三江平原典型農(nóng)墾區(qū)水土質量綜合評價體系研究

何錦，馬雪梅，龐雅婕，牛雪

（中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北保定070151）

水、土資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的核心要素，二者在空間上的匹配程度直接影響著區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與資源的可持續(xù)利用[1-5]。三江平原是我國重要的商品糧基地，也是我國主要的高標準基本農(nóng)田建設區(qū)，其水土資源總體上表現(xiàn)出土地資源豐富，水資源欠缺的態(tài)勢，而并非慣稱的“水土資源豐富”[6-9]。尤其是近幾十年來，人類大規(guī)模的開墾農(nóng)田，導致濕地退化嚴重、水土流失加劇；灌區(qū)大規(guī)模開采地下水，導致地下水位迅速下降、空間上水土資源匹配失衡加劇。因此開展該地區(qū)的水土質量綜合評價顯得十分必要。

一些學者對于該區(qū)域水土資源評價方面開展了一些研究。如馬曉洪等[10]人研究了小三江平原地區(qū)水土資源綜合承載力，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)水土資源承載力處于較弱水平。任守德等[11]利用投影尋蹤主成分分析模型進行了三江平原農(nóng)墾建三江分局農(nóng)業(yè)水土資源承載力評價，評價效果較好。韓麗偉等[12]、劉建英等[13]對三江平原地下水承載力進行評價，但沒有考慮地表水資源的利用以及和土地資源的開發(fā)利用之間的關系。前人研究多集中在區(qū)域尺度評價指標選擇及評價方法研究等方面[14-20]，針對地塊尺度下水土質量綜合評價研究較少。

本文在借鑒區(qū)域土地質量地球化學評價方法的基礎上，選擇與三江平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關水土評價指標因子，利用AHP法建立水土質量綜合評價體系，并以蛤蟆通河流域為例，采用土地利用現(xiàn)狀圖斑為評價單元，對其農(nóng)田土壤及地下水進行綜合評價，其評價結果對當?shù)赝恋刭Y源開發(fā)利用、農(nóng)業(yè)種植結構調整以及地下水資源合理利用都具有重要的意義。

1 水土質量評價指標體系及分級標準

1.1 水土質量的影響因素

本文所指的水土質量是與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關的土地地球化學元素以及相關水環(huán)境條件相互組合、彼此作用所形成的綜合效應。從本質上來說，影響水土質量的主要因素是土壤系統(tǒng)及灌溉水系統(tǒng)。

（1）土壤系統(tǒng)：土壤系統(tǒng)所涉及的影響因素很多。其物理、化學屬性是從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎，但其屬性多達幾十項，彼此之間影響關系復雜。在充分考慮前人開展的土地質量地球化學評價基礎上，選擇國內土地質量評價較為常用的大量養(yǎng)分元素及重金屬元素指標，以增強土地質量評價的科學性和通用性。

（2）灌溉水系統(tǒng)：由于灌溉水源的多樣化，既有地表水又有地下水，制約其質量的因素也有很多。本文針對采用井灌地區(qū)，主要考慮的是地下水水質及水量等方面的指標。

1.2 水土質量綜合評價指標選定

1.2.1 灌溉水質量評價指標體系及分級標準

水土質量綜合評價指標的選定對于評價結果有著重要的影響?；谌皆卮蟮貕K、土壤污染較少、農(nóng)田灌溉多利用地下水等特點，綜合分析影響土地質量的水土指標，確定水土質量綜合評價體系中準則層為地下水質量系統(tǒng)和土地質量系統(tǒng)（圖1）。其中地下水質量系統(tǒng)包括地下水資源保障程度、地下水水質等級、水溫、主要含水層富水性和主要含水層水位埋深等五項指標。每一個指標分為5個級別并給出每一級別的指數(shù)，建立地下水質量指標體系（表1）。

圖1 水土質量綜合評價指標體系Fig.1 Comprehensive assessment indicators system for water and soil quality

地下水資源保障程度方面：主要反映的是地下水資源對于農(nóng)業(yè)用水的供應程度。在參考已有研究成果[14]的基礎上，將其劃分為＞95%、75%～95%、50%～75%、25%～50%、＜25%五個級別進行分級評價。

地下水質方面：主要反映地下水質量是否滿足灌溉用水要求。因《農(nóng)田灌溉水質標準》（GB 5084—2005）中未對適合農(nóng)田灌溉水質的各個指標進行具體分級。本次參照《地下水水質標準》（DZ/T 0290—2015）對灌溉水進行分級評價。

