青島市新機(jī)場(chǎng)建設(shè)耕作層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)與剝離深度的確定

曲雪光, 孫義曉, 傅希琰

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院, 山東 青島 266032;2.海陸地理信息集成與應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心, 山東 青島 266032)

耕作層土壤是耕地資源最寶貴的組成部分，來(lái)之不易，形成1 cm厚耕作層約需200～400 a，具有一定的不可再生性[1-2]。在中國(guó)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化建設(shè)過(guò)程中，由于耕作層土壤資源的重要性認(rèn)識(shí)不夠，導(dǎo)致耕作層土壤資源破壞十分嚴(yán)重，對(duì)耕作層土壤的再利用率也較低，嚴(yán)重影響著我國(guó)的耕地安全、糧食安全和生態(tài)安全。因此，為了保護(hù)稀缺的耕作層土壤資源，在各種生產(chǎn)建設(shè)中項(xiàng)目必須科學(xué)地進(jìn)行耕作層土壤剝離[3-4]。開(kāi)展建設(shè)占用耕地耕作層土壤剝離工作，不僅是我國(guó)法律規(guī)定用地單位的一項(xiàng)基本義務(wù)，也是嚴(yán)格耕地保護(hù)的一項(xiàng)重要措施，對(duì)保護(hù)土地資源，提高新增耕地質(zhì)量，堅(jiān)守耕地紅線和保障國(guó)家糧食安全意義重大[5]。目前，耕作層土壤剝離形成了較為成熟的制度，但針對(duì)耕作層土壤剝離深度確定的方法還不完善。本文通過(guò)研究青島市新機(jī)場(chǎng)建設(shè)耕作層土壤剝離質(zhì)量評(píng)價(jià)工作，積極探索耕作層土壤剝離的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，根據(jù)土壤質(zhì)量等級(jí)確定耕作層土壤剝離深度，為編制耕作層土壤剝離利用方案提供基礎(chǔ)。

1 青島新機(jī)場(chǎng)建設(shè)耕作層土壤剝離工程概況

青島市新機(jī)場(chǎng)位于青島市西北方向大沽河西岸，膠州市東北11 km處的膠東街道辦事處轄區(qū)內(nèi)，距離青島市中心約40 km。地處北溫帶季風(fēng)區(qū)域，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，主要土壤類型為潮土，土壤厚度100—150 cm。河流屬沿海近緣水系，河流流量明顯受降水控制，季節(jié)性變化明顯，屬季節(jié)性河流。植物種類以人工種植喬灌木、野生草本為主。地貌類型為剝蝕堆積準(zhǔn)平原地貌，河流堆積地貌主要為沖洪積平原，所處大地構(gòu)造單元相對(duì)穩(wěn)定。工程建設(shè)包括飛行區(qū)、航站區(qū)、工作及附屬區(qū)，占地總面積為1 542.65 hm2,是國(guó)家民航“十二五”規(guī)劃建設(shè)的重點(diǎn)工程。

2 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)原則及評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建

2.1 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)原則

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的具體形式。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)遵循以下原則： ①有效性原則。選取的指標(biāo)應(yīng)能正確反映出土壤的基本功能，是土壤中決定物理、化學(xué)及生物學(xué)過(guò)程的主要特性，對(duì)表征土壤功能是有效的。 ②敏感性原則。選取的土壤質(zhì)量指標(biāo)對(duì)土壤利用方式、人為擾動(dòng)過(guò)程、土壤侵蝕強(qiáng)度及程度的變化有足夠敏感的反應(yīng)。指標(biāo)的敏感性要以監(jiān)測(cè)土壤質(zhì)量變化的時(shí)間尺度而定。 ③實(shí)用性原則。選取的土壤質(zhì)量指標(biāo)要易于定量測(cè)定，簡(jiǎn)便實(shí)用。在田間或?qū)嶒?yàn)室測(cè)定時(shí)，測(cè)定過(guò)程應(yīng)穩(wěn)定、誤差低，具有較高的再現(xiàn)性與適宜的精度水平。 ④通用性原則。堅(jiān)持綜合、系統(tǒng)的觀點(diǎn)，通過(guò)分析各種土壤特性在土壤質(zhì)量形成中的主次作用，選取有重要影響的指標(biāo)，不能遺漏制約土壤生產(chǎn)力的主要指標(biāo)，也不能無(wú)限制地?cái)U(kuò)大指標(biāo)的選擇面，使整個(gè)指標(biāo)體系復(fù)雜化。

