山地壩區(qū)耕地質量地球化學評價及應用探討

孔鵬飛，毛治超，郭 宇，任光明

(1貴州省地礦局102地質大隊，貴州 遵義 563003；2長江大學資源與環(huán)境學院，湖北 武漢 430100)

0 引 言

耕地是最寶貴的自然資源之一，是農業(yè)生產之要、糧食安全之本?？λ固氐孛驳貐^(qū)坡耕地比重大，地塊零星破碎，而壩區(qū)具有良好的土地耕作條件，且多具交通區(qū)位優(yōu)勢，生產配套設施較齊備，是喀斯特地貌地區(qū)耕地資源中的精華，對于保障糧食安全和蔬菜供應具有無法替代的重要作用，同時在脫貧攻堅以及農村產業(yè)結構優(yōu)化調整中有不可替代的作用。

耕地質量評價從屬與土地評價。山地地區(qū)耕地質量總體水平偏低且差異性顯著，局部存在重金屬富集的現(xiàn)象，因此對耕地進行科學全面的調查評價工作，是制定合理的耕地保護利用制度的重要基礎。隨著貴州省1：5萬耕地質量地球化學調查評價工作的啟動，泗渡壩區(qū)隸屬的匯川區(qū)為第一階段開展工作52個區(qū)/縣之一，于2018年完成調查評價。

該文以匯川區(qū)泗渡壩區(qū)耕地土壤為評價對象，對區(qū)內耕地表層土壤進行采樣分析，借助土地質量地球化學調查與評價數(shù)據(jù)管理與維護(應用)子系統(tǒng)，以耕地圖斑為評價單元，針對壩區(qū)耕地進行地球化學評價，同時結合農作物的調查評價，查明了壩區(qū)耕地土壤的地球化學綜合質量及農作物質量，為壩區(qū)耕地管護、農業(yè)種植規(guī)劃等提供了重要的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

泗渡壩區(qū)隸屬于遵義市匯川區(qū)泗渡鎮(zhèn)，位于遵義城區(qū)北郊大婁山南麓，距市中心約26 km，南接高坪鎮(zhèn)，西鄰沙灣鎮(zhèn)，北連板橋鎮(zhèn)，交通便利，見圖1。氣候溫和，雨量充沛，森林覆蓋率31 %。研究區(qū)為一個山間平壩，耕作條件、耕地質量整體較好，產水稻、糧油、果蔬，為黔北“糧油重鎮(zhèn)”泗渡鎮(zhèn)的糧食主產區(qū)。

研究區(qū)內出露的地層時代主要為二疊系、三疊系、奧陶系，成土母巖主要為泥巖、頁巖、灰?guī)r。土壤類型主要為水稻土、石灰土、黃壤土等。

2 樣品采集與測試

耕地表層土壤樣品采集以1：5萬地形圖以及二調圖斑為底圖，疊加項目區(qū)最新的高清衛(wèi)片，對點位進行布設，共采集151件耕地表層土壤樣品，采樣點密度約為9點/km2，采樣時間為10月至次年3月，避開了耕作及施肥期，采樣點距離主干道路100 m以上，同時避開明顯存在污染地段、垃圾堆放區(qū)域，田埂等。采樣時，刨除地表含落葉雜草的腐殖層，采樣坑深度稍>20 cm，0～20 cm連續(xù)采集土柱。每個樣品由1個主樣坑，4個與主坑相距20～50 m子樣坑內采集近似等量的土壤混勻組成，子坑采用“X”或“S”形布局，樣品原始重量約為1 500 g。土壤樣品風干、敲碎，過20目尼龍篩后送樣測試。

圖1 研究區(qū)區(qū)位交通圖

農作物水稻樣品于水稻收獲盛期10月份進行采集，根據(jù)壩區(qū)內水稻種植情況，以約0.15公頃的水田為1個采樣單元，在1個采樣單元內選取約20株水稻，連根拔起，取稻穗混勻為1個樣品，重量約3 kg，同時抖落根部攜帶的土壤，混勻，取約1 500 g為根系土壤樣，共采集15件水稻樣品。

樣品測試由貴州省地礦局中心實驗室按《生態(tài)地球化學評價樣品分析技術要求》執(zhí)行。各元素測試方法及檢出限見表1。準確度和精度采樣國家一級標準物質進行控制，每種元素的分析準確度和精密度合格率均高于98 %；每種元素報出率均高于99 %。

