì)量面積占土地總面積的比例分別為 0.25%，17.88%，0.04%;Cd、As、Zn的3級土壤環(huán)境質(zhì)量面積占土地總面積的比例分別為0.33%，0.07%，0.01%;此外還有 0.07%，0.05% 的土壤分別為Cd 4級、Cd 5級環(huán)境質(zhì)量。從土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評價結(jié)果看，開封市99.13%的土壤為1級，土壤環(huán)境質(zhì)量清潔、安全;0.39%的土壤為2級，土壤環(huán)境質(zhì)量在警戒線附近;0.37%的土壤為3級，土壤環(huán)境質(zhì)量受輕度污染;0.05%的土壤為4級，土壤環(huán)境質(zhì)量受中度污染;0.05%的土壤為5級，土壤環(huán)境質(zhì)量受重度污染。

表4 開封市土壤環(huán)境質(zhì)量等級 %Tab.4 Grade of soil enviromental quality in Kaifeng City

從土壤環(huán)境質(zhì)量的空間分布(圖2)看，開封市土壤整體上質(zhì)量狀況良好，Cd、As、Zn污染集中在市區(qū)南部的東郊鄉(xiāng)、南郊鄉(xiāng)、土柏崗鄉(xiāng)和尉氏東北部水坡鎮(zhèn)的海青郭、金針、牛集、楊店、盆劉等村，且Cd污染最為明顯。

圖2 開封市土壤環(huán)境質(zhì)量空間分布Fig.2 The spatial variation of the soil environmental quality in Kaifeng City

3.2 土壤肥力與健康質(zhì)量評價

根據(jù)土壤肥力與健康質(zhì)量評價方法模型，首先求出各土壤樣點的土壤肥力與健康質(zhì)量綜合指數(shù)，然后對樣點土壤肥力與健康質(zhì)量綜合指數(shù)進(jìn)行克里金插值(Y)，并根據(jù)該指數(shù)頻率分布直方圖的自然裂點劃分5個等級(表5)。開封市1級土壤面積占0.35%，質(zhì)量為優(yōu)質(zhì);2級土壤面積占26.65%，質(zhì)量良好;3級土壤面積占46.27%，質(zhì)量中等;4級土壤面積占17.20%，質(zhì)量差;5級土壤面積占9.53%，質(zhì)量極差。

表5 土壤肥力與健康質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果Tab.5 Soil fertility and health quality grading standards and results

土壤肥力與健康質(zhì)量綜合指數(shù)分級(圖3)與開封市土壤圖對比分析表明，1級土壤主要分布在南部郊區(qū)，土壤類型為壤質(zhì)或砂質(zhì)潮土;2級土壤主要分布在杞縣的中、西部，尉氏縣、蘭考縣的東部以及開封市南部，土壤以壤質(zhì)潮土為主，其次是粘質(zhì)潮土、砂質(zhì)潮土;3級土壤在各個縣域均有分布，土壤仍以壤質(zhì)潮土為主，此外還有部分為砂質(zhì)潮土、壤質(zhì)脫潮土、粘質(zhì)脫潮土、沖積濕潮土、粘質(zhì)灌淤潮土;4級土壤主要分布在市域的東北部塊區(qū)和西部塊區(qū)。東北部塊區(qū)在蘭考縣與開封縣的交界處，土壤以氯化物堿化潮土、氯化物鹽化潮土、硫酸鹽堿化潮土為主，西部塊區(qū)在尉氏縣、開封縣的西部，土壤以砂質(zhì)潮土為主，并有少量固定草甸風(fēng)沙土;5級土壤主要分布在開封縣東北部，少部分在尉氏西部，土壤主要為砂質(zhì)潮土、砂質(zhì)脫潮土、固定及半固定草甸風(fēng)沙土。從土壤類型的生產(chǎn)性能上看，前3級土壤對應(yīng)的土壤類型生產(chǎn)性能相對較好，4級土壤對應(yīng)的土壤類型常由于土壤鹽分過量或過堿造成生產(chǎn)性能較差，5級土壤對應(yīng)的土壤類型多由于土質(zhì)較粗易漏水漏肥，生產(chǎn)性能較差。

圖3 土壤肥力與健康質(zhì)量綜合指數(shù)空間分布Fig.3 The spatial variation of soil fertility and health quality comprehensive index

