青島市新機場建設耕作層土壤質量評價與剝離深度的確定

曲雪光, 孫義曉, 傅希琰

(1.青島市勘察測繪研究院, 山東 青島 266032;2.海陸地理信息集成與應用國家地方聯合工程研究中心, 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]。在中國城鎮化和工業化建設過程中，由于耕作層土壤資源的重要性認識不夠，導致耕作層土壤資源破壞十分嚴重，對耕作層土壤的再利用率也較低，嚴重影響著我國的耕地安全、糧食安全和生態安全。因此，為了保護稀缺的耕作層土壤資源，在各種生產建設中項目必須科學地進行耕作層土壤剝離[3-4]。開展建設占用耕地耕作層土壤剝離工作，不僅是我國法律規定用地單位的一項基本義務，也是嚴格耕地保護的一項重要措施，對保護土地資源，提高新增耕地質量，堅守耕地紅線和保障國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，但針對耕作層土壤剝離深度確定的方法還不完善。本文通過研究青島市新機場建設耕作層土壤剝離質量評價工作，積極探索耕作層土壤剝離的土壤質量評價方法，根據土壤質量等級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。

1 青島新機場建設耕作層土壤剝離工程概況

青島市新機場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內，距離青島市中心約40 km。地處北溫帶季風區域，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，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，季節性變化明顯，屬季節性河流。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平原地貌，河流堆積地貌主要為沖洪積平原，所處大地構造單元相對穩定。工程建設包括飛行區、航站區、工作及附屬區，占地總面積為1 542.65 hm2,是國家民航“十二五”規劃建設的重點工程。

2 土壤質量評價指標設計原則及評價指標的構建

2.1 土壤質量評價指標設計原則

土壤質量評價指標是土壤質量評價的具體形式。土壤質量評價指標的選取應遵循以下原則： ①有效性原則。選取的指標應能正確反映出土壤的基本功能，是土壤中決定物理、化學及生物學過程的主要特性，對表征土壤功能是有效的。 ②敏感性原則。選取的土壤質量指標對土壤利用方式、人為擾動過程、土壤侵蝕強度及程度的變化有足夠敏感的反應。指標的敏感性要以監測土壤質量變化的時間尺度而定。 ③實用性原則。選取的土壤質量指標要易于定量測定，簡便實用。在田間或實驗室測定時，測定過程應穩定、誤差低，具有較高的再現性與適宜的精度水平。 ④通用性原則。堅持綜合、系統的觀點，通過分析各種土壤特性在土壤質量形成中的主次作用，選取有重要影響的指標，不能遺漏制約土壤生產力的主要指標，也不能無限制地擴大指標的選擇面，使整個指標體系復雜化。

2.2 土壤質量評價指標的構建

根據指標設計原則，對耕作層土壤剝離理念及其目標要求進行深入分析，結合耕作層土壤剝離項目特點，提出土壤質量評價指標體系[6]。土壤質量評價指標體系可分為兩大類，一類是描述性指標，即定性指標；另一類是分析性定量指標，選擇土壤的各種屬性進行定量分析，確定數據指標的閾值和最適值。根據分析性定量指標的性質，土壤質量的評價指標分為土壤物理指標、土壤化學指標、土壤生物學指標，它們的不同組合可以反映出土壤維持和促進植物生長、抵抗侵蝕、促進人體和動植物健康和維持土壤生態系統穩定的功能。具體可以分為3個方面： ①土壤理化性質指標。土壤物理狀況對植物生長和環境質量有直接或間接的影響。土壤物理指標包括土壤質地、粒徑分布、土層厚度、根系深度等。 ②土壤肥力指標。土壤中各種養分包括土壤有機質、氮、磷、鉀的有效量、土壤pH值等。 ③土壤污染指標。土壤中存在不同重金屬含量及農藥殘留，直接影響耕作層土壤的利用及后期植物生長、動物和人類健康。土壤污染指標包括鉛、鉻、鎘、砷、汞、銅、六六六、滴滴涕等。

3 土壤質量評價方法

3.1 土壤肥力質量評價方法

選取有機質、有效磷、速效鉀、全氮4個因子作為評價指標，模糊隸屬度模型作為評價方法。采用相關系數法確定評價因子的權重，即將單項評價指標間的相關系數平均值占所有指標相關系數平均值總和的比重，作為該項指標的權重。用戒上型隸屬度函數作為土壤有機質、有效磷、速效鉀、全氮隸屬度函數，其相應的隸屬度函數I(X)[7]為：

