鎘超標耕地的安全利用評價與優化配置方案*

劉霈珈，王龍鳳，吳克寧※,趙華甫

(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083； 2.國土資源部土地整治重點實驗室,北京 100035)

·問題研究·

鎘超標耕地的安全利用評價與優化配置方案*

劉霈珈1， 2，王龍鳳1， 2，吳克寧1， 2※,趙華甫1， 2

(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083； 2.國土資源部土地整治重點實驗室,北京 100035)

[目的]提出分不同pH、不同地類對重金屬超標耕地安全利用評價思路，并以A鎮為例探討了以地類轉換、作物調整、園藝措施或其他適當的修復措施以及農用地轉為非農用地等措施為途徑的優化配置方案。[方法]文章選用單因子污染指數評價法，分不同pH值、水田、旱地、菜地對重金屬鎘超標耕地進行安全利用評價，采用反距離加權插值法得到整個研究區鎘含量空間分布圖。基于安全利用評價結果及其空間分布特征，分不同pH值探討了以地類轉換、作物調整、園藝措施或其他適當的修復措施以及農用地轉為非農用地等措施為途徑的優化配置方案。[結果]通過進一步分析評價結果空間分布特征發現A鎮土壤大部分無污染，其中鎘嚴重污染的水田土壤面積大于旱地土壤面積，空間分布主要受當地人為活動影響。[結論]優化配置方案有效降低了鎘超標耕地的相對污染程度和重金屬對農產品安全的影響程度。

土地管理 鎘 耕地 重金屬 安全利用 優化方案

0 引言

“萬物土中生，有土斯有糧”。土壤是孕育萬物的搖籃，人類文明的基石。2015年7月在中國科技會堂聯合舉辦了“土壤與生態環境安全——國際土壤年在中國”高層論壇上趙其國院士、沈仁芳所長等眾多專家學者提出土壤安全問題已經嚴重制約著國家糧食安全、食品安全、水安全和生態環境安全。土壤重金屬污染是當今環境污染中污染面積最廣、危害最大的環境問題之一，這種污染具有隱蔽性、潛伏性、不易降解、不可逆性、長期性、恢復性且其污染后果相當嚴重。

隨著“鎘”大米等一系列事件的爆發，土壤重金屬污染問題不僅引起普通群眾的關注，國內外專家學者也提出了如：單因子質量指數法、內梅洛綜合污染指數、幾何均值綜合評價模式[1]、污染負荷指數法[2]、地積累指數法[3]、沉積物富集系數法[4]、潛在生態危害指數法[5]，模糊數學法[6]、灰色聚類法[7]、地統計學評價法[8]、健康風險評價方法[9-10]、環境風險指數法[1-12]等眾多的重金屬污染評價方法。國內在土地質量評價領域開展了農用地分等、土地質量地球化學評估、土壤環境質量評價等重要工作，并取得了豐碩的成果。其中，農用地分等成果在土地利用規劃[13]、基本農田建設[14]、耕地質量[15]、耕地產能核算[16]等方面已取得成功應用，土地質量地球化學評估成果也在土壤環境污染程度評定[17]、生態風險評估[18]、礦床地質學研究[9-20]等方面得到廣泛應用。土壤環境質量評價工作也為土壤環境質量分區提供了依據。但目前關于空間配置的研究多數集中在城市土地，缺少針對農用地的優化利用。開展重金屬超標耕地的安全利用評價，探討安全利用優化配置方案，落實質量監測，保障生態安全，促進耕地保護向保數量、保質量和保生態“三位一體”的方向過渡已迫在眉睫。

1 研究區概況

A鎮，地處D市最南端，交通便利，是D市的人口大鎮、工業重鎮、歷史文化特色鎮和市區的重要組成部分。其地勢南高北低； 屬亞熱帶季風氣候，全年溫暖濕潤，熱量條件好，年平均氣溫15.7℃，夏季最熱月平均氣溫28.3℃； 地面水、地下水豐富，蘊藏有豐富的野生植物資源。鎮域平原地區多為水稻土，是重要的商品糧生產基地之一，山地崗丘多為棕壤，紅黃壤和黃棕壤； 常綠闊葉林構成主要植被類型，全市植被覆蓋綠較高。2005年A鎮土地總面積為1.566 314萬hm2，其中，農用地面積為1.018 580萬hm2，其中耕地面積為3622.10hm2。建設用地面積為3577.35hm2，其他土地面積為1900.04hm2，土地利用率87.87%。

