土地環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)模型的建立
——以山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)為例

代杰瑞，曾憲東，寧振國，祝德成，王紅晉，龐緒貴，喻超

(山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

土地環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)的目的是反映現(xiàn)今農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的總體狀況及其區(qū)域分布，為省市各級土地宏觀管理和規(guī)劃提供地球化學(xué)依據(jù)，為土地可持續(xù)利用服務(wù)[1]；同時，在調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、發(fā)展特色優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品、科學(xué)合理施肥及土壤污染治理等方面發(fā)揮指導(dǎo)作用[2]。因此，評價(jià)需綜合考慮農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境的各種要素，包括地質(zhì)背景、土壤地質(zhì)、土壤地球化學(xué)、水地球化學(xué)、農(nóng)產(chǎn)品安全適宜性以及氣候環(huán)境等等，通過多要素資料整合、信息挖掘與提取，揭示影響農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵要素和指標(biāo)因子。

根據(jù)國家《農(nóng)用地分等規(guī)程》《農(nóng)用地定級規(guī)程》和《農(nóng)用地估價(jià)規(guī)程》等相關(guān)技術(shù)規(guī)程，縣市級農(nóng)業(yè)和土地部門在土地質(zhì)量評價(jià)方面做了許多工作，甚至進(jìn)行過系統(tǒng)的等級劃分，但這些工作均沒有或很少考慮土地地球化學(xué)環(huán)境質(zhì)量，未把反映土地內(nèi)在質(zhì)量的土壤地球化學(xué)指標(biāo)和反映土地外在質(zhì)量的水、農(nóng)產(chǎn)品和大氣質(zhì)量等列入評價(jià)體系。多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查取得的土壤、地下水、農(nóng)產(chǎn)品等多介質(zhì)、高質(zhì)量基礎(chǔ)地球化學(xué)數(shù)據(jù)，使多要素結(jié)合進(jìn)行的土地環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)得以實(shí)現(xiàn)。該文以山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)為例，提出土地環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)是土壤內(nèi)部指標(biāo)分等、外部指標(biāo)定級，整合全部評價(jià)要素的新觀點(diǎn)；建立了土地環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)模型，評價(jià)方法及模型的建立對山東其他地區(qū)基本農(nóng)田保護(hù)和土地質(zhì)量等級劃分具有一定借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省東部地區(qū)，涉及陸地面積近7.25×104km2，包括青島、東營、煙臺、濰坊、威海、日照、濱州等7市以及德州樂陵和慶云、淄博高青、臨沂莒南4縣。該區(qū)地勢為東部、南部地勢高，中部、北部地勢低，地貌以低山丘陵和微傾斜低平原為主，另有少部分中山和山前傾斜平原。低山丘陵標(biāo)高200～400m，山前傾斜平原標(biāo)高50～200m，全區(qū)最高峰嶗山標(biāo)高1133m。研究區(qū)水系發(fā)育，河網(wǎng)縱橫，水庫星羅棋布，交通便利。

該區(qū)地處華北板塊和秦嶺-大別山板塊結(jié)合帶，山地丘陵區(qū)約占全區(qū)總面積的45%，廣泛發(fā)育有中元古代、新元古代和中新生代侵入巖，巖性主要為二長花崗巖、石英二長巖和花崗閃長巖,巖石風(fēng)化殘積物多形成棕壤性土、酸性石質(zhì)土和酸性粗骨土，局部地段發(fā)育有元古宙、中生代地層，巖性主要為砂巖和碎屑巖[3]。第四系覆蓋區(qū)約占全區(qū)總面積的55%，其最大覆蓋厚度達(dá)150m。第四系成因類型多種多樣，更新統(tǒng)以風(fēng)成為主、殘坡—坡洪積次之，全新統(tǒng)則以沖積為主，風(fēng)成、海相沉積次之，土壤主要為潮土、褐土和濱海鹽土[4，5]。

