基于土壤重金屬污染因素的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)修正
——以深圳市為例

■ 林勇軍/羅罡輝/錢 競

（深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心，廣東 深圳 518034）

0 引言

耕地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的生產(chǎn)資料，約占全球陸地面積的10.2%，對(duì)保障糧食安全、生態(tài)安全以及可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[1]。我國是一個(gè)人口多、耕地資源少的國家，耕地保護(hù)越來越受重視。2017年初，中共中央、國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)耕地保護(hù)和改進(jìn)占補(bǔ)平衡的意見》，提出堅(jiān)持最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度和最嚴(yán)格的節(jié)約用地制度，像保護(hù)大熊貓一樣保護(hù)耕地，著力加強(qiáng)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”保護(hù)。《意見》首次明確提出數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)“三位一體”保護(hù)理念，不單是從傳統(tǒng)數(shù)量上去保護(hù)，更關(guān)注耕地質(zhì)量和生態(tài)[2]。目前全國各地都在開展耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)工作，耕地質(zhì)量等級(jí)的評(píng)價(jià)是根據(jù)《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，耕地質(zhì)量等別評(píng)價(jià)是從耕地耕作條件和農(nóng)作物產(chǎn)能上去考量，評(píng)價(jià)體系未考慮耕地土壤重金屬的污染狀況，然而耕地土壤重金屬的污染卻實(shí)實(shí)在在地影響著耕地的質(zhì)量，同樣也影響著耕地種植農(nóng)作物產(chǎn)品的品質(zhì)，因此把耕地土壤重金屬污染因素納入到耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系當(dāng)中有現(xiàn)實(shí)需要。我國在土壤健康方面研究起步較晚[3]，加拿大農(nóng)業(yè)部在土壤健康指標(biāo)體系研究方面取得進(jìn)展[4]。本文將探討在現(xiàn)有耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上，增加耕地土壤重金屬污染因素對(duì)耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行修正，兼顧農(nóng)作物產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量，更能符合當(dāng)下注重食品安全的綠色發(fā)展理念[5]。

重金屬污染對(duì)人體健康造成重大影響[6]，歷史上曾發(fā)生過多起重金屬污染事故，應(yīng)該引起重視[7]。如20世紀(jì)60年代日本著名的水俁病事件[8]和骨痛病事件[9]，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)起因分別是重金屬汞和鎘污染導(dǎo)致的。因此把耕地土壤重金屬污染狀況加入到耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系當(dāng)中具有現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)胡霓紅等對(duì)珠三角主要工業(yè)區(qū)周邊蔬菜產(chǎn)地土壤重金屬污染調(diào)查分析[10]和吳開華等對(duì)深圳市城市化進(jìn)程中蔬菜基地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)與成因分析[11]，深圳市主要重金屬污染為鎘（Cd）、鎳（Ni）、汞（Hg）、砷（As）、銅（Cu）五種，為了對(duì)污染狀況評(píng)價(jià)更加全面，本文除了采用了這五種重金屬元素外，還增加了鉛（Pb）、鉻（Cr）、鋅（Zn）三種元素[12]，總共對(duì)八種重金屬污染元素進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)污染評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行修正。

1 研究理論與方法

1.1 重金屬污染評(píng)價(jià)模型

1.1.1 單項(xiàng)污染指數(shù)

單項(xiàng)污染指數(shù)計(jì)算公式如式(1)[13]：

公式(1)中，Pi為第m監(jiān)測點(diǎn)土壤中重金屬污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為第m監(jiān)測點(diǎn)土壤中重金屬污染物i的實(shí)測濃度，單位mg/kg；CS為重金屬污染物i土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，單位mg/kg。

土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是國家為防止土壤污染、保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)、維護(hù)人體健康所制訂的土壤中污染物在一定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)容許含量值，根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995），農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值見表1[15]。