表1 耕地表層土壤各元素檢出方法及檢出限

3 耕地質量地球化學評價方法

該次評價依據(jù)《土地質量地球化學評價規(guī)范》(DZ/T0295—2016)、《貴州省耕地質量地球化學調查評價總體設計》《貴州省富硒土壤評價分級標準》(試行)、以及貴州省最新鍺元素含量評價分級及富鍺標準，基于Arcgis平臺進行數(shù)據(jù)處理和圖件繪制。

3.1 評價指標與評價單元

評價指標選取影響耕地土壤質量的主要因素，即土壤養(yǎng)分指標、土壤環(huán)境指標、農作物特色及重金屬元素含量指標。土壤養(yǎng)分指標包括有機質、N、P、K、B、Mo、Se、I、F、Ge、Cu、Zn、Co、V；土壤環(huán)境指標包括pH、Cd、Hg、Pb、As、Cr、Cu、Ni、Zn、Tl；農作物評價指標包括As、Cd、Cr、Hg、Pb、Se、Ge。

評價單元為匯川區(qū)泗渡壩區(qū)1：

5萬耕地圖斑及農作物水稻。借助中國地質調查局發(fā)展研究中心開發(fā)的土地質量地球化學調查與評價數(shù)據(jù)管理與維護(應用)子系統(tǒng)，運用插值法，使每個耕地圖斑都具有可以進行評價的數(shù)值。農作物采用單點評價。

3.2 土壤養(yǎng)分地球化學評價

該文從營養(yǎng)元素、有益元素單指標以及土壤養(yǎng)分綜合等級等方面進行評價，將營養(yǎng)元素指標劃分為豐富、較豐富、中等、較缺乏和缺乏五個等級，有益元素碘、氟劃分為缺乏、邊緣、適量、高和過剩5個等級。

依據(jù)《土地質量地球化學評價規(guī)范》(DZ/T0295—2016)、貴州省土壤富硒標準、鍺含量等級劃分標準見表2、表3。本次評價將硒元素劃分為7個等級，其中特級、一級、二級、三級4個級別為富硒，鍺元素劃分為5個等級，其中一等、二等為富鍺。

選取氮、磷、鉀單指標養(yǎng)分等級，按照下面公式計算土壤養(yǎng)分地球化學綜合得分/養(yǎng)綜：

式中：

f養(yǎng)綜—壤氮、磷、鉀評價總得分1≤f養(yǎng)綜≤5；

表2 貴州省富硒土壤劃分標準(單位：mg/kg)

表3 貴州省土壤鍺等級劃分標準(單位：mg/kg)

ki—氮、磷、鉀權重系數(shù)，分別為0.4、0.3和0.3(經貴州省耕調辦專家組討論后確定該系數(shù))；

fi—土壤氮、磷、鉀的單元素等級得分，單指標評價結果為五等、四等、三等、二等、一等時所對應的fi得分分別為1分、2分、3分、4分、5分。土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級劃分見表4。

表4 土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級劃分表

3.3 土壤環(huán)境地球化學評價

3.3.1 土壤總鎘、總汞、總砷、總鉛、總鉻

見表5、表6。土壤中污染物含量(Ci)對照《土壤環(huán)境質量農用土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618—2018)中的篩選值(Si)，見表5，管制值(Gi)，見表6。將土壤風險程度分為3類。

Ⅰ類：Ci≤Si，一般認為無土壤污染風險或風險很低可忽略，應優(yōu)先保護；

Ⅱ類：Si

Ⅲ類：Ci>Gi，一般認為風險較高，應該劃為嚴格管控。

3.3.2 土壤總銅、總鎳、總鋅、鉈

對照《土壤環(huán)境質量 農用土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618—2018)中的篩選值(Si)(表)將土壤風險程度分為二類：

Ⅰ類：Ci≤Si，無土壤污染風險或風險很低可忽略，應優(yōu)先保護；

表5 農用地土壤污染風險篩選值

注：①重金屬和類金屬砷境均按元素總量統(tǒng)計；②對于水旱輪作地，采用其中較嚴格的含量限值；③《土壤環(huán)境質量 農用土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618—2018)，單位：mg/kg。

表6 農用地土壤污染風險管制值

注：《土壤環(huán)境質量 農用土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618—2018)，單位：mg/kg。