2 評價(jià)模型的建立

通過山東半島多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查，在了解土壤元素地球化學(xué)分布、分配情況的基礎(chǔ)上，進(jìn)行評價(jià)指標(biāo)的篩選，并利用層次分析法對指標(biāo)權(quán)重賦值，對不同類型的指標(biāo)建立隸屬函數(shù)模型并計(jì)算函數(shù)值，最后通過綜合參數(shù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)土地環(huán)境質(zhì)量的綜合評價(jià)。

2.1 評價(jià)指標(biāo)的確定

2.2.1 土壤肥力指標(biāo)的確定

土壤養(yǎng)分元素按含量高低可劃分為3類：①必需大量元素：N，P，K，有機(jī)質(zhì)，S，Ca，Mg。②必需微量元素：Fe，Mn，Zn，Cu，B，Mo，Cl。③有益元素：Si，Co，Ni，Na。按第二次土壤普查標(biāo)準(zhǔn)和全國土壤背景值順序統(tǒng)計(jì)量的25%，50%，75%和90%的分級標(biāo)準(zhǔn)，單指標(biāo)評價(jià)結(jié)果適宜區(qū)和豐富區(qū)占總評價(jià)區(qū)面積80%～90%的指標(biāo)不參與評價(jià)，多元統(tǒng)計(jì)元素間相關(guān)系數(shù)較差的參與評價(jià)，以及利用半方差函數(shù)值，選擇相關(guān)距離(a)相對小的，C0/(C0+C)相對大的指標(biāo)參與評價(jià)。最終確定參與綜合肥力評價(jià)的指標(biāo)為：必需大量元素N，P，K，Ca，有機(jī)質(zhì)；必需微量元素Mo，B，Mn，Zn；有益元素Co，Si。

2.2.2 土壤環(huán)境健康指標(biāo)的確定

土壤環(huán)境健康指標(biāo)主要是指對植物的生長發(fā)育和人體健康直接或間接有害的元素或指標(biāo)，可分為：①pH。②環(huán)境指標(biāo)：Cu，Zn，Cd，Hg，Pb，As，Cr，Ni。③健康指標(biāo)：F，I，Se。④有機(jī)污染物指標(biāo)：有機(jī)氯農(nóng)藥類等。根據(jù)調(diào)查測試指標(biāo)范圍，土壤環(huán)境健康指標(biāo)將從前三項(xiàng)中進(jìn)行篩選。健康指標(biāo)對于作物生長具有雙閾值，因此，健康指標(biāo)選擇土壤中Se，I和F含量異常(過高或過低)程度較大的元素；根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)Cu和Zn在評價(jià)區(qū)90%的土壤屬一類土，故Cu，Zn歸并在肥力指標(biāo)進(jìn)行討論。確定土壤環(huán)境健康指標(biāo)為：有害元素Cd，Hg，Ni；健康元素F，I，Se和pH。

2.2 層次分析與權(quán)重賦值

層次分析法是運(yùn)用兩兩比較判斷的方式確定每一層次中因素的相對重要性，然后再遞階層次結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行合成以取得決策因素相對于目標(biāo)的重要性的總順序，可以相對客觀的確定各指標(biāo)的權(quán)重。運(yùn)用yaahp4.01軟件對參評指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重附值(表1)。

表1 綜合肥力指標(biāo)權(quán)重賦值(Ci)結(jié)果

2.3 隸屬函數(shù)模型的建立

隸屬函數(shù)是用于表征模糊集合的數(shù)學(xué)工具，主要包括線性模型和非線性模型。根據(jù)評價(jià)工作的實(shí)用性和簡潔性原則，該研究以線性模型為基礎(chǔ)，采用峰值型、戒上型、戒下型模型(圖1)。