灌溉水溫方面：根據(jù)前人研究成果[21]，農(nóng)業(yè)灌溉水的水溫應大于15 ℃，但不宜高于35 ℃，最適宜農(nóng)作物生長的水溫為26～30℃。按照等距原則將地下水溫劃分為26～30℃、21～25℃或31～35℃、16～21℃、10～15℃、＜10℃或＞35℃五個級別進行評價。

主要含水層富水性和含水層水位埋深方面：參考前人調查成果[22]，區(qū)內主要開采含水層為向陽川組和濃江組潛水含水層，含水層厚度較大，富水性較好，水位埋深為5～30 m；將區(qū)內富水性及地下水位埋深劃分為＞5 000 m3·d-1和＜10 m、3 000～5 000 m3·d-1和10～20 m、1 000～3 000 m3· d-1和20～50 m、500～1 000 m3·d-1和50～100 m、＜500 m3·d-1和＞100 m五個級別進行評價。

式中：F 水文為評價單元水土質量地下水屬性分值；n為評價因子的總數(shù)，F(xiàn)i為第i個評價指標的給定指數(shù)；Ki為第i個評價指標的權重。

表2 灌溉水質量等級指數(shù)表Tab.2 The class index of irrigation water quality

1.2.2 土地質量評價指標體系及分級標準

土地質量系統(tǒng)主要評價指標包括土壤養(yǎng)分元素指標（氮、磷、鉀）和土壤環(huán)境元素指標（砷、鎘、汞、鉛、鉻、鎳、銅、鋅等有毒有害元素）。其中土壤養(yǎng)分地球化學評價在參照國內相應研究成果給出評價標準[23-25]，在氮、磷、鉀等土壤單指標養(yǎng)分地球化學等級劃分基礎上（表3），按照公式（2）計算土壤養(yǎng)分地球化學綜合得分F養(yǎng)綜，根據(jù)計算所得的土壤養(yǎng)分地球化學綜合得分（表4），來判別土壤養(yǎng)分地球化學等級。

表3 土壤養(yǎng)分地球化學評價指標（據(jù)參考文獻[24]）Tab.3 The geochemical assessment indicators of soil nutrients

表4 土壤養(yǎng)分地球化學等級（據(jù)參考文獻[24]）Tab.4 Geochemical classification for soil nutrients

式中：F 養(yǎng)綜為評價單元土壤養(yǎng)分地球化學分值；n為評價因子的總數(shù)；Fi為第i個評價指標的給定養(yǎng)綜指數(shù)；Ai為第i個評價指標的權重。

同時，土壤環(huán)境地球化學評價指標依據(jù)土壤單項污染指數(shù)，其等級為單指標劃分出的環(huán)境等級最差的等級（表5）。按照公式3計算土壤污染物i單項指標污染指數(shù)為Pi。

式中，Ci為土壤中i指標的實測濃度；Si為污染物i在GB15618中土壤污染物二級標準值。

表5 土壤環(huán)境地球化學評價等級（據(jù)參考文獻[25]）Tab.5 Standard value for soil environmental geochemistry classification

1.2.3 層次分析法確定指標權重

本文采用層次分析法[26-27]（AHP）計算各指標權重，具體流程不在贅述，對所篩選出的評價指標進行兩兩判斷比較，計算各層權重；然后分別對每一層的評價指標建立判斷矩陣，進行一致性檢驗，并計算得出各指標在該層中的權重；最后對總體進行一致性檢驗并獲得每一項指標的綜合權重，建立了表6所示的水土質量綜合評價指標體系，包括2項準則層（分別為地下水質量系統(tǒng)、土壤質量系統(tǒng)）和16項評價指標。若評價指標為“+”，則代表該指標為正向指標，表示該指標值越大，水土質量越高；若評價指標為“-”，則代表該指標為負向指標，表示該指標值越大，水土質量越低。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

本次利用“二調”圖斑（自然地塊）作為評價單元進行評價。所謂地塊就是土地自然性狀相對一致的獨立土地單位，是土地質量評價和級別劃分的最小空間單位，在圖上表現(xiàn)為一定大小的圖斑。采用圖斑作為評價單元，能夠增加評價的實際應用性。

表6 水土質量綜合評價指標權重表Tab.6 Water-soil quality comprehensive assessment indicator weights