Ⅱ類：Ci>Si，存在一定的土壤污染風險。3.3.3 土壤環(huán)境質量評價

表7 基于單項污染物的農用地土壤環(huán)境質量評價分類

基于單項污染物的農用地土壤環(huán)境質量評價分類見表7。

評價單元土壤環(huán)境質量類別按照級別優(yōu)先選擇風險較高的污染物的類別進行劃定。

3.4 土壤質量地球化學綜合等級劃分

利用依據(jù)《土壤環(huán)境質量 農用土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618—2018)評價確定的土壤環(huán)境質量結果，結合按《按土地質量地球化學評價規(guī)范》(DZ/T0295—2016)評價確定的土養(yǎng)分綜合質量結果，以及規(guī)范要求的土壤質量地球化學綜合等級含義，對耕地土壤質量地球化學綜合等級進行劃分，結果見表8。

3.5 農作物安全性評價

該次農作物水稻的安全性評價，采用單因子指數(shù)法進行評價，計算公式為：

Eij=Cij/Lij

式中：

Eij—農產品i中污染物j的單因子超標指數(shù)；

Lij—農產品i中污染物j的食品國家安全標準限值；

Cij—農產品i中污染物j的含量值測定，單位與Lij保持一致。

根據(jù)Eij值的大小，將農產品超標程度分為3級，農產品單項污染物超標程度分級見表9。

表8 耕地土壤質量地球化學綜合等級劃分及圖示含義

表9 農產品單項污染物超標程度分級

4 結果與討論

4.1 耕地土壤養(yǎng)分地球化學等級特征

4.1.1 土壤中必須養(yǎng)分元素單指標等級特征

研究區(qū)內耕地土壤營養(yǎng)元素指標地球化學等級評價結果見表10。研究區(qū)耕地土壤有機質以二等(較豐富)為主，面積為1.6756萬畝，占耕地面積的67.08 %，西部的幸福村、南部的泗渡居中等耕地所占的比例較大；大量營養(yǎng)元素氮元素以二等(較豐富)為主，面積1.7156 萬畝，占耕地總面積的68.68 %；磷元素以二等(較豐富)為主，面積1.5578 萬畝，占耕地面積的62.37 %；鉀元素以二等(較豐富)為主，面積1.2891萬畝，占耕地面積的51.61 %，其中大量元素在南部的泗渡居、松杉村等級相對較低，中等耕地分布較多。微量元素錳以三等(中等)為主，面積0.8160 萬畝，占耕地面積的32.67 %，其中北部的婁山關村、板橋村錳等級較好；鋅、銅、硼、鉬、鈷、釩元素均以一等(豐富)為主，一等耕地分別占耕地面積的比例為88.70 %、82.52 %、95.71 %、99.11 %、69.99 %、71.21 %，其中鈷、釩元素在幸福村、觀壩村、松杉村含量相對較低，二等耕地分布較多。

4.1.2 土壤中有益特色元素等級特征

耕地土壤有益特色元素地球化學等級評價結果見表10、11、12。硒、鍺、碘、氟為人體必需的有益元素，與人體健康有密切關系。區(qū)內耕地土壤硒元素以二級富硒為主，見圖2。占區(qū)內耕地面積比例的86.12 %，區(qū)內富硒耕地占耕地總面積的99.59 %，無硒含量過剩的耕地。鍺元素以四級為主，占區(qū)內耕地面積的48.11 %，富鍺耕地較少，僅占區(qū)內耕地面積的3.15 %，且分布零散，中部的觀壩村、松杉村鍺等級相對較高。碘元素以適量為主，占區(qū)內耕地總面積的69.07 %，無碘元素含量過剩耕地。氟元素以過剩為主，占區(qū)內耕地面積的98.58 %。

表10 耕地土壤養(yǎng)分元素地球化學等級統(tǒng)計表(單位：萬畝)

表11 耕地土壤碘、氟元素地球化學等級統(tǒng)計表(單位：萬畝)

表12 耕地土壤硒元素地球化學等級統(tǒng)計表(單位：萬畝)

圖2 耕地土壤硒等級分布圖

4.1.3 土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級

研究區(qū)內耕地土壤養(yǎng)分綜合等級以較豐富為主，見圖3。面積1.8461萬畝，占區(qū)內耕地73.91 %；中等的耕地面積0.5940萬畝，占區(qū)內耕地面積的23.78 %，主要集中分布在南部的泗渡居、松杉村；豐富的耕地面積0.0578萬畝，占區(qū)內耕地面積的2.31 %，集中分布在北部的婁山關村、板橋村。區(qū)內無養(yǎng)分綜合等級為較缺乏、缺乏的耕地。

