生態視角下南方典型丘陵區耕地健康診斷
——以江西省奉新縣為例

余慧敏，郭 熙

（江西農業大學國土資源與環境學院/江西省鄱陽湖流域農業資源與生態重點實驗室，江西 南昌 330045）

1 引言

耕地作為人類生命過程中根本性的物質基礎，是國家糧食安全的重要資源保障[1]，耕地健康關系農產品質量安全與農業可持續發展，成為人類健康的基礎。在人多地少的中國，伴隨著城鎮化、工業化高速推進，出現了耕地生產功能下降、耕地生態環境污染等問題，耕地健康狀況不斷惡化[2]，由此產生的農產品品質下降、農作物減產等現象也日益受到人們的關注。在新時代“創新、協調、綠色、開放、共享”的理念下，耕地保護進入新時期，有必要開展耕地健康研究，診斷耕地健康狀況，以期為促進耕地資源高效可持續利用、保障國家糧食安全、推進耕地數量—質量—生態三位一體的保護目標提供參考。

健康概念最初用于表征人類生命體的狀況，隨著科學的發展被應用于不同領域，耕地健康概念也由耕地質量逐漸衍生而來。20世紀40年代ALDO LEOPOLD[3]首先提出了土地健康概念，20世紀80年代以來，加拿大農業部[4]、美國農業部自然資源保護局[5]、美國康內爾大學[6]、ROPER[7]、ESHEL[8]等分別開展了土壤健康相關的研究。國內，陳美球[9]等綜述了國際土地健康研究的進展并總結出適合中國實際的國內研究的方向與內容。單美[10]、李強[11]等從耕地資源與土壤環境相結合的角度進行了平原區耕地健康的評價研究。唐麗靜[12]從土地肥力、土地環境質量等方面選取指標對黑土區土地健康進行評價。高涵[13]等定義了一個大尺度、寬范圍、廣視角的耕地健康概念，分析了中國耕地健康發展態勢并提出了耕地健康管理的建議。目前，國內針對南方丘陵區的耕地健康研究較少，南方丘陵區是中國重要的糧食生產基地，其地形特征與環境條件較為復雜，耕地狀況可能受到多種因素的影響。當前自然資源部門[14]和農業部門[15-16]的耕地質量相關評價規范中未選取耕地土壤環境相關的生態性指標，從2018年8月1日起實施了生態環境部印發的《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》，但在實際的耕地質量相關研究中鮮有采用相關標準。在新時代背景下，耕地生態安全愈發受到人類的關注與重視，現有的指標體系難以滿足國家對耕地數量、質量、生態“三位一體”精準管理的需求[17]。基于此，本文在參考已有研究的基礎上，將土壤肥力指標、耕地土壤環境污染性指標及有益性指標均納入到耕地健康診斷的指標體系中，構建生態視角下的未污染區耕地健康評價、污染區耕地病態診斷的耕地健康診斷模式，以期為南方典型丘陵區耕地資源的分類管護與合理利用提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區域概況

奉新縣位于贛西北部，距省會南昌市65 km，地處北緯28°34′～28°52′、東經114°45′～115°33′之間，屬中亞熱帶氣候，四季分明，降雨充沛，地形以丘陵山地為主，地勢西高東低，自西北向東南逐漸傾斜，大小丘陵崗地分布其間，全境為東西長、南北窄的長條形地域。全縣2015年土地總面積為160 306.86 hm2，其中耕地為39 355.38 hm2，占比24.55%。

2.2 數據來源

本文運用地塊法，將奉新縣2015年耕地質量等別更新數據中的20 603個耕地圖斑作為評價單元，面積共計39 355.38 hm2。灌溉水環境質量數據來源于土地質量地球化學評價數據、奉新縣灌溉規劃，選取《農田灌溉水質標準》作為評價的標準值。土壤肥力數據來源于奉新縣測土配方施肥數據、179個土壤實際采樣點數據。土壤重金屬數據來源于74個土壤實際采樣數據樣點，參照《土壤環境質量標準》作為污染評價標準值。有益微量元素基于179個土壤采樣點，其中有效鉬數據來自奉新縣測土配方施肥數據。有益微量元素、有效鉬與土壤重金屬采樣點分布見圖1。