對不同土壤肥力與健康質(zhì)量等級的土壤屬性(平均值)進(jìn)行統(tǒng)計分析(表6)。從1級到5級，土壤pH值升高，堿性越來越強(qiáng)，作物所需養(yǎng)分 Corg、P、S、I含量逐漸減少;從2級到5級土壤，土壤中SiO2含量遞增，土壤質(zhì)地整體上由粘質(zhì)、壤質(zhì)過渡到砂質(zhì)，作物生長必需微量元素B和人體健康元素F呈遞減趨勢;而K2O在各級別土壤中的含量差別不大，與1990年公布的中國土壤(A層)元素背景值75%的統(tǒng)計量2.16 mg/kg相比，開封市土壤K2O含量很豐富。其中1級土壤Corg含量明顯較高，主要是因為其對應(yīng)區(qū)域位于城市近郊，有機(jī)肥來源豐富，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平相對較高，農(nóng)業(yè)有機(jī)肥投入量相對較大;2級土壤的F平均含量為560 mg/kg，相對較高，應(yīng)進(jìn)一步研究F的存在形態(tài)和遷移途徑，預(yù)防食物型地氟病;4級土壤 I含量為1.35 mg/kg，5級土壤 I含量為0.96 mg/kg，I含量偏低，應(yīng)注意預(yù)防缺碘性地方病。

表6 土壤肥力與健康質(zhì)量等級屬性統(tǒng)計Tab.6 Statistics of soil fertility and health quality grade properties

3.3 土壤綜合質(zhì)量結(jié)果

在具體的土地利用過程中，應(yīng)全面考慮土壤環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果以及土壤肥力與健康質(zhì)量的評價結(jié)果。以灰度表達(dá)土壤環(huán)境綜合污染類別，以圖案表達(dá)土壤肥力與健康質(zhì)量等級，圖形疊加最終得到研究區(qū)土壤綜合質(zhì)量評價圖(圖4)。疊加法簡單易行，保持了2項評價結(jié)果的相互獨立性。

圖形疊加的同時將土壤質(zhì)量屬性疊加統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，開封市4，5級肥力與健康質(zhì)量等級土壤的環(huán)境質(zhì)量綜合污染類別全部為安全，而質(zhì)量相對較好的1，2，3級肥力與健康質(zhì)量的土壤分別有90%，0.55%，0.03%受到了不同程度的污染。其中1級肥力與健康質(zhì)量土壤中污染土壤分輕度、中度、重度污染，依次為62.24%，13.30%，13.46%;2級肥力與健康質(zhì)量土壤中污染分輕度、中度污染，分別為0.54%，0.01%;3級肥力與健康質(zhì)量土壤中污染土壤全部為輕度污染。

圖4 開封市土壤綜合質(zhì)量空間分布Fig.4 The spatial variation of soil comprehensive quality evaluation in Kaifeng City

將中度、重度污染土壤的肥力與健康質(zhì)量等級降為5級，將輕度污染土壤的肥力與健康質(zhì)量等級降為2級［21］，則土壤肥力與健康質(zhì)量1級面積比例減少0.31%，2級面積比例減少0.15%，3級面積比例增加0.20%，4級面積比例增加0.14%，5級面積比例增加0.12%。將降級后的土壤肥力與健康質(zhì)量等級作為土壤綜合質(zhì)量級別，則最終土壤綜合質(zhì)量級別從1級到5級的面積比例依次為0.04%，26.50% ，46.47% ，17.34% ，9.65%。

4 結(jié)論

單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法相結(jié)合的評價方法可以更好地反映區(qū)域土壤單因素環(huán)境質(zhì)量和綜合環(huán)境質(zhì)量。開封市土壤重金屬Hg、Cu、Pb、Cr、Ni含量均低于土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)。從土壤綜合污染程度看，0.23%的土壤重金屬含量在安全警戒線附近，0.22%的土壤受輕度污染，0.03%的土壤受中度污染，0.03%的土壤受重度污染。99.13%的土壤清潔、安全，適合作物生長，土壤存在Cd、As、Zn點狀污染，主要分布在城市郊區(qū)附近，應(yīng)注意對Cd的監(jiān)測和風(fēng)險防控。

在應(yīng)用綜合質(zhì)量指數(shù)法評價土壤肥力與健康質(zhì)量時，采用層次法確定權(quán)重、構(gòu)建隸屬函數(shù)賦值減少了評價的主觀性，提高了評價結(jié)果的科學(xué)性。開封市土壤肥力與健康質(zhì)量1級至5級的面積比例分別為0.35%，26.65%，46.27%，17.20%，9.53%;肥力與健康質(zhì)量較低的4級、5級土壤主要分布在砂質(zhì)、pH值較高、養(yǎng)分含量較低、I及F的含量過高或過低區(qū)域，應(yīng)注意區(qū)域I及F存在形態(tài)和遷移途徑。

對土壤環(huán)境質(zhì)量和肥力與健康質(zhì)量評價結(jié)果進(jìn)行疊加整合，形成土壤質(zhì)量綜合評價結(jié)果。具有生產(chǎn)意義的土壤肥力與健康質(zhì)量級別轉(zhuǎn)化為具有食品安全意義的土壤綜合級別后，1級到5級面積比例依次變?yōu)?.04%，26.50%，46.47%，17.34%，9.65%。研究結(jié)果可對開封市的糧食安全、綠色產(chǎn)能評價、作物種植區(qū)劃、污染防控及土地可持續(xù)利用等具有指導(dǎo)作用。

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