劉霈珈，王龍鳳，吳克寧※,趙華甫

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100035)

·問(wèn)題研究·

鎘超標(biāo)耕地的安全利用評(píng)價(jià)與優(yōu)化配置方案*

劉霈珈1， 2，王龍鳳1， 2，吳克寧1， 2※,趙華甫1， 2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100035)

[目的]提出分不同pH、不同地類對(duì)重金屬超標(biāo)耕地安全利用評(píng)價(jià)思路，并以A鎮(zhèn)為例探討了以地類轉(zhuǎn)換、作物調(diào)整、園藝措施或其他適當(dāng)?shù)男迯?fù)措施以及農(nóng)用地轉(zhuǎn)為非農(nóng)用地等措施為途徑的優(yōu)化配置方案。[方法]文章選用單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)法，分不同pH值、水田、旱地、菜地對(duì)重金屬鎘超標(biāo)耕地進(jìn)行安全利用評(píng)價(jià)，采用反距離加權(quán)插值法得到整個(gè)研究區(qū)鎘含量空間分布圖?；诎踩迷u(píng)價(jià)結(jié)果及其空間分布特征，分不同pH值探討了以地類轉(zhuǎn)換、作物調(diào)整、園藝措施或其他適當(dāng)?shù)男迯?fù)措施以及農(nóng)用地轉(zhuǎn)為非農(nóng)用地等措施為途徑的優(yōu)化配置方案。[結(jié)果]通過(guò)進(jìn)一步分析評(píng)價(jià)結(jié)果空間分布特征發(fā)現(xiàn)A鎮(zhèn)土壤大部分無(wú)污染，其中鎘嚴(yán)重污染的水田土壤面積大于旱地土壤面積，空間分布主要受當(dāng)?shù)厝藶榛顒?dòng)影響。[結(jié)論]優(yōu)化配置方案有效降低了鎘超標(biāo)耕地的相對(duì)污染程度和重金屬對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全的影響程度。

土地管理 鎘 耕地 重金屬 安全利用 優(yōu)化方案

0 引言

“萬(wàn)物土中生，有土斯有糧”。土壤是孕育萬(wàn)物的搖籃，人類文明的基石。2015年7月在中國(guó)科技會(huì)堂聯(lián)合舉辦了“土壤與生態(tài)環(huán)境安全——國(guó)際土壤年在中國(guó)”高層論壇上趙其國(guó)院士、沈仁芳所長(zhǎng)等眾多專家學(xué)者提出土壤安全問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重制約著國(guó)家糧食安全、食品安全、水安全和生態(tài)環(huán)境安全。土壤重金屬污染是當(dāng)今環(huán)境污染中污染面積最廣、危害最大的環(huán)境問(wèn)題之一，這種污染具有隱蔽性、潛伏性、不易降解、不可逆性、長(zhǎng)期性、恢復(fù)性且其污染后果相當(dāng)嚴(yán)重。

隨著“鎘”大米等一系列事件的爆發(fā)，土壤重金屬污染問(wèn)題不僅引起普通群眾的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者也提出了如：?jiǎn)我蜃淤|(zhì)量指數(shù)法、內(nèi)梅洛綜合污染指數(shù)、幾何均值綜合評(píng)價(jià)模式[1]、污染負(fù)荷指數(shù)法[2]、地積累指數(shù)法[3]、沉積物富集系數(shù)法[4]、潛在生態(tài)危害指數(shù)法[5]，模糊數(shù)學(xué)法[6]、灰色聚類法[7]、地統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)價(jià)法[8]、健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法[9-10]、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[1-12]等眾多的重金屬污染評(píng)價(jià)方法。國(guó)內(nèi)在土地質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域開展了農(nóng)用地分等、土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)估、土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等重要工作，并取得了豐碩的成果。其中，農(nóng)用地分等成果在土地利用規(guī)劃[13]、基本農(nóng)田建設(shè)[14]、耕地質(zhì)量[15]、耕地產(chǎn)能核算[16]等方面已取得成功應(yīng)用，土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)估成果也在土壤環(huán)境污染程度評(píng)定[17]、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[18]、礦床地質(zhì)學(xué)研究[9-20]等方面得到廣泛應(yīng)用。土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)工作也為土壤環(huán)境質(zhì)量分區(qū)提供了依據(jù)。但目前關(guān)于空間配置的研究多數(shù)集中在城市土地，缺少針對(duì)農(nóng)用地的優(yōu)化利用。開展重金屬超標(biāo)耕地的安全利用評(píng)價(jià)，探討安全利用優(yōu)化配置方案，落實(shí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)，保障生態(tài)安全，促進(jìn)耕地保護(hù)向保數(shù)量、保質(zhì)量和保生態(tài)“三位一體”的方向過(guò)渡已迫在眉睫。

