山地壩區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，是農業生產之要、糧食安全之本。喀斯特地貌地區坡耕地比重大，地塊零星破碎，而壩區具有良好的土地耕作條件，且多具交通區位優勢，生產配套設施較齊備，是喀斯特地貌地區耕地資源中的精華，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結構優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，泗渡壩區隸屬的匯川區為第一階段開展工作52個區/縣之一，于2018年完成調查評價。

該文以匯川區泗渡壩區耕地土壤為評價對象，對區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據管理與維護(應用)子系統，以耕地圖斑為評價單元，針對壩區耕地進行地球化學評價，同時結合農作物的調查評價，查明了壩區耕地土壤的地球化學綜合質量及農作物質量，為壩區耕地管護、農業種植規劃等提供了重要的依據。

1 研究區概況

泗渡壩區隸屬于遵義市匯川區泗渡鎮，位于遵義城區北郊大婁山南麓，距市中心約26 km，南接高坪鎮，西鄰沙灣鎮，北連板橋鎮，交通便利，見圖1。氣候溫和，雨量充沛，森林覆蓋率31 %。研究區為一個山間平壩，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”泗渡鎮的糧食主產區。

研究區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、灰巖。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，疊加項目區最新的高清衛片，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 研究區區位交通圖

農作物水稻樣品于水稻收獲盛期10月份進行采集，根據壩區內水稻種植情況，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《生態地球化學評價樣品分析技術要求》執行。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《土地質量地球化學評價規范》(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平臺進行數據處理和圖件繪制。

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，即土壤養分指標、土壤環境指標、農作物特色及重金屬元素含量指標。土壤養分指標包括有機質、N、P、K、B、Mo、Se、I、F、Ge、Cu、Zn、Co、V；土壤環境指標包括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。

評價單元為匯川區泗渡壩區1：

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

3.2 土壤養分地球化學評價

該文從營養元素、有益元素單指標以及土壤養分綜合等級等方面進行評價，將營養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《土地質量地球化學評價規范》(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、鉀單指標養分等級，按照下面公式計算土壤養分地球化學綜合得分/養綜：

式中：

f養綜—壤氮、磷、鉀評價總得分1≤f養綜≤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，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)；

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。土壤養分地球化學綜合等級劃分見表4。

表4 土壤養分地球化學綜合等級劃分表

3.3 土壤環境地球化學評價

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 土壤環境質量評價

表7 基于單項污染物的農用地土壤環境質量評價分類

基于單項污染物的農用地土壤環境質量評價分類見表7。

評價單元土壤環境質量類別按照級別優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《土壤環境質量 農用土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618—2018)評價確定的土壤環境質量結果，結合按《按土地質量地球化學評價規范》(DZ/T0295—2016)評價確定的土養分綜合質量結果，以及規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；

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 耕地土壤養分地球化學等級特征

4.1.1 土壤中必須養分元素單指標等級特征

研究區內耕地土壤營養元素指標地球化學等級評價結果見表10。研究區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。區內耕地土壤硒元素以二級富硒為主，見圖2。占區內耕地面積比例的86.12 %，區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，占區內耕地面積的48.11 %，富鍺耕地較少，僅占區內耕地面積的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，占區內耕地面積的98.58 %。

表10 耕地土壤養分元素地球化學等級統計表(單位：萬畝)

表11 耕地土壤碘、氟元素地球化學等級統計表(單位：萬畝)

表12 耕地土壤硒元素地球化學等級統計表(單位：萬畝)

圖2 耕地土壤硒等級分布圖

4.1.3 土壤養分地球化學綜合等級

研究區內耕地土壤養分綜合等級以較豐富為主，見圖3。面積1.8461萬畝，占區內耕地73.91 %；中等的耕地面積0.5940萬畝，占區內耕地面積的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，占區內耕地面積的2.31 %，集中分布在北部的婁山關村、板橋村。區內無養分綜合等級為較缺乏、缺乏的耕地。

圖3 耕地土壤養分綜合等級圖

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

表13 耕地土壤酸堿度等級統計表(單位：萬畝)

4.2.2 土壤重金屬單指標及環境綜合等級

研究區內耕地土壤環境地球化學等級評價結果見圖5、表14。Cr、Pb、Hg、Zn、Ni 5種重金屬元素的環境地球化學等級全部為優先保護類。As、Cu、Tl 3種重金屬元素環境地球化學等級為優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 %。鎘元素環境地球化學等級以優先保護類為主，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 耕地土壤環境質量綜合等級圖

表14 耕地土壤環境元素地球化學等級統計表(單位：萬畝)

4.3 農作物質量及安全性評價

研究區地勢較平坦，水源充足，農作物以水稻為主。該次工作在區內共采集了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

將土壤養分地球化學綜合等級與土壤環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，研究區內耕地土壤質量綜合等級較好，以一等(優質)為主，面積1.4627 萬畝，占區內耕地面積的58.56 %，二等(良好)耕地面積0.5190 萬畝，占區內耕地面積的20.78 %，三等(中等)耕地面積0.5161 萬畝，占區內耕地的20.66 %。區內無差等、劣等耕地。總體上，中部、北部耕地土壤質量等級以優質為主，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具有很強的實用性，是對壩區耕地進行科學管理和發展綠色農業的基礎，研究成果可以在壩區耕地質量等級評價、500畝以上壩區范圍調整、壩區種植結構優化及特色農業規劃、土地整理中廣泛應用，對壩區耕地數量、質量、生態“三位一體”保護管理工作具有重要的意義。

4.5.1 壩區耕地質量等別更新

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一般為土壤質地、肥力、坡度、灌溉保障等對農業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，考慮增加土壤環境質量等級以及農作物安全性特色性等因素。泗渡壩區內存在土壤環境質量較好，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測；同時在壩區內發現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畝以上壩區范圍的調整

貴州省于2019年頒布的《貴州省500畝以上壩區種植土地保護辦法》對500畝以上壩區的的界定，是指位于地形坡度小于6度的壩區內，相對集中連片的耕地、園地。保護辦法中提出可以劃入壩區的土地范圍包括：①土地利用總體規劃確定的允許建設區、有條件建設區內，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。通過對壩區耕地質量地球化學調查評價工作取得的成果，根據壩區發展的需要，可以對壩區范圍進行優化調整，將符合條件的優質耕地劃入壩區范圍內。

4.5.3 壩區種植結構優化及特色農業規劃

為了發揮壩區耕地資源的優勢，壩區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一經營，一部門為私人業主承包獨立經營。由于經營主體較多，壩區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，在壩區邊緣以及地塊較小的區域，則多種植水稻。壩區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，發現富硒水稻樣本，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高的農作物，發揮壩區富硒耕地的資源優勢。

4.5.4 壩區土地整治

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。耕地土壤中營養元素、有機質含量缺乏時，將不能給農作物提供充足的養分，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 壩區農業生產

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

5 結 語

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

(2)區內耕地土壤養分綜合等級好，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南部相對較低，氟元素在區內含量較高，過剩等級占98.58 %。

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

(4)壩區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耕地的分等定級、壩區規劃及產業結構調整、壩區土地整治和農業生產活動中。