根據A鎮1∶10 000土地質量地球化學調查可知：A鎮土壤養分總體較缺乏，其中養分缺乏、較缺乏的面積比例高達70%，養分缺乏的土壤主要分布在丘陵山區； 養分豐富、較豐富的土壤面積比例不足10%，呈小片狀零星分布，中等土壤面積比例為23.61%，呈塊狀分布。A鎮75%的土壤處于清潔—尚清潔等級， 25%的土壤發生不同程度的污染，輕度污染面積比例為19.23%，中度、重度污染土壤面積比例分別為1.56%、3.36%。根據D市耕地質量等級成果可知：A鎮水田、水澆地和旱地的自然質量等等別為3～5等，利用質量等別以4等為主，其次為3等和5等，6等最少，經濟質量等別為4～7等。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

耕地安全利用是指對重金屬超標耕地通過污染等級評定以及采取一系列措施，進而保障農作物生長良好，產出的農產品不危害人類的身體健康。針對此，文章采用單因子污染指數評價法來評定現實的土壤環境質量對人類社會發展需要的滿足程度。這種方法通過環境質量指數的無量綱化，可以充分表征各環境因子對污染貢獻率。該文以重金屬鎘，依據《全國土壤污染狀況評價技術規定》(環發[2008]39號)，將鎘超標耕地劃分為5個污染等級(表1)，探討鎘超標耕地的安全利用優化配置方案。單因子污染指數評價法公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi：污染物i的單項污染指數；Ci：污染物i的實測值；Si：污染物i的單項評價標準值。

它直接反映超標倍數和污染程度，是確定土壤環境管理時的重要依據。Pi≤1時，表示土壤未受污染，Pi>1時，表示土壤受到污染。Pi值越高，污染越嚴重。

表1 土壤環境質量評價分級

等級Pi值大小污染評價IPi≤1無污染Ⅱ15重度污染

通過分析比較不同插值模型(反距離加權(IDW)、局部多項式(LP)、普通克里格(OK)和徑向基函數(RBF))[21]，從土壤重金屬鎘污染區面積估算和空間分布預測精度來看，RBF方法和IDW方法要優于OK方法和LP方法。因此，該文采取反距離加權法對重金屬鎘進行空間插值，以更加準確的得到整個研究區的鎘含量分布圖，并據此作進一步的空間分析。

2.2 數據來源

數據主要來源于D市二調現狀成果(2013年)，D市土地利用總體規劃(2006～2020年)，A鎮土地利用總體規劃(2006～2020)C省D市耕地質量等級成果(2011年)，B市耕地質量生態地球化學調查與等級評價報告(2011年)，D市綜合農業區劃(1983年)，D市統計年鑒(2003～2014年)。

3 實證分析

3.1 安全利用評價

根據《土地質量地球化學評估要求(DD 2008-06)》的布點與分析化驗要求，在A鎮按照16個/km2的采樣密度共布設2457個樣點(圖1)，控制可采樣土地約143 km2。通過反距離加權法得到A鎮鎘含量分布圖(圖2)。

圖1 采樣點分布 圖2 鎘含量空間分布

圖3 鎘超標狀況空間分布(旱地、水田、菜地) 圖4 鎘超標狀況三維空間(旱地、水田、菜地)

表2 鎘污染耕地安全利用評價標準 mg/kg

該文以《土壤環境質量標準》(GB 15618-2008)為評價標準，根據同一種元素在相同pH值狀態下，不同地類不同的安全利用要求分地類進行評價，并據此為后面的優化配置方案提供基礎。但二調現狀成果(2013年)地類中沒有菜地，而水澆地中包含菜地。在考慮實際情況后，該文將位于城鎮周圍的水澆地選取幾塊作為菜地的代表，按照對應pH值下的菜地污染標準值進行污染等級的評價。

根據《土壤環境質量標準》(GB 15618-2008)中的二級標準，在不同pH值、水田、旱地、菜地的評價標準不同(表2)，該文采用單因子指數評價法分地類對鎘污染農用地的污染程度進行計算，得到每個采樣點對應的單因子污染指數值。利用地統計分析模塊中的反距離加權法對其進行空間插值得到整個菜地、旱地和水田的單因子污染指數，然后根據《全國土壤污染狀況評價技術規定》(環發[2008]39號)中的土壤環境質量評價分級標準將其劃分為無污染、輕微污染、輕度污染、中度污染、重度污染5個級別(圖3)。為了空間可視化更清晰，采用ArcScene模塊做出三維延伸立體圖(圖4)。