圖1 各種隸屬函數(shù)模型及隸屬值計(jì)算公式

圖1中U為評估指標(biāo)的上限值；L為評估指標(biāo)的下限值；O1和O2為評估指標(biāo)的最優(yōu)值，x為評估指標(biāo)的測定值。

各類地球化學(xué)評估指標(biāo)采用隸屬函數(shù)模型的原則為：①土壤pH、質(zhì)地和土壤健康指標(biāo)采用峰值型隸屬度函數(shù)模型。②土壤N,P,K,B,Mo,Mn等有益元素采用戒上型隸屬度函數(shù)模型。③土壤As,Cd,Hg,Pb等有害元素采用戒下型隸屬度函數(shù)模型。

利用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)各參評指標(biāo)，對于不服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，進(jìn)行平均值±3倍離差剔除異常數(shù)據(jù)，直至服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。對服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，按照20%(L)，40%(O1)，60%(O2)，80%(U)的累積頻率值將各評估指標(biāo)進(jìn)行分級，各隸屬函數(shù)的界限值，隸屬函數(shù)界限值與分級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 分級與隸屬函數(shù)界限值對應(yīng)表

2.4 等級劃分

依據(jù)前述指標(biāo)篩選、權(quán)重閾值結(jié)果和隸屬度函數(shù)值計(jì)算模型，采用加法模型，對各評價(jià)指標(biāo)的實(shí)測值進(jìn)行權(quán)重和隸屬度計(jì)算，獲得土壤肥力綜合指數(shù)。

P=∑fi×Ci(i=1，2，3，4……n)

式中：P為綜合指數(shù)；fi為第i個評價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；Ci為第i個評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

土地環(huán)境質(zhì)量綜合分區(qū)按“等”和“級”劃分。分等是在土壤環(huán)境健康質(zhì)量與肥力質(zhì)量綜合劃分的結(jié)果。采用表3所示的分等疊加方案，共分為5等，即優(yōu)質(zhì)、優(yōu)良、良好、中等和差等，評價(jià)圖斑用不同顏色色塊表示。在土地環(huán)境質(zhì)量分等的基礎(chǔ)上，疊加區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量和植物(重點(diǎn)采樣作物為小麥)生態(tài)效應(yīng)指數(shù)，建立土地環(huán)境質(zhì)量綜合分等定級體系。

每個評估單元環(huán)境質(zhì)量綜合等級用3位數(shù)字表示。農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分等按從優(yōu)質(zhì)到差等分別以數(shù)字1，2，3，4，5表示，放在評價(jià)指標(biāo)代碼的第一位。將水質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)放在評價(jià)指標(biāo)代碼的第二位，“不超標(biāo)”用數(shù)字“1”表示，有一項(xiàng)“超標(biāo)”用數(shù)字“2”表示。植物(小麥)生態(tài)效應(yīng)評價(jià)指數(shù)放在第三位，“不超標(biāo)”用數(shù)字“1”表示，“超標(biāo)”則用數(shù)字“2”表示。這樣就可將土地環(huán)境質(zhì)量分為5等20級(表4)。通過這樣的方式對土地環(huán)境質(zhì)量分等定級，可以直觀地反映土地內(nèi)部和外部環(huán)境質(zhì)量狀況以及產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)。評價(jià)結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)后，能夠方地進(jìn)行查詢，對于土地規(guī)劃利用、土地生態(tài)管護(hù)具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

表3 土地環(huán)境質(zhì)量分等疊加方案

表4 土地環(huán)境質(zhì)量綜合等級定級方案及代碼(5等20級)

3 土地環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)結(jié)果

根據(jù)上述土地質(zhì)量綜合評價(jià)方法及模型，山東半島土地質(zhì)量綜合評價(jià)結(jié)果見表5和圖2。

表5 山東半島土地環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)結(jié)果

圖2 山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)土地質(zhì)量綜合評價(jià)圖

從表1中可以看出，可作綠色食品生產(chǎn)基地的111級和121級土地面積共1938.69km2，占3.65%，分布在莒縣—昌邑、萊西—即墨以及臨朐和煙臺北部。因土壤酸化、灌溉水超標(biāo)造成植物超標(biāo)的112級土地面積34.90km2，僅占0.07%，分布在煙臺市區(qū)，加強(qiáng)管護(hù)也可作綠色食品生產(chǎn)基地。