若同一個評價單元中有多個數(shù)據(jù)則求其平均值作為評價值，當評價單元中沒有評價數(shù)據(jù)時，采用插值方法賦值[28-29]。然后根據(jù)公式1－3計算求得的地下水質系統(tǒng)指標、土壤養(yǎng)分地球化學指標和土壤環(huán)境地球化學指標的分值，按照公式4計算水土質量綜合評價的分值，根據(jù)表7確定水土質量分級結果，并對評價圖斑進行渲染，從而生成水土質量綜合評價圖件。

F為水土質量綜合評價得分；F 水、F 養(yǎng)、F 環(huán)分別為水文地質屬性評價、土壤養(yǎng)分地球化學評價和土壤環(huán)境地球化學評價分值；K 水、K 養(yǎng)、K 環(huán)分別為水文地質屬性評價、土壤養(yǎng)分地球化學評價和土壤環(huán)境地球化學評價權重。

本次將三江平原農(nóng)墾區(qū)水土質量綜合評價等級劃分為5級（表7）：Ⅰ級表示水土綜合質量較高，區(qū)內農(nóng)業(yè)土地質量優(yōu)良，地下水資源保障能力高，有很大的開發(fā)潛力；Ⅱ級區(qū)表示水土質量良好，仍有一定的開發(fā)潛力；Ⅲ級表示土地質量中等或地下水開發(fā)利用水平已經(jīng)很高，進一步開發(fā)的潛力很小，Ⅳ級表示農(nóng)業(yè)土地質量很差，地下水資源已接近或達到臨界值，農(nóng)業(yè)水土地資源已基本開發(fā)殆盡；Ⅴ級表示土地質量及地下水資源已經(jīng)無法支撐當?shù)剞r(nóng)業(yè)繼續(xù)開發(fā)。

表7 水土質量綜合評價等級劃分及圖示表Tab.7 The classification and graphic representation of water-soil quality comprehensive assessment

2 實例分析

2.1 研究區(qū)概況

三江平原位于黑龍江省東北部，是由松花江、黑龍江和烏蘇里江匯流沖積而成的沼澤化低平原。區(qū)內耕地面積為383.24 萬hm2，占三江平原總面積的35.08%，年產(chǎn)糧食130億kg，是我國北方主要商品糧基地。研究區(qū)選擇三江平原核心農(nóng)業(yè)種植區(qū)-寶清縣蛤蟆通河灌區(qū)，隸屬于農(nóng)墾紅興隆分局八五二農(nóng)場，灌區(qū)始建于1979 年，總面積2.96萬hm2。區(qū)內土地肥力充足，土地環(huán)境質量清潔，主要農(nóng)作物為玉米、水稻、大豆。由于近些年來規(guī)模化水稻種植面積的逐年擴大，一些地區(qū)的地下水處于超采狀態(tài)，水土資源存在不合理現(xiàn)象，嚴重制約了當?shù)剞r(nóng)業(yè)的快速發(fā)展[30-31]。

2.2 數(shù)據(jù)來源及評價方法

評價區(qū)主要位于寶清縣蛤蟆通河灌區(qū)，地理坐標132°18'E—133°3'E，46°4'N—46°50'N。評價單元為區(qū)域內第二次土地調查所形成的土地利用現(xiàn)狀圖斑。包括基本農(nóng)田圖斑數(shù)5 281塊，面積1 099 km2，其中旱田843.78 km2，水田256.12 km2。地下水資源保障程度根據(jù)《雙鴨山市2016年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》①雙鴨山市統(tǒng)計局.雙鴨山市2016年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[M]，2017.和《黑龍江農(nóng)墾統(tǒng)計年鑒—2016》②黑龍江省農(nóng)墾總局統(tǒng)計局.黑龍江農(nóng)墾統(tǒng)計年鑒-2016[M]，中國統(tǒng)計出版社，2017.中地下水開采資料和地下水資源量分區(qū)計算獲得，土壤地球化學數(shù)據(jù)來自前人工作成果③張立，劉國棟，崔玉軍，等.黑龍江省“兩大平原”示范區(qū)綜合改革試驗區(qū)寒地富硒土地環(huán)境調查評價報告[R].黑龍江省地質調查研究總院，2017.，含水層富水性、地下水水質、地下水位數(shù)據(jù)來自本次工作獲得資料。評價指標劃分和權重計算方法按照上文所述進行。