單項(xiàng)指標(biāo)污染等級(jí)劃分為清潔、輕度污染、中度污染和重度污染四級(jí)，具體劃分方法見表2。

1.1.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

內(nèi)梅羅指數(shù)是一種兼顧極值和均值的加權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[16]。其不僅考慮到各種影響參數(shù)的平均污染狀況，而且特別強(qiáng)調(diào)了污染最嚴(yán)重的因子，同時(shí)在加權(quán)過程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響，克服了平均值法各種污染物平均分擔(dān)的缺陷，是應(yīng)用較多的一種環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。研究選用內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)監(jiān)測點(diǎn)重金屬綜合污染情況。對(duì)任一監(jiān)測點(diǎn)，其計(jì)算如公式(2)所示[13]：

公式(2)中，Pi為第m監(jiān)測點(diǎn)土壤中重金屬污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；P為第m監(jiān)測點(diǎn)K種土壤重金屬的綜合污染指數(shù)；為第m監(jiān)測點(diǎn)K種土壤重金屬的平均綜合污染指數(shù)；max(Pi)為第m監(jiān)測點(diǎn)K種土壤重金屬中最大綜合污染指數(shù)。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)等級(jí)劃分為清潔、尚清潔、輕度污染、中度污染和重污染五級(jí)，具體劃分方法見表3。

表1 農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值參照表 （單位：mg/kg）

表2 土壤重金屬單因子污染等級(jí)劃分

1.2 耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

耕地自然質(zhì)量是指按照標(biāo)準(zhǔn)耕作制度，在一定的光溫、氣候資源條件和土地條件下，根據(jù)規(guī)定的方法和程序進(jìn)行的耕地質(zhì)量綜合評(píng)定[14]。耕地自然質(zhì)量等指數(shù)評(píng)價(jià)方法如公式(3)、公式(4)所示：

表3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)等級(jí)劃分

公式(3)、公式(4)中，Rij為第i個(gè)分等單元第j種作物的自然等指數(shù)，αj為第j種作物的光溫（氣候）生產(chǎn)潛力指數(shù)，k為分等因素編號(hào)，m為分等因素的數(shù)目，Wk為第k個(gè)分等因素的權(quán)重，fijk為第i個(gè)分等單元內(nèi)第j種指定作物第k個(gè)分等因素的指標(biāo)分值，βj為第j種作物的產(chǎn)量比系數(shù)，Ri為第i個(gè)分等單元的耕地自然質(zhì)量等指數(shù)。

根據(jù)廣東省耕地質(zhì)量等別評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范，深圳的標(biāo)準(zhǔn)耕作制度是二年五熟制，評(píng)價(jià)種植的作物為早稻—晚稻—甘薯，分等單元的自然質(zhì)量等指數(shù)=早稻自然質(zhì)量等指數(shù)+晚稻自然質(zhì)量等指數(shù)+甘薯自然質(zhì)量等指數(shù)的一半。耕地質(zhì)量除了自然質(zhì)量等指數(shù)外，還有耕地利用等指數(shù)和耕地經(jīng)濟(jì)等指數(shù)，其中利用等指數(shù)為自然質(zhì)量等指數(shù)與土地利用系數(shù)的乘積；經(jīng)濟(jì)等指數(shù)為利用等指數(shù)與土地經(jīng)濟(jì)系數(shù)的乘積，然后再根據(jù)不同的質(zhì)量等指數(shù)區(qū)間劃分耕地質(zhì)量等別，依據(jù)現(xiàn)行國家農(nóng)用地分等規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，我國耕地質(zhì)量等別共劃分為1-15等，其中1等地質(zhì)量最好，15等地質(zhì)量最差。

1.3 耕地質(zhì)量修正模型

耕地土壤重金屬污染對(duì)耕地質(zhì)量具有實(shí)際影響，需要把土壤重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)用到耕地質(zhì)量等指數(shù)的修正體系當(dāng)中，本文結(jié)合土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)制定耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)修正模型，模型依據(jù)不同的污染評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行分段修正：①當(dāng)重金屬綜合污染等級(jí)為清潔無污染時(shí)（P≤0.7），不對(duì)耕地質(zhì)量等指數(shù)進(jìn)行修正；②當(dāng)重金屬綜合污染等級(jí)為尚清潔時(shí)（0.7＜P≤1），對(duì)耕地質(zhì)量等指數(shù)進(jìn)行線性衰減修正；③當(dāng)重金屬綜合污染等級(jí)為污染時(shí)（P＞1），對(duì)耕地質(zhì)量等指數(shù)進(jìn)行指數(shù)性衰減修正。耕地質(zhì)量等指數(shù)修正函數(shù)如公式(5)所示：