2.2 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建

根據(jù)指標(biāo)設(shè)計(jì)原則，對(duì)耕作層土壤剝離理念及其目標(biāo)要求進(jìn)行深入分析，結(jié)合耕作層土壤剝離項(xiàng)目特點(diǎn)，提出土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[6]。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可分為兩大類，一類是描述性指標(biāo)，即定性指標(biāo)；另一類是分析性定量指標(biāo)，選擇土壤的各種屬性進(jìn)行定量分析，確定數(shù)據(jù)指標(biāo)的閾值和最適值。根據(jù)分析性定量指標(biāo)的性質(zhì)，土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)分為土壤物理指標(biāo)、土壤化學(xué)指標(biāo)、土壤生物學(xué)指標(biāo)，它們的不同組合可以反映出土壤維持和促進(jìn)植物生長(zhǎng)、抵抗侵蝕、促進(jìn)人體和動(dòng)植物健康和維持土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的功能。具體可以分為3個(gè)方面： ①土壤理化性質(zhì)指標(biāo)。土壤物理狀況對(duì)植物生長(zhǎng)和環(huán)境質(zhì)量有直接或間接的影響。土壤物理指標(biāo)包括土壤質(zhì)地、粒徑分布、土層厚度、根系深度等。 ②土壤肥力指標(biāo)。土壤中各種養(yǎng)分包括土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀的有效量、土壤pH值等。 ③土壤污染指標(biāo)。土壤中存在不同重金屬含量及農(nóng)藥殘留，直接影響耕作層土壤的利用及后期植物生長(zhǎng)、動(dòng)物和人類健康。土壤污染指標(biāo)包括鉛、鉻、鎘、砷、汞、銅、六六六、滴滴涕等。

3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

3.1 土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

選取有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、全氮4個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，模糊隸屬度模型作為評(píng)價(jià)方法。采用相關(guān)系數(shù)法確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，即將單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)平均值占所有指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的比重，作為該項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。用戒上型隸屬度函數(shù)作為土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、全氮隸屬度函數(shù)，其相應(yīng)的隸屬度函數(shù)I(X)[7]為：

(1)

根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，參照其他省市耕地土壤養(yǎng)分分等定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以養(yǎng)分指標(biāo)定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的極低水平的0.5倍作為函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)X1的值，高級(jí)水平的下限值定為函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)X2的值，各指標(biāo)隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)X1，X2(表1)。

表1 耕地土壤養(yǎng)分分等定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)g/kg

根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度計(jì)算土壤肥力質(zhì)量指數(shù)

IFI=∑Wr×Ii

(2)

式中：IFI——土壤肥力綜合指標(biāo)值，取值為0～1之間，其值越高，表明土壤肥力質(zhì)量越好；Wi，Ii——i指標(biāo)權(quán)重值和隸屬度值(∑Wi=1)。

3.2 土壤重金屬及有機(jī)物污染評(píng)價(jià)方法

選取鉛、鎘、汞、砷、鉻、銅6項(xiàng)重金屬和六六六、滴滴涕2項(xiàng)難降解的有機(jī)物作為污染評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用單因子污染指數(shù)(PI)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(PN)分別進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]，按公式(3)計(jì)算

(3)

式中：PI——單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci——土壤i元素實(shí)測(cè)值；C1，C2，C3——國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的1,2和3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值[9]； PN——內(nèi)梅羅污染指數(shù)； PIAve——單項(xiàng)污染指數(shù)均值； PIMax——單項(xiàng)污染指數(shù)最大值。

根據(jù)內(nèi)梅羅污染指數(shù)將土壤劃分為不同污染等級(jí)(表2)。

表2 土壤重金屬及有機(jī)物污染等級(jí)劃分

3.3 SQI指數(shù)綜合評(píng)價(jià)方法

以土壤肥力對(duì)土壤綜合質(zhì)量的正面貢獻(xiàn)、土壤重金屬及難降解的有機(jī)物對(duì)土壤綜合質(zhì)量的負(fù)面影響為基本依據(jù)，結(jié)合最小養(yǎng)分定律及土壤重金屬及有機(jī)物污染評(píng)價(jià)方法，采用了SQI指數(shù)法(公式4)評(píng)價(jià)土壤綜合質(zhì)量，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表3。

(4)

式中：SQI——土壤綜合質(zhì)量指數(shù)； SFI——土壤養(yǎng)分指數(shù)，計(jì)算方法為：SFI=土壤養(yǎng)分的實(shí)測(cè)值Si/國(guó)家養(yǎng)分指標(biāo)定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中高級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下限值X2(見(jiàn)表1)； SFIMin——SFI最小值； SFIAve——SFI均值； PI——土壤污染物的實(shí)測(cè)值Ci/國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值C1。

表3 土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 青島新機(jī)場(chǎng)建設(shè)耕作層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)與剝離深度的確定