2.3 水文地質條件簡述

評價區(qū)位于完達山南麓與撓力河沖積平原交界地帶。在地貌上可以分為南部的構造剝蝕丘陵區(qū)和北部山前臺地與平原區(qū)。丘陵區(qū)為本區(qū)的補給區(qū)，降水量大，植被發(fā)育，切割較深，主要賦存基巖裂隙水。山前臺地和平原區(qū)地形開闊，上層均有厚度不等的亞粘土覆蓋，補給、徑流條件較差，主要賦存第四系松散巖類孔隙水和新近系碎屑巖裂隙孔隙水（圖2、圖3）。

基巖裂隙水含水層為華力西期花崗巖、侏羅系砂巖和白堊系火山巖。水力特征為承壓，含水層厚度20～30 m，水位埋深5～31 m，單井涌水量48～120 m3/d。基巖裂隙水接受大氣降水補給后，絕大部分經(jīng)短途向研究區(qū)北部流動，以泉的形式排出地表流入河流，同時又有一部分潛流至溝谷第四系松散砂礫石含水層中，補給低平原地下水。

圖2 蛤蟆通河流域基本農(nóng)田水文地質簡圖Fig.2 The hydrogeological map of the Hamatong river basin

圖3 研究區(qū)不同類型地下水分布示意剖面圖Fig.3 The groundwater distribution schematic diagram of the Hamatong river basin

第四系孔隙水主要分布于低平原區(qū)，含水巖組由中更新統(tǒng)至全新統(tǒng)沖積、沖湖積、沖洪積砂、砂礫石組成。地下水類型大多屬微承壓水，承壓水頭5～50 m。地下水埋深變化較大，從山前向平原中部埋藏變淺。含水層厚度從山前向低平原中部方向由薄變厚，最厚達68.65 m。富水性從弱到強，單井涌水量從100 m3/d到3 000 m3/d。

新近裂隙孔隙水主要埋藏于第四系之下，埋藏較深，地表未有出露，含水層巖性為泥質粉細砂巖、含礫砂巖，膠結較差。同時，砂礫巖含水層上部覆蓋一層穩(wěn)定的泥巖隔水層，因此該含水層垂向排泄微弱，主要以側向徑流補給為主，水位埋深一般在15～40 m左右，徑流方向與第四系孔隙水流方向一致，即由東南向西北流動，最終排出區(qū)外。

2.4 評價結果

2.4.1 地下水資源保障程度

地下水資源量采用水量均衡法計算，本次地下水資源評價的水量均衡期為2000—2013年，經(jīng)過計算研究區(qū)內農(nóng)田灌溉需水量82.1×104t/km2～109.7×104t/km2，按照地塊地下水資源量和地表水量分區(qū)進行評價。評價結果顯示，剝蝕堆積臺由于地下水資源量較少，多種植旱田，需水量也相對較少，地下水資源保障程度45%～82%（II－IV），一級階地地下水資源較豐富，多種植水田，地下水資源保障程度非常高（I），甚至低洼區(qū)仍為常年積水的洼地。

2.4.2 地下水水質等級

研究區(qū)內共采集水樣111組，機民井點調查285個，按照評價規(guī)范對水樣進行評價，因為地區(qū)地下水為原生鐵錳超標，而《農(nóng)田灌溉水質標準》并未對適合農(nóng)田灌溉水的鐵錳值進行限定，故參照三江平原原生鐵錳的平均背景值5.48 mg/l進行評價。具體評價結果地下水等級為Ⅰ級的77組，結果地下水等級為Ⅱ級的34組。總體評價結果，該區(qū)域內地下水適合或者較適合農(nóng)田灌溉水水質要求，個別地區(qū)除外。

2.4.3 地下水水溫分級評價

參照農(nóng)田灌溉水質標準，農(nóng)灌水的水溫應小于35℃，最適宜植物生長的水溫為27℃，評價區(qū)內地下水水溫6～10℃，比較低。但是通過改進渠道結構、曬水池等方式普遍可以將水溫提高至20～25℃，故將研究區(qū)內水溫全部按第III級別進行評價。