1 研究區(qū)概況

A鎮(zhèn)，地處D市最南端，交通便利，是D市的人口大鎮(zhèn)、工業(yè)重鎮(zhèn)、歷史文化特色鎮(zhèn)和市區(qū)的重要組成部分。其地勢(shì)南高北低； 屬亞熱帶季風(fēng)氣候，全年溫暖濕潤(rùn)，熱量條件好，年平均氣溫15.7℃，夏季最熱月平均氣溫28.3℃； 地面水、地下水豐富，蘊(yùn)藏有豐富的野生植物資源。鎮(zhèn)域平原地區(qū)多為水稻土，是重要的商品糧生產(chǎn)基地之一，山地崗丘多為棕壤，紅黃壤和黃棕壤； 常綠闊葉林構(gòu)成主要植被類型，全市植被覆蓋綠較高。2005年A鎮(zhèn)土地總面積為1.566 314萬(wàn)hm2，其中，農(nóng)用地面積為1.018 580萬(wàn)hm2，其中耕地面積為3622.10hm2。建設(shè)用地面積為3577.35hm2，其他土地面積為1900.04hm2，土地利用率87.87%。

根據(jù)A鎮(zhèn)1∶10 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查可知：A鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分總體較缺乏，其中養(yǎng)分缺乏、較缺乏的面積比例高達(dá)70%，養(yǎng)分缺乏的土壤主要分布在丘陵山區(qū)； 養(yǎng)分豐富、較豐富的土壤面積比例不足10%，呈小片狀零星分布，中等土壤面積比例為23.61%，呈塊狀分布。A鎮(zhèn)75%的土壤處于清潔—尚清潔等級(jí)， 25%的土壤發(fā)生不同程度的污染，輕度污染面積比例為19.23%，中度、重度污染土壤面積比例分別為1.56%、3.36%。根據(jù)D市耕地質(zhì)量等級(jí)成果可知：A鎮(zhèn)水田、水澆地和旱地的自然質(zhì)量等等別為3～5等，利用質(zhì)量等別以4等為主，其次為3等和5等，6等最少，經(jīng)濟(jì)質(zhì)量等別為4～7等。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究方法

耕地安全利用是指對(duì)重金屬超標(biāo)耕地通過(guò)污染等級(jí)評(píng)定以及采取一系列措施，進(jìn)而保障農(nóng)作物生長(zhǎng)良好，產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品不危害人類的身體健康。針對(duì)此，文章采用單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)法來(lái)評(píng)定現(xiàn)實(shí)的土壤環(huán)境質(zhì)量對(duì)人類社會(huì)發(fā)展需要的滿足程度。這種方法通過(guò)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的無(wú)量綱化，可以充分表征各環(huán)境因子對(duì)污染貢獻(xiàn)率。該文以重金屬鎘，依據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》(環(huán)發(fā)[2008]39號(hào))，將鎘超標(biāo)耕地劃分為5個(gè)污染等級(jí)(表1)，探討鎘超標(biāo)耕地的安全利用優(yōu)化配置方案。單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)法公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi：污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci：污染物i的實(shí)測(cè)值；Si：污染物i的單項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

它直接反映超標(biāo)倍數(shù)和污染程度，是確定土壤環(huán)境管理時(shí)的重要依據(jù)。Pi≤1時(shí)，表示土壤未受污染，Pi>1時(shí)，表示土壤受到污染。Pi值越高，污染越嚴(yán)重。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)

等級(jí)Pi值大小污染評(píng)價(jià)IPi≤1無(wú)污染Ⅱ15重度污染

通過(guò)分析比較不同插值模型(反距離加權(quán)(IDW)、局部多項(xiàng)式(LP)、普通克里格(OK)和徑向基函數(shù)(RBF))[21]，從土壤重金屬鎘污染區(qū)面積估算和空間分布預(yù)測(cè)精度來(lái)看，RBF方法和IDW方法要優(yōu)于OK方法和LP方法。因此，該文采取反距離加權(quán)法對(duì)重金屬鎘進(jìn)行空間插值，以更加準(zhǔn)確的得到整個(gè)研究區(qū)的鎘含量分布圖，并據(jù)此作進(jìn)一步的空間分析。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)主要來(lái)源于D市二調(diào)現(xiàn)狀成果(2013年)，D市土地利用總體規(guī)劃(2006～2020年)，A鎮(zhèn)土地利用總體規(guī)劃(2006～2020)C省D市耕地質(zhì)量等級(jí)成果(2011年)，B市耕地質(zhì)量生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查與等級(jí)評(píng)價(jià)報(bào)告(2011年)，D市綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃(1983年)，D市統(tǒng)計(jì)年鑒(2003～2014年)。