2.3 耕地健康診斷體系

2.3.1 指標體系的構建

健康土壤首先表現為土壤有活力，能夠供植物生長，土壤活力的核心是土壤肥力[18]，因此，土壤肥力是耕地健康的基礎。土壤重金屬、灌溉水環境質量中產生的污染物含量過高則會影響耕地健康，而土壤有益微量元素的作用在一定的范圍內則有益于耕地健康[10]。耕地健康是一個綜合概念，結合奉新縣實際情況，本文基于生態視角，選取影響耕地土壤環境的土壤重金屬、灌溉水環境質量兩個生態指示性指標作為指標體系的重要組成部分以代表和反映研究區生態狀況；用土壤肥力指標表征耕地的自然本底狀況，土壤肥力指標則是眾多耕地評價的基礎性指標；本文也將有益微量元素納入到指標體系中，現有的耕地評價相關研究中鮮有涉及有益微量元素，有益微量元素在調節植物生長、提高農作物產量[19]以及影響人類及動植物健康方面有著不可忽視的作用[20]。

圖1 奉新縣耕地健康診斷采樣點分布圖Fig.1 The sampling points distribution map of farmland health diagnosis in Fengxin County

表1 土壤肥力、灌溉水環境質量與土壤重金屬分級標準Tab.1 The classification standards of soil fertility, environmental quality of irrigated water and soil heavy metals

土壤肥力是作物生長的營養源泉，主要包括有機質含量和土壤養分元素，其中有機質含量是影響土壤性質的主導性因素之一，而土壤養分元素則為作物生長所必需，本文的土壤肥力指標包括有機質、有效磷、速效鉀、有效硅、有效鈣及有效鎂。耕地土壤環境指標包括了土壤重金屬、有益微量元素以及灌溉水環境質量等，對環境有主要危害的重金屬“五毒”元素為汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）和類金屬砷（As）, 其中以汞毒性最大，其次為鎘、鉛、鉻、砷[21]，本文的土壤重金屬指標選取上述5種元素。灌溉水環境質量反映灌溉水質量是否能夠達到灌溉水質要求，本文灌溉水環境質量指標包括水質pH、水質化學需氧量、水質總汞、水質總砷、水質總鉻、水質氟化物。有益微量元素指對人體健康有益的而攝入量較小的元素，包括有效鐵、有效硼、有效銅、有效鋅、有效錳、有效鉬。

2.3.2 單一指標評價方法

（1）土壤肥力評價方法。耕地健康診斷在土壤肥力評價的基礎上進行，首先對土壤肥力指標采用多指標加權求和法求取土壤肥力分值（F），權重確定采用層次分析法[22]，對肥力分值采取自然斷點法進行分級，得出土壤肥力分值分級標準。

（2）土壤重金屬、灌溉水環境質量評價方法。兩指標值均采取內梅羅綜合污染指數法，當前水質評價[23]、重金屬評價[24-25]中應用此方法較多，該方法在多因子加權過程中能夠兼顧極值，全面反映耕地受到污染的水平，突出主要污染物的危害[26-27]，計算公式如下：

式（2）—式（3）中：P綜為內梅羅綜合污染指數為各項污染物的污染指數平均值；Pi,max為各污染物的污染指數最大值；Pi為污染物i的污染指數；Ci為污染物i的實測含量；Si為污染物評價標準值。得出的綜合指數依據分級標準進行分級、賦分。土壤肥力、灌溉水環境質量與土壤重金屬指標的分級標準見表1。

（3）有益微量元素評價方法。該指標評價根據木桶原理，采用最小因子法計算有益系數，評價單元的得分受最低分值因子的限制作用，將多個評價因子得分中的最小值作為評價單元的土壤有益系數（B）[28-29]。有益微量元素分值依據峰型隸屬度函數進行計算，計算公式如下：

式（3）中：yi為評價因子的隸屬度；ui為評價因子的值；ai為常數；uti，ut2分別為指標上、下限值。分級標準見表2。

表2 有益微量元素分級標準Tab.2 The classification standards of beneficial trace elements (mg/kg)

2.3.3 耕地健康診斷體系

當前《農用地定級規程》中因素法的應用較多[30-31]，該方法在實際應用中對所有評價指標賦權重求取綜合分值，弱化了各分項指標對耕地評價級別的影響，修正法則是通過乘法運算求取結果，更能凸顯某單項指標分值的變化對耕地評價級別的影響[1]。本研究的評價指標中，灌溉水環境質量、土壤重金屬表征耕地的污染狀況，一旦耕地受到污染，耕地則變為不健康，任何其他指標都無法改變耕地受到污染的狀態，凈土才能潔食，只有無污染、肥力充足、能促進人類和動植物健康的耕地才是健康的。

耕地健康診斷應該表征污染區耕地的污染狀態以及未污染區耕地的健康狀態兩種情況。為此，本文的耕地健康診斷在單一指標評價的基礎上，根據土壤重金屬、灌溉水環境質量評價結果，評價單元分為受污染區和未污染區兩類。

對污染區的評價單元，從灌溉水環境質量、土壤重金屬兩個污染性指標分類診斷耕地污染狀態。對未污染區的評價單元，利用有益系數（B）對土壤肥力分值（F）進行修正，得出未污染區評價單元的耕地健康指數（H），修正公式見式（4）：