2.4.4 主要開采含水層富水性及埋深

研究區(qū)內主要開采含水層為第四系含水層，含水層巖性為砂、含礫砂和砂礫石，地層富水性較好，北部撓力河和第四系地層厚度大的蛤蟆通河中下游兩岸，地層單井涌水量大于3 000 m3/d。八五三農(nóng)場四分場、五分場和六分場大面積水稻種植，屬于地下水強開采區(qū)，多年無限制的開采地下水已出現(xiàn)降落漏斗，單井涌水量多為1 000～3 000 m3/d，比如八五三農(nóng)場六分場附近區(qū)域。在南部剝蝕臺地等地勢較高地帶，由于含水層厚度較薄，地層單井涌水量一般為500～1 000 m3/d，部分地區(qū)小于500 m3/d。

在第四系孔隙水系統(tǒng)中，地下水總體流向為自東南向西北，最終排泄于撓力河，在八五三農(nóng)場一帶由于大量開采地下水用于農(nóng)業(yè)灌溉，造成地下水埋深增大，水位埋深10～20 m，水位埋深按Ⅱ級進行評價，漏斗區(qū)外平原區(qū)地下水位埋深在1～5 m之間，水位埋深按Ⅱ級進行評價。

2.4.5 水文地質屬性綜合評價結果

運用前文所述水土質量綜合評價方法，以“二調”圖斑作為評價單元，利用ArgGIS中的空間分析功能進行水土質量綜合評價。結果顯示：評價區(qū)基本農(nóng)田水土質量整體級別較高（圖4）。其中I類（優(yōu)良）耕地面積為538.7 km2，占比49.1%；主要分布在河流的河漫灘、一級階地、部分二級階地和河道兩側附近區(qū)域，該地區(qū)地下水資源保障程度高，含水層厚度大，水位埋深較淺；II類（良好）耕地面積為406.9 km2，占比37.1%，主要分布在河流的二級階地、少部分一級階地和水庫周邊及水庫排水溝渠兩側；III 類（中等）地區(qū)面積為153.4 km2，占比13.9%，主要分布在山前或者隆起區(qū)周圍剝蝕堆積臺地，第四系厚度較小、基巖裂隙水富水性差或無地表水使用區(qū)域。

圖4 蛤蟆通河流域基本農(nóng)田水土質量綜合評價圖Fig.4 Comprehensive evaluation of water and soil quality of basic farmland in Humatong river basin

通過與傳統(tǒng)土地質量地球化學綜合評價圖（圖5）進行對比可以發(fā)現(xiàn)：新的水土評價指標體系圖件表現(xiàn)出了蛤蟆通河流域土地養(yǎng)分充足、重金屬污染相對較低的總體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征，但部分地區(qū)地下水富水性較差，地下水資源保障能力較弱，加之長時間無序開采，已出現(xiàn)一定規(guī)模的地下水位降落漏斗，含水層供水能力下降，因此此類地段的水土綜合質量已經(jīng)下降至中等程度，表現(xiàn)出一定程度上的退化趨勢。

因此，在保證現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局條件下，如何合理調配地表水和地下水資源是保障糧食安全生產(chǎn)的首要問題。應該合理布置開采井、提高地表水用水規(guī)模和農(nóng)田灌溉效率，推廣節(jié)水農(nóng)業(yè)，從而保證當?shù)厮临|量不下降，防止水資源枯竭等問題的擴大。

圖5 蛤蟆通河流域基本農(nóng)田土地質量綜合評價圖Fig.5 Comprehensive evaluation of basic farmland soil quality in the Humatong river basin

3 結論

（1）基于對三江平原水土開發(fā)現(xiàn)狀的基本分析，確定了影響當?shù)厮临|量的主要因素，劃分了地下水質量、土地質量兩個二級指標和16個三級指標（地下水資源保障程度、地下水水質等級、含水層富水性及埋深、土壤中氮、磷、鉀、砷等），同時利用層次分析法計算了各指標的綜合權重，以蛤蟆通流域為例構建了三江平原水土質量綜合評價指標體系。

（2）評價結果表明蛤蟆通河灌區(qū)有86.2%的耕地水土質量屬于良好級別以上，只有在部分地下水質量較差地區(qū)，水土質量處于中等水平；與傳統(tǒng)的土地質量調查評價相比，區(qū)內三等土地有明顯的增加，顯示出地下水質量已經(jīng)對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定的制約性。

目前，水土質量綜合評價體系的理論研究和實踐尚處于探索階段，對于各個指標的選取也存在一定爭議。本文中對于地下水質量系統(tǒng)的評價指標選取及等級標準的劃分，還需要根據(jù)具體的評價地段作進一步的研究。