3 實(shí)證分析

3.1 安全利用評(píng)價(jià)

根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)估要求(DD 2008-06)》的布點(diǎn)與分析化驗(yàn)要求，在A鎮(zhèn)按照16個(gè)/km2的采樣密度共布設(shè)2457個(gè)樣點(diǎn)(圖1)，控制可采樣土地約143 km2。通過(guò)反距離加權(quán)法得到A鎮(zhèn)鎘含量分布圖(圖2)。

圖1 采樣點(diǎn)分布 圖2 鎘含量空間分布

圖3 鎘超標(biāo)狀況空間分布(旱地、水田、菜地) 圖4 鎘超標(biāo)狀況三維空間(旱地、水田、菜地)

表2 鎘污染耕地安全利用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) mg/kg

該文以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-2008)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)同一種元素在相同pH值狀態(tài)下，不同地類不同的安全利用要求分地類進(jìn)行評(píng)價(jià)，并據(jù)此為后面的優(yōu)化配置方案提供基礎(chǔ)。但二調(diào)現(xiàn)狀成果(2013年)地類中沒(méi)有菜地，而水澆地中包含菜地。在考慮實(shí)際情況后，該文將位于城鎮(zhèn)周圍的水澆地選取幾塊作為菜地的代表，按照對(duì)應(yīng)pH值下的菜地污染標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行污染等級(jí)的評(píng)價(jià)。

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-2008)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在不同pH值、水田、旱地、菜地的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同(表2)，該文采用單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法分地類對(duì)鎘污染農(nóng)用地的污染程度進(jìn)行計(jì)算，得到每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單因子污染指數(shù)值。利用地統(tǒng)計(jì)分析模塊中的反距離加權(quán)法對(duì)其進(jìn)行空間插值得到整個(gè)菜地、旱地和水田的單因子污染指數(shù)，然后根據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》(環(huán)發(fā)[2008]39號(hào))中的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將其劃分為無(wú)污染、輕微污染、輕度污染、中度污染、重度污染5個(gè)級(jí)別(圖3)。為了空間可視化更清晰，采用ArcScene模塊做出三維延伸立體圖(圖4)。

對(duì)于重金屬鎘，A鎮(zhèn)菜地大部分為無(wú)污染、其次為輕微污染，再次為輕度污染，只有一塊菜地屬于重度污染且主要分布在i村、t村以及b村附近。旱地中絕大部分區(qū)域無(wú)污染，污染較重的區(qū)域面積非常小且分布區(qū)域非常集中，大都集中于城鎮(zhèn)區(qū)東部h村與t村交界處，且h村東部是鎘嚴(yán)重污染土壤分布最集中、范圍最大的區(qū)域。水田中大部分無(wú)污染，但污染面積總體較旱地范圍大，其中原因之一為A鎮(zhèn)水田面積大于旱地面積，污染區(qū)域主要集中分布在h村的東部，z村東南部，t村的中西部地區(qū)以及b村、ak村以及i村交界處，這些地方都是受人類活動(dòng)影響比較大的區(qū)域，與當(dāng)?shù)厝藗兊纳a(chǎn)生活活動(dòng)密切相關(guān)。

3.2 優(yōu)化方案

盡管土壤中重金屬含量是一定的，但不同的地類安全利用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同。換言之，雖然土壤中的重金屬含量達(dá)到或超過(guò)某種二級(jí)地類的安全利用標(biāo)準(zhǔn)，卻未必達(dá)到另一種二級(jí)地類土壤中的重金屬含量的安全利用標(biāo)準(zhǔn)。因此，該文試圖探討通過(guò)地類轉(zhuǎn)換、作物調(diào)整或者其他園藝措施來(lái)降低相對(duì)土壤重金屬超標(biāo)程度，縮小相對(duì)污染面積。

(1)優(yōu)化方案一：對(duì)于重金屬鎘而言，根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-2008)中的規(guī)定，在pH≤5.5與5.5