公式(5)中，R為耕地質(zhì)量等指數(shù)，Ri為第i個(gè)分等單元修正前的耕地質(zhì)量等指數(shù)，P為第i個(gè)分等單元土壤重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域

本文研究的區(qū)域主要為深圳市，研究對(duì)象為深圳市域范圍內(nèi)的所有耕地。深圳市是中國南部海濱城市，毗鄰香港，位于北回歸線以南，東經(jīng)113°46′至114°37′，北緯22°27′至22°52′。地處廣東省南部，珠江口東岸，東臨大亞灣和大鵬灣；西瀕珠江口和伶仃洋；南邊深圳河與香港相連；北部與東莞、惠州兩城市接壤，遼闊海域連接南海及太平洋。根據(jù)深圳市2016年度變更調(diào)查數(shù)據(jù)，2016年底深圳市耕地總面積為5.75萬畝。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用的數(shù)據(jù)主要來源于深圳市耕地質(zhì)量等級(jí)調(diào)查評(píng)價(jià)與監(jiān)測項(xiàng)目課題，具體為：①耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。以2017年深圳市耕地質(zhì)量等別更新評(píng)價(jià)項(xiàng)目成果為主要數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)來源于深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心耕地質(zhì)量項(xiàng)目課題。②土壤重金屬檢測數(shù)據(jù)。以2017年深圳市耕地污染狀況監(jiān)測評(píng)價(jià)項(xiàng)目中的污染監(jiān)測樣點(diǎn)為主要數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)來源于深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心耕地質(zhì)量項(xiàng)目課題。③過程分析數(shù)據(jù)。通過本文研究方法對(duì)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)和耕地污染狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在分析過程中產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析

由于污染狀況數(shù)據(jù)來源于耕地污染狀況監(jiān)測評(píng)價(jià)項(xiàng)目，因此分析所采用的耕地樣點(diǎn)數(shù)據(jù)全部采用耕地污染狀況監(jiān)測評(píng)價(jià)的16個(gè)污染監(jiān)測單元樣點(diǎn)，以下所有的分析都是基于這16個(gè)耕地樣點(diǎn)進(jìn)行的。

3.1 耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)深圳市2017年耕地質(zhì)量等別更新評(píng)價(jià)結(jié)果，16個(gè)耕地樣點(diǎn)的耕地國家質(zhì)量等指數(shù)和國家等別評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

3.2 土壤重金屬檢測

通過對(duì)16個(gè)耕地樣點(diǎn)的土壤進(jìn)行現(xiàn)場采集土樣，把土樣送到具有土壤檢測資質(zhì)的專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行土壤酸堿度和重金屬含量檢測，根據(jù)檢測機(jī)構(gòu)的檢測報(bào)告，16個(gè)樣點(diǎn)土壤酸堿度和重金屬含量檢測結(jié)果見表5。

表5 樣點(diǎn)土壤重金屬檢測結(jié)果 單位：mg/kg

3.3 污染指數(shù)

根據(jù)16個(gè)樣點(diǎn)的土壤酸堿度和重金屬含量檢測結(jié)果，利用單項(xiàng)污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行污染指數(shù)計(jì)算，16個(gè)樣點(diǎn)的污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表6。

從表6中可以看出，鎘、砷、鉛、鉻、鋅五種重金屬所有樣點(diǎn)均未超標(biāo)，銅、鎳和汞部分樣點(diǎn)超標(biāo)。其中5個(gè)樣點(diǎn)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為清潔，6個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為尚清潔，5個(gè)樣點(diǎn)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)出現(xiàn)污染現(xiàn)象。

4 研究結(jié)果

我國當(dāng)前耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)更多是從農(nóng)作物耕作條件和產(chǎn)能方面考量，耕地在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出越多，耕地質(zhì)量越高，本文在當(dāng)前耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系上基礎(chǔ)上，結(jié)合耕地土壤重金屬污染情況對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行修正，綜合考慮耕地產(chǎn)能和耕地土壤污染因素，踐行了綠色發(fā)展理念。根據(jù)耕地質(zhì)量修正模型對(duì)深圳市16個(gè)樣點(diǎn)的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行修正，修正后的耕地質(zhì)量結(jié)果見表7。