3 結果與分析

3.1 單一指標評價結果

利用ArcGIS軟件對各評價指標樣點進行普通克里金（Kriging）插值，將其插值結果賦到研究區所有評價單元上，得出奉新縣所有單元的各指標數據，利用單一指標評價方法對應求出各指標分值，依據相應分級標準制作出土壤肥力級別圖、灌溉水環境質量級別圖、土壤重金屬級別圖及有益系數圖（圖2）。

由圖2（a）可以發現，奉新縣耕地土壤肥力級別總體較高，肥力級別最高的耕地分布在中東部居多。經統計，全縣僅7.13%的耕地為最低4級，2級最多占42.57%，其次為1級占32.85%，17.44%為3級，表明全縣耕地自然本底較好，耕地土壤基礎肥力水平中等偏上。查閱奉新縣地形圖與《奉新縣土壤志》發現，中部往東相對西部地區的地勢更為平坦，因而耕地集中在中東部地區；中東部地區處于丘陵低階地與河湖沖、沉積平原交接地區，土壤質地以壤土為主，易于田間耕作管理，因而該區土壤肥力級別相對更高；同時，中東部地區相對西部的耕地肥力級別更為分散，各個級別的肥力水平均有分布，肥力級別低的耕地主要集中在中東部，人類耕種、施肥、田間管理等外來因素的影響可能導致耕地肥力水平差異較大，而西部地區為低山地區，耕地分布較為分散，交通較為不便，農戶耕種行為相對困難，耕地受到外來影響相對較少，因而肥力水平差異較小。

由圖2（b）可以發現，全縣耕地灌溉水水質總體良好，水質受污染的區域主要分布在馮川鎮及其周邊地區。經統計，水質級別為1級的耕地占95.62%，2級占3.52%，僅0.86%為3級，可見，全縣耕地灌溉水水質大部分處于清潔狀態；僅靠近馮川鎮為主的4.38%的耕地灌溉水受到污染，其中3.52%的灌溉水為輕微污染；0.86%的水質不清潔，馮川鎮為縣城所在地，縣城人口較為集中、社會發展相對較快，由人類活動產生的生活污水、工業廢棄物以及汽車尾氣等因素的影響，導致縣城周邊耕地灌溉水質受到污染，且最靠近縣城的灌溉水質受污染最嚴重。

由圖2（c）發現，全縣耕地土壤重金屬污染很少，僅位于石溪鄉少量為輕微污染。統計發現，土壤重金屬級別1級占99.4%，2級為0.6%，表明全縣耕地土壤重金屬污染很少。土壤重金屬來源受到自然因素與人為因素共同影響，農業施肥會對土壤中重金屬累積量產生直接影響，而根據實地走訪調查與相關統計資料，奉新縣土壤自然本底較好、土壤中重金屬含量不高，縣域內工業發展程度不高；此外該縣較為注重生態農業，因而全縣稻田土壤重金屬污染很少，少量重金屬超標的耕地可能是由于母質類型所導致，也有可能與采樣、檢驗誤差等的影響有關。

由圖2（d）發現，全縣耕地有益微量元素含量總體中等偏低，以縣域中東部地區有益微量元素含量相對豐富，宋埠鎮、澡下鎮的少數耕地有益系數為0，統計發現全縣耕地有益系數以0.4居多，占73.47%，系數為0.6的占25.68%，系數為0的占0.85%。土壤微量元素的含量及其分布受到土壤類型、地形、人類活動等多種因素的影響[32]，中東部地區為低山丘陵向低丘平原的過渡地區，受海拔、土壤、人類耕作行為等的影響可能導致該區有益微量元素的積累。

3.2 耕地健康診斷結果

對未污染耕地計算健康指數，得出未污染區評價單元的健康指數在34.00～73.60，利用自然斷點法形成健康指數分級標準（表3），依據該分級標準，得出各評價單元的耕地健康級別，并統計出各級別下的評價單元圖斑面積、數量及比例分布狀況；綜合土壤重金屬、灌溉水環境質量評價結果，對受污染耕地進行分類，統計出各污染狀態下的評價單元面積、數量及比例分布狀況。綜合上述評價結果，得出奉新縣耕地健康診斷結果見表4，奉新縣耕地健康診斷狀態見圖3。