通過(guò)實(shí)地調(diào)研和研究區(qū)近10年統(tǒng)計(jì)年鑒分析得出：首先考慮的是農(nóng)用地內(nèi)部用途的轉(zhuǎn)換，研究區(qū)南部丘陵區(qū)還可種植茶葉、板栗等； 東部灘涂還可種植百合、蘆葦?shù)冉?jīng)濟(jì)作物； 同時(shí)部分村莊還種植油菜、大豆等糧油作物。但對(duì)于污染十分嚴(yán)重的農(nóng)用地，因修復(fù)成本高昂，修復(fù)效果不顯著，根據(jù)經(jīng)濟(jì)可行性原則將其轉(zhuǎn)為非農(nóng)用地。

(2)優(yōu)化方案二： 6.57.5時(shí)，相同的pH值下，土壤中重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)存在水田>旱地>水澆地的邏輯關(guān)系，水田的安全利用標(biāo)準(zhǔn)較旱地高，菜地的安全利用標(biāo)準(zhǔn)高于水田和旱地，因此主要考慮污染旱地向水田、污染菜地向旱地以及污染菜地向水田等轉(zhuǎn)化過(guò)程中的相對(duì)污染程度和范圍降低的過(guò)程。而對(duì)于受到重金屬鎘污染的水田，則可采取水稻種植過(guò)程中的水分管理等園藝措施來(lái)降低超標(biāo)重金屬對(duì)植物或人體的危害，也可進(jìn)行糧—油—經(jīng)濟(jì)等作物間的調(diào)整，采取適當(dāng)?shù)男迯?fù)措施以及農(nóng)用地轉(zhuǎn)為非農(nóng)用地等措施進(jìn)行優(yōu)化布局，以實(shí)現(xiàn)重金屬超標(biāo)農(nóng)用地的安全利用。

4 結(jié)論與討論

該文提出了分不同pH、不同地類對(duì)重金屬超標(biāo)耕地安全利用評(píng)價(jià)的思路，并以A鎮(zhèn)為例探討了以地類轉(zhuǎn)換、作物調(diào)整、園藝措施或其他適當(dāng)?shù)男迯?fù)措施以及農(nóng)用地轉(zhuǎn)為非農(nóng)用地等措施為途徑的優(yōu)化配置方案來(lái)降低超標(biāo)重金屬對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全的危害程度，進(jìn)而保證人體健康。

但該文在探討調(diào)整地類或?qū)⑥r(nóng)作物改種非糧食作物等方式時(shí)不夠深入，優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)方法不夠細(xì)致，雖然提出了具體到農(nóng)作物之間的調(diào)整方案，但缺乏具體農(nóng)作物安全利用指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，在今后的研究中可以精細(xì)到根據(jù)每種作物對(duì)重金屬的安全利用標(biāo)準(zhǔn)，有利于將對(duì)某些重金屬安全利用標(biāo)準(zhǔn)值低的改為種植對(duì)重金屬安全利用標(biāo)準(zhǔn)值較高的作物。

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THE SAFETY UTILIZATION EVALUATION AND OPTIMIZATION SCHEME OF HEAVY METAL Cd OVER STANDARD CULTIVATED LAND

Liu Peijia1,2, Wang Longfeng1,2, Wu Kening1,2※, Zhao Huafu1,2

(1.School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing100083,China; 2. Key Laboratory of Land Regulation Ministry of Land and Resources, Beijing100035, China)

Evaluating and optimizing heavy metal over standard cultivated land are the basic requirements to protect cultivated land in new development period of China. This paper used single factor pollution index evaluation method to evaluate the heavy metal over standard cultivated land of paddy, dryland and vegetable field on the basis of different pH. Then it analyzed the space distribution characters with inverse distance weighted interpolation method. The evaluation results indicated that most of soilswere clean and the severe contaminated areas inpaddy soils were larger than that in dryland. The contaminated areas were affected by local human activities. Finally, it put forward some countermeasures to reduce the relative contaminated degree of Cd over standard in cultivated land and the heavy metal contaminated degree to the safety of agricultural products, such as changing land use types andcrops, transforming agricultural land into non-agricultural land.

land management; Cd; cultivated land; heavy metal; safety utilization; optimization scheme

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170512

2016-04-06

劉霈珈(1989—)，女，甘肅慶陽(yáng)人，博士。研究方向：土地資源評(píng)價(jià)與利用規(guī)劃?！ㄐ抛髡撸簠强藢?1963—)，男，北京人，教授、博士生導(dǎo)師。研究方向：土地評(píng)價(jià)與土地規(guī)劃。Email：wukening@cugb.edu.cn

*資助項(xiàng)目：國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)課題“重金屬超標(biāo)農(nóng)用地安全利用管控技術(shù)研究”(201511082-2)

F301.2; X53

A

1005-9121[2017]05081-05