對于重金屬鎘，A鎮菜地大部分為無污染、其次為輕微污染，再次為輕度污染，只有一塊菜地屬于重度污染且主要分布在i村、t村以及b村附近。旱地中絕大部分區域無污染，污染較重的區域面積非常小且分布區域非常集中，大都集中于城鎮區東部h村與t村交界處，且h村東部是鎘嚴重污染土壤分布最集中、范圍最大的區域。水田中大部分無污染，但污染面積總體較旱地范圍大，其中原因之一為A鎮水田面積大于旱地面積，污染區域主要集中分布在h村的東部，z村東南部，t村的中西部地區以及b村、ak村以及i村交界處，這些地方都是受人類活動影響比較大的區域，與當地人們的生產生活活動密切相關。

3.2 優化方案

盡管土壤中重金屬含量是一定的，但不同的地類安全利用評價標準不同。換言之，雖然土壤中的重金屬含量達到或超過某種二級地類的安全利用標準，卻未必達到另一種二級地類土壤中的重金屬含量的安全利用標準。因此，該文試圖探討通過地類轉換、作物調整或者其他園藝措施來降低相對土壤重金屬超標程度，縮小相對污染面積。

(1)優化方案一：對于重金屬鎘而言，根據《土壤環境質量標準》(GB 15618-2008)中的規定，在pH≤5.5與5.5

通過實地調研和研究區近10年統計年鑒分析得出：首先考慮的是農用地內部用途的轉換，研究區南部丘陵區還可種植茶葉、板栗等； 東部灘涂還可種植百合、蘆葦等經濟作物； 同時部分村莊還種植油菜、大豆等糧油作物。但對于污染十分嚴重的農用地，因修復成本高昂，修復效果不顯著，根據經濟可行性原則將其轉為非農用地。

(2)優化方案二： 6.57.5時，相同的pH值下，土壤中重金屬含量標準存在水田>旱地>水澆地的邏輯關系，水田的安全利用標準較旱地高，菜地的安全利用標準高于水田和旱地，因此主要考慮污染旱地向水田、污染菜地向旱地以及污染菜地向水田等轉化過程中的相對污染程度和范圍降低的過程。而對于受到重金屬鎘污染的水田，則可采取水稻種植過程中的水分管理等園藝措施來降低超標重金屬對植物或人體的危害，也可進行糧—油—經濟等作物間的調整，采取適當的修復措施以及農用地轉為非農用地等措施進行優化布局，以實現重金屬超標農用地的安全利用。

4 結論與討論

該文提出了分不同pH、不同地類對重金屬超標耕地安全利用評價的思路，并以A鎮為例探討了以地類轉換、作物調整、園藝措施或其他適當的修復措施以及農用地轉為非農用地等措施為途徑的優化配置方案來降低超標重金屬對農產品安全的危害程度，進而保證人體健康。

但該文在探討調整地類或將農作物改種非糧食作物等方式時不夠深入，優化方案的設計方法不夠細致，雖然提出了具體到農作物之間的調整方案，但缺乏具體農作物安全利用指標標準值，在今后的研究中可以精細到根據每種作物對重金屬的安全利用標準，有利于將對某些重金屬安全利用標準值低的改為種植對重金屬安全利用標準值較高的作物。

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THE SAFETY UTILIZATION EVALUATION AND OPTIMIZATION SCHEME OF HEAVY METAL Cd OVER STANDARD CULTIVATED LAND

Liu Peijia1,2, Wang Longfeng1,2, Wu Kening1,2※, Zhao Huafu1,2

(1.School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing100083,China; 2. Key Laboratory of Land Regulation Ministry of Land and Resources, Beijing100035, China)

Evaluating and optimizing heavy metal over standard cultivated land are the basic requirements to protect cultivated land in new development period of China. This paper used single factor pollution index evaluation method to evaluate the heavy metal over standard cultivated land of paddy, dryland and vegetable field on the basis of different pH. Then it analyzed the space distribution characters with inverse distance weighted interpolation method. The evaluation results indicated that most of soilswere clean and the severe contaminated areas inpaddy soils were larger than that in dryland. The contaminated areas were affected by local human activities. Finally, it put forward some countermeasures to reduce the relative contaminated degree of Cd over standard in cultivated land and the heavy metal contaminated degree to the safety of agricultural products, such as changing land use types andcrops, transforming agricultural land into non-agricultural land.

land management; Cd; cultivated land; heavy metal; safety utilization; optimization scheme

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170512

2016-04-06

劉霈珈(1989—)，女，甘肅慶陽人，博士。研究方向：土地資源評價與利用規劃。※通信作者：吳克寧(1963—)，男，北京人，教授、博士生導師。研究方向：土地評價與土地規劃。Email：wukening@cugb.edu.cn

*資助項目：國土資源部公益性行業科研專項課題“重金屬超標農用地安全利用管控技術研究”(201511082-2)

F301.2; X53

A

1005-9121[2017]05081-05