修正后的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果與修正前的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行差值對(duì)比，兩者之間的差值對(duì)比情況見表8。

從表8中可看出，樣點(diǎn)DY44030001、DY44030013、DY44030015、DY44030024和DY44030030的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果保持不變，未進(jìn)行修正，根據(jù)表6污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，該五個(gè)樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的綜合內(nèi)梅羅污染指數(shù)均小于0.7，屬于清潔水平，所以不予修正；樣點(diǎn)DY44030017、DY44030018、DY44030038、DY44030009和DY44030049的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果得到了較小幅度的修正，根據(jù)表6污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，該五個(gè)樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)介于0.7和1之間，屬于尚清潔水平，僅對(duì)其耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了線性衰減修正，幅度較??；樣點(diǎn)DY44030006、DY44030008、DY44030023、DY44030029、DY44030031和DY44030033耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果得到了較大幅度的修正，根據(jù)表6污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，該五個(gè)樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的綜合內(nèi)梅羅污染指數(shù)均大于1，屬于污染水平，根據(jù)分段修正模型的假設(shè)，需要對(duì)污染級(jí)別的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行指數(shù)衰減修正，其修正幅度較大。其中DY44030031號(hào)樣點(diǎn)修正幅度最大，國家自然質(zhì)量等指數(shù)、利用等指數(shù)和經(jīng)濟(jì)等指數(shù)分別降低了2837、1272和1170，其對(duì)應(yīng)的國家自然質(zhì)量等、利用等和經(jīng)濟(jì)等分別降低了7等、7等和6等，而DY44030031樣點(diǎn)的土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)也是16個(gè)樣點(diǎn)中最大的，達(dá)到2.34，中度污染級(jí)別。

表6 樣點(diǎn)土壤污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果

表7 樣點(diǎn)修正后的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

從修正結(jié)果與土壤污染綜合情況來看，樣點(diǎn)的修正結(jié)果符合耕地質(zhì)量分段修正模型的假設(shè)，綜合污染程度不同，對(duì)其耕地質(zhì)量結(jié)果的修正程度不同，清潔級(jí)別不予以修正，尚清潔級(jí)別給予線性衰減修正，污染級(jí)別給予指數(shù)衰減修正。修正后的樣點(diǎn)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，是在原有耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，追加了土壤重金屬污染因素的影響，能綜合反映耕地的量和質(zhì)，既體現(xiàn)了原有的耕地產(chǎn)能，也體現(xiàn)出了耕地土壤污染程度，達(dá)到了較好的預(yù)期效果。

表8 樣點(diǎn)修正后與修正前的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果差值對(duì)比

5 結(jié)束語

本文對(duì)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)修正進(jìn)行了初步探討，綜合來看，在耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系當(dāng)中加入土壤污染因素，更能符合當(dāng)代食品安全、綠色發(fā)展的理念，對(duì)耕地產(chǎn)能和土壤污染進(jìn)行綜合考慮，能促進(jìn)評(píng)價(jià)從數(shù)量到質(zhì)量的轉(zhuǎn)變，修正后的耕地質(zhì)量更能反映出耕地的質(zhì)和量。但需要注意的是，由于土壤重金屬檢測結(jié)果受采集土樣影響，其準(zhǔn)確度受土壤采樣方式、采樣位置、人工誤差等重多因素影響，同一塊耕地不同位置的土壤重金屬含量都可能出現(xiàn)比較大的差異，這也是在后繼研究和應(yīng)用當(dāng)中需要考慮的，需要多年連續(xù)采樣和同一地塊多點(diǎn)采集樣本來減少誤差量。由于我國地域遼闊，每個(gè)區(qū)域的地域性特征差異較大，關(guān)于土壤污染對(duì)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的修正模型是否適用于所有區(qū)域，有待進(jìn)一步探討和研究，如果能制定因地制宜的修正模型或參數(shù)，修正結(jié)果將更能符合區(qū)域特色和當(dāng)?shù)貙?shí)際。