(1)

根據全國第二次土壤普查養分分級標準，參照其他省市耕地土壤養分分等定級標準，以養分指標定級標準中的極低水平的0.5倍作為函數的轉折點X1的值，高級水平的下限值定為函數的轉折點X2的值，各指標隸屬度函數轉折點X1，X2(表1)。

表1 耕地土壤養分分等定級標準g/kg

根據各指標的權重和隸屬度計算土壤肥力質量指數

IFI=∑Wr×Ii

(2)

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

3.2 土壤重金屬及有機物污染評價方法

選取鉛、鎘、汞、砷、鉻、銅6項重金屬和六六六、滴滴涕2項難降解的有機物作為污染評價指標，采用單因子污染指數(PI)和內梅羅綜合污染指數(PN)分別進行評價[8]，按公式(3)計算

(3)

式中：PI——單項污染指數；Ci——土壤i元素實測值；C1，C2，C3——國家土壤環境質量標準中的1,2和3級標準值[9]； PN——內梅羅污染指數； PIAve——單項污染指數均值； PIMax——單項污染指數最大值。

根據內梅羅污染指數將土壤劃分為不同污染等級(表2)。

表2 土壤重金屬及有機物污染等級劃分

3.3 SQI指數綜合評價方法

以土壤肥力對土壤綜合質量的正面貢獻、土壤重金屬及難降解的有機物對土壤綜合質量的負面影響為基本依據，結合最小養分定律及土壤重金屬及有機物污染評價方法，采用了SQI指數法(公式4)評價土壤綜合質量，評價標準詳見表3。

(4)

式中：SQI——土壤綜合質量指數； SFI——土壤養分指數，計算方法為：SFI=土壤養分的實測值Si/國家養分指標定級標準中高級標準下限值X2(見表1)； SFIMin——SFI最小值； SFIAve——SFI均值； PI——土壤污染物的實測值Ci/國家土壤環境質量標準中的一級標準值C1。

表3 土壤質量指數(SQI)評價標準

4 青島新機場建設耕作層土壤質量評價與剝離深度的確定

4.1 土壤踏勘、調查

實地踏勘剝離區、存儲區、回覆區地形和地類情況，依據土地利用現狀圖、土地利用總體規劃、耕地地力調查結果、耕地地力等級分布等資料，初步判定污染狀況、耕作層厚度、土壤質量、容重、pH值、有機質、地類分布、土壤類型、耕地等級等基本情況。

4.2 土壤采樣點的選擇及測試

項目區地貌類型為剝蝕堆積準平原地貌、土地利用類型以耕地和園地為主，依據《膠州市耕地地力調查點點位圖》，項目區耕地地力等級主要為1—4級，無5和6級耕地。根據膠州市耕地等別劃分，項目區耕地國家利用等別為6—9等(全國耕地按照1—4等、5—8等、9—12等、13—15等劃分為優等地、高等地、中等地和低等地)。考慮以上因素，初步判定項目區耕地地力等級總體水平較好，土壤肥力較好，沒有受污染的土壤，因此不需要加大取樣點密度。依據土地利用現狀圖，結合圖斑或耕作田塊單元，采用棋盤式布設方式，在空間上均勻選擇12個采樣點，覆蓋不同的地貌單元。采樣點主要分布于水澆地和果園地類區域，1—8號采樣點的地類為水澆地，9，11號采樣點的地類為果園，10，12號采樣點的地類為水澆地。嚴格按照土壤調查原則及要求，測試化驗土壤pH值、土壤有機質、土壤有效磷、土壤速效鉀、全氮5項結構指標；鉛、鎘、汞、砷、鉻、銅、六六六、滴滴涕8項污染指標，共13項指標。

4.3 土壤養分等級劃分

對所測土壤樣本的數據與國家標準進行對照，按照土壤養分等級，“極高、較高、高、中、低、極低”6個等級進行評價(表4)。

表4 土壤養分含量分級標準

4.4 確定權重

根據土壤養分特點和各養分指標在土壤肥力構成中的貢獻，參考歷史資料和有關專家的意見確定土壤養分各參評指標權重值(W)，結果分別為：有機質0.3，全氮(N)0.25，有效磷(P)0.25，速效鉀(K)0.2。