據表4可知， 全縣未受污染的耕地共有37 396.03 hm2，占總耕地面積的95.02%。其中健康耕地面積為35 269.23 hm2，占89.62%；一般健康耕地面積為16 021.86 hm2，占40.7%；因肥力缺乏而處于亞健康狀態耕地面積為2 126.80 hm2，占5.40%；因受到污染因而不健康耕地面積為1 959.34 hm2，占耕地總面積的4.98%。由圖3可以看出，全縣大部分耕地處于健康狀態，健康級別最高的耕地位于中東部地區，西部地區的耕地健康級別相對較低，受到污染的耕地集中在以馮川鎮為中心的縣城周邊地區和西北區的石溪鄉等，其中，中東部地區受污染的耕地為灌溉水質污染，西北部少數受污染耕地為土壤重金屬輕微污染。

表3 奉新縣未污染耕地健康指數分級標準Tab.3 The classification standards of unpolluted farmland health index in Fengxin County

表4 奉新縣耕地健康診斷結果Tab.4 The results of farmland health diagnosis in Fengxin County

圖3 奉新縣耕地健康診斷圖Fig.3 The health diagnosis map of farmland in Fengxin County

4 結論與討論

（1）本文選取有機質含量、有效磷、速效鉀、有效硅、有效硫、有效鈣、有效鎂7個因子進行土壤肥力水平評價；選取鉻、鉛、鎘、砷、汞5種土壤重金屬元素和灌溉水環境質量指標進行耕地污染評價，選取有效鐵、有效硼、有效銅、有效鋅、有效錳、有效鉬6種有益微量元素進行耕地有益系數評價，并在此基礎上，將未污染耕地與污染區耕地分開，構建了未污染區耕地健康評價、污染區耕地病態診斷的耕地健康診斷模式，該診斷模式創新了已有耕地質量、耕地健康相關的評價模型，避免了傳統多因素綜合下對耕地受污染狀況掩蓋的弊端，根據診斷結果能更好的開展耕地資源的分類治理，促進耕地資源的高效利用與合理保護，促進農業的綠色和可持續化發展。結果表明，全縣耕地總體健康狀況良好，健康耕地占89.62%，5.4%的耕地因缺肥處于亞健康，4.98%的耕地因受到污染因而不健康。

（2）健康的耕地帶來健康的產能，應以第三次國土調查為契機，從本體健康、母體健康、受體健康和系統健康4個方面同步開展耕地健康診斷工作，并且在今后的耕地質量評價中結合健康診斷的指標體系和方法開展耕地健康的長期監測工作。

南方丘陵區地形復雜，耕地土壤屬性以及環境污染空間異質性較強，必須設計合理的采樣數量和間距，才能更加快速高效地診斷南方丘陵區耕地健康狀態；同時針對灌溉水質污染源以及重金屬污染主要來源于城鎮和工業園區的特點，重點研發和推廣以污水處理、生態溝渠、河岸植被緩沖帶、景觀型多級階梯人工濕地護坡等技術綜合一體的城市近郊河道小流域分散面源污染防控技術，保護城鎮周邊的優質生態良田。各級政府和有關部門應深入推進涉鎘等重金屬重點行業企業排查整治，打擊非法排污，切斷鎘等重金屬污染物進入農田的途徑，并切實防止邊治理邊污染的現象。

南方丘陵區耕地分布零散、破碎，農田水利設施同時也具有小、散、難以管理的特點，不同健康狀態的耕地呈現出交叉分布的形態。必須以高標準農田建設為契機，大力開展高標準生態良田建設的工作。對于高等級、無污染的永久基本農田實施優先保護；對中低等級、有輕度污染存在的永久基本農田，要安全利用，同時要加強在安全利用過程中的自然恢復和耕地健康建設，使有效耕作層變厚、使土壤有機質增加、使農田健康防護體系完善，減少農業生產過程中對耕地健康的損耗，逐步提高耕地健康水平；對有中重度污染的永久基本農田要嚴格管控，直至退出農業生產。

（3）耕地健康涉及土壤學、環境科學、植物營養學等眾多領域，其評價指標的選取是耕地健康研究中的重點與難點問題。耕地健康受耕地自然本底、土壤環境以及耕地生態狀況共同影響，其中耕地環境不僅受到重金屬污染與灌溉水質污染，大氣污染、土壤有機物污染同樣對耕地土壤環境造成威脅，而耕地生態狀況則與土壤生物息息相關。在實際的研究過程中，由于資料數據收集的有限性，本文未將土壤有機物污染、大氣污染以及土壤生物指標納入到耕地健康診斷的指標體系中，耕地健康診斷的指標體系有待于日后的細化與完善。耕地健康的最終目的與作用是維持人類生命體的健康，耕地健康等級劃分的閾值與人體健康有著密切的聯系，本文由于現實因素的限制，未開展耕地健康對人體健康影響的研究，難以反映耕地健康評價的真正價值，因此在今后的研究中還需把耕地健康與人體健康關聯起來，探索更為科學、合理的耕地健康分級的閾值，實現耕地健康對人體健康的影響研究。