可作無公害食品生產(chǎn)基地的211級和221級土地分布面積最大，達(dá)31255.72km2，占58.95%，主要分布在膠萊盆地和各市局部地段；212和222級土地面積1620.75km2，占3.06%，主要分布在安丘西南和沂水，這部分土地加強(qiáng)管護(hù)也可作無公害食品生產(chǎn)基地。

目前尚可作為耕地使用的311和321級土地，面積8084.38km2，占15.24%，分布在昌邑市北部、青島市西南、平度以及牟平—乳山一帶；312和322級土地面積162.85km2，占0.31%，分布在昌邑、乳山北部及煙臺市，這部分土地加強(qiáng)管護(hù)也可作耕地使用。

411和421級土地面積5300.41km2，占10%，目前種植的農(nóng)產(chǎn)品尚不超標(biāo)；412，422級土地面積3136.82km2，占5.92%。四等土地土壤顯酸性、土壤重金屬及灌溉水局部超標(biāo)，局部農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)，主要分布在煙臺市、威海市東部、臨朐—沂水以及日照市局部。

511和521級土地面積1217.50km2，占2.30%，目前種植的農(nóng)產(chǎn)品尚不超標(biāo)；512，522級土地面積267.54km2，占0.50%，多位于各類礦區(qū)(金礦、石墨礦、銅鐵礦)周邊或緊鄰城鎮(zhèn)地帶，土壤顯酸性、重金屬嚴(yán)重超標(biāo)，農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)可能性極大；昌邑北部5等土地土壤為強(qiáng)堿性，灌溉水嚴(yán)重超標(biāo)，營養(yǎng)元素含量極低，不宜種植農(nóng)作物。

4 結(jié)語

(1)做好土地環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)是土地分等定級的基礎(chǔ)，只有在系統(tǒng)查明與土地質(zhì)量有關(guān)的所有影響因素前提下，整合全部環(huán)境要素，合理篩選評價(jià)因子，正確賦權(quán)評價(jià)，建立評價(jià)指標(biāo)體系，才能客觀真實(shí)地反映土地的內(nèi)在質(zhì)量和利用價(jià)值。

(2)該文首次采用相關(guān)系數(shù)、半方差函數(shù)、層次分析和隸屬度函數(shù)建立了土地質(zhì)量綜合評價(jià)模型，用該模型對山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)土地環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)，結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)土地大部分面積為優(yōu)良等級以上，土地質(zhì)量總體較好，其中可作綠色及無公害食品生產(chǎn)基地的土地占62.60%；需農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的土地面積267.54km2。該項(xiàng)成果為經(jīng)濟(jì)區(qū)土地利用規(guī)劃、科學(xué)施肥及土地污染治理等方面提供了科學(xué)依據(jù)。

(3)土地環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)除了考慮土地內(nèi)在的土壤因素外，還需考慮研究大氣、水、農(nóng)作物等外在影響因素。該次建立的土地綜合環(huán)境質(zhì)量評價(jià)模型可以克服以往評價(jià)中存在的“評價(jià)要素難以整合和評價(jià)結(jié)果不理想”的兩大難題，使評價(jià)更符合實(shí)際和更具應(yīng)用價(jià)值。未來還將繼續(xù)開展有大氣參與的土地質(zhì)量綜合評價(jià)的研究，完善相關(guān)成果。

致謝：土地環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)方法及模型的建立是“山東省東部地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查” (2006709)的主要研究內(nèi)容之一，是項(xiàng)目成員集體智慧的結(jié)晶，直接參加該項(xiàng)目具體工作的還有王增輝、趙西強(qiáng)、王存龍、季順樂、張華平、戰(zhàn)金成等同志，在此一并表示感謝！

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