4.1 土壤踏勘、調(diào)查

實(shí)地踏勘剝離區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、回覆區(qū)地形和地類情況，依據(jù)土地利用現(xiàn)狀圖、土地利用總體規(guī)劃、耕地地力調(diào)查結(jié)果、耕地地力等級(jí)分布等資料，初步判定污染狀況、耕作層厚度、土壤質(zhì)量、容重、pH值、有機(jī)質(zhì)、地類分布、土壤類型、耕地等級(jí)等基本情況。

4.2 土壤采樣點(diǎn)的選擇及測(cè)試

項(xiàng)目區(qū)地貌類型為剝蝕堆積準(zhǔn)平原地貌、土地利用類型以耕地和園地為主，依據(jù)《膠州市耕地地力調(diào)查點(diǎn)點(diǎn)位圖》，項(xiàng)目區(qū)耕地地力等級(jí)主要為1—4級(jí)，無(wú)5和6級(jí)耕地。根據(jù)膠州市耕地等別劃分，項(xiàng)目區(qū)耕地國(guó)家利用等別為6—9等(全國(guó)耕地按照1—4等、5—8等、9—12等、13—15等劃分為優(yōu)等地、高等地、中等地和低等地)?？紤]以上因素，初步判定項(xiàng)目區(qū)耕地地力等級(jí)總體水平較好，土壤肥力較好，沒(méi)有受污染的土壤，因此不需要加大取樣點(diǎn)密度。依據(jù)土地利用現(xiàn)狀圖，結(jié)合圖斑或耕作田塊單元，采用棋盤式布設(shè)方式，在空間上均勻選擇12個(gè)采樣點(diǎn)，覆蓋不同的地貌單元。采樣點(diǎn)主要分布于水澆地和果園地類區(qū)域，1—8號(hào)采樣點(diǎn)的地類為水澆地，9，11號(hào)采樣點(diǎn)的地類為果園，10，12號(hào)采樣點(diǎn)的地類為水澆地。嚴(yán)格按照土壤調(diào)查原則及要求，測(cè)試化驗(yàn)土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤有效磷、土壤速效鉀、全氮5項(xiàng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)；鉛、鎘、汞、砷、鉻、銅、六六六、滴滴涕8項(xiàng)污染指標(biāo)，共13項(xiàng)指標(biāo)。

4.3 土壤養(yǎng)分等級(jí)劃分

對(duì)所測(cè)土壤樣本的數(shù)據(jù)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照，按照土壤養(yǎng)分等級(jí)，“極高、較高、高、中、低、極低”6個(gè)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)(表4)。

表4 土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4.4 確定權(quán)重

根據(jù)土壤養(yǎng)分特點(diǎn)和各養(yǎng)分指標(biāo)在土壤肥力構(gòu)成中的貢獻(xiàn)，參考?xì)v史資料和有關(guān)專家的意見(jiàn)確定土壤養(yǎng)分各參評(píng)指標(biāo)權(quán)重值(W)，結(jié)果分別為：有機(jī)質(zhì)0.3，全氮(N)0.25，有效磷(P)0.25，速效鉀(K)0.2。

4.5 土壤肥力評(píng)價(jià)

根據(jù)各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)得到的評(píng)分及指標(biāo)權(quán)重，采用土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)法，得到IMF指數(shù)評(píng)價(jià)土壤肥力(表5)。

表5 土壤肥力評(píng)價(jià)結(jié)果

4.6 土壤污染指數(shù)評(píng)價(jià)

采用土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法，得到內(nèi)梅羅污染指數(shù)PN。依據(jù)土壤重金屬及有機(jī)物污染等級(jí)劃分表(表2)，評(píng)價(jià)本項(xiàng)目土壤調(diào)查的12個(gè)采樣點(diǎn)的污染等級(jí)(表6)，土壤污染等級(jí)為尚清潔和清潔，項(xiàng)目區(qū)無(wú)污染土地，符合機(jī)場(chǎng)建設(shè)要求以及項(xiàng)目區(qū)耕作層土壤剝離利用要求，可以對(duì)項(xiàng)目區(qū)耕作層土壤實(shí)行剝離儲(chǔ)存及利用。

表6 土壤污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

4.7 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

采用SQI指數(shù)綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)土壤綜合質(zhì)量，計(jì)算土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值。根據(jù)該模型求得土壤養(yǎng)分質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。并結(jié)合土壤pH值、土壤容重及土壤機(jī)械組成評(píng)價(jià)結(jié)果得到土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。按照土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表3)確定土壤綜合質(zhì)量等級(jí),并進(jìn)行土壤質(zhì)量分類。土壤質(zhì)量等級(jí)從Ⅰ—Ⅴ依次降低，即土壤質(zhì)量等級(jí)Ⅰ為質(zhì)量最好的土壤，而土壤質(zhì)量等級(jí)Ⅴ的土壤質(zhì)量相對(duì)最差。根據(jù)土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)及土壤污染指標(biāo)對(duì)本項(xiàng)目區(qū)12個(gè)采樣點(diǎn)的土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)及其結(jié)果(表7)。