圖3 耕地土壤養(yǎng)分綜合等級圖

4.2 耕地土壤環(huán)境地球化學等級特征

4.2.1 耕地土壤酸堿度等級特征

耕地土壤酸堿度等級見表13，圖4。研究區(qū)內耕地土壤酸堿度以中性為主，面積為1.391 萬畝，占區(qū)內耕地的55.69 %，集中分布在中部、北部地區(qū)。酸性-強酸性耕地0.9407 萬畝，占區(qū)內耕地面積的37.66 %，主要分布在南部地區(qū)。堿性土壤0.1661萬畝，占區(qū)內耕地的6.65 %，分布較零散。

表13 耕地土壤酸堿度等級統(tǒng)計表(單位：萬畝)

4.2.2 土壤重金屬單指標及環(huán)境綜合等級

研究區(qū)內耕地土壤環(huán)境地球化學等級評價結果見圖5、表14。Cr、Pb、Hg、Zn、Ni 5種重金屬元素的環(huán)境地球化學等級全部為優(yōu)先保護類。As、Cu、Tl 3種重金屬元素環(huán)境地球化學等級為優(yōu)先保護類的耕地占比分別為97.75 %、99.79 %、99.67 %，安全利用類耕地占比分別為2.25 %、0.21 %、0.33 %。鎘元素環(huán)境地球化學等級以優(yōu)先保護類為主，占比為81.43 %，安全利用類類耕地占比為18.57。

圖4 耕地土壤酸堿度等級圖

圖5 耕地土壤環(huán)境質量綜合等級圖

表14 耕地土壤環(huán)境元素地球化學等級統(tǒng)計表(單位：萬畝)

4.3 農作物質量及安全性評價

研究區(qū)地勢較平坦，水源充足，農作物以水稻為主。該次工作在區(qū)內共采集了15件水稻樣品，樣品分析測試結果見表15。水稻中砷、鎘、鉻、汞、鉛6種重金屬元素含量均未超標，鍺元素含量較低，介于0.003～0.006 mg/kg之間。硒元素含量等級較好，5件樣品達到富硒水稻標準(0.04～3 mg/kg)，其余樣品的硒含量介于0.02～0.04 mg/kg。

表15 水稻樣品元素分析測試結果統(tǒng)計表(單位：mg/kg)

4.4 耕地土壤質量地球化學綜合等級

將土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級與土壤環(huán)境地球化學等級疊加，得到土壤質量地球化學綜合評價結果見圖6，表16，研究區(qū)內耕地土壤質量綜合等級較好，以一等(優(yōu)質)為主，面積1.4627 萬畝，占區(qū)內耕地面積的58.56 %，二等(良好)耕地面積0.5190 萬畝，占區(qū)內耕地面積的20.78 %，三等(中等)耕地面積0.5161 萬畝，占區(qū)內耕地的20.66 %。區(qū)內無差等、劣等耕地?？傮w上，中部、北部耕地土壤質量等級以優(yōu)質為主，南部以中等-良好為主。

4.5 耕地質量地球化學評價成果應用探討

耕地質量地球化學調查評價對山地壩區(qū)具有很強的實用性，是對壩區(qū)耕地進行科學管理和發(fā)展綠色農業(yè)的基礎，研究成果可以在壩區(qū)耕地質量等級評價、500畝以上壩區(qū)范圍調整、壩區(qū)種植結構優(yōu)化及特色農業(yè)規(guī)劃、土地整理中廣泛應用，對壩區(qū)耕地數(shù)量、質量、生態(tài)“三位一體”保護管理工作具有重要的意義。

4.5.1 壩區(qū)耕地質量等別更新

國土部門開展的耕地質量等別更新工作，對農用地分等的依據(jù)一般為土壤質地、肥力、坡度、灌溉保障等對農業(yè)生產活動產生直觀影響的要素，而缺少耕地土壤重金屬含量等級、農作物安全性以及特色性等要素，可能會存在耕地質量等別較高，但存在重金屬含量超標的耕地，或者

表16 耕地土壤質量地球化學綜合等級統(tǒng)計表(單位：萬畝)

圖6 耕地土壤質量綜合等級圖

耕地質量等別較低，但是農作物達到富硒、富鍺標準的耕地，通過對壩區(qū)耕地質量地球化學調查評價工作的成果，恰好可以彌補這一不足。在耕地質量等別更新的工作中，在原有的分等定級指標體系中，考慮增加土壤環(huán)境質量等級以及農作物安全性特色性等因素。泗渡壩區(qū)內存在土壤環(huán)境質量較好，無嚴格管控類耕地，Cd、As、Cu、Tl元素存在一定比例的安全利用類，建議對這類地塊以及所種植的農作物加以監(jiān)測；同時在壩區(qū)內發(fā)現(xiàn)5件富硒水稻，而且其余水稻樣品硒含量也較好。建議在原分等定級的指標體系中加入這幾種重金屬元素，同時考慮地塊中農作物的安全性以及特色性。