4.5 土壤肥力評價

根據各采樣點數據得到的評分及指標權重，采用土壤肥力質量評價法，得到IMF指數評價土壤肥力(表5)。

表5 土壤肥力評價結果

4.6 土壤污染指數評價

采用土壤重金屬污染評價方法，得到內梅羅污染指數PN。依據土壤重金屬及有機物污染等級劃分表(表2)，評價本項目土壤調查的12個采樣點的污染等級(表6)，土壤污染等級為尚清潔和清潔，項目區無污染土地，符合機場建設要求以及項目區耕作層土壤剝離利用要求，可以對項目區耕作層土壤實行剝離儲存及利用。

表6 土壤污染指數評價結果

4.7 土壤肥力綜合評價

采用SQI指數綜合評價法評價土壤綜合質量，計算土壤肥力質量綜合評價指標值。根據該模型求得土壤養分質量綜合評價指標。并結合土壤pH值、土壤容重及土壤機械組成評價結果得到土壤肥力綜合評價指數。按照土壤質量指數(SQI)評價標準(表3)確定土壤綜合質量等級,并進行土壤質量分類。土壤質量等級從Ⅰ—Ⅴ依次降低，即土壤質量等級Ⅰ為質量最好的土壤，而土壤質量等級Ⅴ的土壤質量相對最差。根據土壤結構指標及土壤污染指標對本項目區12個采樣點的土壤進行評價及其結果(表7)。

表7 土壤質量綜合評價結果

4.8 耕作層剝離深度的確定

以土壤肥力綜合評價指數為基礎，按照《土壤質量指數(SQI)評價標準表》劃分土壤綜合質量等級,進行土壤質量分類，確定執行標準及土壤可利用方向。其中1，3，4，5，8，11，12號采樣點耕作層土壤質量等級為一級，2，6，9號采樣點耕作層土壤質量等級為二級，7，10號采樣點耕作層土壤質量等級為三級，與《膠州耕地》以及膠州市耕地國家利用等別劃分(土地分等定級)的土壤調查結果一致。不同質量等級的耕作層厚度不同，土壤剝離的深度也有所不同。根據耕作層土壤質量等級，參考國家、各省市相關政策和耕作層剝離相關經驗確定土壤剝離深度。其中，一級土壤質量最好，耕作層平均厚度為20 cm，建議的土壤剝離深度為30 cm；二級土壤質量較好，耕作層平均厚度為20 cm，建議對新機場建設項目損毀占用土地的耕作層土壤剝離，土壤剝離深度為20 cm；三級土壤質量中等，耕作層平均厚度為20 cm，選擇性的對新機場建設項目損毀占用土地的部分優質耕作層土壤按層次剝離[10]，土壤剝離深度為10 cm。

5 結 論

(1) 采用土壤重金屬污染評價方法，得到內梅羅污染指數PN。參照土壤重金屬及有機物污染等級劃分表，評價本項目土壤調查的12個采樣點的污染等級為尚清潔和清潔，項目區無污染土地，符合機場建設要求以及項目區耕作層土壤剝離利用要求，可以對項目區耕作層土壤實行剝全部離儲存及利用。

(2) 以土壤肥力對土壤綜合質量的正面貢獻、土壤重金屬及難降解的有機物對土壤綜合質量的負面影響為基本依據，結合最小養分定律及土壤重金屬及有機物污染評價方法，采用了SQI指數綜合評價法評價土壤綜合質量。并結合土壤pH值、土壤容重及土壤機械組成評價結果得到土壤肥力綜合評價指數。按照土壤質量指數(SQI)評價標準確定土壤綜合質量等級,進行土壤質量分類。項目區耕作層土壤質量等級多數為一、二級，部分區域為三級，與《膠州耕地》以及膠州市耕地國家利用等別劃分(土地分等定級)的土壤調查結果一致。

(3) 根據實地踏勘剝離區、存儲區、回覆區地形和地類情況，依據土地利用現狀圖、土地利用總體規劃、耕地地力調查結果、耕地地力等級分布等資料，初步判定耕作層厚度。根據耕作層土壤質量等級，參考國家、各省市相關政策和耕作層剝離相關經驗確定土壤剝離深度。一級土壤質量，耕作層厚度為20 cm，土壤剝離深度為30 cm；二級土壤質量，耕作層厚度為20 cm，土壤剝離深度為20 cm；三級土壤質量，耕作層厚度為20 cm，土壤剝離深度為10 cm。為后續編制耕作層土壤剝離利用方案，指導耕作層土壤的剝離、運輸、存儲和回覆等工作打好基礎。