表7 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

4.8 耕作層剝離深度的確定

以土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為基礎(chǔ)，按照《土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表》劃分土壤綜合質(zhì)量等級(jí),進(jìn)行土壤質(zhì)量分類，確定執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及土壤可利用方向。其中1，3，4，5，8，11，12號(hào)采樣點(diǎn)耕作層土壤質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)，2，6，9號(hào)采樣點(diǎn)耕作層土壤質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)，7，10號(hào)采樣點(diǎn)耕作層土壤質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)，與《膠州耕地》以及膠州市耕地國(guó)家利用等別劃分(土地分等定級(jí))的土壤調(diào)查結(jié)果一致。不同質(zhì)量等級(jí)的耕作層厚度不同，土壤剝離的深度也有所不同。根據(jù)耕作層土壤質(zhì)量等級(jí)，參考國(guó)家、各省市相關(guān)政策和耕作層剝離相關(guān)經(jīng)驗(yàn)確定土壤剝離深度。其中，一級(jí)土壤質(zhì)量最好，耕作層平均厚度為20 cm，建議的土壤剝離深度為30 cm；二級(jí)土壤質(zhì)量較好，耕作層平均厚度為20 cm，建議對(duì)新機(jī)場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目損毀占用土地的耕作層土壤剝離，土壤剝離深度為20 cm；三級(jí)土壤質(zhì)量中等，耕作層平均厚度為20 cm，選擇性的對(duì)新機(jī)場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目損毀占用土地的部分優(yōu)質(zhì)耕作層土壤按層次剝離[10]，土壤剝離深度為10 cm。

5 結(jié) 論

(1) 采用土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法，得到內(nèi)梅羅污染指數(shù)PN。參照土壤重金屬及有機(jī)物污染等級(jí)劃分表，評(píng)價(jià)本項(xiàng)目土壤調(diào)查的12個(gè)采樣點(diǎn)的污染等級(jí)為尚清潔和清潔，項(xiàng)目區(qū)無(wú)污染土地，符合機(jī)場(chǎng)建設(shè)要求以及項(xiàng)目區(qū)耕作層土壤剝離利用要求，可以對(duì)項(xiàng)目區(qū)耕作層土壤實(shí)行剝?nèi)侩x儲(chǔ)存及利用。

(2) 以土壤肥力對(duì)土壤綜合質(zhì)量的正面貢獻(xiàn)、土壤重金屬及難降解的有機(jī)物對(duì)土壤綜合質(zhì)量的負(fù)面影響為基本依據(jù)，結(jié)合最小養(yǎng)分定律及土壤重金屬及有機(jī)物污染評(píng)價(jià)方法，采用了SQI指數(shù)綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)土壤綜合質(zhì)量。并結(jié)合土壤pH值、土壤容重及土壤機(jī)械組成評(píng)價(jià)結(jié)果得到土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。按照土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定土壤綜合質(zhì)量等級(jí),進(jìn)行土壤質(zhì)量分類。項(xiàng)目區(qū)耕作層土壤質(zhì)量等級(jí)多數(shù)為一、二級(jí)，部分區(qū)域?yàn)槿?jí)，與《膠州耕地》以及膠州市耕地國(guó)家利用等別劃分(土地分等定級(jí))的土壤調(diào)查結(jié)果一致。

(3) 根據(jù)實(shí)地踏勘剝離區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、回覆區(qū)地形和地類情況，依據(jù)土地利用現(xiàn)狀圖、土地利用總體規(guī)劃、耕地地力調(diào)查結(jié)果、耕地地力等級(jí)分布等資料，初步判定耕作層厚度。根據(jù)耕作層土壤質(zhì)量等級(jí)，參考國(guó)家、各省市相關(guān)政策和耕作層剝離相關(guān)經(jīng)驗(yàn)確定土壤剝離深度。一級(jí)土壤質(zhì)量，耕作層厚度為20 cm，土壤剝離深度為30 cm；二級(jí)土壤質(zhì)量，耕作層厚度為20 cm，土壤剝離深度為20 cm；三級(jí)土壤質(zhì)量，耕作層厚度為20 cm，土壤剝離深度為10 cm。為后續(xù)編制耕作層土壤剝離利用方案，指導(dǎo)耕作層土壤的剝離、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和回覆等工作打好基礎(chǔ)。