4.5.2 500畝以上壩區(qū)范圍的調整

貴州省于2019年頒布的《貴州省500畝以上壩區(qū)種植土地保護辦法》對500畝以上壩區(qū)的的界定，是指位于地形坡度小于6度的壩區(qū)內，相對集中連片的耕地、園地。保護辦法中提出可以劃入壩區(qū)的土地范圍包括：①土地利用總體規(guī)劃確定的允許建設區(qū)、有條件建設區(qū)內，經有權限的部門批準調整為一般農田、園地的種植土地；②批而未供、供而未用土地中，經有權限的部門批準撤銷批準文件，并調整為一般農田、園地的種植土地。通過對壩區(qū)耕地質量地球化學調查評價工作取得的成果，根據(jù)壩區(qū)發(fā)展的需要，可以對壩區(qū)范圍進行優(yōu)化調整，將符合條件的優(yōu)質耕地劃入壩區(qū)范圍內。

4.5.3 壩區(qū)種植結構優(yōu)化及特色農業(yè)規(guī)劃

為了發(fā)揮壩區(qū)耕地資源的優(yōu)勢，壩區(qū)內耕地多通過土地流轉，一部分由土地所屬村級行政主體牽頭成立的合作社來統(tǒng)一經營，一部門為私人業(yè)主承包獨立經營。由于經營主體較多，壩區(qū)內耕地種植的作物種類較多，有蔬菜、水稻、果樹、其他經濟作物等，流轉后的土地多種植蔬菜、果樹以及少量其他經濟作物，在壩區(qū)邊緣以及地塊較小的區(qū)域，則多種植水稻。壩區(qū)內耕地在流轉前多為水田，且耕地土壤硒元素含量等級較好，發(fā)現(xiàn)富硒水稻樣本，建議對富硒水稻樣品的所在地塊開展進一步研究工作，并對壩區(qū)內不同種類農作物開展安全性以及特色性的調查評價，推廣種植對硒元素吸收富集系數(shù)高的農作物，發(fā)揮壩區(qū)富硒耕地的資源優(yōu)勢。

4.5.4 壩區(qū)土地整治

土地整治的目的是提高土地的利用效率，農田整治是土地整治的重要內容。耕地土壤中營養(yǎng)元素、有機質含量缺乏時，將不能給農作物提供充足的養(yǎng)分，會一定程度上影響作物的正常生長；土壤中重金屬元素的存在或含量超標，可能會導致農產品中重金屬元素含量超標，進而危害人體健康。對這些區(qū)域應開展相應的土地整治工作，提升耕地綜合質量，改善生產條件，提高耕地的利用效率和農民的收益。

4.5.5 壩區(qū)農業(yè)生產

耕地質量地球化學調查評價對壩區(qū)農業(yè)生產中的作物種植規(guī)劃布局、配方施肥等具有重要的指導意義。泗渡壩區(qū)內耕地土壤肥力條件較好，可以根據(jù)作物對不同養(yǎng)分元素的需求量的差異，對農業(yè)施肥、種植結構進行科學合理的調整，充分利用壩區(qū)優(yōu)良的耕地條件，促進農業(yè)生產增產、農民增收。

5 結 語

(1)研究區(qū)內耕地土壤肥沃、氣候溫和、降雨充沛，是黔北和匯川區(qū)重要的大壩之一。區(qū)內耕地質量好，地球化學質量綜合等級全部為中等及以上等級，其中優(yōu)質、良好等級的耕地占79.34 %，中等耕地占20.66 %。

(2)區(qū)內耕地土壤養(yǎng)分綜合等級好，全部為中等及以上等級，其中豐、較豐等級耕地占76.22 %，中等耕地占23.78 %。土壤中磷、鉀、錳元素含量在研究區(qū)南部相對較低，氟元素在區(qū)內含量較高，過剩等級占98.58 %。

(3)區(qū)內耕地土壤環(huán)境質量綜合等級較好，無嚴格管控類耕地。區(qū)內存在一定比例的安全利用類耕地，主要是受鎘、砷元素的環(huán)境等級的影響，受控于地質背景。

(4)壩區(qū)耕地質量地球化學調查評價具有較強的實用性，可以廣泛的應用于山地壩區(qū)耕地的分等定級、壩區(qū)規(guī)劃及產業(yè)結構調整、壩區(qū)土地整治和農業(yè)生產活動中。